MBOM在國產燃氣輪機研制過程中的應用

張 騰，趙曠世，苑 鑫，周學理

(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的快速發(fā)展，數(shù)字化、網絡化、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，建造周期相對較長，工藝流程復雜，單件小批量，中間產品種類非標件數(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、網絡化、智能化技術應用提出了特殊要求。綜合國外先進燃氣輪機智能制造發(fā)展趨勢，國產燃氣輪機研制過程全面采用MBD技術，將三維設計信息、產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，將燃氣輪機產品開發(fā)、生產管理和倉儲管理等方面打通，有效縮短產品形成周期，加速產品設計到制造領域的轉化。

燃氣輪機產品結構普遍比較復雜，產品配套的零件品種和數(shù)量眾多，產品的復雜性導致了產品裝配過程的復雜性，這也是影響燃氣輪機產品制造周期最主要的因素[1]。在從事國產燃氣輪機研制的企業(yè)中，PLM(產品生命周期管理)、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后，將基于模型的設計、虛擬仿真試驗、結構化工藝、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)管理的核心內容[2]，將MBOM這一核心數(shù)據(jù)在PLM、ERP和MES系統(tǒng)中進行應用，以MBOM為載體驅動燃氣輪機研制相關業(yè)務自動流轉，串聯(lián)起各個信息化系統(tǒng)解決方案，可實現(xiàn)國產燃氣輪機研制企業(yè)的產品質量提高和研制效率的提升。研究提出的內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，是物料清單或產品結構樹，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)中最重要的基礎數(shù)據(jù)，其組織格式設計合理與否直接影響著系統(tǒng)的處理性能。燃氣輪機產品要經過工程設計、工藝制造設計、生產制造3個階段[4]。根據(jù)BOM在產品研制過程中不同階段的應用，可將其細分為EBOM(Engineering BOM，設計BOM)、PBOM(Process BOM，工藝BOM)和MBOM(Manufacturing BOM，制造BOM)。

PBOM與EBOM結構一致，包含EBOM中的產品設計信息。PBOM在EBOM的基礎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，劃分責任部門，指定工藝路線，由責任部門負責工藝設計，對外購的零組件進行分包，為下一步統(tǒng)一采購做好準備。

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

MBOM作為制造物料清單或制造產品結構樹，在EBOM和PBOM的基礎上包含產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系及配套資源的分層次物料清單。MBOM構建與制造任務密切相關，它會根據(jù)制造任務書上的產品清單，按一定配置規(guī)則抓取對應產品的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)技術狀態(tài)[5]。在PBOM的基礎上，工藝員從燃機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中讀取零組件的結構和屬性信息，依據(jù)零組件加工、裝配過程重新組織BOM結構，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單元的關聯(lián)關系，并與庫存匹配[6]，形成MBOM。

2 國產燃氣輪機研制過程中應用MBOM的意義

燃氣輪機被譽為裝備制造行業(yè)“皇冠上的明珠”，是典型的高新技術密集型產品。燃氣輪機研制過程非常復雜，國外技術封鎖嚴密，國產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、成本高等風險。需采用新研制模式，將三維模型以產品結構樹的形式組織起來，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)驅動，將支持國產燃氣輪機研制企業(yè)在研發(fā)設計過程中大量使用虛擬仿真技術快速迭代，以優(yōu)化設計。在結構化工藝編制過程中，以MBOM作為制造目標搭建工藝結構。在制造資源計劃制定過程中，通過MBOM驅動物料需求計劃(MRP)運算并生成物料準備清單。在制造執(zhí)行管理過程中，基于MBOM匯總質量記錄信息。基于MBOM在國產燃氣輪機研制過程中的應用，從而大幅提高燃氣輪機的研制效率。

3 MBOM對國產燃氣輪機研制過程的應用價值

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、試驗的軟硬件平臺于一體，在公司信息化建設初期實現(xiàn)了基于EBOM生成PBOM，并依據(jù)PBOM自動生成采購清單、下發(fā)設計任務至責任人等功能。

龍江廣瀚數(shù)字化工廠項目建設以及近兩年的功能升級過程中實現(xiàn)了對MBOM的應用，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準后，在設計工藝并行過程中能夠對MBOM中的長周期件提前進行采購，使燃機生產的齊套性得到保障?；贛BOM的應用還實現(xiàn)了面向制造的設計，使得在設計階段能夠盡早考慮與制造有關的約束，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，明確自制件和外購件，驅動物料需求計劃(MRP)運算后自動生成生產訂單。通過自動生成的物料準備清單使得工人可以一次完成生產某一部套的全部領料工作，提高了設備的利用率，縮短了生產準備時間，提升了工人的工作效率。

得益于MBOM的應用，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為載體反饋給設計人員進行優(yōu)化迭代，快速定位，降低遺漏或出錯的風險，燃氣輪機型號研制過程中的設計變更次數(shù)得以大幅度下降。

4 MBOM在國產燃氣輪機研制過程中的應用

無論是對于已經成立并處在數(shù)字化轉型階段的國產燃氣輪機企業(yè)，還是即將新建的企業(yè)，MBOM的應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的管理規(guī)范，形成MBOM管理體系，以指導MBOM管理工作，如在原有標準基礎上，對《MBOM構建與管理規(guī)范》進行內容修訂，增加對零部件工藝分工路線的規(guī)定及相應的BOM管理要求[7]。

4.1 結構化工藝

工藝數(shù)據(jù)信息作為制造企業(yè)中產品設計與制造的橋梁起著連接作用，是產品生命周期管理中重要的組成部分[8]。MBOM數(shù)據(jù)和結構化工藝流程是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 再設計得來的，通過MBOM 可以明確地了解零件之間的制造關系以及加工狀態(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結構一致的MBOM，MBOM中的各個零組件id與EBOM中的零組件id相互對應。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)集會自動復制到MBOM中的對于零組件下。

圖2 MBOM和工藝結構樹關聯(lián)示意圖Fig.2 Diagram of correlation between MBOM and BOP

該MBOM所有權為工藝員，工藝員可以根據(jù)工藝過程重新組織MBOM的層級結構，為MBOM添加虛擬件、輔料等，之后，將MBOM作為制造目標編制結構化工藝，將MBOM與結構化工藝中各個工序下的工具、刀具、設備、工裝等相關聯(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，極易產生遺漏、差錯等問題。

通過對MBOM的應用，每次分工分包工作結束后，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以及與它關聯(lián)的工藝過程、工藝資源信息將通過線上流程審批，經驗證并適合于每個生產現(xiàn)場，批準后發(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，可以直接調用數(shù)據(jù)庫，將歷史分工分包信息寫入，供生產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和與之關聯(lián)的結構化零件工藝和裝配工藝應用在PLM與ERP系統(tǒng)的集成環(huán)境中，可以實現(xiàn)燃氣輪機研制相關活動的所有資源、過程的統(tǒng)一管理，有目標地進行成本管控、質量管控和客戶服務管理等[12]。同時，MBOM作為基礎數(shù)據(jù)，能夠驅動ERP系統(tǒng)中的MRP運算，自動進行生產排程。MBOM數(shù)據(jù)的及時有效性直接影響采購、銷售、財務核算等模塊的推進,其準確性是整個財務體系準確無誤的基礎保障[13]。

研制燃氣輪機的典型離散制造企業(yè)面臨著型號產品混線生產過程中作業(yè)任務以單件產品為個體組織生產時存在的由于產品結構復雜、生產周期長、作業(yè)生產過程不易把控等問題而導致的現(xiàn)場物料混亂、產品交貨期難以保證等問題[14]，通過MBOM在MRP運算中的應用，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準備清單，通過MES系統(tǒng)將生產準備清單和生產訂單一起推送給現(xiàn)場操作者，確保零件生產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]，當發(fā)生設計更改時，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及相關分工分包清單進行更改[16]，確保數(shù)據(jù)及時更新，產品設計和工藝設計的版本統(tǒng)一。

基于升版后的MBOM再次進行虛擬仿真研制，根據(jù)對仿真結果的分析提出優(yōu)化設計方案，觸發(fā)設計變更。依據(jù)這一閉環(huán)的流程，經過多輪優(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)化設計流程圖Fig.3 Diagram of optimizing design through virtual simulation based on MBOM

5 結論

MBOM在龍江廣瀚國產燃氣輪機研制各階段的深入應用，使得數(shù)字化工廠中基于模型的結構化工藝、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用。企業(yè)通過MBOM的應用，利用信息化手段規(guī)范了三維結構化工藝設計、設計工藝并行、工藝分工、外購件分包等業(yè)務流程，使企業(yè)具備了自動進行生產排程、生成生產準備清單和虛擬裝配仿真驗證的能力，將燃氣輪機產品開發(fā)與生產管理甚至倉儲管理等打通，有效縮短產品形成周期，加速產品設計到制造領域的轉化。

以龍江廣瀚為代表的國產燃氣輪機研制企業(yè)在產量逐漸增加后，未來還將面對庫存壓力增大導致的各種問題，如影響到現(xiàn)金流等。通過MBOM的不斷深化應用，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)提質增效，不斷接近準時生產方式，提升國產燃氣輪機競爭力。

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