張 騰，趙曠世，苑 鑫，周學(xué)理

(中國船舶集團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。燃氣輪機的制造是典型的離散型生產(chǎn)，建造周期相對較長，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)境相對惡劣，故而對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提出了特殊要求。綜合國外先進燃氣輪機智能制造發(fā)展趨勢，國產(chǎn)燃氣輪機研制過程全面采用MBD技術(shù)，將三維設(shè)計信息、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，將燃氣輪機產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)管理和倉儲管理等方面打通，有效縮短產(chǎn)品形成周期，加速產(chǎn)品設(shè)計到制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。

燃氣輪機產(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，這也是影響燃氣輪機產(chǎn)品制造周期最主要的因素[1]。在從事國產(chǎn)燃氣輪機研制的企業(yè)中，PLM(產(chǎn)品生命周期管理)、ERP(企業(yè)資源計劃)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、虛擬仿真試驗、結(jié)構(gòu)化工藝、制造資源計劃、制造執(zhí)行管理等解決方案進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)中進行應(yīng)用，以MBOM為載體驅(qū)動燃氣輪機研制相關(guān)業(yè)務(wù)自動流轉(zhuǎn)，串聯(lián)起各個信息化系統(tǒng)解決方案，可實現(xiàn)國產(chǎn)燃氣輪機研制企業(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氣輪機有限公司數(shù)字化工廠中進行驗證。

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、零部件名稱、層級、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)計合理與否直接影響著系統(tǒng)的處理性能。燃氣輪機產(chǎn)品要經(jīng)過工程設(shè)計、工藝制造設(shè)計、生產(chǎn)制造3個階段[4]。根據(jù)BOM在產(chǎn)品研制過程中不同階段的應(yīng)用，可將其細分為EBOM(Engineering BOM，設(shè)計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)計信息。PBOM在EBOM的基礎(chǔ)上對零組件進行自制或外購的劃分，指定需求時間，對自制零組件再進行工藝分工，劃分責(zé)任部門，指定工藝路線，由責(zé)任部門負責(zé)工藝設(shè)計，對外購的零組件進行分包，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)則抓取對應(yīng)產(chǎn)品的PBOM數(shù)據(jù)進行拼湊和裁剪，同時以“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)燃氣輪機研制過程中應(yīng)用MBOM的意義

燃氣輪機被譽為裝備制造行業(yè)“皇冠上的明珠”，是典型的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。燃氣輪機研制過程非常復(fù)雜，國外技術(shù)封鎖嚴(yán)密，國產(chǎn)燃機輪機研制起步較晚，同國際先進水平相比仍存在較大差距。國產(chǎn)燃氣輪機如果仍然采用傳統(tǒng)研制模式，面臨著周期長、成本高等風(fēng)險。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，作為燃氣輪機全生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

以BOM作為數(shù)據(jù)驅(qū)動，將支持國產(chǎn)燃氣輪機研制企業(yè)在研發(fā)設(shè)計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。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)。在制造資源計劃制定過程中，通過MBOM驅(qū)動物料需求計劃(MRP)運算并生成物料準(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。基于MBOM在國產(chǎn)燃氣輪機研制過程中的應(yīng)用，從而大幅提高燃氣輪機的研制效率。

3 MBOM對國產(chǎn)燃氣輪機研制過程的應(yīng)用價值

中國船舶龍江廣瀚燃氣輪機有限公司(以下簡稱龍江廣瀚)集燃氣輪機研發(fā)、生產(chǎn)、試驗的軟硬件平臺于一體，在公司信息化建設(shè)初期實現(xiàn)了基于EBOM生成PBOM，并依據(jù)PBOM自動生成采購清單、下發(fā)設(shè)計任務(wù)至責(zé)任人等功能。

龍江廣瀚數(shù)字化工廠項目建設(shè)以及近兩年的功能升級過程中實現(xiàn)了對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)計工藝并行過程中能夠?qū)BOM中的長周期件提前進行采購，使燃機生產(chǎn)的齊套性得到保障?；贛BOM的應(yīng)用還實現(xiàn)了面向制造的設(shè)計，使得在設(shè)計階段能夠盡早考慮與制造有關(guān)的約束，縮短燃機研制周期。

在制造檢驗過程中，基于整機MBOM能夠拉動生產(chǎn)，明確自制件和外購件，驅(qū)動物料需求計劃(MRP)運算后自動生成生產(chǎn)訂單。通過自動生成的物料準(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數(shù)據(jù)，還是物理樣機的制造和檢驗信息，都能夠以MBOM為載體反饋給設(shè)計人員進行優(yōu)化迭代，快速定位，降低遺漏或出錯的風(fēng)險，燃氣輪機型號研制過程中的設(shè)計變更次數(shù)得以大幅度下降。

4 MBOM在國產(chǎn)燃氣輪機研制過程中的應(yīng)用

無論是對于已經(jīng)成立并處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段的國產(chǎn)燃氣輪機企業(yè)，還是即將新建的企業(yè)，MBOM的應(yīng)用在燃氣輪機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《MBOM構(gòu)建與管理規(guī)范》進行內(nèi)容修訂，增加對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EBOM 再設(shè)計得來的，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中的各個零組件id與EBOM中的零組件id相互對應(yīng)。EBOM中所有零組件的版本屬性、表單等數(shù)據(jù)都會同步到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)集會自動復(fù)制到MBOM中的對于零組件下。

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)計階段延伸到工藝、制造和檢驗階段，保證了工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性。

4.2 分工分包

MBOM整機搭建完成后，篩選出外購件和自制件，按照整機裝配順序確定需求時間，對外購件進行分包采購，對自制件進行分工，這是一項繁雜、系統(tǒng)的工作，極易產(chǎn)生遺漏、差錯等問題。

通過對MBOM的應(yīng)用，每次分工分包工作結(jié)束后，MBOM中每個零組件的分工會以物料編碼為統(tǒng)一身份標(biāo)識，將外購或自制、分包及分工信息以數(shù)據(jù)庫的形式儲存起來。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)驗證并適合于每個生產(chǎn)現(xiàn)場，批準(zhǔn)后發(fā)送到ERP系統(tǒng)[11]。在未來對新型號燃氣輪機的MBOM進行外購件、自制件劃分及分工和分包工作時，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)運行管理中心人員參考。

4.3 MRP運算

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，可以實現(xiàn)燃氣輪機研制相關(guān)活動的所有資源、過程的統(tǒng)一管理，有目標(biāo)地進行成本管控、質(zhì)量管控和客戶服務(wù)管理等[12]。同時，MBOM作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠驅(qū)動ERP系統(tǒng)中的MRP運算，自動進行生產(chǎn)排程。MBOM數(shù)據(jù)的及時有效性直接影響采購、銷售、財務(wù)核算等模塊的推進,其準(zhǔn)確性是整個財務(wù)體系準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)保障[13]。

研制燃氣輪機的典型離散制造企業(yè)面臨著型號產(chǎn)品混線生產(chǎn)過程中作業(yè)任務(wù)以單件產(chǎn)品為個體組織生產(chǎn)時存在的由于產(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)場物料混亂、產(chǎn)品交貨期難以保證等問題[14]，通過MBOM在MRP運算中的應(yīng)用，在燃氣輪機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)場操作者，確保零件生產(chǎn)和部件裝配工作能夠按時、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，可以實現(xiàn)帶有工具工裝的燃氣輪機零組件或整機虛擬加工仿真驗證、裝配路徑規(guī)劃，并輔以靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查[15]，當(dāng)發(fā)生設(shè)計更改時，EBOM升版電子流程在線上發(fā)起后，將會自動通知生產(chǎn)單位工藝部門對圖紙及EBOM更改處進行甄別，之后觸發(fā)MBOM的升版流程，對MBOM及相關(guān)分工分包清單進行更改[16]，確保數(shù)據(jù)及時更新，產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的版本統(tǒng)一。

基于升版后的MBOM再次進行虛擬仿真研制，根據(jù)對仿真結(jié)果的分析提出優(yōu)化設(shè)計方案，觸發(fā)設(shè)計變更。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，提升燃氣輪機研制效率。

圖3 基于MBOM的虛擬仿真優(yōu)化設(shè)計流程圖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)燃氣輪機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、設(shè)計工藝并行、工藝分工、外購件分包等業(yè)務(wù)流程，使企業(yè)具備了自動進行生產(chǎn)排程、生成生產(chǎn)準(zhǔn)備清單和虛擬裝配仿真驗證的能力，將燃氣輪機產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)管理甚至倉儲管理等打通，有效縮短產(chǎn)品形成周期，加速產(chǎn)品設(shè)計到制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。

以龍江廣瀚為代表的國產(chǎn)燃氣輪機研制企業(yè)在產(chǎn)量逐漸增加后，未來還將面對庫存壓力增大導(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，還可以對企業(yè)控制采購進度、控制庫存等提供巨大的幫助，促進企業(yè)提質(zhì)增效，不斷接近準(zhǔn)時生產(chǎn)方式，提升國產(chǎn)燃氣輪機競爭力。

以上對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。