MBOM在國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中的應(yīng)用

張 騰，趙曠世，苑 鑫，周學(xué)理

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

0 引言

隨著新一代信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。燃?xì)廨啓C(jī)的制造是典型的離散型生產(chǎn)，建造周期相對(duì)較長，工藝流程復(fù)雜，單件小批量，中間產(chǎn)品種類非標(biāo)件數(shù)量多，物理尺寸差異大，作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，故而對(duì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出了特殊要求。綜合國外先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)智能制造發(fā)展趨勢(shì)，國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程全面采用MBD技術(shù)，將三維設(shè)計(jì)信息、產(chǎn)品制造信息共同定義到三維模型中，再通過MBOM的形式組織起來，將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)管理和倉儲(chǔ)管理等方面打通，有效縮短產(chǎn)品形成周期，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)普遍比較復(fù)雜，產(chǎn)品配套的零件品種和數(shù)量眾多，產(chǎn)品的復(fù)雜性導(dǎo)致了產(chǎn)品裝配過程的復(fù)雜性，這也是影響燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品制造周期最主要的因素[1]。在從事國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制的企業(yè)中，PLM(產(chǎn)品生命周期管理)、ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)和MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))已經(jīng)成為企業(yè)管理信息系統(tǒng)的重要組成部分。在企業(yè)信息化具備一定基礎(chǔ)后，將基于模型的設(shè)計(jì)、虛擬仿真試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)化工藝、制造資源計(jì)劃、制造執(zhí)行管理等解決方案進(jìn)行融合并得以落地應(yīng)用已成為急需解決的問題。

MBOM(制造物料清單)的管理是制造數(shù)據(jù)管理的核心內(nèi)容[2]，將MBOM這一核心數(shù)據(jù)在PLM、ERP和MES系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，以MBOM為載體驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)研制相關(guān)業(yè)務(wù)自動(dòng)流轉(zhuǎn)，串聯(lián)起各個(gè)信息化系統(tǒng)解決方案，可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提高和研制效率的提升。研究提出的內(nèi)容將在中船重工龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司數(shù)字化工廠中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 MBOM的分類

BOM的全稱是Bill of Material，是物料清單或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，包括零部件號(hào)、零部件名稱、層級(jí)、數(shù)量等[3]。BOM是PDM/MRP/ERP信息化系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其組織格式設(shè)計(jì)合理與否直接影響著系統(tǒng)的處理性能。燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品要經(jīng)過工程設(shè)計(jì)、工藝制造設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造3個(gè)階段[4]。根據(jù)BOM在產(chǎn)品研制過程中不同階段的應(yīng)用，可將其細(xì)分為EBOM(Engineering BOM，設(shè)計(jì)BOM)、PBOM(Process BOM，工藝BOM)和MBOM(Manufacturing BOM，制造BOM)。

PBOM與EBOM結(jié)構(gòu)一致，包含EBOM中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息。PBOM在EBOM的基礎(chǔ)上對(duì)零組件進(jìn)行自制或外購的劃分，指定需求時(shí)間，對(duì)自制零組件再進(jìn)行工藝分工，劃分責(zé)任部門，指定工藝路線，由責(zé)任部門負(fù)責(zé)工藝設(shè)計(jì)，對(duì)外購的零組件進(jìn)行分包，為下一步統(tǒng)一采購做好準(zhǔn)備。

圖1 從PBOM至MBOM的轉(zhuǎn)化示意圖Fig.1 Diagram of conversion from PBOM to MBOM

MBOM作為制造物料清單或制造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，在EBOM和PBOM的基礎(chǔ)上包含產(chǎn)品的所有屬性信息和分工分包信息，能夠反映零組件之間的工藝裝配關(guān)系及配套資源的分層次物料清單。MBOM構(gòu)建與制造任務(wù)密切相關(guān)，它會(huì)根據(jù)制造任務(wù)書上的產(chǎn)品清單，按一定配置規(guī)則抓取對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的PBOM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼湊和裁剪，同時(shí)以“快照”的形式記錄和鎖定MBOM數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)[5]。在PBOM的基礎(chǔ)上，工藝員從燃機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中讀取零組件的結(jié)構(gòu)和屬性信息，依據(jù)零組件加工、裝配過程重新組織BOM結(jié)構(gòu)，增加過程件、輔料、制造特征、毛坯半成品等，制定裝配及加工工藝，建立裝配單元與生產(chǎn)單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并與庫存匹配[6]，形成MBOM。

2 國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中應(yīng)用MBOM的意義

燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為裝備制造行業(yè)“皇冠上的明珠”，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。燃?xì)廨啓C(jī)研制過程非常復(fù)雜，國外技術(shù)封鎖嚴(yán)密，國產(chǎn)燃機(jī)輪機(jī)研制起步較晚，同國際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)如果仍然采用傳統(tǒng)研制模式，面臨著周期長、成本高等風(fēng)險(xiǎn)。需采用新研制模式，將三維模型以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的形式組織起來，作為燃?xì)廨啓C(jī)全生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

以BOM作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，將支持國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制企業(yè)在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中大量使用虛擬仿真技術(shù)快速迭代，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)化工藝編制過程中，以MBOM作為制造目標(biāo)搭建工藝結(jié)構(gòu)。在制造資源計(jì)劃制定過程中，通過MBOM驅(qū)動(dòng)物料需求計(jì)劃(MRP)運(yùn)算并生成物料準(zhǔn)備清單。在制造執(zhí)行管理過程中，基于MBOM匯總質(zhì)量記錄信息?；贛BOM在國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中的應(yīng)用，從而大幅提高燃?xì)廨啓C(jī)的研制效率。

3 MBOM對(duì)國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程的應(yīng)用價(jià)值

中國船舶龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司(以下簡(jiǎn)稱龍江廣瀚)集燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)、生產(chǎn)、試驗(yàn)的軟硬件平臺(tái)于一體，在公司信息化建設(shè)初期實(shí)現(xiàn)了基于EBOM生成PBOM，并依據(jù)PBOM自動(dòng)生成采購清單、下發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)至責(zé)任人等功能。

龍江廣瀚數(shù)字化工廠項(xiàng)目建設(shè)以及近兩年的功能升級(jí)過程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)MBOM的應(yīng)用，基于MBOM中添加的毛坯、輔料等信息，解決了之前采購清單中物料不完整的問題。龍江廣瀚制定成熟度標(biāo)準(zhǔn)后，在設(shè)計(jì)工藝并行過程中能夠?qū)BOM中的長周期件提前進(jìn)行采購，使燃機(jī)生產(chǎn)的齊套性得到保障?；贛BOM的應(yīng)用還實(shí)現(xiàn)了面向制造的設(shè)計(jì)，使得在設(shè)計(jì)階段能夠盡早考慮與制造有關(guān)的約束，縮短燃機(jī)研制周期。

在制造檢驗(yàn)過程中，基于整機(jī)MBOM能夠拉動(dòng)生產(chǎn)，明確自制件和外購件，驅(qū)動(dòng)物料需求計(jì)劃(MRP)運(yùn)算后自動(dòng)生成生產(chǎn)訂單。通過自動(dòng)生成的物料準(zhǔn)備清單使得工人可以一次完成生產(chǎn)某一部套的全部領(lǐng)料工作，提高了設(shè)備的利用率，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提升了工人的工作效率。

得益于MBOM的應(yīng)用，無論是大量的虛擬仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還是物理樣機(jī)的制造和檢驗(yàn)信息，都能夠以MBOM為載體反饋給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化迭代，快速定位，降低遺漏或出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)研制過程中的設(shè)計(jì)變更次數(shù)得以大幅度下降。

4 MBOM在國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中的應(yīng)用

無論是對(duì)于已經(jīng)成立并處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段的國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)，還是即將新建的企業(yè)，MBOM的應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)研制過程中都是不可或缺的。需要在管理規(guī)章制度方面建立相適應(yīng)的管理規(guī)范，形成MBOM管理體系，以指導(dǎo)MBOM管理工作，如在原有標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，對(duì)《MBOM構(gòu)建與管理規(guī)范》進(jìn)行內(nèi)容修訂，增加對(duì)零部件工藝分工路線的規(guī)定及相應(yīng)的BOM管理要求[7]。

4.1 結(jié)構(gòu)化工藝

工藝數(shù)據(jù)信息作為制造企業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁起著連接作用，是產(chǎn)品生命周期管理中重要的組成部分[8]。MBOM數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化工藝流程是MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)需要從上游PLM系統(tǒng)獲取的主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[9]。MBOM 是根據(jù)制造加工部門的加工水平和能力對(duì)EBOM 再設(shè)計(jì)得來的，通過MBOM 可以明確地了解零件之間的制造關(guān)系以及加工狀態(tài)等信息[10]。通過基于PLM系統(tǒng)的客戶端二次開發(fā)，工藝員在接收到EBOM后，可以在PLM系統(tǒng)中直接創(chuàng)建與EBOM結(jié)構(gòu)一致的MBOM，MBOM中的各個(gè)零組件id與EBOM中的零組件id相互對(duì)應(yīng)。EBOM中所有零組件的版本屬性、表單等數(shù)據(jù)都會(huì)同步到MBOM中，保障數(shù)據(jù)完整、一致。EBOM中各零組件掛接的三維模型(UGMASTER)、圖紙(PDF)等數(shù)據(jù)集會(huì)自動(dòng)復(fù)制到MBOM中的對(duì)于零組件下。

圖2 MBOM和工藝結(jié)構(gòu)樹關(guān)聯(lián)示意圖Fig.2 Diagram of correlation between MBOM and BOP

該MBOM所有權(quán)為工藝員，工藝員可以根據(jù)工藝過程重新組織MBOM的層級(jí)結(jié)構(gòu)，為MBOM添加虛擬件、輔料等，之后，將MBOM作為制造目標(biāo)編制結(jié)構(gòu)化工藝，將MBOM與結(jié)構(gòu)化工藝中各個(gè)工序下的工具、刀具、設(shè)備、工裝等相關(guān)聯(lián)，作為向ERP和MES系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)源頭，將以MBOM形式組織起來的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源從設(shè)計(jì)階段延伸到工藝、制造和檢驗(yàn)階段，保證了工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性。

4.2 分工分包

MBOM整機(jī)搭建完成后，篩選出外購件和自制件，按照整機(jī)裝配順序確定需求時(shí)間，對(duì)外購件進(jìn)行分包采購，對(duì)自制件進(jìn)行分工，這是一項(xiàng)繁雜、系統(tǒng)的工作，極易產(chǎn)生遺漏、差錯(cuò)等問題。

通過對(duì)MBOM的應(yīng)用，每次分工分包工作結(jié)束后，MBOM中每個(gè)零組件的分工會(huì)以物料編碼為統(tǒng)一身份標(biāo)識(shí)，將外購或自制、分包及分工信息以數(shù)據(jù)庫的形式儲(chǔ)存起來。完成分工分包工作后，MBOM以及與它關(guān)聯(lián)的工藝過程、工藝資源信息將通過線上流程審批，經(jīng)驗(yàn)證并適合于每個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，批準(zhǔn)后發(fā)送到ERP系統(tǒng)[11]。在未來對(duì)新型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)的MBOM進(jìn)行外購件、自制件劃分及分工和分包工作時(shí)，可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫，將歷史分工分包信息寫入，供生產(chǎn)運(yùn)行管理中心人員參考。

4.3 MRP運(yùn)算

將PLM系統(tǒng)中搭建好的MBOM和與之關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化零件工藝和裝配工藝應(yīng)用在PLM與ERP系統(tǒng)的集成環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)研制相關(guān)活動(dòng)的所有資源、過程的統(tǒng)一管理，有目標(biāo)地進(jìn)行成本管控、質(zhì)量管控和客戶服務(wù)管理等[12]。同時(shí)，MBOM作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠驅(qū)動(dòng)ERP系統(tǒng)中的MRP運(yùn)算，自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)排程。MBOM數(shù)據(jù)的及時(shí)有效性直接影響采購、銷售、財(cái)務(wù)核算等模塊的推進(jìn),其準(zhǔn)確性是整個(gè)財(cái)務(wù)體系準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)保障[13]。

研制燃?xì)廨啓C(jī)的典型離散制造企業(yè)面臨著型號(hào)產(chǎn)品混線生產(chǎn)過程中作業(yè)任務(wù)以單件產(chǎn)品為個(gè)體組織生產(chǎn)時(shí)存在的由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、作業(yè)生產(chǎn)過程不易把控等問題而導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)物料混亂、產(chǎn)品交貨期難以保證等問題[14]，通過MBOM在MRP運(yùn)算中的應(yīng)用，在燃?xì)廨啓C(jī)裝配工作開始前就可以生成包含了工、量、輔、夾以及毛坯件、虛擬件和外購件的生產(chǎn)準(zhǔn)備清單，通過MES系統(tǒng)將生產(chǎn)準(zhǔn)備清單和生產(chǎn)訂單一起推送給現(xiàn)場(chǎng)操作者，確保零件生產(chǎn)和部件裝配工作能夠按時(shí)、有序地開展，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

4.4 虛擬仿真

通過MBOM的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)帶有工具工裝的燃?xì)廨啓C(jī)零組件或整機(jī)虛擬加工仿真驗(yàn)證、裝配路徑規(guī)劃，并輔以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查[15]，當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)更改時(shí)，EBOM升版電子流程在線上發(fā)起后，將會(huì)自動(dòng)通知生產(chǎn)單位工藝部門對(duì)圖紙及EBOM更改處進(jìn)行甄別，之后觸發(fā)MBOM的升版流程，對(duì)MBOM及相關(guān)分工分包清單進(jìn)行更改[16]，確保數(shù)據(jù)及時(shí)更新，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的版本統(tǒng)一。

基于升版后的MBOM再次進(jìn)行虛擬仿真研制，根據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的分析提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，觸發(fā)設(shè)計(jì)變更。依據(jù)這一閉環(huán)的流程，經(jīng)過多輪優(yōu)化迭代，能夠大幅度節(jié)約成本，提升燃?xì)廨啓C(jī)研制效率。

圖3 基于MBOM的虛擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Diagram of optimizing design through virtual simulation based on MBOM

5 結(jié)論

MBOM在龍江廣瀚國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制各階段的深入應(yīng)用，使得數(shù)字化工廠中基于模型的結(jié)構(gòu)化工藝、制造資源計(jì)劃、制造執(zhí)行管理和虛擬仿真等解決方案得以落地應(yīng)用。企業(yè)通過MBOM的應(yīng)用，利用信息化手段規(guī)范了三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)工藝并行、工藝分工、外購件分包等業(yè)務(wù)流程，使企業(yè)具備了自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)排程、生成生產(chǎn)準(zhǔn)備清單和虛擬裝配仿真驗(yàn)證的能力，將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)管理甚至倉儲(chǔ)管理等打通，有效縮短產(chǎn)品形成周期，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。

以龍江廣瀚為代表的國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)研制企業(yè)在產(chǎn)量逐漸增加后，未來還將面對(duì)庫存壓力增大導(dǎo)致的各種問題，如影響到現(xiàn)金流等。通過MBOM的不斷深化應(yīng)用，還可以對(duì)企業(yè)控制采購進(jìn)度、控制庫存等提供巨大的幫助，促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)增效，不斷接近準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)方式，提升國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)競(jìng)爭(zhēng)力。

以上對(duì)MBOM的應(yīng)用研究存在一定的通用性，可供其他國內(nèi)離散制造行業(yè)推廣應(yīng)用。