航天企業(yè)設(shè)計(jì)制造一體化現(xiàn)狀分析與對(duì)策研究

◎中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 張旭

◎首都航天機(jī)械有限公司 趙悅

一、前言

近年來(lái)，航天企業(yè)持續(xù)開(kāi)展航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造一體化實(shí)踐，結(jié)合實(shí)際研制工作開(kāi)展了系統(tǒng)性研究，探索出一套數(shù)字化、信息化工程研制體系，形成了協(xié)同研制工作模式，增強(qiáng)了各專業(yè)、各系統(tǒng)協(xié)調(diào)和信息交流的有效性，將部分傳統(tǒng)的串行工作轉(zhuǎn)換為并行，加快了研制進(jìn)度，節(jié)約了研制成本，引領(lǐng)和帶動(dòng)航天項(xiàng)目工程研制水平邁上新臺(tái)階，為企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、健康發(fā)展和市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型提供了有利支撐。

2010年，在新項(xiàng)目數(shù)字化研制過(guò)程中，企業(yè)提出了“改變二維出圖設(shè)計(jì)模式，打通全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造鏈路”的要求，成立數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造IPT工作組，實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，企業(yè)在新型研制產(chǎn)品中大力推進(jìn)設(shè)計(jì)、制造一體化工作，探索出一套數(shù)字化、信息化工程研制體系，研究制定統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，搭建了AVIDM、Teamcenter等信息化協(xié)同平臺(tái)。從2010年至2015年，企業(yè)的航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工程研制體系建設(shè)與實(shí)踐，連續(xù)5年被評(píng)為集團(tuán)公司數(shù)字化標(biāo)桿工程，引領(lǐng)和帶動(dòng)航天項(xiàng)目工程研制水平邁上了新臺(tái)階，保障了項(xiàng)目任務(wù)按時(shí)保質(zhì)完成，為企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、健康發(fā)展和市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型提供了有利支撐。在2015年9月25日和2016年6月25日，新一代運(yùn)載火箭圓滿完成首飛任務(wù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)、制造一體化的可行性。

二、設(shè)計(jì)、制造一體化產(chǎn)品研制模式應(yīng)用現(xiàn)狀

為滿足項(xiàng)目研制的迫切需求，企業(yè)提出設(shè)計(jì)、制造一體化的產(chǎn)品研制模式，將廠所分離的串行研制向并行研制轉(zhuǎn)變，合理運(yùn)用協(xié)同管理，讓制造提前介入設(shè)計(jì)，及時(shí)知悉設(shè)計(jì)意圖，甚至直接參與設(shè)計(jì)，打通了上、下游信息溝通鏈條，有效減少了設(shè)計(jì)與制造反復(fù)迭代，設(shè)計(jì)、制造“互不買賬、互相埋怨”等問(wèn)題，形成了以研制項(xiàng)目為依托的協(xié)同管理模式，同時(shí)在面向制造的三維建模、三維圖紙到現(xiàn)場(chǎng)等信息化技術(shù)領(lǐng)域也積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（一）制定統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，保障一體化工作開(kāi)展

為保障一體化協(xié)同工作順利開(kāi)展，在確定了各環(huán)節(jié)及工作流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、制造部門共同制定了一系列的管理要求和技術(shù)規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范框架。通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有效支撐了協(xié)同任務(wù)的完成，同時(shí)確保三維模型標(biāo)注、圖紙技術(shù)狀態(tài)、工藝裝備尺寸等的一致性和規(guī)范性，有效控制產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）搭建信息協(xié)同平臺(tái)，提高一體化協(xié)作效率

突破一批全三維下廠的關(guān)鍵技術(shù)，解決總裝模型裝配信息表達(dá)和模型簡(jiǎn)化的問(wèn)題，使全三維下廠模型技術(shù)狀態(tài)得到有效控制，形成了更加合理的工作流程，使得設(shè)計(jì)意圖得到有效傳遞，設(shè)計(jì)結(jié)果得到直觀展現(xiàn)。以某項(xiàng)目為例，經(jīng)過(guò)7個(gè)月時(shí)間，完成全箭20個(gè)箭體結(jié)構(gòu)部段面向制造的三維建模、標(biāo)注和發(fā)放等全部工作，受控零件三維模型達(dá)7萬(wàn)個(gè)。制造部門通過(guò)TeamCenter系統(tǒng)自動(dòng)接收由AVIDM系統(tǒng)正式發(fā)布的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，順利承接設(shè)計(jì)的三維模型，并以此開(kāi)展實(shí)際生產(chǎn)，為項(xiàng)目產(chǎn)品總裝縮短了10-30%的生產(chǎn)周期。除此之外，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)三維模型的提取，并轉(zhuǎn)換為工藝仿真模型，通過(guò)在產(chǎn)品裝配之前進(jìn)行裝配仿真，還可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)和暴露零部件干涉、裝配順序不合理等方面的問(wèn)題，有效避免已裝配產(chǎn)品的分解和重新裝配。

（三）建立協(xié)同管理模式，優(yōu)化管理流程

由設(shè)計(jì)、制造等相關(guān)人員共同組成產(chǎn)品聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以集中辦公的形式，設(shè)立專職人員，制定管理制度，明確責(zé)任分工，工作流程分階段開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)受控的設(shè)計(jì)模型全三維下廠。對(duì)傳統(tǒng)串行工作流程進(jìn)行優(yōu)化，將設(shè)計(jì)出圖、簽署、曬藍(lán)下發(fā)、工藝路線材料定額、工裝申請(qǐng)等流程進(jìn)行并聯(lián)，將工藝規(guī)程編制、工裝設(shè)計(jì)與制造等生產(chǎn)準(zhǔn)備流程進(jìn)行并聯(lián)，使協(xié)同工作模式和并行流程之間進(jìn)行耦合，達(dá)到工作效率提高的最優(yōu)化效果。同時(shí)，打破各單位單打獨(dú)斗的工作傳統(tǒng)，集中在統(tǒng)一的工作現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在工作站之間及時(shí)傳遞進(jìn)展情況、反饋意見(jiàn)，把設(shè)計(jì)出圖、審查及簽署、藍(lán)圖下發(fā)、工藝路線編制、工裝申請(qǐng)等串行流程盡可能同步、甚至提前進(jìn)行，直接在三維模型上進(jìn)行協(xié)同工作，極大地縮短了傳遞路徑，進(jìn)一步提高效率。

（四）建立支撐系統(tǒng)，適應(yīng)管理模式轉(zhuǎn)型

項(xiàng)目制、產(chǎn)品化和生產(chǎn)線建設(shè)是推進(jìn)設(shè)計(jì)、制造一體化的重要工作內(nèi)容，也是對(duì)深入推進(jìn)設(shè)計(jì)、制造一體化的強(qiáng)有力支撐。企業(yè)探索實(shí)踐項(xiàng)目管理模式，成立項(xiàng)目工作組，試點(diǎn)全要素項(xiàng)目制管理，推行項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)，促進(jìn)項(xiàng)目技術(shù)、經(jīng)濟(jì)一體化。大力推進(jìn)產(chǎn)品化工作，制造與設(shè)計(jì)之間上下聯(lián)動(dòng)，整合形成產(chǎn)品通用化需求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品可靠性，有效降低成本。

三、存在問(wèn)題

企業(yè)前期通過(guò)制定統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、搭建信息協(xié)同平臺(tái)、建立協(xié)同管理模式及支撐系統(tǒng)等工作，取得了一些顯著成效和寶貴經(jīng)驗(yàn)。但由于航天領(lǐng)域本身帶有濃厚的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制色彩，進(jìn)入市場(chǎng)環(huán)境的時(shí)間不長(zhǎng)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范健全、信息化建設(shè)、項(xiàng)目管理及人力資源管理等技術(shù)和管理上還存在問(wèn)題和差距。

（一）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不夠健全，難以支撐一體化發(fā)展需求

由于各參研單位之間的工作流程和方法都未標(biāo)準(zhǔn)化，在項(xiàng)目全生命周期研發(fā)、制造和服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同工作時(shí)效率低下。為縮短項(xiàng)目研制周期，新研項(xiàng)目在研制過(guò)程中均采用了協(xié)同研制模式，并根據(jù)協(xié)同研制成果制定了一批數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定既總結(jié)了前期項(xiàng)目的研制經(jīng)驗(yàn)，又為后續(xù)項(xiàng)目的研制起到了支撐作用。但從項(xiàng)目研制的全生命周期來(lái)看，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)尚不能完全支撐項(xiàng)目研制可靠、經(jīng)濟(jì)、快速的需求，還存在以下不足：一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完全體現(xiàn)面向制造；二是產(chǎn)品制造方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有建立完全；三是項(xiàng)目全流程的仿真標(biāo)準(zhǔn)還有欠缺。

（二）信息尚未完全共享，約束機(jī)制及虛擬驗(yàn)證手段匱乏

在部分項(xiàng)目研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)、制造之間雖然建立了協(xié)同工作模式，搭建了設(shè)計(jì)、制造的信息化管理平臺(tái)，解決了軟硬件接口之間的信息流傳輸，但是沒(méi)有形成數(shù)據(jù)資源共享機(jī)制。設(shè)計(jì)、制造之間都無(wú)法直接獲悉對(duì)方的信息，使得設(shè)計(jì)難以考慮到制造周期、制造成本等因素；同時(shí)，面向設(shè)計(jì)、制造信息資源管理缺乏有效的約束機(jī)制，業(yè)務(wù)管理流程不夠順暢，缺乏相應(yīng)的運(yùn)行管理要求和制度約束；產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中大多以實(shí)物驗(yàn)證為主，采用試裝、試制的方式，帶來(lái)大量的工裝和試驗(yàn)成本，制造過(guò)程中各專業(yè)的仿真應(yīng)用尚不深入，缺乏面向制造全流程的虛擬驗(yàn)證手段，無(wú)法在制造前期預(yù)估制造全過(guò)程的問(wèn)題和不足，不適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品快速研制需求。

（三）能力差異導(dǎo)致協(xié)同工作尚未覆蓋全壽命周期

設(shè)計(jì)、制造單位協(xié)同能力參差不齊，尤其是工廠車間等一線生產(chǎn)部門，尚無(wú)法完全適應(yīng)三維設(shè)計(jì)、制造一體化的各項(xiàng)要求，協(xié)同成本過(guò)高，且協(xié)同質(zhì)量不高，無(wú)法覆蓋項(xiàng)目全生命周期的研發(fā)、制造和服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使得企業(yè)延伸產(chǎn)業(yè)鏈和擴(kuò)大增值業(yè)務(wù)的舉措難以實(shí)現(xiàn)。

四、相關(guān)對(duì)策建議

面向工業(yè)4.0的大環(huán)境，著眼于未來(lái)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)研發(fā)，在構(gòu)建企業(yè)協(xié)同研制平臺(tái)時(shí)，一方面，企業(yè)應(yīng)以BOM為主線組織相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、銜接不同階段的業(yè)務(wù)流程，并支撐不同層面的協(xié)同工作；另一方面，應(yīng)基于系統(tǒng)工程思想，在產(chǎn)品全生命周期中，構(gòu)建基于數(shù)字模型的產(chǎn)品研發(fā)模式，徹底打通從需求分析、功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、樣機(jī)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和制造仿真的數(shù)據(jù)傳遞壁壘，從而形成跨地域、跨學(xué)科的企業(yè)級(jí)協(xié)同研制能力。

（一）統(tǒng)一科研生產(chǎn)基礎(chǔ)資源庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

搭建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)件、接插件、元器件和材料等基礎(chǔ)資源的存儲(chǔ)環(huán)境，對(duì)材料、標(biāo)準(zhǔn)件、電氣元器件等進(jìn)行統(tǒng)一分類管理，管理其入庫(kù)、更新、作廢等流程的動(dòng)態(tài)維護(hù)過(guò)程，并提供便捷的信息檢索和重新利用手段，使得協(xié)同單位人員能夠方便查找到所需的標(biāo)準(zhǔn)件、元器件及材料。通過(guò)科研生產(chǎn)基礎(chǔ)資源庫(kù)的搭建，對(duì)協(xié)作過(guò)程中的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的定義，可有效避免各單位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不一致的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有利于未來(lái)推行統(tǒng)一架構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化各類基礎(chǔ)資源。

（二）加強(qiáng)基于數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)字化樣機(jī)協(xié)同定義：根據(jù)各級(jí)需求規(guī)格，基于系統(tǒng)工程方法論指引，建立功能/邏輯視圖及接口定義，并建立需求、功能、邏輯之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提供參研單位間協(xié)調(diào)溝通的統(tǒng)一語(yǔ)境；通過(guò)基于模型的設(shè)計(jì)文檔報(bào)告的輸出及標(biāo)準(zhǔn)的模型輸出接口方便其他設(shè)計(jì)仿真工具獲取信息，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一語(yǔ)境、全局性的系統(tǒng)數(shù)字化定義。通過(guò)仿真環(huán)境的構(gòu)建，形成對(duì)產(chǎn)品數(shù)字形態(tài)的全面驗(yàn)證能力；通過(guò)定義模型數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，有效統(tǒng)一各單位的數(shù)據(jù)交換格式，提升協(xié)作仿真效率。

（三）提升基于項(xiàng)目及流程的異地協(xié)作管控

將針對(duì)承接研制項(xiàng)目的全過(guò)程進(jìn)行分析論證，從市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)到項(xiàng)目的形成，從用戶需求的輸入，到系統(tǒng)設(shè)計(jì)后的承研單位任務(wù)下發(fā)，并支撐系統(tǒng)集成驗(yàn)證的全過(guò)程。通過(guò)任務(wù)流程一體化信息平臺(tái)的建設(shè)，將研制全過(guò)程串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)任務(wù)的輸入輸出，驅(qū)動(dòng)任務(wù)的交接、下發(fā)、反饋。通過(guò)一體化協(xié)作管控的構(gòu)建，將航天企業(yè)內(nèi)部各單位、外部供應(yīng)商等協(xié)同資源有機(jī)組織在一起，有序地開(kāi)展研制活動(dòng)；并提供企業(yè)多項(xiàng)目管控的執(zhí)行輸入，可實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目的進(jìn)展、瓶頸及風(fēng)險(xiǎn)。

（四）推進(jìn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放管理

在項(xiàng)目協(xié)同研制平臺(tái)中將建設(shè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放管理能力，使得受構(gòu)型控制的產(chǎn)品數(shù)據(jù)成熟以后，在規(guī)范化的工作流程管理下，能夠及時(shí)發(fā)放至下游單位。加強(qiáng)對(duì)工廠等下游單位的基礎(chǔ)設(shè)施條件建設(shè)，提高培訓(xùn)覆蓋面，解決上下游能力不匹配的實(shí)際問(wèn)題。

通過(guò)協(xié)同研制平臺(tái)中以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)能力的構(gòu)建，通過(guò)集成接口使得成員單位PDM系統(tǒng)中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)自動(dòng)同步到協(xié)同研制平臺(tái)中，并建立與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在協(xié)同研制平臺(tái)中將建立規(guī)范化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放電子工作流程，在工作流程驅(qū)動(dòng)下，相關(guān)人員完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放的啟動(dòng)、審核、接收等工作。下游單位的人員可進(jìn)入到各自的數(shù)據(jù)發(fā)放區(qū)，查看到發(fā)放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，用戶可通過(guò)集成接口將發(fā)放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)從協(xié)同研制平臺(tái)中同步到其自身的PDM系統(tǒng)，也可利用協(xié)同研制平臺(tái)的能力導(dǎo)出數(shù)據(jù)包，進(jìn)行離線的產(chǎn)品數(shù)據(jù)查看和瀏覽。

五、總結(jié)

設(shè)計(jì)、制造一體化是全面提升航天企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力的一項(xiàng)重要工作，也是落實(shí)推進(jìn)深化改革、實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)等一系列要求的具體實(shí)踐。在深入推進(jìn)一體化的過(guò)程中，要結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況、業(yè)務(wù)特色和發(fā)展戰(zhàn)略，使設(shè)計(jì)、制造達(dá)到“開(kāi)放、創(chuàng)新、融合”，持續(xù)不斷地推動(dòng)生產(chǎn)力攀升，更好承擔(dān)起報(bào)效祖國(guó)、提升效益、造福員工的使命和責(zé)任！