數(shù)字化環(huán)境下航空裝備研制質(zhì)量管理的思考

郝建春 梁昭磊 汪啟華 汪邦軍 李 彬

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

20世紀(jì)90年代開始，國際知名航空制造公司均開始應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)研制新機，如波音的777和787客機、洛克西德?馬丁公司的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）、空客公司的A380飛機等，以期達(dá)到減少返工、縮短研制周期、降低制造成本的目的。我國自20世紀(jì)70年代開始使用計算機進(jìn)行飛機零件數(shù)控編程，并逐步進(jìn)行了較大規(guī)模的數(shù)字化改造，一些航空廠所在“飛豹”、“梟龍”、ARJ21等型號研制中都不同程度地采用了數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，初步實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計和制造。

數(shù)字化設(shè)計制造本質(zhì)上是產(chǎn)品設(shè)計制造信息的數(shù)字化，是將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、材料特征、制造特征和功能特征統(tǒng)一起來，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對涉及的對象和活動進(jìn)行表達(dá)、處理和控制，從而在數(shù)字空間中完成產(chǎn)品設(shè)計制造過程。數(shù)字化研制模式的主要特點包括：傳統(tǒng)的串行研制流程變革為并行產(chǎn)品定義流程，數(shù)字量傳遞代替模擬量傳遞，傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織管理模式向機構(gòu)扁平化、物流信息流同步配置方向轉(zhuǎn)變，數(shù)字化工藝裝備得到廣泛采用。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國航空工業(yè)在數(shù)字化方面已經(jīng)取得一定的成績，然而還存在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)展滯后、質(zhì)量管理技術(shù)應(yīng)用程度低、設(shè)計制造管理和監(jiān)督手段缺失等問題。如何適應(yīng)數(shù)字化研制模式的特點，研究形成新模式下的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)方法和手段平臺，進(jìn)而促進(jìn)航空裝備數(shù)字化設(shè)計制造質(zhì)量水平提升，已成為航空工業(yè)質(zhì)量工作面臨的重要課題。

1 數(shù)字化環(huán)境下質(zhì)量管理面臨的挑戰(zhàn)和機遇

1.1 質(zhì)量管理面臨的挑戰(zhàn)和需求

對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的挑戰(zhàn)和需求。在適用性方面，原有的質(zhì)量管理國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本上是針對傳統(tǒng)研制模式的特點而制定，未充分考慮數(shù)字化研制的特點，需要對其作適應(yīng)性修改。在新需求方面，數(shù)字化研制模式下數(shù)據(jù)的內(nèi)容、形式，協(xié)同并行研制模式，以及對支撐環(huán)境的需求都對標(biāo)準(zhǔn)提出了新要求，需要增加針對性標(biāo)準(zhǔn)。

對質(zhì)量管理技術(shù)方法的挑戰(zhàn)和需求。在數(shù)字化研制模式下，研制流程、控制要素、控制點的改變，基于數(shù)字樣機的仿真分析、并行協(xié)同研制方法的采用，都對傳統(tǒng)研制方式的質(zhì)量管理技術(shù)方法提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

對質(zhì)量管理手段平臺的挑戰(zhàn)和需求。在數(shù)字化研制模式下，以傳統(tǒng)的基于實物模型的人工方式為主到基于數(shù)字模型的自動化、信息化的轉(zhuǎn)變，對開展設(shè)計、制造過程控制等質(zhì)量管理活動的數(shù)字化平臺提出了新需求。

1.2 質(zhì)量管理面臨的機遇

數(shù)字化研制模式為解決質(zhì)量管理“兩張皮”問題提供了可能。在數(shù)字化研制模式下，可將質(zhì)量管理流程嵌入到研制流程中，通過軟件系統(tǒng)控制流程的運行，保證研制過程中必須按照體系文件的規(guī)定工作，只有完成程序所規(guī)定的要求，才能轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。為有效解決超越程序、憑經(jīng)驗做事、“事后”補課、文件規(guī)定一套執(zhí)行另一套的“兩張皮”現(xiàn)象提供了可能。

數(shù)字化研制模式為解決質(zhì)量數(shù)據(jù)有效性、及時性問題提供手段。裝備研制在協(xié)同平臺的支持下，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）為核心，實現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一化管理；同時質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集從傳統(tǒng)的手工方式測量轉(zhuǎn)化為自動方式、數(shù)據(jù)的處理從離線事后檢查逐漸過渡為在線實時檢測，保證了質(zhì)量數(shù)據(jù)的有效性和及時性。

數(shù)字化研制模式為先進(jìn)質(zhì)量管理技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了機遇。在傳統(tǒng)研制模式下，由于質(zhì)量管理技術(shù)方法本身較為復(fù)雜，或與產(chǎn)品研制生產(chǎn)系統(tǒng)分離，使用便利程度低，導(dǎo)致QFD（質(zhì)量功能展開）、FMEA（故障模式與影響分析）、DOE（實驗設(shè)計）、SPC（統(tǒng)計過程控制）等先進(jìn)質(zhì)量管理工具一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字化研制模式下，可以實現(xiàn)先進(jìn)質(zhì)量管理技術(shù)方法的工具模塊化，借助協(xié)同工作信息化平臺，方便地調(diào)用和使用。

2 數(shù)字化環(huán)境下質(zhì)量管理的現(xiàn)狀和存在的問題

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在國外，波音公司為了控制數(shù)字制造過程質(zhì)量，制定了BDS–5000系列標(biāo)準(zhǔn)，共5個系列33份標(biāo)準(zhǔn)，是目前國外知名工程制造企業(yè)最為完整、且通過多型號研制驗證的一套產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。

目前，我國針對數(shù)字化設(shè)計制造的特點，制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括國標(biāo)14項（產(chǎn)品數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)5項，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)5項，專業(yè)技術(shù)仿真與試驗標(biāo)準(zhǔn)1項，制造資源計劃標(biāo)準(zhǔn)1項，制造執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)）；國軍標(biāo)2項（數(shù)控技術(shù)與檢測標(biāo)準(zhǔn)）；航標(biāo)52項（產(chǎn)品數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)29項，數(shù)字樣機和預(yù)裝配標(biāo)準(zhǔn)5項，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)4項，專業(yè)技術(shù)仿真與試驗標(biāo)準(zhǔn)2項，數(shù)字化工藝標(biāo)準(zhǔn)3項，數(shù)字化工裝標(biāo)準(zhǔn)1項，數(shù)控技術(shù)與檢測標(biāo)準(zhǔn)3項，綜合管理標(biāo)準(zhǔn)5項）。

此外，部分航空企業(yè)結(jié)合本單位裝備數(shù)字化研制工作的特點和需求，分別制定了一些數(shù)字化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定實施，為我國航空裝備研制質(zhì)量的提升發(fā)揮了重要作用。

2.2 質(zhì)量管理流程

國內(nèi)航空企業(yè)已經(jīng)建立了數(shù)字化設(shè)計制造的基本流程，但是部分單位仍沒有將質(zhì)量管理法律、法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的要求，落實到裝備研制的各個環(huán)節(jié)中，部分質(zhì)量管理要求缺少實現(xiàn)技術(shù)方法的支撐。對于工程更改、設(shè)計檢查評審、技術(shù)狀態(tài)管理等質(zhì)量管理活動的流程仍然沒有建立起來，沒有嵌入到裝備數(shù)字化設(shè)計制造的主流程，數(shù)字化設(shè)計制造中的過程控制能力仍然十分薄弱。

2.3 質(zhì)量管理技術(shù)方法

我國航空工業(yè)與數(shù)字化研制模式相匹配的質(zhì)量管理技術(shù)發(fā)展十分滯后，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是沒有建立起數(shù)字化環(huán)境下的質(zhì)量管理技術(shù)體系；二是一些數(shù)字化環(huán)境下的質(zhì)量管理關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克。如三維數(shù)模的質(zhì)量控制問題，傳統(tǒng)人工對打印出的設(shè)計圖紙或者電子模型進(jìn)行檢測的方式已經(jīng)不能滿足數(shù)字化設(shè)計和制造的要求。

2.4 質(zhì)量管理系統(tǒng)平臺

在主流的數(shù)字化協(xié)同工作平臺上，尚沒有專門的質(zhì)量管理系統(tǒng)模塊，只是具有部分質(zhì)量管理功能。

2.4.1 美國洛克西德?馬丁公司聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）研制的數(shù)字化體系由4個平臺組成，即集成平臺、網(wǎng)絡(luò)平臺、業(yè)務(wù)平臺和商務(wù)平臺。其中，集成平臺采用西門子的Teamcenter產(chǎn)品全壽命周期管理軟件，具有工作流管理、審批、工程更改控制等功能（如圖1所示）。

圖1 JSF信息化應(yīng)用系統(tǒng)

2.4.2 美國波音公司與合作伙伴達(dá)索公司開發(fā)了基于PLM的全球協(xié)同環(huán)境（GCE，Global Collaboration Environment）。包括用于CAD設(shè)計的CATIAV5、用于模擬零件和元件在工廠制造過程的Delmia數(shù)字制造包和用于維護(hù)關(guān)于波音787飛機所有信息主資料庫的Envoia。其中，Envoia具有外包、工程流程、供應(yīng)商、采購管理功能（如圖2所示）。

圖2 波音787GCE的系統(tǒng)框架

2.4.3 中國ARJ21飛機項目在實施過程中，基于CPC和VPM集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理協(xié)同研制平臺，建立了全機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，實現(xiàn)圖樣版本定義和控制、審批流程控制和電子審簽、異地產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放和同步控制、工程更改管理和控制及產(chǎn)品構(gòu)型控制等功能，初步實現(xiàn)型號研制項目管理與監(jiān)控（如圖3所示）。

圖3 ARJ21數(shù)字化協(xié)同平臺

盡管上述軟件平臺具有一些質(zhì)量管理的功能，但是這些質(zhì)量管理功能相對較為零散，不能滿足全壽命周期質(zhì)量管理的需求。裝備研制質(zhì)量管理要求按照GJB 9001B–2009《質(zhì)量管理體系要求》及其支撐標(biāo)準(zhǔn)，從全特性、全過程和全系統(tǒng)的角度實施產(chǎn)品質(zhì)量管理。對于標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的重要方面，如產(chǎn)品質(zhì)量策劃、設(shè)計開發(fā)輸入輸出控制、設(shè)計開發(fā)驗證、設(shè)計開發(fā)確認(rèn)、技術(shù)狀態(tài)管理、風(fēng)險分析、設(shè)計評審、工藝評審、關(guān)鍵過程控制、售后服務(wù)過程控制等內(nèi)容，在上述軟件系統(tǒng)及協(xié)同工作平臺上均無法實現(xiàn)。

3 數(shù)字化環(huán)境下質(zhì)量管理思考

3.1 開展數(shù)字化環(huán)境下質(zhì)量管理關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1.1 基于數(shù)字化環(huán)境的質(zhì)量管理過程建模技術(shù)

基于數(shù)字化環(huán)境的質(zhì)量管理過程建模技術(shù)主要包括以下6個方面：

3.1.1.1 質(zhì)量體系運行過程建模技術(shù)

針對GJB 9001B–2009《質(zhì)量管理體系要求》，研究其版本管控技術(shù)、信息數(shù)據(jù)要求，分析質(zhì)量手冊的制定、質(zhì)量計劃的策劃、質(zhì)量程序的管理、質(zhì)量記錄的收集中運行流程，將其與裝備研制主流程融合。

3.1.1.2 采購質(zhì)量管理過程建模技術(shù)

研究原材料、零部件、成品等各類供應(yīng)商的測量、評價、改進(jìn)技術(shù)，包括裝備供應(yīng)商評價指標(biāo)體系研究、評價計劃的管理技術(shù)、進(jìn)貨的檢驗流程、供應(yīng)商改進(jìn)管理等技術(shù)，并將其嵌入數(shù)字化協(xié)同工作流程。

3.1.1.3 設(shè)計過程控制建模技術(shù)

結(jié)合GJB 9001B–2009及相關(guān)支持標(biāo)準(zhǔn)要求，從設(shè)計策劃、輸入控制、輸出控制、設(shè)計評審、設(shè)計驗證、設(shè)計確認(rèn)、設(shè)計更改、技術(shù)狀態(tài)管理等方面，研究質(zhì)量管理流程與航空裝備研制過程的融合。

3.1.1.4 制造過程控制建模技術(shù)

結(jié)合GJB 9001B–2009及相關(guān)支持標(biāo)準(zhǔn)要求，從制造過程文件控制、生產(chǎn)準(zhǔn)備狀態(tài)檢查、生產(chǎn)資源控制、供應(yīng)鏈風(fēng)險管理、工藝過程管理、生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量評審、不合格品管理等方面，研究質(zhì)量管理流程與航空裝備研制過程的融合。

3.1.1.5 售后服務(wù)過程建模技術(shù)

結(jié)合GJB 9001B–2009《質(zhì)量管理體系要求》、GJB 5707–2006《裝備售后技術(shù)服務(wù)質(zhì)量監(jiān)督要求》等標(biāo)準(zhǔn)對企業(yè)售后技術(shù)服務(wù)的相關(guān)要求，研究售后服務(wù)制度建立、技術(shù)資料提供、技術(shù)培訓(xùn)、現(xiàn)場服務(wù)、備件供應(yīng)等的基本流程，并將其與企業(yè)研制流程相融合。

3.1.1.6 質(zhì)量問題追溯處理過程建模技術(shù)

研究質(zhì)量問題的分級方法、職責(zé)劃分、信息上報程序、處理流程、問題處理報告的要求，研究質(zhì)量問題追溯流程，將其嵌入裝備研制的主流程。

3.1.2 基于數(shù)字化特征的質(zhì)量管理技術(shù)

3.1.2.1 質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取和分析技術(shù)

基于裝備研制數(shù)字化協(xié)同工作平臺的特點，研究產(chǎn)品質(zhì)量信息的來源、分類，從方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、試制試飛、設(shè)計定型等階段分析質(zhì)量信息需求，研究質(zhì)量信息表示及提取方法。

3.1.2.2 基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制技術(shù)

針對裝備組成和結(jié)構(gòu)，研究方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、試制試飛、設(shè)計定型等階段數(shù)字樣機質(zhì)量表征模型及控制要素表征方法，并確定面向不同階段的數(shù)字樣機質(zhì)量控制原則和程序步驟。

3.1.2.3 基于模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價技術(shù)

針對不同的設(shè)計對象和工作過程，研究裝備零組件級產(chǎn)品的數(shù)據(jù)成熟度等級、表示方法、評價要素及評價準(zhǔn)則，為確定開展并行協(xié)同研制工作的時機提供客觀判斷依據(jù)。

3.2 加強質(zhì)量管理信息化平臺建設(shè)

質(zhì)量管理信息化平臺應(yīng)將GJB 9001B–2009以及相關(guān)質(zhì)量管理國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，與先進(jìn)的質(zhì)量管理技術(shù)方法相集成，實現(xiàn)裝備質(zhì)量管理與裝備研制過程相融合。

在系統(tǒng)的集成方面，質(zhì)量管理信息化平臺系統(tǒng)可通過PDM實現(xiàn)與其他系統(tǒng)，如ERP、CAD、CAM、CAE、CAPP、CAI等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，并通過將質(zhì)量管理功能嵌入進(jìn)數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計制造主流程，實現(xiàn)流程一體化。質(zhì)量管理信息化平臺應(yīng)包括產(chǎn)品實現(xiàn)過程的質(zhì)量管理、質(zhì)量體系管理、質(zhì)量綜合業(yè)務(wù)管理、質(zhì)量管理工具和過程管理支持機制5個主要的功能模塊。其中，產(chǎn)品實現(xiàn)過程的質(zhì)量管理是構(gòu)成平臺的核心，質(zhì)量體系管理、綜合質(zhì)量業(yè)務(wù)管理與質(zhì)量工具管理均圍繞其加以展開，并向其提供控制與服務(wù)支持。過程管理支持機制則面向平臺的運行提供可配置的過程管理支持。質(zhì)量管理信息化平臺架構(gòu)如圖4所示。

圖4 質(zhì)量管理信息化平臺架構(gòu)

質(zhì)量管理信息化平臺各功能模塊具體如下：

3.2.1 產(chǎn)品實現(xiàn)過程的質(zhì)量管理模塊

模塊能夠?qū)崿F(xiàn)按照產(chǎn)品實現(xiàn)過程的有關(guān)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對產(chǎn)品實現(xiàn)過程進(jìn)行質(zhì)量控制和監(jiān)督，把過程控制要求的內(nèi)容、要點落實到研制生產(chǎn)的具體環(huán)節(jié)中，把質(zhì)量管理要求和產(chǎn)品研制過程有機地聯(lián)系到一起。

3.2.2 質(zhì)量體系管理模塊

模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對質(zhì)量管理體系日常運行的動態(tài)管理和控制，便于對企業(yè)質(zhì)量保證體系進(jìn)行優(yōu)化，為產(chǎn)品實現(xiàn)過程的質(zhì)量管理以及綜合質(zhì)量業(yè)務(wù)管理提供體系與戰(zhàn)略層面的計劃與控制。

3.2.3 綜合質(zhì)量業(yè)務(wù)管理

能夠?qū)崿F(xiàn)對企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、計量、質(zhì)量成本管理等基礎(chǔ)性、綜合業(yè)務(wù)流程的支持和管控，為產(chǎn)品實現(xiàn)過程一線的質(zhì)量管理活動提供支持。

3.2.4 質(zhì)量管理工具

能夠?qū)崿F(xiàn)常用質(zhì)量管理工具的軟件化，簡化了質(zhì)量管理工具使用的流程，降低了使用難度，更好地為質(zhì)量改進(jìn)、優(yōu)化和控制服務(wù)。

4 結(jié)束語

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的應(yīng)用，引起航空裝備研制模式變革的同時，也帶來了裝備質(zhì)量管理模式的變革。數(shù)字化環(huán)境下的質(zhì)量管理如何開展，近年來已經(jīng)成為質(zhì)量工作面臨的一項重要課題。建議重點圍繞數(shù)字化研制模式下標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建立、質(zhì)量管理關(guān)鍵技術(shù)突破、質(zhì)量管理信息化平臺建設(shè)等方面，開展數(shù)字化環(huán)境下的質(zhì)量管理研究和實踐工作，并逐步探索適應(yīng)數(shù)字化研制特點的航空裝備質(zhì)量管理新模式，進(jìn)一步促進(jìn)裝備研制質(zhì)量水平提升。