MBOM在国产燃气轮机研制过程中的应用

张 腾，赵旷世，苑 鑫，周学理

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，哈尔滨 150078)

0 引言

随着新一代信息通信技术的快速发展，数字化、网络化、智能化日益成为未来制造业发展的主要趋势。燃气轮机的制造是典型的离散型生产，建造周期相对较长，工艺流程复杂，单件小批量，中间产品种类非标件数量多，物理尺寸差异大，作业环境相对恶劣，故而对数字化、网络化、智能化技术应用提出了特殊要求。综合国外先进燃气轮机智能制造发展趋势，国产燃气轮机研制过程全面采用MBD技术，将三维设计信息、产品制造信息共同定义到三维模型中，再通过MBOM的形式组织起来，将燃气轮机产品开发、生产管理和仓储管理等方面打通，有效缩短产品形成周期，加速产品设计到制造领域的转化。

燃气轮机产品结构普遍比较复杂，产品配套的零件品种和数量众多，产品的复杂性导致了产品装配过程的复杂性，这也是影响燃气轮机产品制造周期最主要的因素[1]。在从事国产燃气轮机研制的企业中，PLM(产品生命周期管理)、ERP(企业资源计划)和MES(制造执行系统)已经成为企业管理信息系统的重要组成部分。在企业信息化具备一定基础后，将基于模型的设计、虚拟仿真试验、结构化工艺、制造资源计划、制造执行管理等解决方案进行融合并得以落地应用已成为急需解决的问题。

MBOM(制造物料清单)的管理是制造数据管理的核心内容[2]，将MBOM这一核心数据在PLM、ERP和MES系统中进行应用，以MBOM为载体驱动燃气轮机研制相关业务自动流转，串联起各个信息化系统解决方案，可实现国产燃气轮机研制企业的产品质量提高和研制效率的提升。研究提出的内容将在中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司数字化工厂中进行验证。

1 MBOM的分类

BOM的全称是Bill of Material，是物料清单或产品结构树，包括零部件号、零部件名称、层级、数量等[3]。BOM是PDM/MRP/ERP信息化系统中最重要的基础数据，其组织格式设计合理与否直接影响着系统的处理性能。燃气轮机产品要经过工程设计、工艺制造设计、生产制造3个阶段[4]。根据BOM在产品研制过程中不同阶段的应用，可将其细分为EBOM(Engineering BOM，设计BOM)、PBOM(Process BOM，工艺BOM)和MBOM(Manufacturing BOM，制造BOM)。

PBOM与EBOM结构一致，包含EBOM中的产品设计信息。PBOM在EBOM的基础上对零组件进行自制或外购的划分，指定需求时间，对自制零组件再进行工艺分工，划分责任部门，指定工艺路线，由责任部门负责工艺设计，对外购的零组件进行分包，为下一步统一采购做好准备。

图1 从PBOM至MBOM的转化示意图Fig.1 Diagram of conversion from PBOM to MBOM

MBOM作为制造物料清单或制造产品结构树，在EBOM和PBOM的基础上包含产品的所有属性信息和分工分包信息，能够反映零组件之间的工艺装配关系及配套资源的分层次物料清单。MBOM构建与制造任务密切相关，它会根据制造任务书上的产品清单，按一定配置规则抓取对应产品的PBOM数据进行拼凑和裁剪，同时以“快照”的形式记录和锁定MBOM数据技术状态[5]。在PBOM的基础上，工艺员从燃机数据管理系统中读取零组件的结构和属性信息，依据零组件加工、装配过程重新组织BOM结构，增加过程件、辅料、制造特征、毛坯半成品等，制定装配及加工工艺，建立装配单元与生产单元的关联关系，并与库存匹配[6]，形成MBOM。

2 国产燃气轮机研制过程中应用MBOM的意义

燃气轮机被誉为装备制造行业“皇冠上的明珠”，是典型的高新技术密集型产品。燃气轮机研制过程非常复杂，国外技术封锁严密，国产燃机轮机研制起步较晚，同国际先进水平相比仍存在较大差距。国产燃气轮机如果仍然采用传统研制模式，面临着周期长、成本高等风险。需采用新研制模式，将三维模型以产品结构树的形式组织起来，作为燃气轮机全生命周期的统一数据源。

以BOM作为数据驱动，将支持国产燃气轮机研制企业在研发设计过程中大量使用虚拟仿真技术快速迭代，以优化设计。在结构化工艺编制过程中，以MBOM作为制造目标搭建工艺结构。在制造资源计划制定过程中，通过MBOM驱动物料需求计划(MRP)运算并生成物料准备清单。在制造执行管理过程中，基于MBOM汇总质量记录信息。基于MBOM在国产燃气轮机研制过程中的应用，从而大幅提高燃气轮机的研制效率。

3 MBOM对国产燃气轮机研制过程的应用价值

中国船舶龙江广瀚燃气轮机有限公司(以下简称龙江广瀚)集燃气轮机研发、生产、试验的软硬件平台于一体，在公司信息化建设初期实现了基于EBOM生成PBOM，并依据PBOM自动生成采购清单、下发设计任务至责任人等功能。

龙江广瀚数字化工厂项目建设以及近两年的功能升级过程中实现了对MBOM的应用，基于MBOM中添加的毛坯、辅料等信息，解决了之前采购清单中物料不完整的问题。龙江广瀚制定成熟度标准后，在设计工艺并行过程中能够对MBOM中的长周期件提前进行采购，使燃机生产的齐套性得到保障。基于MBOM的应用还实现了面向制造的设计，使得在设计阶段能够尽早考虑与制造有关的约束，缩短燃机研制周期。

在制造检验过程中，基于整机MBOM能够拉动生产，明确自制件和外购件，驱动物料需求计划(MRP)运算后自动生成生产订单。通过自动生成的物料准备清单使得工人可以一次完成生产某一部套的全部领料工作，提高了设备的利用率，缩短了生产准备时间，提升了工人的工作效率。

得益于MBOM的应用，无论是大量的虚拟仿真试验数据，还是物理样机的制造和检验信息，都能够以MBOM为载体反馈给设计人员进行优化迭代，快速定位，降低遗漏或出错的风险，燃气轮机型号研制过程中的设计变更次数得以大幅度下降。

4 MBOM在国产燃气轮机研制过程中的应用

无论是对于已经成立并处在数字化转型阶段的国产燃气轮机企业，还是即将新建的企业，MBOM的应用在燃气轮机研制过程中都是不可或缺的。需要在管理规章制度方面建立相适应的管理规范，形成MBOM管理体系，以指导MBOM管理工作，如在原有标准基础上，对《MBOM构建与管理规范》进行内容修订，增加对零部件工艺分工路线的规定及相应的BOM管理要求[7]。

4.1 结构化工艺

工艺数据信息作为制造企业中产品设计与制造的桥梁起着连接作用，是产品生命周期管理中重要的组成部分[8]。MBOM数据和结构化工艺流程是MES系统、ERP系统需要从上游PLM系统获取的主要业务数据[9]。MBOM 是根据制造加工部门的加工水平和能力对EBOM 再设计得来的，通过MBOM 可以明确地了解零件之间的制造关系以及加工状态等信息[10]。通过基于PLM系统的客户端二次开发，工艺员在接收到EBOM后，可以在PLM系统中直接创建与EBOM结构一致的MBOM，MBOM中的各个零组件id与EBOM中的零组件id相互对应。EBOM中所有零组件的版本属性、表单等数据都会同步到MBOM中，保障数据完整、一致。EBOM中各零组件挂接的三维模型(UGMASTER)、图纸(PDF)等数据集会自动复制到MBOM中的对于零组件下。

图2 MBOM和工艺结构树关联示意图Fig.2 Diagram of correlation between MBOM and BOP

该MBOM所有权为工艺员，工艺员可以根据工艺过程重新组织MBOM的层级结构，为MBOM添加虚拟件、辅料等，之后，将MBOM作为制造目标编制结构化工艺，将MBOM与结构化工艺中各个工序下的工具、刀具、设备、工装等相关联，作为向ERP和MES系统传递的数据源头，将以MBOM形式组织起来的统一数据源从设计阶段延伸到工艺、制造和检验阶段，保证了工艺数据的准确性、一致性。

4.2 分工分包

MBOM整机搭建完成后，筛选出外购件和自制件，按照整机装配顺序确定需求时间，对外购件进行分包采购，对自制件进行分工，这是一项繁杂、系统的工作，极易产生遗漏、差错等问题。

通过对MBOM的应用，每次分工分包工作结束后，MBOM中每个零组件的分工会以物料编码为统一身份标识，将外购或自制、分包及分工信息以数据库的形式储存起来。完成分工分包工作后，MBOM以及与它关联的工艺过程、工艺资源信息将通过线上流程审批，经验证并适合于每个生产现场，批准后发送到ERP系统[11]。在未来对新型号燃气轮机的MBOM进行外购件、自制件划分及分工和分包工作时，可以直接调用数据库，将历史分工分包信息写入，供生产运行管理中心人员参考。

4.3 MRP运算

将PLM系统中搭建好的MBOM和与之关联的结构化零件工艺和装配工艺应用在PLM与ERP系统的集成环境中，可以实现燃气轮机研制相关活动的所有资源、过程的统一管理，有目标地进行成本管控、质量管控和客户服务管理等[12]。同时，MBOM作为基础数据，能够驱动ERP系统中的MRP运算，自动进行生产排程。MBOM数据的及时有效性直接影响采购、销售、财务核算等模块的推进,其准确性是整个财务体系准确无误的基础保障[13]。

研制燃气轮机的典型离散制造企业面临着型号产品混线生产过程中作业任务以单件产品为个体组织生产时存在的由于产品结构复杂、生产周期长、作业生产过程不易把控等问题而导致的现场物料混乱、产品交货期难以保证等问题[14]，通过MBOM在MRP运算中的应用，在燃气轮机装配工作开始前就可以生成包含了工、量、辅、夹以及毛坯件、虚拟件和外购件的生产准备清单，通过MES系统将生产准备清单和生产订单一起推送给现场操作者，确保零件生产和部件装配工作能够按时、有序地开展，为后续工作提供数据支撑。

4.4 虚拟仿真

通过MBOM的应用，可以实现带有工具工装的燃气轮机零组件或整机虚拟加工仿真验证、装配路径规划，并辅以静态和动态干涉检查[15]，当发生设计更改时，EBOM升版电子流程在线上发起后，将会自动通知生产单位工艺部门对图纸及EBOM更改处进行甄别，之后触发MBOM的升版流程，对MBOM及相关分工分包清单进行更改[16]，确保数据及时更新，产品设计和工艺设计的版本统一。

基于升版后的MBOM再次进行虚拟仿真研制，根据对仿真结果的分析提出优化设计方案，触发设计变更。依据这一闭环的流程，经过多轮优化迭代，能够大幅度节约成本，提升燃气轮机研制效率。

图3 基于MBOM的虚拟仿真优化设计流程图Fig.3 Diagram of optimizing design through virtual simulation based on MBOM

5 结论

MBOM在龙江广瀚国产燃气轮机研制各阶段的深入应用，使得数字化工厂中基于模型的结构化工艺、制造资源计划、制造执行管理和虚拟仿真等解决方案得以落地应用。企业通过MBOM的应用，利用信息化手段规范了三维结构化工艺设计、设计工艺并行、工艺分工、外购件分包等业务流程，使企业具备了自动进行生产排程、生成生产准备清单和虚拟装配仿真验证的能力，将燃气轮机产品开发与生产管理甚至仓储管理等打通，有效缩短产品形成周期，加速产品设计到制造领域的转化。

以龙江广瀚为代表的国产燃气轮机研制企业在产量逐渐增加后，未来还将面对库存压力增大导致的各种问题，如影响到现金流等。通过MBOM的不断深化应用，还可以对企业控制采购进度、控制库存等提供巨大的帮助，促进企业提质增效，不断接近准时生产方式，提升国产燃气轮机竞争力。

以上对MBOM的应用研究存在一定的通用性，可供其他国内离散制造行业推广应用。