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基于Windchill PLM系统的BOM多视图演变与重构研究

2021/12/4    来源:e-works    作者:陈金文      
关键字:BOM  多视图  PLM  
本文针对产品开发过程中的三种主要BOM视图:设计BOM、工艺BOM和制造BOM,在阐明各视图间关系的基础上提出了不同BOM视图间的转换方法,研究在PLM平台上实现EBOM结构树到PBOM结构树,最后到MBOM结构树的重构过程,并将其应用于产品结构管理中,解决产品开发过程中BOM视图自动生成及数据集成等问题,保证BOM数据的正确性和一致性。
0 前言

       在制造型企业中,物料清单(Bill of Material,BOM)是企业产品数据管理的核心,它贯穿于概念设计、计算分析、详细设计、工艺规划、样机试制、加工制造、销售维护,直至产品消亡的各个阶段,是产品数据在整个生命周期中传递和共享的载体,也是各应用系统之间进行信息集成的桥梁和纽带。产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)作为一个贯穿产品全生命周期的、开放的、互操作的、完整的解决方案,强调对产品全生命周期内的数据和相关过程进行有效地管理和控制,其系统的构建离不开BOM的支持。在产品生命周期的不同阶段,由于产品结构关系的不同,存在着各种不同的BOM,如设计BOM(Engineering BOM,EBOM)、工艺BOM(Process Planning BOM,PBOM)和制造BOM(Manufacturing BOM,MBOM)等。目前对这些BOM之间的联系与变化,及其与其他产品数据和过程的联系,尚缺乏深入的研究。本文针对产品开发过程中的三种主要BOM视图:设计BOM、工艺BOM和制造BOM,在阐明各视图间关系的基础上提出了不同BOM视图间的转换方法,研究在PLM平台上实现EBOM结构树到PBOM结构树,最后到MBOM结构树的重构过程,并将其应用于产品结构管理中,解决产品开发过程中BOM视图自动生成及数据集成等问题,保证BOM数据的正确性和一致性。

1 BOM定义及产品开发阶段几种主要BOM

       产品开发过程按照实现功能划分,包括工程设计、工艺设计、生产制造等重要阶段。在PLM系统应用中,根据不同阶段产品结构管理的要求,将产生多种类型的BOM,从不同侧面表示产品的组成形式以及相关属性项的值,实现对产品数据的管理和使用。根据不同部门对BOM的不同需求,主要存在以下几种BOM:设计BOM、工艺BOM和制造BOM等。主要BOM表现形式有如下几种:

       1)设计BOM(Engineering BOM,EBOM)

       设计BOM是企业产品设计部门用来组织和管理生产某种产品所需的零部件物料清单,是产品设计工程在完成产品设计后获得的。工程设计部门应用CAD系统产生的设计数据,是产品工程设计及管理中使用的数据结构,产品设计人员根据订单或设计要求进行产品设计,生成产品名称、产品结构、明细表等信息。它通常精确地描述了产品的设计指标、零部件之间的逻辑装配关系、零部件总体信息(名称、代号、类型、数量、材料)、零部件形状信息(尺寸信息)、零部件制造信息(表面粗糙度、尺寸公差、精度等级、材料特性)、零部件关联信息(位置关系尺寸与公差)等。EBOM是设计部门向工艺、生产、采购等部门传递产品数据的主要形式和手段,是产品数据的源头。

       2)工艺BOM(Process planning BOM,PBOM)

       工艺数据作为制造企业中设计数据、生产数据和采购数据间的纽带,是实现企业各部门之间信息集成与共享的关键。工艺BOM是企业的工艺设计部门用来组织和管理生产某种产品及其相关零部件的工艺文件。工艺设计部门以EBOM中的数据为依据,依据工艺路线分工计划、实际制造中的加工与装配过程以及装配部门对装配件和加工件的交付状态的要求,通过调整EBOM中的零部件的装配关系、设置零部件的不同状态,形成工艺设计过程中的虚拟件,对EBOM再设计出来的用于指导工艺工作的产品数据清单。它用于工艺设计和生产制造管理,使用它可以明确地了解零件与零件之间的制造与装配关系,跟踪零件制造方法、地点、人员、物料和过程信息。PBOM是产品工艺计划阶段的BOM,建立产品的工艺计划对组织产品的生产极其重要。对于组织工艺设计、安排生产计划、制定采购计划都具有重要的作用。

       3)制造BOM(Manufacturing BOM,MBOM)

       制造BOM是企业生产制造部门用来组织和管理在实际制造和生产管理过程中生产某种产品所需的零部件BOM。制造BOM是根据产品的设计BOM和工艺BOM制定的,它在MES和ERP中起着相当重要的作用。MBOM是在PBOM的基础上,增加详细的工艺、材料、制造资源(工装、刀具、量具、设备等)、工时定额、材料定额信息,同时生产制造管理部门可以根据工艺部门生产的PBOM,参考工艺设计中的零件的加工步骤与装配件的装配步骤,更改零部件的装配顺序,是详细描述产品制造过程和制造数据的基础性数据。同时MBOM作为制造部门主要数据,可用于工艺设计、工艺分工、工艺管理及工艺文件的跟踪,是MES、ERP系统运行所需的基础数据。MBOM的完整性和准确性对于缩短生产准备周期,协调各部门的工作具有举足轻重的作用。

2 EBOM→PBOM→MBOM演变与重构过程

       设计BOM和工艺BOM在各式各样的BOM中,属于最原始的BOM,它凝结了产品设计工程师和工艺工程师的创造性,其他各种BOM都是在设计BOM和工艺BOM的基础上结合其应用领域的信息转换而来的。航空产品BOM重构过程中最终目的是生成MBOM以指导产品的生产。由于EBOM是源头,PBOM、MBOM需在EBOM产品结构的基础上进行结构调整、信息的补充和完善,即BOM重构。具体过程如下:

       EBOM形成:搭建产品结构EBOM,搭建自制件、标准件、外购件等,添加物料主文件(图号、名称、材质、数量、单位、类别、是否关键件等),完善产品结构(层级关系、时效断、替代件、可选件等)。

       PBOM形成:继承EBOM信息,完善工艺信息(如加工工序、材料定额、工作重心、加工时间、准备时间等)调整BOM结构,除继承EBOM物料主文件、产品结构外,还需在物料主文件中添加检验方式等;由于EBOM是按照功能对零部件关系进行划分的,而PBOM和MBOM需要按照工作和装配顺序进行划分,因此从EBOM到PBOM和MBOM的转换需要按工艺过程进行调整,如将相关的原来处于同一级的零部件调整到一起,并按装配关系形成父子关系。其中,EBOM到PBOM转换主要是处理外协件、关键件;PBOM到MBOM的转换主要是处理虚设件和工艺件。

       MBOM的形成:继承PBOM信息,增加详细的工艺、材料、制造资源(工装、刀具、量具、设备等)、工时定额、材料定额信息等,建立相应的对象,使之成为BOM中的一个元素,并建立与父物料的隶属关系,调整BOM结构,按照装配先后关系定义层次,即上层的父件必须要其下层的子件装配完成后才能进行。

       数据一致性检查。具体过程如图1所示。

EBOM→PBOM→MBOM演变与重构过程

图1 EBOM→PBOM→MBOM演变与重构过程

3 BOM多视图在PLM系统中的演变与重构方案实现

       3.1 方案概述

       BOM多视图在PLM系统中的演变与重构方案的理论基础是单一数据源,是基于PLM系统在产品数据统一管理的基础上,以零部件为核心,以产品结构树为主线组织多种产品结构视图,将产品全生命周期的各种业务相关的产品数据与零部件关联起来,形成对产品结构的完整描述。即基于BOM的方式将相关的产品数据逻辑地组织在一起,为相关应用提供一致的、最新的、完整的、无冗余的和可靠的产品数据,并通过预先设定的筛选条件,从PLM系统的众多配置选项(参数)中进行选择,每种配置信息是与具体的零部件进行关联的,再将配置好的产品结构存于一个后台数据表中,最后按照不同的条件选择各自的数据,最终形成差异化的、不同的产品结构视角BOM视图呈现给不同用户。PLM系统提供产品视图管理中心功能,不同视图之间的转换通过视图转换工具实现。PLM系统对BOM视图中的部件/零件间的联系的描述是通过父子层次关系表达的,即每一个零件都隶属于某一部件,属于该部件的子件。BOM视图的转换从数学模型上,就是对原有的父子层次关系进行重新分配和建立的结果。下游BOM的产生与上游BOM数据有关,是经过上游BOM施加一定的领域属性转换而来的。BOM的转换本质上也就是其视图的转换,是同一产品对象在不同阶段、对不同使用人员的视图关系。BOM视图可由BOM结构关系与BOM属性两部分组成,BOM视图的转换也就是结构和属性两方面转换作用的结果,在转换过程中,将设计BOM、工艺BOM、制造BOM作为产品结构在产品开发不同阶段的三个版本,BOM结构转换就是根据已有BOM视图版本生成新版本的过程。

       3.2 关键技术

       BOM多视图技术:不同的BOM所组成的信息体共同构成产品全生命周期内完整的信息描述,不同的BOM实际上是这个完整信息在不同职能面的投影,这就是BOM的多视图。也就是说BOM的多视图是不同的用户、部门对本体和从体的选择和定义,不管BOM的内容如何变化,BOM都包含两个最基本的部分:一个是BOM所需要反映的对象,另一部分是这些对象的属性或者与之相关的对象的关系,前者为BOM的本体,后者为BOM的从体。

       不同视图BOM结构之间的重构技术:PLM平台提供不同视图产品结构之间的重构工具,使得基于某一个视图的BOM结构,方便地调整为另一个视图的BOM结构,在重构过程中还能输入该视图零组件对象所需要的属性信息。例如工艺人员基于EBOM结构,根据产品的制造规划、制造资源组织重构形成MBOM结构,在重构过程中输入材料定额、工艺路线等信息。此外,平台还将支持在3D可视化环境下进行直观的EBOM、MBOM重构和管理工作。

       多个BOM视图之间产品结构符合性的验证能力:对多个视图BOM结构之间(例如EBOM和MBOM之间)包括的零件种类、全机数量等进行比对,确保视图重构的正确性,避免重构时的零件遗漏。

       上游视图BOM的更改结果向下游视图BOM的自动传递技术:可在平台中设置不同视图之间的等同件(即两个视图产品结构中的不同节点代表同一个零组件),当上游视图BOM中的零组件发生工程更改时,系统自动提醒需要对下游视图的相应零组件进行相关更改,或与上游视图BOM的更改结果进行同步。

       3.3 转换算法及特殊部件处理

       不同的BOM视图对各种类型的特殊部件有不同的处理方法,处理方法具体分四种(增加、删除、调整和分解),具体见图2,BOM视图结构转换工作主要集中在对特殊部件的处理上。对比各种BOM视图结构,造成设计BOM和工艺BOM异构的特殊部件主要有关键件和外协件,造成工艺BOM和制造BOM之间异构的特殊部件主要有虚设件和工艺件。上述各种特殊部件定义如下:

       关键件:考虑工艺分离面等原因,在工艺分解过程中需要对设计BOM中划分过粗的零件进行细化而生成的部件。

       外协件:本身及其所属的所有零部件都需外协加工的部件。其所属零部件不会出现在工艺BOM中。

       虚设件:在设计BOM中出现,在工艺BOM中有定义,但在实际生产中并不制造也不存储的部件。在制造BOM中会删除虚设件,通过处理虚设件,可以使制造工作并行化,从而在资源充足的情况下有效利用资源。

       工艺件:在设计BOM中不出现,而在实际生产中因为工艺要求,既要制造又要存储的部件。在制造BOM中会添加工艺件,同时工艺BOM中某些零部件会降级成为工艺件的下级子件,这些零部件在工艺BOM中称为工艺子件。通过处理工艺子件,可以使制造工作串行化,从而在资源有限的情况下节约利用资源。    

BOM结构转换算法示意图

图2 BOM结构转换算法示意图

4 方案的具体实践

       航空工业XX公司采用的PLM系统为PTC公司的Windchill系统,PTC认为BOM使用Bill of Information,或者Product Structure的表达要更合适。Windchill中提供完备的视图功能,包括:需求视图、功能视图、设计视图、工程视图、仿真测试视图、制造视图、售后服务视图、成本视图等,不再一一赘述。企业各个职能部门可以梳理各部门对于BOM信息的依赖关系,以及BOM的创建和修改流程,接着利用视图功能,把其中某个视图作为基础视图,并且定义各个视图之间的上下游关系,在建立了视图关联之后,Windchill可以辅助企业了解这些视图之间的追溯、变更提醒、比较以及联动。同时,该系统具备图形化的BOM视图编辑工具,即产品结构管理PSE模块(Product Structure Editor),可以通过该模块实现BOM视图的创建、编辑、流览功能。该模块不仅可以对系列产品的配置进行管理,还能方便的对产品结构视图,即BOM进行处理。处理方式通常有以下两种。

       直接根据设计BOM产生一个与设计BOM结构完全相同的其它BOM视图,但产生出来的新BOM视图用另外的数据存储其结构信息,而不在依赖于零部件对象中的明细表。生成新的BOM视图结构后,再可以手工编辑该结构,例如在装配BOM增加装配过渡件,并调整装配结构关系。对该结构的编辑不影响原来的设计BOM。

       预先定制一个规则,根据规则在设计BOM的基础上自动生成一个与设计BOM结构不同的其它BOM视图,生成之后也能继续手工编辑调整。例如,从设计BOM生成采购BOM,其规则相当于一个外购件汇总;从设计BOM生成制造BOM,其规则是根据零部件的工艺路线把零件制造过程中的毛坯和半成品展开到结构中。

       现以Windchill系统中EBOM->PBOM->MBOM为例,阐述BOM视图转换方案的实现。

       4.1 EBOM向PBOM转换

       EBOM向PBOM转换主要处理外协件、外购件、关键件,主要是减去外协件、外购件,增加工艺组件等。工艺管理部门在EBOM基础上,根据工艺技术标准规范、质量管理体系、设计部门对于工艺的需求、工厂的实际加工能力、加工与装配约束以及零组件交付要求,对于产品零组件进行工艺分工,从而对于EBOM进行一定的修改,来构建产品的PBOM。这种修改不仅包括对零组件数量的修改、虚设件的去除、产品工艺属性的分类(标准件、自制件、成件、外协件等),同时包括对EBOM中定义的结构关系的修改。结构关系的修改主要体现为PBOM中的工艺组件的添加。具体方法如下。

       产品结构调整。将EBOM中的产品结构映射到PBOM结构中,对EBOM中零组件结构关系按照生产组织要求进行局部调整。依据零部件在实际制造中的要求,通过EBOM中添加虚拟零部件(在设计BOM中出现,但在实际生产中并不制造的零部件)、中间零部件(在设计BOM中不出现,但在实际生产中因为工艺要求,需要制造的零部件)、工艺合件(因设备、材料、工艺性等因素将一个零件分开制造或多个零件合并制造),实现零部件的装配关系调整。

       工艺分工。工艺分工是统筹规划的过程,即根据资源配置状况将零组件的加工和装配任务分别发放到匹配的部门,合理有效的调配资源。PBOM重构过程目的是根据企业生产布局来合理分配零组件生产任务,根据工艺分离面(工艺分离面是根据装配要求进行的产品结构划分)划分出来的零组件之间的包含关系来管理这些零组件,并确定零组件的流转路线。在进行工艺分离面划分时应合理分配组件、分组件的装配工作量,减少产品总装的工作量。

       数据一致性检查。PBOM重构完成后与EBOM进行数据一致性检查,检查是否存在遗漏的数据项,分析两者差异是否合理。详细过程见图3。

EBOM向PBOM转换

图3 EBOM向PBOM转换

       4.2 PBOM向MBOM转换

       PBOM向MBOM转换主要处理虚设件和工艺件,MBOM在PBOM基础上,根据制造需求、技术和质量标准、工厂生产现状,添加工艺过程、工时、工装、物料和工艺组合件等信息,转化成为MBOM,具体过程如下。

       划分装配单元。装配单元划分是根据生产的装配层次要求划分为产品、部件、组件和分组件的过程。进行装配单元划分时应该考虑到产品的结构组成,工艺上的开敞性,是否有利于装配接口的协调,以及是否有利于减少总装阶段的工作量等。在实践过程中,要根据具体的要求和以往的经验等权衡主次,以求得合理划分装配单元划分的途径。

       划分生产单元。生产单元是装配工艺编制和组织生产的最小组成。针对每个装配单元再细分为若干个生产单元,确定生产单元中需参加装配的零组件。

       构建工艺流程树。工艺流程树用于规定产品加工、装配、检测和调试等工艺顺序。首先按照产品装配单元和生产单元结构关系,确定各装配单元的装配层次,形成装配单元结构树;然后按照装配顺序,确定装配层次,形成关系结构树。装配单元结构树和装配关系结构树关联形成工艺流程结构树。

       确定制造资源。工艺流程树构建完毕后,根据工艺流程确定每道工序生产所需要的制造资源,如材料、工装、刀具、量具和设备等。

       添加工艺信息。为明确流程单元的制造/装配分工以及相互关系,还需要编制工艺规程,形成详细的工艺内容、工时定额和材料定额信息,提交工装申请等生产用工艺信息。

       数据一致性检查。MBOM重构完成后与PBOM进行数据一致性检查,重点检查是否存在遗漏的数据项,分析两者差异是否合理。详细过程见图4。

PBOM向MBOM转换

图4 PBOM向MBOM转换

5 结论

       本文通过分析、定义PLM中各个不同阶段的BOM形态,主要讨论了产品开发阶段三种重要BOM视图间的演绎关系,明确阐述了BOM之间的转化与演进过程,通过对BOM多视图、重构技术的研究与分析,总结了BOM视图演绎的规律和多视图的实现方法,并结合实践提供了一种在PLM系统中实现多视图转换、管理的机制,为进一步推广到产品生命周期其它阶段的BOM演绎提供参考,以解决产品生命周期各阶段的BOM视图自动生成及数据集成等问题。文中所给出的由设计BOM到工艺BOM进而到制造BOM转换技术在商品化PLM系统Windchill中的应用实现,为PLM系统中的产品结构管理功能在企业中的应用提供了可供参考的方法和步骤。这不仅使产品在这个生命周期过程中有完整、准确的数据依据,也可以在后续生产中识别产品生产中问题发生的来源等过程信息,对完善企业的信息流通具有重要意义。
 
责任编辑:程玥
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