復雜電子裝備制造數(shù)據(jù)建模與集成應(yīng)用研究*

李 寧

（南京國睿信維軟件有限公司，江蘇 南京210013）

引 言

復雜電子裝備通常是單臺套/極小批量的大型精密科研產(chǎn)品，其工程制造過程具備典型的復雜離散型制造特點，通常涉及精密加工、印制板加工、電裝、微組裝、總裝、調(diào)試、測試、實驗（拷機、篩選、淋雨等）、外場測試等多類型的復雜工藝過程[1]。在復雜電子裝備的制造過程中，制造物料清單（Manufacturing Bill of Material,MBOM）和實裝物料清單（Built Bill of Material,BBOM）越來越被業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)管理人員所重視，廣泛用于工藝分工、工時定額、材料定額、計劃調(diào)度、質(zhì)量檢驗、物料供應(yīng)、成本計算、生產(chǎn)追溯、售后保障等各個方面。同時，MBOM和BBOM又在相應(yīng)的產(chǎn)品生命周期中為計算機輔助工藝設(shè)計（Computer-Aided Process Planning,CAPP）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES）及維修保障系統(tǒng)（Maintenance,Repair and Overhaul,MRO）等系統(tǒng)的集成提供一致的有效的實時數(shù)據(jù)鏈。

MBOM和BBOM的管理及其在制造過程中的連續(xù)傳遞，是制造數(shù)據(jù)管理的核心內(nèi)容之一，其主要研究內(nèi)容包括工程物料清單（Engineering Bill of Material,EBOM）–MBOM–BBOM間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系、MBOM和BBOM建模、質(zhì)量約束、異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成接口等[2]。目前，國內(nèi)外的研究主要針對物料清單（Bill of Material,BOM）數(shù)據(jù)在產(chǎn)品不同研制階段的轉(zhuǎn)換模式與相關(guān)算法技術(shù)[3–5]，而未對具體行業(yè)需求，尤其是復雜電子裝備制造過程多層級、多節(jié)點、信息龐雜的MBOM和BBOM的數(shù)據(jù)建模及其在系統(tǒng)集成中的應(yīng)用開展深入研究。

本文首先定義了復雜電子裝備MBOM和BBOM所管理的數(shù)據(jù)范圍，在對復雜電子裝備制造業(yè)務(wù)進行分析的基礎(chǔ)上，給出了MBOM和BBOM模型以及EBOM–MBOM–BBOM的映射過程；然后按照對MBOM和BBOM模型的約定、映射流程，以及質(zhì)量約束、安全約束及數(shù)據(jù)服務(wù)機制，通過組件化Webservice技術(shù)[6]，構(gòu)建起基于MBOM的MES與CAPP系統(tǒng)集成和基于BBOM的MES與MRO系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)鏈路，為更全面高效而穩(wěn)定地實現(xiàn)制造過程異構(gòu)系統(tǒng)集成提供了一條有效路徑。

1 復雜電子裝備的MBOM與BBOM建模

1.1 復雜電子裝備的MBOM建模

通常，在電子裝備制造廠，工藝系統(tǒng)會承接EBOM物料信息，按照制造廠的產(chǎn)品實際制造過程和設(shè)備資源條件，進行MBOM的規(guī)劃及定義，以結(jié)構(gòu)化表達裝備制造過程的物料清單，按照整件、部件、零件、工序等層級進行數(shù)據(jù)組織。

隨著電子裝備的產(chǎn)品設(shè)計逐步向模塊化轉(zhuǎn)化，需要在工藝設(shè)計過程中依照裝配順序，將EBOM上由若干零件組成的模塊設(shè)置為虛擬件。產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計好后，其MBOM信息將隨工藝文件一起歸檔。在應(yīng)用系統(tǒng)中，MBOM中的各個Part節(jié)點及其父子關(guān)系通常用結(jié)構(gòu)樹來表示，如圖1所示。

圖1 復雜電子裝備MBOM模型

MBOM的對象模型一般包含以下關(guān)鍵屬性：

1）裝配關(guān)系。它表示零部件的裝配關(guān)系與順序，是工藝人員基于EBOM的明細表按照實際工藝技術(shù)條件設(shè)計的裝配順序，是對BOM結(jié)構(gòu)的再造。裝配關(guān)系可用阿拉伯數(shù)字或希臘字母表示，從小到大，最小的標識最終成品，后續(xù)為零部件。

2）物料編碼。物料編碼一般包括自制件圖號和外購件的物資編碼，與EBOM明細表中相應(yīng)零件的編碼相同。其中，工裝號/虛擬件號由工藝部門按照工藝管理規(guī)范定義。

3）物料名稱。物料名稱與物料編碼一一對應(yīng)，與明細表一致。

4）物料分類。物料通常分為一般件、關(guān)鍵件和重要件。

5）型號。零件屬性按機械零件國家標準表達。

6）尺寸信息。零件屬性包括長、寬、高、半徑等。

7）原材料編碼。零件屬性之一是零件所用原材料的物料編碼。

8）單位，即物料的計量單位。

9）版本號，即工藝零部件、工裝件對應(yīng)的工程圖版本號。虛擬件、標準件和成品件版本號不填。

10）裝配數(shù)量，即零部件在工序中的安裝數(shù)量，用于產(chǎn)生備料計劃以及設(shè)計與執(zhí)行一致性的核查。

11）父圖號，即零部件所在裝配圖的圖號。

12）工藝路線。它是零部件的生產(chǎn)執(zhí)行路線，表達工序間的串并連接關(guān)系，是編制工序計劃的依據(jù)。

13）工序。它是工藝路線的基本組成單位，其屬性包括工序號、工序描述和工序執(zhí)行內(nèi)容（工步）。

14）定額工時。它表述工序準備、執(zhí)行過程所需周期，通常包括準備工時、加工工時、成組加工工時、成組數(shù)量、周轉(zhuǎn)工時等數(shù)據(jù)。

15）工序參數(shù)，包括工藝技術(shù)參數(shù)、自檢項、專檢類型、專檢項等技術(shù)數(shù)據(jù)。

16）工序資源。它是執(zhí)行工序所需的各類制造資源，包括工裝、工具、加工設(shè)備、調(diào)試測試用儀器儀表、檢測設(shè)備、輔助性材料等數(shù)據(jù)。

1.2 復雜電子裝備的BBOM建模

BBOM是產(chǎn)品實際制造過程的結(jié)構(gòu)化物料清單。它是MBOM的實例化數(shù)據(jù)，反映產(chǎn)品各零部件的實物信息，包括序列號、加工記錄、偏差、產(chǎn)品軟件和硬件裝機版本等信息。

通常，在電子裝備制造廠，產(chǎn)品的BBOM結(jié)構(gòu)會基于MBOM進行實例化構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)組成繼承MBOM結(jié)構(gòu)信息。BBOM是反映產(chǎn)品實際裝配組成的物料清單，通常與裝備臺套一一對應(yīng)。BBOM層次劃分原則上應(yīng)盡量與MBOM相關(guān)。因此，BBOM的物料基本信息、工藝路線、工序?qū)傩院凸ば蛸Y源信息通常與MBOM一致，如圖2所示。同時，信息系統(tǒng)會針對每個臺套BBOM附加以下信息：

圖2 復雜電子裝備BBOM模型

1）單臺套（批次）實際裝配的零部件屬性及其組成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

2）記錄訂單的發(fā)料信息（發(fā)貨批次、合格證號等）；

3）實際裝配的零部件的批次號，其中外購件需要記錄或關(guān)聯(lián)到供貨廠家的生產(chǎn)批次；

4）計劃數(shù)據(jù)，包含產(chǎn)品各級零部件的訂單計劃、工單計劃、計劃執(zhí)行結(jié)果、檢驗結(jié)果等信息；

5）制造過程數(shù)據(jù)，包括工單執(zhí)行過程中的計劃執(zhí)行數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、自檢參數(shù)、實裝物料數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)與運行數(shù)據(jù)、儀器儀表的測試數(shù)據(jù)、質(zhì)檢結(jié)果數(shù)據(jù)、問題處理數(shù)據(jù)、更改通知數(shù)據(jù)等信息；

6）質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括首檢數(shù)據(jù)、批檢數(shù)據(jù)、一次交驗不合格數(shù)據(jù)、不合格品審理數(shù)據(jù)等信息；

7）外協(xié)數(shù)據(jù)，包括與外購/外協(xié)零件或外協(xié)工序相關(guān)的生產(chǎn)訂單、工序執(zhí)行進度、質(zhì)檢單、工藝文件、成品物流數(shù)據(jù)、生產(chǎn)問題等信息。

2 復雜電子裝備MBOM和BBOM的映射轉(zhuǎn)換方法

2.1 EBOM與MBOM的映射過程

復雜電子裝備從EBOM到MBOM的映射，就是設(shè)計視圖通過工藝規(guī)劃與分工、零件工藝設(shè)計以及裝配工藝設(shè)計，最后形成MBOM。映射過程包括工藝規(guī)劃與分工階段和工藝路線設(shè)計階段。

2.1.1 工藝規(guī)劃與分工階段

在該階段，通常CAPP系統(tǒng)從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management,PDM）系統(tǒng)獲取歸檔的EBOM，結(jié)合設(shè)計要求和交付規(guī)范，確定零部件的加工及裝配順序，完成工藝路線規(guī)劃和工藝專業(yè)分工，并形成相應(yīng)的信息視圖。

2.1.2 工藝路線設(shè)計階段

在這個階段，精密機加工、鈑金加工、復材加工、印制板制造、產(chǎn)品調(diào)試等專業(yè)根據(jù)工藝分工，進行零件加工工藝編制；微組裝、線纜/插件電裝和產(chǎn)品總裝專業(yè)根據(jù)組件裝配順序和各組件的工藝路線，形成部件/組件的零件參裝表，進行裝配工藝編制。最終，工藝通過審批固化歸檔時，形成完整的MBOM數(shù)據(jù)。

這里，復雜電子裝備中的印制板專業(yè)對MBOM的形成還有以下特殊要求：1）進行印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）T面與B面的工藝設(shè)計時，需對EBOM中相應(yīng)的Part節(jié)點進行拆解，并為拆解后的子Part設(shè)置相應(yīng)的數(shù)量；2）進行表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology,SMT）拼板的工藝設(shè)計時，需對EBOM的相關(guān)Part節(jié)點進行合并。

2.2 MBOM與BBOM的映射過程

復雜電子裝備從MBOM到BBOM的映射，是從工藝視圖MBOM開始，通過投產(chǎn)排程、發(fā)料齊套和生產(chǎn)執(zhí)行的3個業(yè)務(wù)階段和6個主要步驟，最后形成N個臺套的BBOM。MBOM與BBOM的映射過程包括投產(chǎn)排程階段、發(fā)料齊套階段和生產(chǎn)執(zhí)行階段。

2.2.1 投產(chǎn)排程階段

Step1：構(gòu)建BBOM框架

企業(yè)通常通過企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning,ERP）系統(tǒng)（一些企業(yè)可能將投產(chǎn)定制在MES系統(tǒng)中），對MBOM進行投產(chǎn)，對象包括產(chǎn)品、專用工裝和貴重輔料耗材，形成N套基于MBOM基本架構(gòu)的BBOM框架。此時，BBOM框架主要從MBOM繼承了零部件的裝配關(guān)系和基本屬性。零部件的基本屬性包括設(shè)計屬性（圖號、名稱、版本、材料、顏色等）和生產(chǎn)基本信息（單位、物料型號、ABC分類碼、工藝路線、工時定額等），尚缺乏實際的計劃數(shù)據(jù)、制造過程數(shù)據(jù)、外協(xié)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)。

Step2：加載計劃數(shù)據(jù)至BBOM節(jié)點

ERP系統(tǒng)綜合庫存情況，通過物資需求計劃（Material Requirement Planning,MRP）平衡，得到每個臺套的自制生產(chǎn)計劃、外協(xié)生產(chǎn)計劃和物資采購計劃，這些計劃將被抽取并附加在每個BBOM的零件/組件節(jié)點上。

自制計劃在MES系統(tǒng)中被進一步編制為工序計劃與工單，確定計劃的執(zhí)行資源。工單正式下達后，將存儲在相應(yīng)BBOM的零件/組件節(jié)點上。

2.2.2 發(fā)料齊套階段

Step3：加載實際發(fā)料數(shù)據(jù)至BBOM節(jié)點

MES系統(tǒng)通過使用各套裝備的BBOM，產(chǎn)生部件/組件生產(chǎn)訂單的備料計劃，以方便車間根據(jù)庫存實際情況發(fā)起領(lǐng)料申請，也方便庫房對訂單的物料領(lǐng)用進度進行把控，防止錯發(fā)、超發(fā)和漏發(fā)。這樣，庫房的實際發(fā)料信息將存儲在相應(yīng)BBOM的部件/組件節(jié)點上。主要發(fā)料信息包括訂單號、圖號、備料的物料編碼、發(fā)料數(shù)量、合格證、發(fā)料批次號等。

2.2.3 生產(chǎn)執(zhí)行階段

Step4：加載制造過程數(shù)據(jù)至BBOM節(jié)點

MES系統(tǒng)對生產(chǎn)訂單和工序計劃的執(zhí)行進度進行監(jiān)控，并根據(jù)計劃情況進行計劃的重調(diào)度。如果出現(xiàn)報廢、返工和返修，則補投產(chǎn)。

在生產(chǎn)過程中，MES系統(tǒng)實時監(jiān)控物料的裝配進度和實際使用批次，及時發(fā)現(xiàn)缺料情況，并發(fā)起領(lǐng)料。在此過程中記錄物料成本和工時成本，并對其進行累計和監(jiān)控。以上信息都將存儲在相關(guān)臺套BBOM的零件/組件節(jié)點上。

Step5：加載外協(xié)數(shù)據(jù)至BBOM節(jié)點

外協(xié)生產(chǎn)訂單和外協(xié)工序計劃執(zhí)行完成后，其計劃、完工、質(zhì)檢和成本信息存儲在相應(yīng)BBOM的零件/組件節(jié)點上。

Step6：加載質(zhì)量數(shù)據(jù)至BBOM節(jié)點

工序計劃的質(zhì)量數(shù)據(jù)包括自檢、首檢、批檢的檢驗單以及一次交驗不合格及不合格品審理的信息，在業(yè)務(wù)閉環(huán)后將存儲在相應(yīng)BBOM的零件/組件節(jié)點上。

最終形成的BBOM將體現(xiàn)出每臺套電子裝備的實際物料批次組成，可追溯其生產(chǎn)計劃的執(zhí)行過程、質(zhì)量檢驗結(jié)果、成本信息及異常損耗信息。

3 信息系統(tǒng)集成服務(wù)

按照對MBOM和BBOM的模型約定、映射流程以及質(zhì)量約束、安全約束和數(shù)據(jù)服務(wù)機制，通過組件化Webservice技術(shù)，構(gòu)建起基于MBOM的MES與CAPP系統(tǒng)集成和基于BBOM的MES與MRO系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)鏈路。

3.1 基于MBOM的MES與CAPP系統(tǒng)集成

大型電子裝備企業(yè)通常由多個研發(fā)專業(yè)部和制造車間組成。在不同信息系統(tǒng)中，同類信息的編碼方式可能不同，而不同類信息間可能存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。MES與CAPP系統(tǒng)集成涵蓋組織、物料檔案、工藝路線和工藝資源信息，這些信息間存在依賴關(guān)系，如果分別集成，則可能因缺乏基礎(chǔ)信息項而出錯。本文構(gòu)建基于MBOM的集成接口，可一次性完成以上信息的集成，實現(xiàn)MES與CAPP系統(tǒng)的高效集成，如圖3所示。該接口由MES系統(tǒng)提供，CAPP系統(tǒng)按業(yè)務(wù)流程需要調(diào)用。

圖3 基于MBOM的MES與CAPP系統(tǒng)集成

3.1.1 調(diào)用關(guān)系與執(zhí)行過程

如圖3所示，首先CAPP系統(tǒng)在發(fā)布MBOM時，按照系統(tǒng)間組織、物料檔案、工藝路線、工時信息、工序資源和工藝參數(shù)的接口約定，進行自動映射，并將信息加載入MES系統(tǒng)提供的Webservice接口，實現(xiàn)MBOM由CAPP向MES的發(fā)布。

在信息寫入MES系統(tǒng)的過程中，該信息接口遵循先物料檔案、后工藝路線和工時信息、再工序資源和工藝參數(shù)的原則，首先接收最新的基本物料信息，再按照要求接收并存儲MBOM相關(guān)信息。CAPP系統(tǒng)可周期性地定時調(diào)用該接口。根據(jù)MES系統(tǒng)的緩存承載量，一般建議將數(shù)據(jù)更新周期控制在5 min，即CAPP定時調(diào)用周期不大于5 min。實際實施時可參照CAPP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量和更新頻率，對調(diào)用周期做適當調(diào)整。

3.1.2 交互數(shù)據(jù)說明

1）物料檔案主要包括物料編碼、名稱、分類、型號、尺寸、版本號等；

2）工藝路線主要包括工序串并連接關(guān)系及工序號、工序描述、工序執(zhí)行內(nèi)容等；

3）工時信息主要包括準備工時、加工工時、成組加工數(shù)量、成組工時、周轉(zhuǎn)工時等；

4）工序資源主要包括工裝、工具、加工設(shè)備、調(diào)試測試用儀器儀表、檢測設(shè)備、輔助性材料等信息；

5）工藝參數(shù)主要包括技術(shù)參數(shù)、自檢項、專檢類型、專檢項等信息。

基于MBOM的MES與CAPP集成接口，避免了單獨數(shù)據(jù)項獨立集成可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失、錯漏等問題，提高了跨系統(tǒng)信息集成及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

3.2 基于BBOM的MES與MRO系統(tǒng)集成

在復雜電子裝備維修過程中，需要形成維修BOM，而維修BOM來源于BBOM。MES系統(tǒng)與MRO系統(tǒng)通過BBOM集成，可以高效傳遞維修所需的裝備實際狀態(tài)信息，而無需單獨構(gòu)建物料檔案、裝機清單、零部件位置號、零部件序列號的信息接口。本文基于BBOM模型，實現(xiàn)了MES與MRO系統(tǒng)集成的接口。該接口由MRO系統(tǒng)提供，MES系統(tǒng)按業(yè)務(wù)流程需要調(diào)用。

3.2.1 調(diào)用關(guān)系與執(zhí)行過程

復雜電子裝備通常按分系統(tǒng)構(gòu)建面向單機的維修BOM頂層結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)處理、電源等。在分系統(tǒng)下按產(chǎn)品部件結(jié)構(gòu)進一步分解。如圖4所示，MES系統(tǒng)將BBOM歸檔時，按照系統(tǒng)間組織、物料檔案、裝機清單、計劃信息、制造過程信息和質(zhì)量信息的接口約定，進行自動映射，并將信息加載入Webservice接口，將BBOM及關(guān)聯(lián)的實效信息發(fā)布給MRO系統(tǒng)。

圖4 基于BBOM的MES與MRO系統(tǒng)集成

在信息寫入MRO系統(tǒng)時，信息接口同樣遵循先物料后BOM的原則，接收相關(guān)信息，如有錯誤，則MRO系統(tǒng)反饋錯誤信息，供MES系統(tǒng)端處理。

3.2.2 交互數(shù)據(jù)說明

1）物料檔案主要包括物料編碼、名稱、分類、型號、尺寸、版本號等；

2）裝機清單主要包括零部件號、位置號、序列號、裝配人、裝配時間、上級組件號等；

3）計劃信息主要包括訂單號、產(chǎn)品圖號、名稱、版本號、計劃開工日期、計劃完工日期、計劃數(shù)量、優(yōu)先級以及工序；

4）制造過程信息包括裝配完工數(shù)量及時間、制造工時、配合工時、自檢、工藝參數(shù)以及因一次校驗不合格或?qū)徖聿缓细穸M行的返工/返修信息；

5）質(zhì)量信息主要包括檢驗單、一次交驗不合格審理單、質(zhì)量不合格品審理單、相關(guān)的質(zhì)檢過程及質(zhì)檢結(jié)果、由計量測試設(shè)備測得的參數(shù)等。

4 結(jié)束語

綜上所述，在CAPP，MES和MRO集成環(huán)境下，MBOM和BBOM的搭建從MBOM和BBOM的節(jié)點屬性定義到對EBOM部件、組件的合并/拆解，再到MBOM和BBOM在異構(gòu)系統(tǒng)間的發(fā)布，需要考慮各類數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中的存在性和包含關(guān)系，以最佳的兼容性有效地指導生產(chǎn)。

相對于傳統(tǒng)的工藝投產(chǎn)、裝備維修的信息傳遞方式，通過MBOM和BBOM的標準化設(shè)置，從工藝設(shè)計到生產(chǎn)投產(chǎn)，從生產(chǎn)執(zhí)行到維修維護，相應(yīng)的信息都繼承到了MBOM和BBOM上，同時最大程度地降低了生產(chǎn)制造過程與工藝流程的耦合性，提升了系統(tǒng)的多產(chǎn)品適應(yīng)性和集成化程度，提高了復雜電子裝備的制造效率。