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基于单层BOM的产品族配置管理研究 |
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作者：李晓艳 樊雪峰 郭钢 |
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市场竞争的加剧、用户需求的日益多样化，使当前制造业的焦点由大规模生产转向大规模定制。在接到从市场部传递的客户订单后，工程设计人员在准确理解客户特殊需求后，利用可配置的产品族模型准确、快速的选配出满足订单需求的产品，这与传统模式下新产品的开发流程有很大区别，也给数据管理(PDM)提出了更高要求。基于单层BOM产品族配置管理可对制造企业中系列化产品的BOM配置进行有效管理，对提高系列产品间零部件的重用、降低设计制造成本、快速满足客户个性化需求起到重要作用，并且能够很好地解决过去多层BOM产品族管理中的数据库冗余问题。
1 产品族配置管理概述
产品族配置管理是根据用户给出的配置需求，基于产品族的结构选配出完全或部分满足需要的产品结构。虽然前人作了大量的研究工作，采用各种方式来实现产品族BOM的配置管理，但在产品族BOM配置管理的计算机软件实现方法上仍存在以下不足：
(1)缺少基础物料库的底层数据存储结构的支持，难以准确描述构成产品族的部件、零件的复杂隶属关系和各自属性特征；
(2)缺乏零部件间可替换规则的约束驱动，导致产品族BOM配置主要依赖有经验的人工方式实现，由产品族BOM配置新产品的效率低、易出错；
(3)过去多采用多层BOM的配置实现算法，通过拷贝的形式形成新产品BOM，导致了大量冗余数据的产生，难以实现系列产品间零部件关联变更的追踪。
2 基于单层BOM产品族配置管理的研究
2.1 单层BOM概念
物料清单BOM是用来表达企业产品的结果和产品中零部件的构成关系，它不仅反映了产品的结构信息，也反映了信息组成的框架。传统BOM模型主要有多层BOM和单层BOM两种。
所谓单层BOM，是采用“单父一单子”的数据结构，通过零部件之间的装配与被装配关系即父子关系来描述，每种层次结构只需描述一次。在单层BOM中，需要定义产品与顶层部件之间的关系，顶层部件与下层零部件的关系则无需定义，可在基础物料库中获取，如图1、表1所示。
图1 单层BOM的数据库记录显示
表1 单层BOM的数据库记录显示
 由于单层BOM只记录相邻层次零部件的单层对应关系，大大减少了数据库数据的冗余，便于数据库的维护，且有利于BOM中的零部件的变更和产品结构的实时更新。
2.2 BOM产品族模型
产品族模型表达了与产品族描述、配置相关的所有信息。产品族模型是保证产品族数据管理高效、低冗余的关键，如图2所示。
(1)基础配置单元。在模型中存在一些基本的组合零部件，它们是该产品族中为完成产品核心功能所必需具有的零部件，配置时直接选定。
(2)变型配置单元。在产品配置过程中，需要根据客户的不同需求来选用不同零部件来实现变型设计的配置单元。
(3)配置虚节点。配置虚节点为相似变型配置单元的集合，仅在产品族可变型结构中出现，BOM配置完成后，配置虚节点由变型配置单元代替。
图2 基于单层BOM产品族结构模型
2.3 基于单层BOM产品族配置管理实现方法
2.3.1 基础物料库
产品BOM是由零件、部件和相关原辅材料的信息构成的。把存放所有零部件及原辅材料信息的关系数据库称为基础物料库。基础物料库是详细描述所有零件、部件、原辅材料的功能、性能、材料、成本等信息及零部件之间的单层父子关系的基本数据库。在这个关系数据库中包含着零部件基本信息表和零部件关系表。
(1)建立零部件基本信息表。零部件基本信息表用来描述产品各组成零部件对象的全部信息，如：编号、版本、名称、材料、供应商、变更记录等。
(2)零部件关系表的建立。基于单层BOM原理，零部件关系表里只记录父项/子项间的两项隶属关系及数量。
通过信息表和零部件关系表，就可以完整地将零部件的自身信息和相互关系很好地联系在一起。
2.3.2 基于单层BOM的产品族配置管理实现方法
本文所研究的产品族配置是将产品族BOM结构树上的每个节点所对应的零部件从基础物料库中映射出来，形成由多个产品BOM组合而成的一个产品族BOM结构。在此产品族BOM结构中，部分节点处存在多于一个的可替换部件，表明在构成不同产品结构时将选择不同的替换部件。并采用参数变量的输入方式，在产品族BOM的支持下利用筛选规则和产品配置规则的约束来从基础物料库中自动选择满足产品设计要求的零部件的选择。
在基于单层BOM的产品族模型中，产品族BOM的形成来自与基础物料库中零部件的映射，而产品族BOM中变型配置单元的配置属性是通过配置规则来从基础物料库中选出的。当产品族BOM中的某个零部件的属性具有多个可选项时，可以把它视为变量，按照该变量取不同的值来配置所需的客户BOM。如图3、表2所示，在节点C上存在两个变量，选择功能和性能都不同的两个部件F或G,将会使配置出来的BOM存在差异，将F和G两个成熟的部件记录到基础物料库中，通过规则在基础物料库的零部件属性表中查找适合的零部件，在单层产品族BOM内只保留零部件的根节点，大大减少了数据的冗余度。
图3 产品族BOM与基础物料库关系表的映射
假设A产品族共包括m个变型配置部件(第i个部件VhV需要Rvi 条数据记录)和n个基础配置部件(第j个部件Fj需要Rff条数据记录)，其余不能保存为基础部件的数据记录总量为Rp ，则产品族数据记录量为：
如果依据产品族派生出的w个产品(含有vi 存在 Svi个)，采用多层BOM的记录数量为：
式中：R1为引用零部件而增加的链接记录
可以看到，当产品族派生数量和变化数量愈多，利用单层BOM与基础物料库会大大减少系统记录的数量，从而减少数据的冗余度。
3 基于单层BOM产品族配置管理实例说明
通过某齿轮箱生产企业的产品族配置管理为例来说明单层BOM的产品族配置管理实现方法。齿轮箱生产企业作为典型的制造型企业，如何合理和高效地利用BOM在大规模定制生产的过程中扮演着重要角色。该齿轮箱生产企业变型产品种类繁多，传统的多层BOM产品族配置管理将带来大量数据冗余，利用单层BOM产品族结构对产品数据进行管理，可达到大规模定制生产并有效减少数据库冗余的目的。
齿轮箱设计和制造特点决定了引入单层BOM产品族结构的模式将会有利于企业进行其产品族数据管理。
(1)基于单层BOM的基础物料库的构建
将企业所设计的所有成熟零部件按单层BOM方式构建为基础物料库。建立零部件基本信息表(包括零件、部件和原辅材料的基本信息)和零部件隶属关系表。
(2)产品族BOM中零部件的选择配置规则
以某齿轮箱生产企业的JS系列齿轮箱产品为例，具有相同的产品结构，不同的是齿轮箱的速比、转向、转速、功率等产品性能参数以及齿轮箱的润滑方式和箱体组合形式。根据齿轮箱的装配结构、功能、零部件供应商等需求为该产品族建立配置规则，如：通过速比来选择几级传动和输入、输出齿轮；通过轴来确定齿轮箱的外形；连轴器部件为可选关系，用户可根据需要进行选择。通过以上规则约束，设计人员进行需求输入，从基础物料库中选取相应零部件，即可配置出满足客户需求的产品。
该生产企业的JS系列齿轮箱为中心传动磨机减速机，根据规格大致分为JS110，JS120，……、JS160等六种，每一种规格又可根据客户的个性需求派生出多种BOM结构，假定每种规格派生出20种满足个性需求的BOM结构，该系列产品族上的基础配置部件有150个，每个部件平均有5条记录，10个变型配置部件，每个部件平均有5条记录，其它不能保存为基础部件的记录总量为50次。按照公式计算，若采用多层BOM管理方式，该系列齿轮箱零部件将被记录6x20x(50 + 150x5+10x5)=102000次(忽略引用零部件而增加的链接记录)，但如果运用基于单层BOM产品族配置管理方式，只需要被记录6x20x50+10x5+150x5=6800次(忽略引用零部件而增加的链接记录)，减少了95200次。用单层BOM配置管理方式，在满足客户个性化需求配置时，只需通过规则从基础物料库中将符合条件的零部件映射出来，也就是说无论该系列产品族派生出多少种BOM结构，基础物料库中的零部件都只被记录一次，这就大大减少了数据库的冗余。
4 小结
制造企业如何对系列化产品的BOM配置进行有效管理，对提高系列产品间零部件的重用、降低设计制造成本至关重要。基于单层BOM产品族配置管理通过创建统一的物料库，在已有产品族BOM的支持下利用筛选规则和产品配置规则的约束来从统一物料库中自动选择满足产品设计要求的零部件，从而实现在已有产品族BOM的基础上派生新产品配置。该方式采用基于单层BOM产品族配置方法减少数据冗余、实现数据的重用，提高BOM信息的利用率，并实现了满足客户需求的产品配置反应速度快、适应能力强的市场需求，全面提高了企业的市场竞争力。
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(3/29/2011) |
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