市場競爭的加劇、用戶需求的日益多樣化，使當前制造業的焦點由大規模生產轉向大規模定制。在接到從市場部傳遞的客戶訂單后，工程設計人員在準確理解客戶特殊需求后，利用可配置的產品族模型準確、快速的選配出滿足訂單需求的產品，這與傳統模式下新產品的開發流程有很大區別，也給數據管理(PDM)提出了更高要求。基于單層BOM產品族配置管理可對制造企業中系列化產品的BOM配置進行有效管理，對提高系列產品間零部件的重用、降低設計制造成本、快速滿足客戶個性化需求起到重要作用，并且能夠很好地解決過去多層BOM產品族管理中的數據庫冗余問題。
1 產品族配置管理概述
產品族配置管理是根據用戶給出的配置需求，基于產品族的結構選配出完全或部分滿足需要的產品結構。雖然前人作了大量的研究工作，采用各種方式來實現產品族BOM的配置管理，但在產品族BOM配置管理的計算機軟件實現方法上仍存在以下不足：
(1)缺少基礎物料庫的底層數據存儲結構的支持，難以準確描述構成產品族的部件、零件的復雜隸屬關系和各自屬性特征；
(2)缺乏零部件間可替換規則的約束驅動，導致產品族BOM配置主要依賴有經驗的人工方式實現，由產品族BOM配置新產品的效率低、易出錯；
(3)過去多采用多層BOM的配置實現算法，通過拷貝的形式形成新產品BOM，導致了大量冗余數據的產生，難以實現系列產品間零部件關聯變更的追蹤。
2 基于單層BOM產品族配置管理的研究
2.1 單層BOM概念
物料清單BOM是用來表達企業產品的結果和產品中零部件的構成關系，它不僅反映了產品的結構信息，也反映了信息組成的框架。傳統BOM模型主要有多層BOM和單層BOM兩種。
所謂單層BOM，是采用“單父一單子”的數據結構，通過零部件之間的裝配與被裝配關系即父子關系來描述，每種層次結構只需描述一次。在單層BOM中，需要定義產品與頂層部件之間的關系，頂層部件與下層零部件的關系則無需定義，可在基礎物料庫中獲取，如圖1、表1所示。
圖1 單層BOM的數據庫記錄顯示
表1 單層BOM的數據庫記錄顯示
由于單層BOM只記錄相鄰層次零部件的單層對應關系，大大減少了數據庫數據的冗余，便于數據庫的維護，且有利于BOM中的零部件的變更和產品結構的實時更新。
2.2 BOM產品族模型
產品族模型表達了與產品族描述、配置相關的所有信息。產品族模型是保證產品族數據管理高效、低冗余的關鍵，如圖2所示。
(1)基礎配置單元。在模型中存在一些基本的組合零部件，它們是該產品族中為完成產品核心功能所必需具有的零部件，配置時直接選定。
(2)變型配置單元。在產品配置過程中，需要根據客戶的不同需求來選用不同零部件來實現變型設計的配置單元。
(3)配置虛節點。配置虛節點為相似變型配置單元的集合，僅在產品族可變型結構中出現，BOM配置完成后，配置虛節點由變型配置單元代替。
圖2 基于單層BOM產品族結構模型
2.3 基于單層BOM產品族配置管理實現方法
2.3.1 基礎物料庫
產品BOM是由零件、部件和相關原輔材料的信息構成的。把存放所有零部件及原輔材料信息的關系數據庫稱為基礎物料庫。基礎物料庫是詳細描述所有零件、部件、原輔材料的功能、性能、材料、成本等信息及零部件之間的單層父子關系的基本數據庫。在這個關系數據庫中包含著零部件基本信息表和零部件關系表。
(1)建立零部件基本信息表。零部件基本信息表用來描述產品各組成零部件對象的全部信息，如：編號、版本、名稱、材料、供應商、變更記錄等。
(2)零部件關系表的建立。基于單層BOM原理，零部件關系表里只記錄父項/子項間的兩項隸屬關系及數量。
通過信息表和零部件關系表，就可以完整地將零部件的自身信息和相互關系很好地聯系在一起。
2.3.2 基于單層BOM的產品族配置管理實現方法
本文所研究的產品族配置是將產品族BOM結構樹上的每個節點所對應的零部件從基礎物料庫中映射出來，形成由多個產品BOM組合而成的一個產品族BOM結構。在此產品族BOM結構中，部分節點處存在多于一個的可替換部件，表明在構成不同產品結構時將選擇不同的替換部件。并采用參數變量的輸入方式，在產品族BOM的支持下利用篩選規則和產品配置規則的約束來從基礎物料庫中自動選擇滿足產品設計要求的零部件的選擇。
在基于單層BOM的產品族模型中，產品族BOM的形成來自與基礎物料庫中零部件的映射，而產品族BOM中變型配置單元的配置屬性是通過配置規則來從基礎物料庫中選出的。當產品族BOM中的某個零部件的屬性具有多個可選項時，可以把它視為變量，按照該變量取不同的值來配置所需的客戶BOM。如圖3、表2所示，在節點C上存在兩個變量，選擇功能和性能都不同的兩個部件F或G,將會使配置出來的BOM存在差異，將F和G兩個成熟的部件記錄到基礎物料庫中，通過規則在基礎物料庫的零部件屬性表中查找適合的零部件，在單層產品族BOM內只保留零部件的根節點，大大減少了數據的冗余度。
圖3 產品族BOM與基礎物料庫關系表的映射
表2 產品族BOM與基礎物料庫關系表的映射
假設A產品族共包括m個變型配置部件(第i個部件VhV需要Rvi 條數據記錄)和n個基礎配置部件(第j個部件Fj需要Rff條數據記錄)，其余不能保存為基礎部件的數據記錄總量為Rp ，則產品族數據記錄量為：
如果依據產品族派生出的w個產品(含有vi 存在 Svi個)，采用多層BOM的記錄數量為：
式中：R1為引用零部件而增加的鏈接記錄
可以看到，當產品族派生數量和變化數量愈多，利用單層BOM與基礎物料庫會大大減少系統記錄的數量，從而減少數據的冗余度。
3 基于單層BOM產品族配置管理實例說明
通過某齒輪箱生產企業的產品族配置管理為例來說明單層BOM的產品族配置管理實現方法。齒輪箱生產企業作為典型的制造型企業，如何合理和高效地利用BOM在大規模定制生產的過程中扮演著重要角色。該齒輪箱生產企業變型產品種類繁多，傳統的多層BOM產品族配置管理將帶來大量數據冗余，利用單層BOM產品族結構對產品數據進行管理，可達到大規模定制生產并有效減少數據庫冗余的目的。
齒輪箱設計和制造特點決定了引入單層BOM產品族結構的模式將會有利于企業進行其產品族數據管理。
(1)基于單層BOM的基礎物料庫的構建
將企業所設計的所有成熟零部件按單層BOM方式構建為基礎物料庫。建立零部件基本信息表(包括零件、部件和原輔材料的基本信息)和零部件隸屬關系表。
(2)產品族BOM中零部件的選擇配置規則
以某齒輪箱生產企業的JS系列齒輪箱產品為例，具有相同的產品結構，不同的是齒輪箱的速比、轉向、轉速、功率等產品性能參數以及齒輪箱的潤滑方式和箱體組合形式。根據齒輪箱的裝配結構、功能、零部件供應商等需求為該產品族建立配置規則，如：通過速比來選擇幾級傳動和輸入、輸出齒輪；通過軸來確定齒輪箱的外形；連軸器部件為可選關系，用戶可根據需要進行選擇。通過以上規則約束，設計人員進行需求輸入，從基礎物料庫中選取相應零部件，即可配置出滿足客戶需求的產品。
該生產企業的JS系列齒輪箱為中心傳動磨機減速機，根據規格大致分為JS110，JS120，……、JS160等六種，每一種規格又可根據客戶的個性需求派生出多種BOM結構，假定每種規格派生出20種滿足個性需求的BOM結構，該系列產品族上的基礎配置部件有150個，每個部件平均有5條記錄，10個變型配置部件，每個部件平均有5條記錄，其它不能保存為基礎部件的記錄總量為50次。按照公式計算，若采用多層BOM管理方式，該系列齒輪箱零部件將被記錄6x20x(50 + 150x5+10x5)=102000次(忽略引用零部件而增加的鏈接記錄)，但如果運用基于單層BOM產品族配置管理方式，只需要被記錄6x20x50+10x5+150x5=6800次(忽略引用零部件而增加的鏈接記錄)，減少了95200次。用單層BOM配置管理方式，在滿足客戶個性化需求配置時，只需通過規則從基礎物料庫中將符合條件的零部件映射出來，也就是說無論該系列產品族派生出多少種BOM結構，基礎物料庫中的零部件都只被記錄一次，這就大大減少了數據庫的冗余。
4 小結
制造企業如何對系列化產品的BOM配置進行有效管理，對提高系列產品間零部件的重用、降低設計制造成本至關重要。基于單層BOM產品族配置管理通過創建統一的物料庫，在已有產品族BOM的支持下利用篩選規則和產品配置規則的約束來從統一物料庫中自動選擇滿足產品設計要求的零部件，從而實現在已有產品族BOM的基礎上派生新產品配置。該方式采用基于單層BOM產品族配置方法減少數據冗余、實現數據的重用，提高BOM信息的利用率，并實現了滿足客戶需求的產品配置反應速度快、適應能力強的市場需求，全面提高了企業的市場競爭力。
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本文標題：基于單層BOM的產品族配置管理研究
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