摘要：对于航空制造企业而言，其产品研制生产过程由多领域人员协同工作完成，需要衔接产品的研发与生产过程，防止产品设计、工艺设计、项目计划、生产制造等环节的脱节。因此，如何贯通产品的设计生产制造过程，实现设计到制造各环节之间的数据资源共享集成，成为航空制造企业急需解决的
对于航空制造企业而言，其产品研制生产过程由多领域人员协同工作完成，需要衔接产品的研发与生产过程，防止产品设计、工艺设计、项目计划、生产制造等环节的脱节。因此，如何贯通产品的设计生产制造过程，实现设计到制造各环节之间的数据资源共享集成，成为航空制造企业急需解决的问题。
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本文作者：航宇救生装备有限公司-陈金文。文章为“2024中国制造业产品创新数字化国际峰会论文集”优秀论文获奖文章。
引言
随着自动化技术、信息技术的飞速发展，以及与航空制造业的深入融合，航空企业的数字化、网络化、智能化水平不断提升[1] 。数字化、信息化能力已经成为航空企业的核心竞争力，在航空企业发展规划中占据重要地位。航空产品研制是一项涉及多学科领域的系统工程，随着研制任务的不断增加以及航空技术的快速发展，航空产品复杂程度越来越高、研制周期越来越短、质量要求也越来越高[2] 。面对国家战略布局以及激烈的市场竞争环境，为快速响应研制任务、缩短产品研制周期，企业需要借助数字化、信息化手段不断增强对产品研制过程的管控能力，并提高产品生产质量。
BOM 及企业设计制造管理现状
BOM作为各系统互联的基础信息，是企业最核心的软实力所在。企业软实力构建的切入点，应从BOM开始。国外的一些大公司和科研院所已在BOM方面进行了深入研究和应用。
波音公司在飞机产品的设计生产过程中，采用EBOM和MBOM的文本形式来描述产品结构和装配关系，在基于PDM的集成环境中，工艺人员通过CAPP系统将设计成的EBOM转换成MBOM制造，PDM中生成的BOM数据文档再传递给MRPⅡ系统，用于产品生产制造过程的工艺规划。同时，波音公司提出了飞机构型控制与定义制造资源管理计划，该计划主要有以下四个主要关键技术：产品单一数据源、简化配置管理、精简业务流和精简物料管理。在物料管理上，通过建立单一数据源，波音公司实现了BOM的统一管理，与此同时单一数据源具备支持按照不同需要提取不同BOM视图的功能，从而达到并行工程，实现集成的目的。
面对制造成本急剧增多，生产周期不断延长，维修成本提高的严重挑战，洛克希德·马丁公司通过统一管理设计BOM、制造BOM和维修BOM，从而实现项目降低成本、缩短周期、易于维修的目标，最终按要求完成了空军型、海军型、海军陆战队型“一条生产线生产三种飞机”，其互换性达到80%，实现了设计周期缩短35%，节省了上亿美元资金。
近年来，航天、船舶等国内部分企业在BOM技术方面进行了一系列研究与应用。随着信息系统的推广应用，企业的信息化水平得到了显著提高，但是在信息化建设过程中仍存在很多问题。
BOM在各个信息系统集成度不高，信息孤岛情况严重，产品数据管理的应用与集成、设计与制造的信息集成尚未形成，各信息系统之间相互独立，数据存储和处理的方式各不相同，无法进行数据的有效传递与交换，亟待形成标准共享的信息化管理机制。同时，现有工具软件开放度和一体化程度不高，各阶段数据的输入和输出仍然依靠人工手动完成，数据的一致性、准确性难以保证。此外，工程阶段的变更管理不到位，难以实现高效的变更管理以及工程数据的同步，且很难跟踪工程变更的真正起点，缺乏端到端的工程变更流程控制，尚未形成闭环的变更管理体系。
航空产品存在多型号、多品种、小批量、多批次、预研与批产并存的复杂情况，以及时间短、任务重、高质量的新常态，这些问题势必影响航空制造型企业的发展与变革。
企业研发逐步实现了型号产品的数字化三维设计，基于PDM系统的产品数据管理，工艺却停留在传统的CAPP二维环境下的工艺卡片设计、工艺图绘制阶段，产品三维数模和工艺二维卡片的数据异构，PDM与CAPP的系统异构，产生了设计与工艺的信息孤岛与业务隔阂，导致了型号产品研发长期停留在产品设计、数据转换、人工传递、工艺准备的串行、相互独立的模式。工艺与生产制造分离，MES无法获取正确MBOM信息，只能手动搭建MBOM结构，增加了大量的工作量，同时准确性也无法保证……主要带来的问题如下:
⑴设计与工艺分离：设计与工艺串行的工作模式，工艺只能被动等待设计输入，无法在产品设计阶段有效介入，提前进行产品工艺性审查、工艺方案前期策划等工作，以达到缩短工艺准备周期的目的；同样，设计问题也无法在方案设计或者工程设计阶段提前暴露，导致大量设计问题往往在工艺制造后期才发现，增加了更改的成本。
⑵工艺与制造分离：工艺、制造环节不能有效利用设计环节产生的EBOM数据重构生成MBOM，也难以基于设计产生的三维数模进行直观的制造过程规划工作，往往造成数据不一致，信息正确性的维护成本较高。
⑶设计、工艺、制造流程不闭环：理论上型号产品研发应该是工作流程连续，信息实时交互的设计、工艺、制造有机融合，但实际上却被一堵无形的高墙分割为设计、工艺制造独立部分，导致了流程中断、信息阻隔、环节脱节的设计、工艺、制造业务孤岛，只能采用人工“抛砖过墙”这种高成本、低效率的信息传递方式，导致了设计与工艺，工艺与制造之间信息交互困难与滞后，进一步造成了业务间的隔阂，大量无效与重复工作产生。
⑷由于工艺编制仍采用基于二维卡片的传统模式，缺乏与设计的关联性及直观的三维表现形式，影响了工艺设计效率、质量，也降低了工艺的可操作、可指导性，导致下游生产环节应用到的ERP、MES等系统需要的工序、工步、材料定额等信息仍要手工录人，数据的准确性难以保证，也不能将制造过程规划的结果数据方便有效地传递至这些系统。
解决问题的关键是建立完整的设计工艺制造一体化架构，通过产品数字化价值链实现对产品实物价值链中物理对象的虚拟化，提升研发效率和降低制造成本。
基于 BOM 的设计制造一体化模式研究
在制造型企业中，企业是以 BOM 为主线组织新产品开发与生产的。BOM是计算机可以识别的产品结构数据文件，是产品数据在整个生命周期中传递的载体。BOM贯穿于产品概念设计、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。BOM管理是产品生命周期管理的重要组成部分，能够体现产品全生命周期内物料清单视图中的各类信息，使该类信息能够被共享，为加强生命周期管控提供重要理论依据[4] 。BOM主要用于描述组成产品的零部件之间关系的信息，可以直接体现出物料结构的关系，贯穿于制造业产品生命周期的各个阶段，是设计制造一体化产品数据管理的核心[5-8] 。按照设计制造的不同阶段，将BOM划分为设计BOM、工艺BOM、制造BOM三种类型。
其定义如下：
⑴设计BOM：Engineering BOM，简称EBOM，设计部门用于管理产品设计过程的产品物料结构。产品设计人员首先根据客户需求设计产品，在设计工作完成后，再从设计图纸中提出相关数据。设计BOM中管理的数据包括产品名称、结构、零部件、版本、原材料等。
⑵工艺BOM：Processing BOM，简称PBOM，工艺部门用于管理零组件制造过程中的工艺文件。它是工艺人员在EBOM基础上，结合企业工艺水平编制的。工艺BOM主要用于说明产品中零组件和最终产品的制造方法，同时规定了制造过程中使用的设备等工艺信息。
⑶制造BOM：Manufacture BOM，简称MBOM，制造部门用于管理实际生产中某种产品所需的零部件信息。主要根据设计BOM和工艺BOM信息，调整工艺信息。MBOM最终用于指导零部件的生产。
在航空制造业产品研制过程中，BOM 管理贯穿于产品全生命周期各阶段，为企业重大决策提供充分的数据基础和理论依据。BOM 是研发成果的记录，是公司计划、采购、生产、商务、成本核算及技术管理的重要基础数据，BOM 是否准确直接影响到各相关业务的运作，BOM 业务不容忽视，否则产品的物料计划、采购工作无法进行，后期的生产加工、市场销售订单制作也会受影响，其在设计制造一体化过程中主要作用如下：
⑴BOM 在设计端的作用
●产品结构管理：BOM从产品设计阶段就开始发挥作用，帮助设计师和工程师跟踪和管理产品组件。它确保所有必要的组件都被考虑在内，并且它们的规格和版本都是正确的。
●变更控制：当产品设计变更时，BOM可以帮助识别这些变化对其他组件或整个产品的影响。PDM系统中的BOM可以帮助管理变更请求，确保所有相关方都了解变更，并且变更得到适当的批准和实施。
●文档管理：PDM系统中的BOM通常与相关的产品文档（如工程图纸、技术规范和操作手册）链接。这确保了所有相关人员都能够访问最新的产品信息和文档。
●产品配置：对于提供多种产品配置的制造商，BOM可以帮助管理不同配置之间的组件差异。PDM系统可以支持创建和管理这些配置变体。
●成本估算：BOM提供了产品组件的详细列表，有助于进行成本估算和预算规划。通过PDM系统，企业可以更准确地预测产品成本，从而做出更明智的定价和利润决策。
⑵BOM 在生产制造端的作用
●生产规划：在生产阶段，BOM是制定生产计划和调度的基础。它确保生产部门知道需要哪些组件以及它们的数量，从而有效地安排生产活动和材料采购。
●生产调度：MES系统使用BOM来确定生产特定产品所需的原材料、组件和资源。有助于制定有效的生产计划和时间表。
●生产指令：MES系统根据BOM生成详细的生产指令和作业指导，指导工人在生产线上进行操作。有助于减少错误和提高生产效率。
●物料追踪：在生产过程中，MES系统利用BOM来追踪每个组件和原材料的流向。确保了正确的物料被用于生产，并且可以实时监控物料的使用情况。
●实时监控：BOM与MES系统的集成允许实时监控生产进度和物料消耗。这有助于快速识别和解决生产过程中的问题。
●性能分析：MES系统可以使用BOM数据来分析生产性能，如生产周期时间、物料利用率和工作效率，为企业提供了改进生产过程的宝贵信息。
●资源优化配置：通过分析BOM，MES系统可以帮助企业优化资源分配，如机器、工具和人力，从而提高生产效率和降低成本。
●供应链管理：BOM为供应链管理提供了重要信息，包括需要采购哪些原材料和外购组件，以及它们的数量和交付时间表。有助于优化库存水平和供应链效率。
●售后服务：在产品生命周期结束时，BOM对于提供维修服务和备件管理至关重要。它提供了产品结构的详细信息，有助于快速识别和替换故障组件。
某航空企业实践及效果
以某航空企业为例，该企业选用PTC公司的Windchill系统为底座，打造设计工艺一体化协同平台，基于该平台，实现了基于BOM的数据组织和管理，统一了数据源头；
实现了EBOM-PBOM的无缝转换，通过与MES集成，实现了PBOM到MBOM的重构，实现了EBOM-PBOM-MBOM数据贯通；同时该系统基于CMII的闭环工程变更理论，引入了更改请求（ECR）、更改建议（ECP，类似于ECN）及更改指令（ECO）三个变更对象，实现了对所有工程更改的闭环管理，包括对跨专业、与工艺BOM、与在制品的处理措施等的闭环，同时包括从问题报告、变更请求、变更单到变更任务执行的闭环。通过上述基于BOM的设计制造一体化研制模式应用，企业实现了网络的互联互通、系统的集成交互，实现了由纸质蓝图的手工数据向电子结构化数据的跨越，实现了设计制造由模块化孤立串行向并行一体化转变，完成了以数据驱动的跨部门、跨场景、跨业务的数字化管理模式的转变。具体实践及效果如下：
为了协调解决产品设计生产制造环节的数据贯通问题，该企业统一了设计工艺平台，以BOM为主线组织相关产品数据，衔接不同研制阶段的业务流程，支撑不同层面的协同工作，规范统一基础数据，建立集设计、工艺、计划、制造于一体的科研模式，实现各系统间数据传递链路的打通，减少重复冗余工作，缩短产品设计制造周期，提高产品研制效率和企业生产能力。在产品研制过程中主要构建了以下三种BOM类型，如图1所示。
其构建过程如下：
⑴EBOM构建：在产品设计阶段构建EBOM，是产品设计的结果，是产品设计数据的结构化表达。EBOM用于描述产品设计属性与层次关系，明确产品及组件结构关系，例如产品的节点属性、三维模型、设计图样、数量等信息。EBOM是产品的数据源头之一，企业的设计人员主要通过EBOM传递的方式，将信息及数据传递给工艺人员和生产人员。
⑵PBOM构建：在产品工艺设计阶段构建PBOM，主要包含工艺顶层规划、工艺路线、工序信息等内容。企业在工艺环节无须凭空搭建PBOM，而是继承EBOM数据属性，基于EBOM根据工艺要求重新定义产品的装配关系，增加工艺属性例如承制单位、零组件类型等，并根据企业工艺装备、人员技能以及其他制造资源的分布特点，制定产品各组成的工艺分工路线，最终形成完整的PBOM。PBOM为生产工艺任务分工与工艺文件编制奠定基础，不断提升企业工艺设计、生产制造等环节的质量与效率。
⑶MBOM构建：在产品生产制造阶段构建MBOM，依据生成的PBOM对工艺装配步骤进行详细设计后得到，主要描述装配顺序、工时定额以及相关的工装、设备、刀具等信息，反映了零件、装配件的装配顺序以及最终产品的制造方法。MBOM可以直观地体现产品生产工艺与配置结构之间的关系，其作为制造工艺设计的结果，为制定物料需求计划以及开展成本核算提供依据。
图1 设计、工艺、计划、制造一体化BOM构建图
各类BOM的传递从数学模型上来看，其实质是对原有的父子层级关系进行建立和重新分配的结果，下游BOM的产生与变更与上游BOM的数据信息有关，是对上游BOM添加一定的领域属性信息而来的。
在形成BOM传递方式的基础上，构建EBOM时即增加物资编码属性，实现设计制造协同；在EBOM向PBOM传递时，将原设计零件的属性和BOM属性信息复制到新的工艺零件对象上，并自动创建BOM之间的关联关系，支持设计变更引起的工艺设计复用与快速调整；在PBOM向MBOM传递时，集成、关联型号研制所需条件和能力，自动推送工艺内容、材料定额、制造资源等知识创建形成MBOM。根据不同BOM视图对各种类型的部（组）件进行不同传递方式的处理，如增加、删除、调整、分解等，可以由原BOM结构得到新BOM结构，如图2。
图2 基于 BOM 的一体化传递示意图
图3 典型的设计制造一体化研制流程图
基于BOM的设计制造一体化研制模式，在产品研制过程中以BOM为核心贯穿产品生命周期的全过程，通过Web Services构建跨平台的系统集成，实现PDM、MPM、ERP、MES等信息系统间的数据传递和应用，如图3所示。图3为典型的设计制造一体化研制流程图。
其详细过程如下：
⑴设计人员从客户需求着手，从产品功能角度出发，充分考虑后续工艺、制造等方面的要求，利用数字化设计工具如CATIA等开展产品建模工作，完成产品的三维模型设计，并在模型中添加属性信息，包含了制造工艺、精度要求等。
⑵设计人员通过PDM集成环境上传三维设计模型和二维图纸，根据模型和图纸中产品、组件、部件、零件的结构关系自动生成EBOM，并在PDM系统内完成审签，确保EBOM结构的完整性和规范性。
⑶工艺人员在MPM系统接收到设计师下发的EBOM及设计图文档等信息后，利用工艺设计手段进行EBOM向PBOM的重构，对EBOM进行结构和层次的调整并补充工艺信息，如物料信息、配套属性信息等。同时进行结构化工艺编制，建立工艺、工序内容，上传三维工艺动画文件，并与PBOM的工艺节点进行挂接，完成工艺设计过程。
⑷生产车间调度员在MES系统接收工艺上游推送的PBOM及工艺相关信息，并按照装配工艺流程进行重构，包括产品结构、零组件、工艺信息、原材料、设备、工装等，构建产品MBOM。ERP系统下达生产任务至MES系统后，计划员根据获取的工艺文件和工序信息进行排产，编制车间生产计划；库房人员依据上游传递的信息获得物料清单，进行物料准备并确认物料的齐套状态；生产人员在制造现场终端根据上游传递至此的生产指导文件，如产品设计图纸、三维工艺装配动画、工序等进行生产。
基于BOM的设计制造一体化变更主要控制更改实施的准确、快速及完整，一体化工程变更的主要目标：从变更问题来源的数据，到变更实施、执行、反馈，实现全方位的可控。因此，实现时将使用更改请求（ECR）、更改建议（ECP类似与ECN）及更改指令（ECO）三个变更对象来实现更改信息记录及管理模型，更改过程控制的实现中简化更改的审核步骤，突出更改的过程控制及信息完整性。具体见图4设计制造一体化变更流程，过程如下：
●ECR：工程更改申请，用于提出问题和分析问题；
●ECP：工程更改建议，用于分析验证问题，并明确需要更改的数据及关联数据；
●ECO：工程更改指令，用于实现数据的更改和发放。
图4 设计制造一体化变更流程
结论
BOM是航空制造企业设计制造一体化建设中的重要数据。本文提出基于BOM的设计制造一体化技术，将设计上游作为数据源头，实现以BOM为载体的数据传递模式，将各系统的资源与BOM相结合。该方法通过信息整合消除“信息孤岛”带来的数据冗余、交互烦琐等问题，使得产品研制过程的数据、流程得以规范和统一，确保了数据的准确性和流程的完整性。
该模式的应用提升了企业产品设计与生产制造的协同优势，有效连通产品研制过程的各个环节，缩短了产品的研制周期，提高了生产过程中人员、物资的利用率，降低了企业成本，增加了企业效益。这对于企业实现高效稳定发展目标具有重要意义。
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来源：数字化企业一点号
