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支持模块化设计的产品BOM管理解决方案

2021-09-06以客户为中心

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模块化设计是一项复杂的系统工程,合理的产品BOM管理方案能够有效支持模块化设计落地。本文论述了支持模块化设计的基于Teamcenter的产品配置管理过程,同时针对多品种小批量企业产品变型多、难以实现完全的产品配置,提出一种产品配置与变型设计相结合的BOM管理方法。
       随着市场竞争的加剧,制造业企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量,另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化,满足客户的定制需求。如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾,成为赢得竞争的关键能力。

       平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置,已逐渐成为制造业企业缩短产品研发周期、控制产品制造成本的重要手段。同时也要看到,对于企业来说,有些订单可以根据现有产品模块,通过一定的组合规则满足客户需求,有些订单则需要在模块组合基础上,再进行一定程度的变型设计才能完全满足客户的要求。

       对于离散型制造企业来说中,BOM是核心的基础数据,是产品数字化定义的重要内容,是连接企业产品工程设计和生产经营管理的桥梁。为有效支持产品模块化设计和配置管理,需要提供先进的BOM管理解决方案,满足企业的技术管理要求。BOM管理解决方案需要提供产品配置功能,同时也需要满足产品配置+产品变型设计的业务模式。

1 模块化设计实施与BOM管理

       产品模块化设计概念

       模块化设计是将产品中的某些要素(如零部件、标准件、软件控制程序等)组合在一起,构成一个具有特定功能的子系统,并将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合,构成新的系统,产生多种不同功能或相同功能但不同性能的系列产品。与传统设计相比,如图1所示,模块化设计能够帮助企业使用尽可能少的零部件,更少的制造设备、工模具,更低的采购成本,生产出更多的产品种类,满足市场的多样化需求(本文图1-4参考模块化设计专家、网名“北约克大灰”的相关文献)。

传统设计与模块化设计的比较

图1 传统设计与模块化设计的比较

       根据模块化设计理论,产品由一系列通用或标准模块组合生成,可以通过PLM系统管理这些模块,通过产品配置管理实现模块组合规则的定义,并执行模块组合操作,最终输出产品精确结构(BOM)。模块化设计理论可以尽可能使用已有成熟的零部件模块,组成新的产品,能够大幅缩短产品研发周期,降低产品研发和制造成本,增加产品种类,显著提高企业的核心竞争力。

       产品模块化设计实施过程

       企业实施模块化设计的过程包括产品规划、模块划分与产品谱系建立、模块设计、配置关系建立和基于模块选配产品,详细步骤如图2所示。

产品模块化设计实施过程

图2 产品模块化设计实施过程

       产品规划

       产品规划是产品谱系建立和模块化设计的主要输入。产品规划的第一步是划分细分市场。当确定了产品平台的市场覆盖范围以后,就需要对该市场范围内的本公司的历史产品、竞争对手产品进行产品调研,了解整个该范围的产品特性、市场容量、客户特性、未充分满足的需求点、相关技术创新的影响等,并作为新产品平台的开发需求和达成目标。当平台产品的特性确定后,既可依据相关特性进行产品平台的规划,并将历史产品或平台统一策划到新平台当中,形成全新一代产品平台。规划结果需要体现不同细分市场的需求差异,并能够通过模块化设计来满足规划的要求。

       划分功能模块,搭建产品平台

       完成产品规划以后,就需要考虑如何搭建满足市场需求的产品平台。通常的做法是基于历史订单的分析和产品规划结果,进行产品功能与需求之间的匹配,从而实现产品功能的解构,并最终形成产品功能架构(见图3所示),并以层次推演的方式进行表达。

产品需求与功能分解

图3 产品需求与功能分解

       在完成产品功能架构的定义之后,可以对功能进行相似度分组,形成一个一个的大的功能区,比如对于铁路机车,可以依据技术分类,形成转向架、车体、电气系统、内装等大的功能区,目的是简化后续模块架构的分析复杂性和分析难度,在一定条件下,功能区还可以进一步细化。当功能区定义完成后,既可以对功能区中的功能进行相关性定义,确认功能之间的关联关系和紧密程度。完成以上工作后,可以将产品的一个个功能区划分成一个个相对独立的功能单元或成为模块、以及功能单元或模块之间的接口,作为后续分析和设计的初始状态。当产品模块概念形成后,既可对其进行整个产品生命周期价值链的分析,如市场、研发、工艺、制造、采购、售后维护等,并邀请大量的有经验的工程技术人员和市场人员参与分析,最终形成产品模块的概念。

       根据产品规划以及不同产品线模块划分与接口定义的结果,可以初步完成企业产品平台的架构设计,为产品模型的详细设计和配置规则建立奠定基础。

       模块设计与配置规则建立

       当产品平台的模块划分完成以后,即可开展具体模块的设计工作,按照产品设计流程,进行方案设计、技术设计、施工设计、模块及系统验证等一系列规则规范,最终完成产品的模块化设计。在模块设计过程中,除了实现模块的功能要求以外,还需要统筹考虑需求变化和可选配因素对于模块及相关模块的影响,特别是考虑接口的标准化问题;模块设计过程中,要充分考虑产品制造、装配工艺、售后维护、供应链等综合因素,避免仅仅从设计方便些考虑模块的设计和构成,使得模块的未来应用受到局限。图4所示为模块设计与评审流程。

模块设计及评审流程

图4 模块设计及评审流程

       模块验证与产品配置

       模块化设计完成之后,可以按照之前定义的配置规则,基于产品平台的超级BOM,定义许可的选项/选项集,定义选项之间的关系和约束,形成一系列可供市场选用的配置资源。为后续的模块验证与市场推广提供有效的数据支持。

       支持模块化设计的产品BOM管理要求

       在成功实施模块化设计之后,企业会建立一系列产品平台与产品功能模块。产品BOM是产品平台和功能模块的具体体现,通过产品BOM能够有效传递产品组成和模块配置规则。可以利用PLM系统的产品结构和配置管理功能有效管理产品平台对应的超级BOM,建立不同模块之间的配置规则,实现模块的组合。

       在上文中已提到,有些产品可以通过产品平台中已有的功能模块组合,满足市场订单的需求(本文称之为“完全的产品配置”),有些产品则需要在现有功能模块组合的基础上,进行有针对性的变型设计之后才能符合客户的要求(本文称之为“产品配置+变型设计“)。PLM系统的产品结构与配置管理功能,需要同时满足这两种设计模式的要求。

2 基于Teamcenter的BOM管理解决方案

       基于Teamcenter产品配置管理器实现产品配置管理

       产品配置器功能是Teamcenter10以后新推出的产品配置管理功能,与Teamcenter传统的变量配置功能相比,产品配置器功能将配置变量、配置条件的定义与具体的产品设计BOM分离,即改变原有的配置变量、配置规则定义绑定到具体的产品(BOM)上的做法,通过定义配置字典、配置器关联,同一套产品配置规则可以应用于不同的产品超级BOM。同时支持企业对产品配置规则编辑的权限设定,详细过程如图5所示。

基于Teamcenter产品配置器的产品配置过程

图5 基于Teamcenter产品配置器的产品配置过程

       创建产品配置器(配置器关联)对象,输入编号,名称。产品配置器对象有版本和状态,可以进行修订,产品配置器可以有效组织族(组)、特征等配置字典对象。

       在产品配置器创建族、组、特征。特征为各种可选项的值,族为各种选项,族组用于按某种标准组织各种族。除此之外产品配置器还可以挂接产品线、产品模型对象,用于选项过滤。

产品配置器配置字典定义

图6 产品配置器配置字典定义

       完成配置选项以后,可以根据不同族和特征之间的关系定义配置规则,配置规则定义在“配置器规则”中完成,相关概念的含义如下表所示。只有完成配置规则定义,各不同的特征才能够被规则约束。
表1 配置规则

配置规则


       编辑完成配置器对象后,便可以通过与产品超级BOM的主零组件关联,实现超级BOM使用配置器中的配置选项选配产品。图7所示为超级BOM中的零组件与产品配置器中的选项建立关联。

零组件对象与配置选项建立关联关系

图7 零组件对象与配置选项建立关联关系

       完成超级BOM与产品配置器选项的关联后,在Teamcenter产品结构管理器中可以进行产品选配,选配过程受配置规则的约束,选配结构可以直接以配置对象的方式挂接到产品的版本零组件对象下。

应用配置规则选配产品

图8 应用配置规则选配产品

       产品变型设计部分BOM管理

       在Teamcenter中进行产品配置,是在由零部件种类、数量确定的产品超级BOM中选择符合客户要求的零部件,共同组成一个满足实际需要、可交付的产品。对很多多品种小批量生产企业来说,产品超级BOM中的零组件不能完全满足客户的全部个性化的需要,需要在产品选配的基础上,进行一定程度的变型设计。对于这种情况,只用Teamcenter的产品结构配置管理功能难以满足要求。

       本文提出的基于“产品配置+变型设计”相结合的产品BOM管理方法,支持多品种小批量企业推广产品模块化设计。“产品配置+变形设计”相结合的设计BOM管理方法,将订单产品的设计BOM分为基于产品选配、依据一定规则变化的相对固定部分和接受定制设计的可变部分,可变部分同时支持对相对固定部分的修正。

       营销部门将客户需求以配置清单或文字等形式传递给产品研发人员,研发人员在Teamcenter中先进行产品配置,输出一个基本满足客户要求的产品结构,再在此结构基础上针对客户的个性化需要进行小范围的变型设计。图9所示是针对具体订单的变型设计BOM对象,它是对精确的产品选配结构基础上的产品变型设计结果,产品选配结果由Teamcenter系统中的产品结果定义,该BOM对象只表达针对该配置结构的“变型设计”的结果。

变型设计BOM

图9 变型设计BOM

       在图9的变型设计BOM中描述产品变形的内容,其中定义了为订单新增、减少的零部件。对于Teamcenter注释“DEL”为“是”的BOM行,为变形设计中从标准产品配置中去除的零部件,默认没有值的BOM行为为订单新增的零部件。通过该方法,既考虑了产品选配的模块化设计方法,最大程度使用已有设计成果,又兼顾了订单变形设计的实际需要。

3 本文小结

       产品模块化设计是一项复杂的系统工程,对企划、开发、采购、制造、市场等各个部门的工作和管理模式都将带来很大的变化。BOM管理是模块化设计的基础,不进行BOM管理,模块设计也无从谈起。本文详细论述了支持模块化设计的基于Teamcenter的BOM管理和产品配置管理过程,并针对多品种小批量企业产品变型多,难以实现完全的产品配置的现状,提出一种产品配置与变型设计相结合的BOM管理方法,能够有效支持相关企业实现产品模块化设计和产品结构配置管理。
 
责任编辑:程玥
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