BOM在数字化设计制造集成中的应用研究

吴晓锋 胡思嘉 刘志军

（西安航空发动机（集团）有限公司，陕西　西安　710021）

BOM在数字化设计制造集成中的应用研究

吴晓锋 胡思嘉 刘志军

（西安航空发动机（集团）有限公司，陕西西安710021）

针对BOM定义多样性导致的航空发动机设计制造集成度低、数据准确性差等问题，分析了BOM的定义、分类及结构模型，研究了航空发动机研制中常用的设计BOM、工艺BOM、制造BOM及装配BOM之间的关系，为BOM构建及基于BOM的设计制造集成提供指导，满足企业基于PDM、ERP等系统的研发数据高效管理需求。

工业4.0；工艺BOM；制造BOM；装配BOM

［DOI编码］ 10.13237/j.cnki.asq.2016.04.012

航空发动机作为工业上的“皇冠”，其研发制造过程复杂，企业管理常常需要对产品研发制造过程中数据进行传递、查询、监控及统计分析，而这通常需要花费很多的人力和物力。针对企业效率提升、产品上市周期缩短、产品制造灵活性等方面的挑战，德国提出了工业4.0战略计划，并强调数字化设计制造集成是实现工业4.0的首要关键技术。随着科技的快速发展，企业引进了PDM（Product Data Management，产品数据管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）等数字化管理系统。PDM主要是对产品设计研发过程涉及的数据及流程进行管理，ERP是对产品制造涉及的采购、生产、库存等资源进行管理。BOM（Bill of Material）数据是企业基于PDM和ERP两大数字化系统对产品研发制造数据及流程进行有效管控的基础［1，2］，是数字化设计与制造集成的有力保证。

BOM，物料清单主要反映了产品、组件、零件及毛料等之间的结构关系及各组件下零件的数量，是一种用数字化方式来描述产品结构的技术文件［2］。不同的企业管理理念导致BOM定义存在着多样性，而科学合理地应用BOM是实现高效数字化设计、制造及管理的核心。本文提出了基于BOM的数字化设计与制造集成方法，对设计、工艺、制造及装配业务中BOM模型的构建及应用进行了研究。

1　BOM构建研究现状

目前许多专家学者对BOM技术进行了大量研究，并取得了很多成果。程存有［3］等研究了计算机类产品BOM的建立及其在PDM、ERP系统中的应用，袁永建［4］通过分析飞机制造过程中的BOM转换过程及工艺业务流程，研究了基于BOM的飞机制造工艺业务管理系统。贾晓亮［5］等通过分析制造BOM的内涵及结构，研究了基于制造BOM的产品制造过程中工艺数据管理方法；王卫国［6］等研究了BOM存数模型，提高了制造BOM的查询效率。汪洋［7］通过变革组织机构和重构BOM流程的方法，建立了基于并行工程的统一产品BOM模型；雷宁宁［8］等研究了工程机械行业在PLM （Product Life-cycle Management，产品生命周期管理）与ERP集成环境下制造BOM与工艺BOM的结合和传递方式。屈力刚［9］等针对三维模型在飞机制造中的应用，研究了基于三维装配模型的BOM重构技术，为飞机数字化装配工艺设计奠定了基础。

虽然目前对BOM构建、维护等方面的研究较多，且取得了一定的成果，但对于航空发动机BOM构建的研究较少，且航空发动机零部件繁多，制造工艺及过程复杂，其他行业的BOM结构模型不能满足航空发动机数字化设计制造的集成管理需求。

2　BOM定义及分类

BOM一般由结构树、属性、关联信息等3部分组成。BOM通常以结构树作为最直观的展现形式，BOM结构的基本构成是物料。

在产品生命周期不同阶段中，存在不同结构的BOM，如设计BOM、工艺BOM、制造BOM、装配BOM、维修BOM［10］，而企业各管理部门职能的不同又导致存在不同类型的BOM（采购BOM、成本BOM等）［5，6］，其中设计BOM、工艺BOM、制造BOM及装配BOM是产品设计制造过程中进行工程设计、工艺设计、生产安排、装配及管理等常见的类型。在产品设计及制造过程中，不同的企业具有不同的管理模式，各部门针对业务工作特点而设计、构建和使用不同BOM。常见的BOM定义及类型如下［4，5，7，11-15］。

设计BOM即EBOM（Engineering BOM，工程设计物料清单），是产品工程设计产生的数据结构，描述了产品零部件之间的设计关系，通常在产品工程设计管理中使用。

工艺BOM即PBOM（Process BOM），是在EBOM基础上经过装配结构划分、工艺结构完善、工艺路线制定而形成的，是进行工艺详细设计的基础。也有学者认为PBOM（Process Plan BOM），是工艺工程师根据工程加工能力在EBOM基础上设计而来，主要完成自制零部件的装配及加工工艺。

制造BOM即MBOM（Manufacturing BOM），是经过工艺设计、工装设计、工艺仿真等详细工艺设计中产生的BOM。有学者认为MBOM是以EBOM为基础，根据装配件及最终产品的制造方法构建的BOM，描述了产品实际的装配结构和流程。而有些行业则将工艺BOM包含于制造BOM之中，用于描述产品制造装配顺序，指导制造过程。

装配BOM即ABOM（Assembly BOM），是装配车间根据产品装配特点和工艺，形成的用于指导装配过程的物料清单。

采购BOM即BBOM（Buying BOM）或SBOM （Sourcing BOM），是根据外协、外购件，以及产品加工所需的原材料等制定的BOM。

成本BOM即CBOM（Cost BOM），根据自制件、外协件、采购件，追加设备折旧费、企业管理等费用之后计算的产品最终成本。

3　航空发动机BOM构建

3.1设计BOM

设计BOM（EBOM），是描述产品设计结构的物料清单，一般在产品设计过程中产生。我国航空发动机研制采取的是厂所分离模式，EBOM作为制造企业BOM数据的源头，具有多样性的特点。新机种EBOM一般由发动机设计单位构建设计，且其结构已逐渐完善；而现行制造多数老机种则没有EBOM；在修理体系中，大修机种亦没有EBOM。

为了保证BOM数据流在制造企业数字化系统中的准确传递、应用，制造企业需要对老机种、大修机种建立EBOM，并应保证其EBOM均能被其他BOM应用或继承，因此对发动机EBOM结构模型进行统一构建，如图1所示。其中“P21-3X34”表示零件P21的有效版本为3版，在P2中的装配数量为34。EBOM结构树应描述发动机装配结构关系及零部件装配数量，因此，EBOM结构树种各节点属性应包括零件名称、零件图号、零件版本、装配数量等；作为其他BOM的源头数据，特性分类（关键件、重要件）、材料牌号、材料标准等应该包含在EBOM节点属性中。与EBOM节点关联的信息则应包括设计模型、设计更改单、技术标准等。

图1　设计BOM结构模型示意图

3.2工艺BOM

PDM系统作为航空发动机行业统一的设计制造协同研制平台，管理着设计制造并行协同中的所有数据及流程。而工艺BOM是基于PDM系统进行工艺详细设计的基础，是在PDM中进行工艺管理的主线。复杂的BOM结构、冗余的数据极易导致数据及其技术状态管理的混乱，不利于数据的传递，PBOM各节点属性及其关联信息直接影响到工艺数据及其状态管理的效率和准确度。

航空发动机制造过程中，由于企业加工设备、工艺方法等因素，EBOM中零部件的装配关系可能会改变，同时会因为工艺方案的需要添加工艺件或虚拟件。根据发动机工艺设计及管理特点，定义的PBOM结构如图2所示。其中P11、P12为制造零件P1时产生的工艺件，即由于加工工艺需要既要制造又要储存的零件，而在EBOM中并未出现；而零件P22、P23、P24在PBOM中成为虚拟部件；由于组件P5为外购件，故不出现在自制件PBOM中。为保证产品设计数据与工艺数据技术状态的对应，PBOM继承了EBOM节点中的型号、零件名称、零件图号、零件版本、装配数量等信息，同时根据工艺需要，增加自制与外购类别、主制单位、辅制单位、毛坯类型、毛料单位等属性信息。为实现基于PBOM的数字化工艺管理，在PBOM的逻辑结构中应包括结构化的工艺及其更改，而PBOM结构中工艺节点属性除了继承的EBOM节点的部分属性外，还应包括工艺类型、工序号、工序名称及版本、关键工序、设备名称、工装号及工装名称、数控程序、参数卡、特殊过程、材料定额、工艺更改类别、工艺更改单编号、贯彻的设计更改单号等。

图2　工艺BOM结构模型示意图

图3　制造BOM结构模型示意图

3.3制造BOM

发动机经过工程设计、工艺设计之后，进入制造阶段。MBOM（Manufacturing BOM）是企业制造部门、生产管理部门用于组织和管理航空发动机实际制造过程中所需的物料清单。ERP系统已逐步在航空发动机制造企业中得到广泛应用，而MBOM 是ERP系统运行的数据基础［13］，规范、准确、标准的BOM数据是ERP系统能正常运行的保障，MBOM作为ERP系统的输入数据，其准确性直接决定着企业能否安排合理的计划来指导企业生产［16］。因此，MBOM结构的合理性、数据的准确性则直接影响ERP管理的效率和质量。

在EBOM和PBOM的基础上，通过增加物料项或改变物料项的装配关系，得到MBOM结构，图3所示为其结构示意图。与EBOM、PBOM相比，MBOM结构中零组件的装配关系得到了改变，增加了外购、外供、外委零组件及原材料等物料项。MBOM中零组件节点关联的信息则包括零组件加工工艺路线，节点属性除了继承EBOM、PBOM的部分属性信息外，还包括原材料编码、库存量、采购计划、详细的制造资源（工装、刀具、量具、设备等）、工时定额、材料定额等信息。MBOM可作为航空发动机制造过程的终极BOM，根据MBOM结构及其数据可衍生得到BBOM、CBOM，从而完成相应物料项的采购及航空发动机成本的核算。

3.4装配BOM

各零部件加工完成后，装配车间根据装配BOM、装配工艺等技术文件将各零组件组装成最终的航空发动机产品。

装配BOM是在工艺BOM的基础之上，增加外购件、外供件等物理项，并伴随着产品装配工艺规划、装配仿真过程而产生。与制造BOM相比，装配BOM主要是强调了零部件的装配顺序，并根据装配工艺需要，调整零组件在BOM结构树上的位置，装配BOM结构示意图如图4所示。与装配BOM零组件相关联的信息则包括装配工艺、工序、设备、工装等内容。装配BOM构建过程中，通过将零组件向相应工序、工步的指派，为在PDM系统中进行数字化装配工艺设计、虚拟装配仿真提供了基础数据。

图4　装配BOM结构模型示意图

4　结束语

在对BOM的定义及分类进行分析的基础上，结合航空发动机研制特点，对企业管理中主要的设计BOM、工艺BOM、制造BOM及装配BOM的结构、属性及关联信息等进行了研究，并分别建立了相应的结构模型，保证了设计BOM、工艺BOM、制造BOM和装配BOM中数据的关联应用和继承，为实现航空发动机数字化设计制造集成、协同提供了基础数据，从而保证了PDM、ERP系统中航空发动机研制数据的唯一性、完整性和准确性。各BOM结构模型的应用，可满足企业在PDM、ERP等系统中实时查询、应用、统计所需的管理数据，解决传统手工维护导致的信息不全、准确性差等问题。

［1］蒋辉，范玉青.基于单一产品数据源的BOM管理［J］.北京航空航天大学学报，2003，29（5）.

［2］徐天保.EBOM到MBOM的映射机理及其在装配企业的应用［D］.清华大学，2010.

［3］程存有，叶晓俊.BOM的建立及在PDM与ERP集成系统中的应用［J］.计算机工程，2003，29 （4）.

［4］袁永建，许建新.基于BOM的飞机制造工艺业务管理系统研究 ［J］.机械制造，2010，48（548）.

［5］贾晓亮，张振明，田锡天等.以制造BOM为核心的制造工艺数据管理研究［J］. 制造业自动化，2006，28（5）.

［6］王卫国，闰光荣，雷毅.一种新的制造BOM存储模型 ［J］.计算机集成制造系统，2010，16（3）.

［7］汪洋，刘晓冰. 一种面向并行工程的统一产品BOM模型［J］. 计算机应用研究，2010，27（8）.

［8］雷宁宁，李文华，王政等. 工程机械行业PLM &ERP集成下的BOM研究［J］. 现代制造工程，2013，（8）.

［9］屈力刚，苑俊超，魏佩振. 基于MBD 的三维装配BOM重构技术［J］.航空制造技术，2014，（9）.

［10］任艮全，张力，王建民.产品维修阶段BOM数据起源研究［J］. 计算机集成制造系统，2010，16（10）.

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［13］邝世界，刘兴旺，宁湘华.ERP物料清单（BOM）优化研究［J］.制造业自动化，2010，32（9）.

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［15］雷焕丽，魏永辉，刘毓虎等. 基于ERP系统实现DBOM与ABOM的自动对接分析研究［J］. 航空制造技术，2014，（8）.

［16］张国伟，梁焱. 浅析ERP系统在实施中存在的问题及其防范［J］.生产力研究，2010，（4）.

（编辑：雨晴）

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