在产品生命周期中,由于新产品的功能、性能、几何形态、质量、成本和零部件配置等结构和属性的形成,是一个从无到有、从粗到细的优化迭代过程。因此,表征产品结构的物料清单(Bill of Material,BOM) ,在生命周期的不同阶段也是一个逐步形成与演进的过程。面对激烈的市场竞争和顾客的个性化需求,许多制造企业对产品结构与配置信息仍采用落后的人工管理方式,造成产品生命周期中各阶段BOM 结构数据的表达不一致,导致设计、工艺、生产、销售过程中的产品、零部件和原材料在设计、供应、装配、销售和维修等各个环节上的差错,影响企业的市场竞争力。

为此,越来越多的制造企业正在努力寻求自己的产品发展战略和自主开发模式,希望通过先进的产品生命周期管理( Product Lifecycle Management,PLM) 来建立企业的新产品开发平台,有效管理产品生命周期中不同阶段的产品结构与配置信息。由此,国内外一些学者提出了产品数据管理( PDM) 中的BOM 面向对象模型及其应用方法,从产品设计、工艺、制造和客户服务等方面来构造BOM 的结构形式;另外,有些学者针对工艺设计和MRP Ⅱ的要求,建立了对应的PBOM( Planning Bill of Material) 和MBOM(Manufacturing Bill of Material)结构,解决产品在工艺和制造状态下的物料清单表示方法;国际对象管理组织(OMG) 对BOM 在产品生命周期各阶段的表示方法也提出了参考模型。这些研究成果从不同方面提出了解决方案,也取得了一些成果。然而,产品生命周期中每个阶段BOM所描述的结构与属性信息,都是该阶段产品特定形态的表征,它们彼此之间有着密切的内在联系,对这种贯穿整个产品生命周期的BOM 内在联系的建立与描述,国内还缺少研究。在此笔者提出一种面向产品生命周期的单/ 多层BOM 表达模型和BOM 多视图应用,解决了产品生命周期各阶段BOM 的表述与内在联系问题。

1 BOM的PL 模型和基本视图

按照产品生命周期的一般规律,产品的演进过程可分为顾客需求域(client requires domain) 、功能域(functional domain) 、结构域(physical domain) 、工艺域(process domain) 、制造域(manufacturing domain) 和销售与用户域(marketing & customer domain) 等六个域之间的映射,每一域中都有各自的元素,这些元素在数量、结构和位置上的相互关系,就构成了生命周期不同阶段BOM 多视图的内在联系与特征属性。图1 是产品生命周期BOM 的演进模型。BOM 作为描述产品结构与配置关系的表单,它主要由本体和从体两部分组成。其中,BOM 本体指零部件对象本身的结构关系, 而BOM 从体是指BOM 主体的属性集和与BOM 主体相关联的对象集两部分。

任何一个产品的BOM 视图,都是由特定功能的零部件按所隶属的层次结构关系配置而成。为了表达BOM 多视图的内在联系与特征属性,我们构造了一个单层BOM 来描述零部件结构的基本视图。它是零部件配置关系的基本描述,当零部件的功能、互换性不发生变化时,零部件的件号和属性就不会发生变化,但配置关系可以变化,以满足生命周期不同阶段的产品配置需求。

2 基本零部件配置的单层BOM表示

所谓单层BOM 视图就是BOM 表中相同的结构关系只记录一次,其数据结构如图2 所示。单层BOM 本体中只有单层BOM 表,并且该表只记录了产品结构的父子关系。在BOM 从体中,零部件属性表用来描述产品各组成零部件对象的属性,如变更记录、材料、技术状态、KD 件号、国标代号、质量状态、自制件或供应商(A、B、C、D 等) 及配额、供应商代码、配送方式、库存量、库存位置及条码记录等;关联对象表用来描述零部件之间的关联对象,用于控制零部件关联变更。当需要管理零部件的文档时,BOM 从体还可以关联零部件对应的文档信息。

图3 是描述基本零部件层次结构及属性信息的单层BOM 表示结果,BOM 根节点的父项版本和父项件号均用根表示,这里,根实际上是一个新BOM 系列的顶层节点标识。

采用单层BOM 来描述基本零部件结构视图的优点如下: ①可方便更改BOM 的配置。一个零件或部件被更改,其他引用该零件或部件的地方也被更改了(因为单层BOM 中相同的零部件隶属关系只记录一次) ,且数据冗余少。②单层BOM 中的零部件,最顶层父项只能是部件,因此,单层是与产品无关的基本零部件结构配置。当某个零件或部件被某个产品引用时,单层BOM 中的零部件及所关联的属性信息才与具体的产品发生联系。基于单层BOM 的管理思想,可将企业所设计的成熟的所有零部件按单层BOM 方式构造成基本零部件库,作为产品配置设计的基础。由此可配置出基于共用件管理模式的产品配置,把过去以产品为对象的BOM人工管理方式提升为以零部件为核心的BOM 管理方式,配合零部件独立编码的使用,避免借用件在产品BOM 中出现,解决了长期以来产品BOM 人工管理中对借用件管理的混乱状况。

3 产品配置的多层BOM表示

单层BOM的描述零部件的配置关系时，只记录父项/子项间的两层隶属关系，若用它来描述一个完整产品的零部件配置关系，就需要根据零部件间的父项/子项两层隶属关系。自顶向下逐个关联所有的零部件，再生成产品的完整BOM结构，需花费较多时间。因此，为了记录和快速表示一个完整产品的BOM，我们构造了一种多层BOM的表示方法。其特征是详尽地记录了从产品到零部件的每个层次结构与零部件配置关系，即同一产品的相同零部件结构在该BOM的不同层次上可重复出现，以完整地记录一个产品的所有零部件配置关系，其数据结构如图4所示。

在多层BOM从体中，零部件属性表用来描述产品各组成零部件对象的属性，关联对象表用来描述零部件对象的关联关系，用于控制零部件关联变更。同样，BOM从体也可以关联零部件的文档信息。一个产品的零部件配置在多层BOM树和数据表中的描述如图5所示。在产品的结构配置描述中，采用多层BOM的优点是，能准确地描述产品各层次零部件配置关系，产品之间的结构互不影响，产品内部零部件结构也互不影响，一个产品完整BOM的生成速度快。其缺点是数据冗余大，但可通过增加硬件存储设备来弥补。

4 BOM多视图的表示与内在联系

在设计阶段，产品的结构和配置依据市场需求确定，而在生产和销售阶段，产品的功能结构和实体结构在配置上不会发生变化，变化的只是实体结构的位置、状态和特征属性。因此，产品的设计BOM是为了准确地描述它由哪些具体零部件配置而成，以及这些零部件在产品BOM层次上的具体位置，最好采用多层BOM的表示方式。此时，产品设计BOM中零部件配置的来源有三个方面：一、来自顾客需求转换的功能定义，由定义的功能结构在基本零部件库的单层BOM中，找出对应的零部件结构，再配置到设计BOM中；二、根据设计需要，从基本零部件的单层BOM中选取符合要求的零部件结构；三、从已有产品中引用成熟的零部件,从CAD 装配模型中读取零部件配置关系。设计BOM 从体的属性主要有件号、版本号、名称、性能、材料、引用标准、变更次数、发放状态和供应商等信息。

在产品的装配工艺设计阶段,产品的零部件配置关系应按装配工艺的要求,先进行虚拟件的拆分与合并,再重新调整配置关系。如大批量生产按流水线的工位配置,单件小批生产则按固定位置的不同工序先后配置。对于大型、复杂产品,不管是大批量生产还是单件小批量生产,这种按工艺配置的BOM 表必须能准确记录每个零部件的装配位置。如某几个零件先分装成部件,再与其他零部件进行总装。由于装配BOM 中零部件配置关系描述的复杂性,对装配工艺BOM ,采用多层BOM 结构表示较好。对自制件工艺BOM ,除零件本身所关联的制造工艺信息外,由于零件之下最多可再分解出一级原材料的隶属层次,故采用单层BOM 表示较好。

在其后的产品制造BOM 构造中,首先按零部件的采购和库存管理要求,在装配工艺BOM 上给每个零部件关联装配物料属性信息、供应商及配额信息,构成装配制造BOM;对自制件除要关联物料属性信息外,还要关联材料定额、工时定额、工作中心、工具/ 辅料、设备等信息,构成零件制造BOM。在目前的大多数企业资源计划( ERP) 系统中,对主生产计划、车间作业计划、物料需求计划和原材料采购计划的计算,多依据单层制造BOM进行。因此,为了解决PDM 与ERP 系统的集成,在PDM 系统中生成的多层装配工艺BOM,在向ERP系统提供装配制造BOM 时,再按ERP 系统的要求拆分为单层制造BOM 数据格式,直接提交给ERP 系统。例如,在某汽车关键零部件制造企业进行PDM 与ERP 集成时,就采用这种方法实现了与金碟K3/ERP 系统的多帐套的底层数据库集成,效果良好。而自制件的工艺BOM 本身就是单层BOM ,在向ERP 系统提交时就无需再转换了。

在产品销售阶段,制造商要向用户提供产品的安装、操作和维护手册,以及备品、备件清单等销售技术文件,其中的产品明细表就是销售BOM。它由产品设计BOM而来,即在产品设计BOM 中,取消用户不需要的零部件配置和BOM 展开层次,增加备品、备件或可替代件配置,并将产品下线时的序列号与所装配零部件的具体供应商信息相关联,便于售后服务和质量追踪,此时的销售BOM 也采用了多层BOM 结构。

从产品设计到制造的全过程来看,不管是PDM中基于多层BOM 结构的设计BOM、装配工艺BOM、销售BOM ,还是ERP 中基于单层BOM 结构的制造BOM ,其中的零部件配置结构都是来自基本零部件库的单层BOM ,只是在产品生命周期的不同阶段,根据设计、制造、销售的不同需求演变为不同的表现形式,其底层的数据结构的内在联系通过单/多层BOM 间的相互转换来实现。图6 所示的例子只描述了汽车产品从顾客需求BOM、设计BOM 到装配工艺BOM 的演进过程与内在联系。