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支持复杂装配线物料配送的BOM映射技术研究

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物料配送是需要考虑仓库/线边库存合理控制、车间工位/工序送料策略选择等多方面因素的集成优化问题,是企业物流优化的-个重要分支 。对于复杂装配生产线而言,产品装配过程通常会涉及到多个车间或多条生产线,各车间/生产线计划之间存在着复杂的耦合关系,装配线上产品结构复杂、工收稿 日期 :2012-03-20; 修回日期:2012-05-20基金项 目:国家 自然科学基金重点项 目(61034003);国家 863计划项 目(SS2012AA040909);教 育部人文社会科 学研究青年基金项 目(11YJC63OOO5);中国博士后科学基金特别资助和面上项目(201104592,20100481222)作者简介:遍光(1975),辽宁葫芦岛人 ,讲师,博士,主要研究方向为生产物流管理、企业资源管理、生产成本管理等。

- 27第 17卷 遍光 ,等:支持复杂装配线物料配送的 BOM映射技术研究艺/结构相近产品交替装配、所需零部件的种类和数量繁多,保证装配线上零部件的按时齐套配送,是实现产品能够按照生产计划要求装配完成的必要条件[2。]。复杂装配线物料配送主要以中心仓库和各装配加工车问为研究对象,通过确定装配生产线各工位的物料需求时间、配送批次和配送数量,并编制切实可行的配送计划,来解决多类型零部件有序齐套配送的难题。

针对传统的零部件领料制方式经常导致产品装配生产过程中出现的供料不及时、缺件/缺料等问题,国内外部分学者做了较为深入的研究和探讨。

吕利勇等4]通过对传统的 MRP和 JIT生产方式的分析,提出了-种由物料拉动生产的方式,这种操作方式下仓库按照工位的缺料请求进行被动式服务,而对于复杂装配生产线常见的多品种、小批量送料需求,物料仓库需要频繁拣货/理货,这样造成配送效率低、配送费用高等问题。洪旭东等[5 研究了适用于多品种、中小批量生产环境下,基于看板的生产线物料循环配送方式,该方式较好地解决了需求量较大的小零件的补货问题,但对于其他类型零部件的配送方式还需要进-步研究。徐建萍等 ]针对ERP系统中制造 BOM信息的管理和应用,建立了基于工艺流程的产品配送 BOM 模型,作为物料配送管理的基础数据。综合考虑产品结构、配送时间和数量、工位结构等多约束条件,建立面向工位物料精确配送的 BOM模型体系7],是保障产品装配生产顺利执行的关键前提。

针对装配生产线上产品结构复杂、所需零部件种类多批量孝工位物料齐套性难以控制等问题,本文提出支持复杂装配生产线物料配送的 BOM 映射技术方法。在制造 BM(Manufacturing Bil ofMaterial,MBOM)模型基础上,提出建立作业 BOM(Working Bil of Material,WBOM)模型,wBOM将产品按照装配工艺路线展开,通过将零部件装配数量、装配提前期和作业工序等因素进行关联,准确表达产品在某道工序装配时所需零部件信息和工艺顺序信息♂合作业工位的分解结构,建立复杂装配线 物料 配送 BOM (Feeding Bil of Material,FBOM)模型,作为编制车间物料配送计划的基础数据依据。

本文通过建立中间部件、继承部件、虚拟部件等转换函数[8。 ,将 MBOM提供的物料数据信息,按照装配工艺流程和工位结构分解,把产品结构、工艺流程和工位结构相关联[1。 引,依次完成MB0M-- 28WBOM-FBOM”的结构转换和数据映射,建立作业B0M和配送 BOM数据模型,实现对复杂装配线物料配送过程信息的完整描述。在此基础上,物料配送部门能够明确每-项零部件的配送时问和装配作业地点(工位),由配送人员按照车间作业计划直送到车间目标工位,实现对装配线上所需物料的按时、有序、齐套配送。

2 制造 BoM-作业BoM-配送BoM"多视图转换映射过程FBM 以 MBOM 为源 HM,结合产品结构、装配 [艺流程、配送时间、配送数量等相关配送信息,按照BOM多视图映射规则进行转换,得到包含各车问作业工序信息的 WBOM。WBOM结合工位分解、配送方式等相关配送信息之后,在组批、分批等配送规则约束条件下转换得到最终的 FBOM 模型。如图l所示。

:面 :转换图 1 MBOM-WBOM-FBOM”多视图映射过程3 基于装Rg-r艺流程的作业 BoM 生成方法3.1 产品及零部件装配作业关系建模WBOM是描述产品装配生产工艺过程的数据结构,将制造某产品的组件、部件、零件等按正确的时间、数量和工序关系组织在-起,准确地表达某产品在某个工序加工时所需的所有零部件及装配顺序,如图 2所示。为准确定义 MBOM 和 WBOM 之间的映射函数关系,现对产品及零部件的装配作业关系进行相关的数学描述。

零部件集合 R是指在WBOM零部件装配作业关系中,由制造某产品的所有零部件所组成的集合。

工 业 工 程 与 管 理 第 6期如图 2中的零部件集合 R-P,i, ,g,h, ,k,f,e, a,6,C,d。

W B0M图 2 MBOM 到 WBOM的转换过程示意图定义 2 装配作业关系五元组 SAw(AssembleW orking Relation Sequence)。

装配作业关系五元组可以表示为 SAW-dr1,r2,z,P,> (rl∈R,r2∈R,z∈Z,P∈N , ≥0)。

(1)当x>0时,部件 r1和零部件 r2之问有直接的装配父子关系且装配数量为 -z,装配工序 P,装配提前期为 t。如图 2中 WBOM 中的部件 -厂与零部件口之间存在直接的装配父子关系,需要 a的装配数量为 3,装配提前期为 2,在工序 1上进行装配。

(2)当 z-0时,若部件 r1和零部件 r2都存在,且之间的装配数量为 0,即没有父子关系,定义- 个空装配作业关系 ,规定drl,r2,0,P, >- ;若部件 r1或 r2中有-个不存在,即为空集,则 r1与r2就无所谓装配作业关系;若部件r1和r2都不存在,则没有零部件需要装配;若 r1和 r2相同,则这样的装配作业关系不存在,即- 。 (3)当xd0时,部件 r1和部件 r2之问有直接的子父关系且装配数量为-.z,装配工序 P,装配提前期为 t。

定义3 装 配 作 业 关 系 空 间 (AssembleWorking Relation Space)。

装配作业关系空间是所有 SAW组成的集合的幂集 ,用于 MBOM 往 WBOM转换所需的各种运算定义,具体如下。

(1)加减运算。若两个父子装配作业关系五元组中的部件 r1、r2相同,且在相同工序 P上,具有相同的配送提前期 t,可以进行±运算,否则视为集合元素的加减。即< r1,r2,37,P,t>±< rl,r2,Y,P,t> -< r1,r2,z±Y,P,t>< rl,r2, ,P,t>± -< r1,r2, ,P,t>< r1,r2,5C,P,t> ±< r3,r4,Y,P,t>- < r1,r2,z,P,t> ,< r3,r4,±Y,--P,±t>(2)q·整数乘运算(qEZ)。有q·< rl,r2,z,P,t> - < rl,r2,qx,P,qt>(3)h,r置换运算(,r∈R)。有- - - - h,r< r,rl,z,P,t> -< h,rl,z,P,t>- - - - h,r< rl,r,z,P,t> -< rl,h,z,P,t>其中置换运算的运算级高于整数乘运算,整数乘运算的运算级高于加减运算,以上运算在 WBOM往 FBOM 的转换过程中同样适用。

定义 4 装 配 作 业 关 系 Raw(AssembleWorking Relation)。

装配作业关系RAⅣ是指某部件的单-父亲的全部父子装配关系五元组所组成的集合,能够指明该部件的所有上、下层零部件,并描述其上、下层零部件的装配数量、装配工序和装配时问。如图 2中部件 P的装配关系RAw( )-SAw1,S Ⅳ2,SAⅣ3,,SAWn-de,g,-2,2,1> ,< ,C,2,2,2>,de,d,3,2,2>),若部件e是用于其他多个部件的装配,- 29 - 第 17卷 遍光,等 :支持复杂装配线物料配送的 BOM 映射技术研究的装配关系表示方式则相反,表示为各单-父亲的装配作业关系的和,Rw(e)-SAw 11,sAw 12,,SAwInSAWm1,SAw 2,,SAWmn,并且,在 RAw中只有-个五元组可以表示子父关系”。对于单-父亲的装配作业关系 R Ⅳ,定义如下两种提券数。

(1), 提券数。. 函数用于提取某零部件的父亲”标识,如 (R (f))-e。

(2) 提券数。 函数用于提取某零部件相对于父件的装配数量,如 (R w(c))-2。

3.2 制造 BOM 向作业 BOM 的转换映射算法通过上面的各种定义,下面给出制造 BOM 向作业 BOM 的各种映射规则。

(1)继承部件的映射规则(厂 ):WBOM完全继承其在 MBOM 中的装配关系,以产品 P中任-继承部件 k为例,在 WBOM 中R (k)Wbom 等于RAⅣ(k)Mbom,则其数学描述为RAw(k)Whom RAW(是)Mbom。

(2)虚拟部件映射规则(., ):若在装配过程中某组件是由其它相关零件组装得到,则在 wBoM中应该添加到 MBOM 中相应组件的父件中去。以产品 P 中任-虚拟部件 e为例,具体数学描述如下 。

RAW(g)Wbom - R w( (RAW(e))/Vom)Whom -RAw(., (RAW(P))IVom)Mbom . (RAW( ))]Vf)OITI)·., (RAⅥ,( ))]Vlbom,e·RAw(e)Mbom< g,e,1,3,1>- < g,f,l,3,2> ,< g,C,2,2,2> ,< g,d,3,2,2> g,e< e,c,2,2,2> ,< e,d,3,2,2> < g,e,1,3,1> -< g,/,1,3,2> ,< g,C,2,2,2> ,< g,d,3,2,2> - < g,C,2,2,2> ,< g,d,3,2,2> < g,e,1,3,1> -< g,/,1,3,2> ,< g,e,1,3,1> 若最终父件的装配过程需要多层虚拟部件,即图 2中部件 g,部件 i均为虚拟部件的情况,则只需按以上公式逐层递推,这里不再赘述。

步骤 1在MBOM中找出所有将要装配为虚设部件的零部件,压入堆栈 child-stack;步骤 2当 child-stack非空时,从 child-stack弹出-个元素赋给child,及其相对于父件的装配数量 z1,否则转到步骤 7;- 30 --步骤 3在 MBOM 中找出 child的父件标识father,压入堆栈 fatherstack;步骤 4在 WBM 中添加 child的新父件标识father1,并添加其与 child的装配数量x2;步骤 5当 ther-stack非空时,从 father-stack中弹出元素赋给father,否则转到步骤 3;步骤 6若 therl与 child之间为直接父子关系,则 fatherl相对于 child的装配数量为:xl/x2,并在 WBOM 中将 child新的父件标识 father1改为. ther;将若 Jatherl与child之间仍由多个虚拟部件 /ather2,father3,,father”构成,则依次递推,得到最终 ]atherl相对于 child的装配数量为:xl/x2/x3/,/ ,并在 WBOM 中将 fatherl改为ther。否则,转到步骤 3。

(3)外购部件映射规则( ):外购部件只描述外购部件本身,而不描述外购部件的具体信息。所有的外购部件都可以视为-个零件来处理~外购部件定义元素 西,以产品P的任-外购部件 h为例,有 Rw(h)Wbom 。

(4)中问部件映射规则(, ):可完全参考继承部件的映射规则,WBM 中中间部件完全继承在MBM 中的装配关系,对于产品 P的任-中间部件.,,RA .,)Wbom-RAw(.,、)Mbom。

综上知,按照上面的4个规则,制造 BM 向作业 BOM 的嵌套转换函数为WBOM - fi(f (MBOM )(i∈ 1,2,3,4,J∈ 1,2,3,4)4 基于工位结构分解的配送 BOM 生成方法4.1 零部件配送关系建模FBOM是在 WBOM 的基础上,按车问工位结构进行分解,建立组批、分批等配送规则约束,将零部件按需求数量准确配送到目标工位,并保证零部件齐套性的数据清单文件,如图 3所示。为准确定义 wBM 和FBM之间的转换映射关系,现对产品及零部件的配送关系进行相关的数学描述。

定义 5 配 送 关 系 五 元 组 S (FeedingRelation Sequence)。

按照装配作业关系五元组的定义规则,配送关系五元组可定义为 S - ,(rl∈(,r2∈C,z∈Z, ∈N)。其意义如下。

工 业 工 程 与 管 理 第 6期(1)当z>O时,部件 r1和零部件 r2之间有直接的父子关系且装配数量为 z,需要按配送提前期t,装配数量 5C将零部件c2配送到工位 "LU。

(2)当 z-0时,若部件 r1和零部件 r2都存在,且之问的装配数量为 0,即没有父子关系,只需将 ,.1,,-2配送到工位 叫;若部件 r1或 r2中有-个不存在,即为空集,则 rl与 r2就无所谓装配作业关系,即没有父子关系,只需将 r1或者 r2配送到工位砌;若部件 r1和 r2都不存在,则没有零部件需要配送 。

(3)当z

在配送关系空间上定义以下两种运算,用于WBOM 向 FBOM 的映射转换计算。

(1)加运算。若两个配送关系五元组中的部件r1、r2,在相同或相近工位 7.2J上,且具有相同的配送提前期 t,可以进行加运算。即< r,rl,z,t,叫 >< r,r2,3,,t,叫 > -< r,r1 r2,z ,t, >< r1,r2,z,t,训 > -< rl,r2,z,t, >(2)减运算。若配送关系五元组中的部件 r1,其配送数量 很大,以至于不能-次配送完成;或者-部分用于部件 r的装配,另-部分用于某部件d的装配,也就是 目标工位不-致,则需要分批多次进行配送,数量上可以进行减运算。即< r,rl,5C,t,砌 > -< r,rl,z1,t,叫 > -< r,r1,x2,t,73> (其中, -or1or2)若用于组装同-部件 e的零部件r,是由两种型号的零部件 r1、,.2组成,它们会来 自不同的仓库或者配送源,因此需要分批进行配送,此时批次上可以进行减运算。

< r,r1 r2,z,t,叫 >-< r,rl,cl,t,训 > -< r,r2,or2,t,叫> (其中,z-rlx2)4.2 作业 BOM 向配送 BOM 的转换映射算法通过以上映射规则和运算法则的定义,在考虑以下几种规则约束的基础上,建立面向复杂装配线的配送 BOM模型。

(1)组批配送规则若两批零部件位于相近工位,且提前期相同,则可合为同-批物料进行配送,如图 3中的零部件 a和零部件c。其数学描述如下。

Sm(S)Fbom- (Raw(S))Whom, (f)(R w(s))Wbom, FR(-厂)-5,f- - - S,e -< ,ac,5,2,wlw2> ,其中 S表示父件.厂和 的并集,aC表示零部件 a和 c组合在-起配送,2表示配送完成时间(须早于装配提前期),配送开始时间则以该部件配送完成时间减去配送提前期的方式逆推获得。

(2)分批配送规则①数量分批。如图 3,假设对于零部件 b,-次能配送的数量是 2,则其分批配送的数学描述式为Sw1(b)FbomSFR(6)Fbom-S豫2(6)Fbom--<厂,b,2,3,1>-<厂,b,2,3,1>,其中S (6)Fbom表示零部件 b的第-批配送关系组,S 。(6)Fbom表示零部件b的第二批配送关系组,S (b)Fbom表示零部件b的整个配送。

②目标工位不-致分批。如图 3,零部件 d既要用于部件 的装配,又要用于部件 m的装配,且其配送工位及提前期相同或相近,则对于部件 e,其分批 配 送 的 数 学 描 述 式 为 S (d)Fbom -(RAw(s))Whom,em S厢 (d)Fbom-S.,(d)- - - - - - - - - - - - 0 -S,e < em,d,5,2,叫> -< ,d,2,2,硼> - < P,d,3,2,训> 。

③型号不-致分批。如图 3,用于组装同-部件 的零部件 C,是由两种型号的零部件 c1、c2组成,它们会来 自不同的仓库或者配送源,因此需要分批进行配送,其数学表达式为 S (c1)Fbom-SFR(c)Fbom-S(c2)Fbom-< e,clc2,4,2,2> - - < P,cl。2,2。2,2> 。

P图 3 FBOM 结构示意图- 31 - 第 17卷 遍光,等:支持复杂装配线物料配送的 BOM映射技术研究(3)非配送件配送规则:在生产中-些物料通用性很强,使用数量多,体积小,库存状态不是以单件为单位的,比如螺钉等,这类零部件不是按照订单的数量配送,-般是按照某个使用数量定周期配送完成,这里称之为非配送件。另外,在邻近工序的-些半成品部件同样也不用进行配送,装配完成后即送至下-工序进行加工装配。这些零部件在无需进行配送,在 WBOM 中的相关配送信息将不体现。

5 应用验证现以某型转向架为例,说明由 MBOM 视图向FBOM 视图映射过程。某型转向架产品都由 2个轮对、2个构架、4个轴箱及 1个牵引杆装配等部件组装而成,而各部件又由不同数量的零件构成,如轮对装配需要轮心、车轴及螺堵等零件组装而成。其制造 BOM-作业 BOM-配送 BM”多视图映射实例如图 4所示,以制造 BOM作为源 BOM,确定转向架整体产品结构及各零部件装配数量信息,具体如下。

(1)MBOM 到 WBOM 的转换:通过分析两BOM 的零部件装配关系,运用本文定义的各部件函数转换方式,在制造 BOM基础上融合工艺装配信息,增加工序及装配时间,如图4中构架装配与轴箱装配首先要由预装工序得到虚拟件构架组合装配,再与轮对及其他部件装配得到最终的转向架,也就得到转向架总体 WBOM。

图4 某型转向架制造 BOM-作业 B0M-配送 BOM”多视图映射实例(2)WBOM到 FBM 的转换:将 WBM 各零部件信息按照邻近工位和相同配送提前期进行划分,采用组批配送方式进行配送;按照零部件型号、目标工位等信息的不同,采用分批方式进行配送。

在分批、组批过程中除去非配送件信息,如图4中的螺堵、螺母等零部件,即可得到转向架总体 FBOM。

在产品装配生产过程中,产品总成需要按工艺- 32规定的装配顺序进行,如图 4中构架装配与轴箱装配需要先经过预装工序到构架组合装配,然后才与轮对装配经落轮工序得到最终的转向架产品。其中,构架组合装配在 MBOM 中是不做体现的,而在WBOM 中是必须进行描述的装配部件,即虚拟部件。WBOM还能体现每个零部件的具体装配提前期,如图4中型号为 DLJ6 O2-01-200-2###1的工 业 工 程 与 管 理 第 6期侧挡座的装配提前期为 2,型号为 DLJ6-02-01-2 O-2侧架组焊的提前期为 6。

WBOM 中的非配送件,比如螺母、螺栓等,在FBOM 中依照本文定义的非配送件配送规则将此类部件剔除。WBOM 中相同或相近工位装配的零部件,可以通过组批配送规则进行配送,如图 4中侧架组焊工序所需的侧挡座、弹簧座等零部件,由于其装配工位邻近,可组批进行配送。同样,对于-些数量较大的零部件,或者是存储于同-仓库而 目标工位不同的零部件,如型号 DLJ6-02-08 014/65Mn弹簧将用于手动装置的装配,而型号 DLJ6-02-02-003弹簧要用于轴箱的装配,这些零部件需要用于不同工位的装配作业,需进行分批配送。

与已有的配送 BOM 模型相 比,本文所提出的支持复杂装配线物料配送 的 BOM 多视图映射技术,通过从转向架装配结构分解到装配工艺过程分解、再到作业工位结构分解的BOM模型转换过程,能够支撑面向机车转向架生产线各装配工位的、主动服务式的物料精确配送方式的实现。从某企业的应用情况来看,该技术方法提高了多品种小批量物料的配送效率和工位配送精度,并且能够有效地避免复杂产品零部件错装/漏装等情况发生,为机车转向架装配车间的物料按时有序配送和零部件齐套控制等提供了可靠的技术途径。

6 结论本文针对复杂装配生产线物料配送问题,将产品结构、工艺流程和工位结构相关联,进行了制造BoM-作业 BOM-配送 BOM”多视图映射转换研究。以制造 BOM 为源 BOM,通过中间部件、虚拟部件等函数映射规则,结合复杂装配线工艺流程,通过制造BOM 向作业 BOM转换,建立基于工艺流程的作业BOM 生成方法;综合考虑装配线工位、分批/组批等要素状态,再经作业 BOM向配送 BOM转换,建立基于工位结构分解的配送 BOM 生成方法,为复杂装配线的物料配送管理提供了 BOM 数据的-致性映射技术支持。以某型号机车转向架为例进行应用验证,结果表明该 BOM 映射技术,在保证零部件配送数量、时间的准确性以及齐套率等方面,能够为复杂装配企业提供有效的物料配送数据管理方法。

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