航天器總裝過(guò)程的質(zhì)量控制方法

郭 欣

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

生產(chǎn)質(zhì)量異常的發(fā)生一般與所生產(chǎn)內(nèi)容的成熟度、復(fù)雜度、可靠性要求成正比[1]。航天器系統(tǒng)龐大、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜、總裝及專業(yè)測(cè)試（以下簡(jiǎn)稱總裝）工序多[2]，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的零缺陷質(zhì)量管理目標(biāo)，對(duì)工藝以及生產(chǎn)實(shí)施過(guò)程的控制管理提出了嚴(yán)苛要求。航天器具有多品種、小批量、多系統(tǒng)、長(zhǎng)流程的生產(chǎn)模式及特點(diǎn)，影響其生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量因素較多，質(zhì)量控制難度大，因此有必要開展航天器總裝過(guò)程質(zhì)量的控制方法研究。

本文分析了航天器在總裝過(guò)程中發(fā)生的質(zhì)量異常及其產(chǎn)生的原因，提出了全流程優(yōu)化方法及質(zhì)量控制方法，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)控制理論及統(tǒng)計(jì)控制理論的應(yīng)用，得出了一種適用于航天器總裝生產(chǎn)質(zhì)量控制的新模式。

1 航天器總裝過(guò)程中的質(zhì)量異常分析

1.1 航天器總裝生產(chǎn)流程

對(duì)于航天器總裝工作而言，典型生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 航天器總裝生產(chǎn)流程Fig. 1 Manufacture flow chart of spacecraft assembly and integration

1.2 航天器質(zhì)量異常原因分析

在航天器總裝過(guò)程中有許多影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素。通過(guò)對(duì)2008年以來(lái)航天器總裝過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題的匯總分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題多集中在磕碰、劃傷、擠傷、引入多余物、打火、焊接不當(dāng)、插接安裝錯(cuò)誤等。按照傳統(tǒng)的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)的質(zhì)量管理要素以及航天器總裝工作流程，可將產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因主要?dú)w結(jié)為工藝問(wèn)題、操作問(wèn)題、設(shè)備問(wèn)題、儀器及材料異常4大類。結(jié)合具體的工作內(nèi)容，分析歸納出每一類問(wèn)題中可能導(dǎo)致航天器質(zhì)量異常的具體原因見(jiàn)圖2。

圖2 航天器總裝過(guò)程質(zhì)量異常原因分析Fig. 2 Quality abnormity analysis caused in spacecraft assembly and integration

2 航天器總裝過(guò)程質(zhì)量控制

根據(jù)圖2中工藝、操作、設(shè)備、儀器及材料4大類質(zhì)量異常原因分析，需要針對(duì)航天器總裝過(guò)程中的文件輸入控制、風(fēng)險(xiǎn)分析與控制、工藝及產(chǎn)品保證方案策劃、總裝生產(chǎn)實(shí)施、結(jié)果檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)制定嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施并采用更科學(xué)的評(píng)估、管理方法。

2.1 文件輸入控制

設(shè)計(jì)文件制定過(guò)程中需要總裝工藝人員參與并進(jìn)行工藝性、可操作性審查，以確認(rèn)設(shè)計(jì)輸入的充分性與適宜性。對(duì)設(shè)計(jì)輸入的確認(rèn)方式包括參加設(shè)計(jì)單位組織的設(shè)計(jì)評(píng)審，參與產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)文件的會(huì)簽、對(duì)單位生產(chǎn)條件的調(diào)研與設(shè)計(jì)以及相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的協(xié)調(diào)等。通過(guò)參與總體方案的工藝性設(shè)計(jì)過(guò)程，工藝人員可提前開展型號(hào)研制需求、風(fēng)險(xiǎn)分析、工藝方案設(shè)計(jì)、工裝規(guī)劃、工藝攻關(guān)、試驗(yàn)策劃等工作。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析與控制

現(xiàn)階段航天器質(zhì)量管理的主要思路為控制重心前移，加強(qiáng)研制策劃階段的生產(chǎn)流程風(fēng)險(xiǎn)分析與控制。本節(jié)將詳細(xì)描述風(fēng)險(xiǎn)分析與控制理論在航天器總裝生產(chǎn)工序中質(zhì)量控制的應(yīng)用。

2.2.1 當(dāng)前工序風(fēng)險(xiǎn)定義

在策劃階段對(duì)航天器總裝生產(chǎn)全流程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。當(dāng)前工序風(fēng)險(xiǎn)值r(t)為

式中：p(t)為本工序發(fā)生質(zhì)量異常的概率；c(t)為質(zhì)量異常發(fā)生后造成的損失。

2.2.1.1 發(fā)生質(zhì)量異常的概率發(fā)生質(zhì)量異常的概率p(t)是隨時(shí)間t變化的函數(shù)，

式中：xi為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素引起質(zhì)量異常的概率特征值，其取值區(qū)間為[0,10]。經(jīng)過(guò)分析，風(fēng)險(xiǎn)因素有7種：x1為技術(shù)方案復(fù)雜性；x2為技術(shù)方案成熟度；x3為風(fēng)險(xiǎn)可檢測(cè)性；x4為風(fēng)險(xiǎn)控制及安全防護(hù)能力；x5為人員熟練程度；x6為設(shè)備狀態(tài)；x7為產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)積累情況。其中x5、x6、x7均是時(shí)間t的函數(shù)。

p(t)依據(jù)其幾何特征可分為3類：

1）類脈沖式。如加熱器、電阻焊接連接，在經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)、熱響應(yīng)測(cè)試、性能測(cè)試以后，這類風(fēng)險(xiǎn)幾乎可以忽略不計(jì)。

2）周期式。對(duì)于類似于艙板反復(fù)開合、發(fā)動(dòng)機(jī)附近操作等工序，其單次風(fēng)險(xiǎn)較高。

3）積分式。這種風(fēng)險(xiǎn)概率的種類最多，特點(diǎn)為隨時(shí)間遞增，如吊具長(zhǎng)期使用后產(chǎn)生缺陷、電連接器反復(fù)拆裝保險(xiǎn)造成多余物、插頭反復(fù)插拔、螺釘多次拆裝等。

2.2.1.2 質(zhì)量異常發(fā)生后造成的損失

當(dāng)前工序質(zhì)量異常發(fā)生后造成的損失c(t)為

式中：yi為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)成本損失因子，其取值區(qū)間為[0,10]。其中y1為異常處理成本，y2為生產(chǎn)進(jìn)度成本，y3為關(guān)聯(lián)設(shè)備異常成本，y4為信譽(yù)度損失。y1和y4是時(shí)間t的函數(shù)。

c(t)為時(shí)間t的函數(shù)，如越接近于上級(jí)單位計(jì)劃節(jié)點(diǎn)時(shí)刻，信譽(yù)度損失y4將會(huì)越高，產(chǎn)品合艙狀態(tài)后異常處理成本y1將會(huì)明顯增高。

2.2.1.3p(t)和c(t)的模型

根據(jù)公式(2)的定義，并考慮到各風(fēng)險(xiǎn)因素在總裝過(guò)程中的分布特點(diǎn)，得到目前適用總裝的p(t)模型為

當(dāng)前工序質(zhì)量異常發(fā)生后造成的成本損失c(t)模型為

式中：li(t)為單邊上升或下降的指數(shù)型函數(shù)，i=1,2；qi為各風(fēng)險(xiǎn)成本權(quán)值，i=1,2。

對(duì)于模型的兩點(diǎn)說(shuō)明：

1）單邊上升指數(shù)函數(shù)取A(eλt-1)型，單邊下降指數(shù)函數(shù)取A(1-eλt)型，A的大小決定了風(fēng)險(xiǎn)概率初始值，λ大小決定風(fēng)險(xiǎn)概率變化率；

2）模型中ki、qi、λ、A的取值根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生情況以及各風(fēng)險(xiǎn)因素、風(fēng)險(xiǎn)成本損失對(duì)于產(chǎn)品的影響大小均衡選取。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

模型計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)值為相對(duì)比較值。因?yàn)楹教炱骺傃b部門對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)控制的要求嚴(yán)苛，而目前并沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分級(jí)準(zhǔn)則，所以以計(jì)算值大小作為風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)大小的判斷依據(jù)。

2.2.3 模型驗(yàn)證與修正

通過(guò)對(duì)大量歷史工序?qū)嵤?shù)據(jù)進(jìn)行匯總和比較，修正了估計(jì)模型式(4)、式(5)中的參數(shù)。用修正后的模型對(duì)總裝生產(chǎn)中 3項(xiàng)質(zhì)量異常案例進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1；另外隨機(jī)抽取了3道工序進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 質(zhì)量異常工序風(fēng)險(xiǎn)概率p(t)統(tǒng)計(jì)Table 1 Risk probability of quality abnormal working procedures

表2 隨機(jī)抽樣工序風(fēng)險(xiǎn)概率p(t)統(tǒng)計(jì)Table 2 Risk probability of random sampling procedures

由表中數(shù)據(jù)可知，工序3的概率值最大，是因?yàn)樵摴ば蛟诩夹g(shù)方案復(fù)雜性、風(fēng)險(xiǎn)可檢測(cè)性、人員熟練程度、設(shè)備狀態(tài)等多個(gè)單因素上均存在較大風(fēng)險(xiǎn)；而工序6的概率值比較大，是由于首發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行部件安裝時(shí)，部件的外輪廓以及電、機(jī)械安裝接口較難操作導(dǎo)致的，但經(jīng)過(guò)初樣產(chǎn)品驗(yàn)證后，風(fēng)險(xiǎn)大大減小，故未發(fā)生質(zhì)量異常，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

2.3 制定工藝及產(chǎn)品保證策劃方案

產(chǎn)品總裝工藝技術(shù)流程等策劃性文件的編制以總體設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件和以往型號(hào)的繼承性經(jīng)驗(yàn)，分析產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程的安全性和保障性，提出適宜的工作方法、工作流程和資源保障條件。產(chǎn)品質(zhì)量保證大綱的制定以工藝方案、技術(shù)流程為分析對(duì)象，以總體設(shè)計(jì)要求為分析基礎(chǔ)，采用風(fēng)險(xiǎn)分析與控制理論對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程的安全性和保障性進(jìn)行分析，通過(guò)詳細(xì)梳理過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)分析并提出控制措施，得出適宜的工作方法和資源保障條件。

方案策劃的目的是減小式(4)中x1～x4的值。

2.4 工藝文件準(zhǔn)備

總裝工藝文件依據(jù)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的總裝工藝技術(shù)流程、技術(shù)方案、工藝規(guī)劃、相關(guān)設(shè)計(jì)輸入文件和圖樣進(jìn)行編制，并與輸入文件保持一致。確定技術(shù)狀態(tài)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，盡量采用成熟的或經(jīng)飛行考驗(yàn)的技術(shù)[3]，對(duì)新技術(shù)、新材料、新工藝、新?tīng)顟B(tài)、新環(huán)境、新單位、新崗位、新人員、新設(shè)備等情況進(jìn)行充分論證、地面試驗(yàn)和鑒定。

對(duì)總裝中技術(shù)難度大、工藝不穩(wěn)定、難以保證質(zhì)量的工藝技術(shù)，立項(xiàng)審批后，進(jìn)行項(xiàng)目攻關(guān)和實(shí)施；項(xiàng)目攻關(guān)完成后，組織評(píng)審或鑒定，只有通過(guò)了鑒定的新工藝技術(shù)方可在型號(hào)中實(shí)施。對(duì)總裝過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目要進(jìn)行 FMEA分析，并在工藝文件中提出詳細(xì)的工藝措施。

2.5 產(chǎn)品總裝實(shí)施

產(chǎn)品總裝實(shí)施過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)控制的具體內(nèi)容依據(jù)各級(jí)工藝標(biāo)準(zhǔn)、各產(chǎn)品平臺(tái)經(jīng)評(píng)審固化的產(chǎn)品化模塊文件、操作質(zhì)量安全管理要求文件等制定。涉及操作風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)施過(guò)程需依托數(shù)字化總裝系統(tǒng)[4]中面向人機(jī)工效的仿真驗(yàn)證技術(shù)[5]，以操作者生理特點(diǎn)對(duì)航天器生產(chǎn)安全的影響為切入點(diǎn)，從操作者的身高體態(tài)、可視性、可達(dá)性、舒適性、可檢驗(yàn)性等角度，綜合評(píng)價(jià)工藝方法及安全防護(hù)方案的可實(shí)施性和有效性。針對(duì)某些產(chǎn)品外表面凸出部件的易損特性，使用防護(hù)工裝進(jìn)行保護(hù)，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 實(shí)施結(jié)果檢驗(yàn)

總裝生產(chǎn)檢驗(yàn)方法分為在線檢測(cè)和全檢。檢驗(yàn)人員進(jìn)行生產(chǎn)跟檢，監(jiān)督檢查實(shí)施過(guò)程是否按設(shè)計(jì)圖樣、設(shè)計(jì)文件、工藝文件實(shí)施；對(duì)關(guān)鍵特性、重要特性進(jìn)行100%檢驗(yàn)；核實(shí)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)并監(jiān)督總裝過(guò)程中表格化文件的執(zhí)行情況；檢驗(yàn)每道工序?qū)嵤┑姆闲?，填寫質(zhì)量記錄表格化文件，根據(jù)需要留存影像資料。

檢驗(yàn)結(jié)果通過(guò)電子檢驗(yàn)印章進(jìn)入總裝部門“看板生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)”，結(jié)果數(shù)據(jù)將按產(chǎn)品型號(hào)和工序集中管理，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后作為測(cè)量數(shù)據(jù)參與到持續(xù)改進(jìn)中。

2.7 驗(yàn)收及交付

階段性工作完成后，需進(jìn)行階段性技術(shù)狀態(tài)總結(jié)、編寫總結(jié)報(bào)告，產(chǎn)品保證部門組織用戶、設(shè)計(jì)方及相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行評(píng)審，詳細(xì)梳理生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)狀態(tài)符合情況、設(shè)計(jì)更改、偏離、超差及處理情況。評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后方可進(jìn)行產(chǎn)品交付。

2.8 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)控制

對(duì)于多品種、小批量的生產(chǎn)模式，目前的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)控制方法中應(yīng)用比較成熟的有通用圖法、相對(duì)公差法、固定樣本法等[6]。

航天器總裝生產(chǎn)中采用相似工序通用圖法對(duì)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)控制。其主要原理是將相似工序的數(shù)據(jù)（即同類型分布的數(shù)據(jù)）經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換成為同一分布的數(shù)據(jù)，積少成多，在同一張控制圖上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制。相似工序主要是指技術(shù)指標(biāo)相似或相近、工裝設(shè)備相似、操作對(duì)象相似、操作人員相同、操作方法相似、操作環(huán)境相似等。在相似工序條件下，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)變換使正態(tài)分布N(μi,σi)對(duì)所有i變換成N(0,1)，然后在通用圖上統(tǒng)一控制。

現(xiàn)以航天器總裝生產(chǎn)過(guò)程中的艙板接地制作為例，說(shuō)明使用相似工序通用圖法進(jìn)行質(zhì)量控制的過(guò)程。共選取5個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的6種接地點(diǎn)，即對(duì)每種接地點(diǎn)采集5組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 艙板接地電阻測(cè)量表Table 3 The grounding resistance of cabin board

對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，估計(jì)接地電阻值樣本分布參數(shù)均值μi、方差σi。對(duì)于所有接地點(diǎn)i，式中：Xij為不同型號(hào)的接地點(diǎn)的電阻值；c4為中心線系數(shù)，因樣本數(shù)量為5，故取c4=0.940 0。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)變換將測(cè)量值變換為標(biāo)準(zhǔn)化值yij，有

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化值，作通用圖XT進(jìn)行統(tǒng)一控制，見(jiàn)圖 3。圖中共使用了 29個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，符合判穩(wěn)準(zhǔn)則；數(shù)據(jù)分散性較好，且在中心區(qū)上下振蕩，個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)了偏離的情況，但均在(-1.5, +1.5)范圍內(nèi)，符合控制限要求。

圖3 艙板接地電阻控制圖Fig. 3 Control of the grounding resistance of cabin board

如果計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏離并超過(guò)控制限的情況，則系統(tǒng)報(bào)警，此時(shí)需要查找超差原因，采取控制措施、修改過(guò)程文件并檢測(cè)實(shí)施結(jié)果；如果超差情況消失，則固化目前的生產(chǎn)方法，并舉一反三到其他相關(guān)生產(chǎn)流程中。

3 控制措施的實(shí)施效果

通過(guò)采取上述用于單步工序風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別、評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)以及適用于多品種、小批量、產(chǎn)品追求零缺陷目標(biāo)特點(diǎn)的航天器總裝過(guò)程質(zhì)量控制方法，2011年度的初樣產(chǎn)品總裝質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生率同比下降了80%，優(yōu)于下降5%的目標(biāo)；正樣產(chǎn)品總裝質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生率同比下降了71.3%，優(yōu)于下降10%的目標(biāo)；杜絕了重大質(zhì)量事故和重復(fù)性質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)由航天器總裝生產(chǎn)中工藝、操作、設(shè)備及材料等方面因素導(dǎo)致的質(zhì)量異常提出了具體的過(guò)程質(zhì)量控制方法：在生產(chǎn)策劃階段及實(shí)施階段，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)控制理論進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)工序風(fēng)險(xiǎn)值r(t)加強(qiáng)了對(duì)質(zhì)量異常的控制；在操作實(shí)施階段，提出了一種適應(yīng)航天器總裝生產(chǎn)特點(diǎn)的新型統(tǒng)計(jì)控制方法，通過(guò)控制圖進(jìn)行閉環(huán)控制，提高了實(shí)施效果的控制能力，并提供了生產(chǎn)質(zhì)量趨勢(shì)判定手段。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，本文所采用的控制理論及方法能滿足質(zhì)量改進(jìn)率的要求，適用于典型的小批量、多系統(tǒng)、長(zhǎng)流程、接近零缺陷質(zhì)量要求的航天器生產(chǎn)模式，方法的實(shí)施進(jìn)一步提高了航天產(chǎn)品的可靠性。

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[1]何益海, 常文兵. 基于制造成熟度的武器裝備研制項(xiàng)目制造風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 項(xiàng)目管理技術(shù), 2009, 7(7): 54-58

He Yihai, Chang Wenbing. On manufacturing risk evaluation based on manufacturing readiness level for weapon equipment R&D projects[J]. Project Management Technology, 2009, 7(7): 54-58

[2]譚維熾, 胡金剛. 航天器系統(tǒng)工程[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2009: 577-581

[3]郭曉燕, 鮑曉萍, 易旺民, 等. 總裝工藝成熟度模型的建立及應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(6): 565-569

Guo Xiaoyan, Bao Xiaoping, Yi Wangmin, et al.Establishment and application of assembly and integration process maturity model[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(6): 565-569

[4]陳向東, 張旺軍, 潘艷華. 航天器的數(shù)字化總裝設(shè)計(jì)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 17(6): 64-67

Chen Xiangdong, Zhang Wangjun, Pan Yanhua. Study on spacecraft digital integration design[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 17(6): 64-67

[5]黃壘, 劉孟周, 邢帥, 等. 虛擬仿真技術(shù)在載人航天器總裝工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011,28(6): 609-614

Huang Lei, Liu Mengzhou, Xing Shuai, et al.Application of virtual simulation technology in assembly process design of manned spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6): 609-614

[6]張公緒, 孫靜. 質(zhì)量工程師手冊(cè)[M]. 北京: 企業(yè)管理出版社, 2005: 340-343