基于多領(lǐng)域任務(wù)對(duì)象的伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品化研制模式探索及實(shí)踐

胡洋、楊波、劉亞冬、周宣、劉璐 /北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所作為我國(guó)航天伺服技術(shù)的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者，是我國(guó)航天伺服系統(tǒng)的主要供應(yīng)商，并已進(jìn)入航海和航空等領(lǐng)域，研究所的愿景是成為世界知名的高性能伺服系統(tǒng)集成供應(yīng)商，服務(wù)航天強(qiáng)國(guó)、國(guó)家安全和社會(huì)智能化進(jìn)步。伺服系統(tǒng)組成復(fù)雜、產(chǎn)品種類和數(shù)量多、制造難度大，“十四五”期間，產(chǎn)品的多樣性和數(shù)量會(huì)進(jìn)一步激增，現(xiàn)有管理模式難以實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展，產(chǎn)品化是緩解人力資源壓力、持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度的有效途徑，因此進(jìn)一步深入推進(jìn)產(chǎn)品化模式探索與實(shí)踐顯得尤為必要。

一、總體思路

在研究所承制的多個(gè)機(jī)電伺服產(chǎn)品中，2kW 功率等級(jí)機(jī)電伺服系統(tǒng)應(yīng)用型號(hào)最多，產(chǎn)品配套及成本需求迫切。因此，研究所以2kW 級(jí)機(jī)電伺服產(chǎn)品為典型，開展伺服配套單機(jī)/單元產(chǎn)品與零組件通用化研究，建立通用驗(yàn)收準(zhǔn)則、通用化測(cè)試平臺(tái)及統(tǒng)一采購(gòu)平臺(tái)，建設(shè)適用于2kW 級(jí)機(jī)電伺服產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)體系，大大提高了2kW 級(jí)機(jī)電伺服產(chǎn)品的批量化能力，降低成本，提高效率，縮短新型號(hào)產(chǎn)品研制周期，極大地加快了工程應(yīng)用步伐。通過(guò)在多個(gè)領(lǐng)域型號(hào)及項(xiàng)目的應(yīng)用驗(yàn)證，2kW 級(jí)通用化機(jī)電伺服產(chǎn)品已順利通過(guò)各項(xiàng)考核試驗(yàn)，標(biāo)志著2kW 級(jí)機(jī)電伺服產(chǎn)品已具備快速研制和配套能力，能夠不斷滿足日益增長(zhǎng)的多領(lǐng)域型號(hào)配套需求。

近年來(lái)，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司推進(jìn)產(chǎn)品化工作，研究所發(fā)揮設(shè)計(jì)制造一體化優(yōu)勢(shì)，形成“三個(gè)能力、四類系統(tǒng)、五層貨架”的建設(shè)思路。技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)集成、精益制造3 個(gè)能力是基礎(chǔ)，電動(dòng)液壓、燃?xì)庖簤?、機(jī)電、靜壓4 類伺服系統(tǒng)涵蓋所有產(chǎn)品種類，5 層貨架是研究所產(chǎn)品的載體和產(chǎn)品化基本框架，如圖1 所示。

圖1 伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品化研制模式基本框架

航天伺服系統(tǒng)可分為系統(tǒng)、單機(jī)、單元和零（部）組件4 個(gè)物理層級(jí)，以某型運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)為例（見圖2）。

圖2 某型運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)產(chǎn)品層級(jí)

可以看出，伺服系統(tǒng)產(chǎn)品層級(jí)多，特別是在單元和零（部）組件層級(jí)，種類多、數(shù)量多、專業(yè)多。因此，在單機(jī)和單元產(chǎn)品2 個(gè)層級(jí)編制型譜，在零（部）組件層級(jí)設(shè)立了通用件，增加預(yù)制件層和基礎(chǔ)層是產(chǎn)品化模式的建設(shè)重點(diǎn)。

在單機(jī)和單元產(chǎn)品2 個(gè)層級(jí)，優(yōu)化產(chǎn)品型譜，形成基本特征鮮明、系列劃分清晰的友好易用型譜，確保機(jī)電伺服作動(dòng)器、伺服控制器、電機(jī)和伺服傳動(dòng)絲杠等核心產(chǎn)品型譜落地，為快速設(shè)計(jì)和掌握核心技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在零（部）組件層，將技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定、工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定的通用結(jié)構(gòu)件、通用電路單元、通用緊固件等通用件納入貨架管理，有助于優(yōu)化和規(guī)范緊固件與零（組）件的選用與投產(chǎn)。通過(guò)統(tǒng)一選材標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一技術(shù)條件、統(tǒng)一質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)工藝的統(tǒng)一穩(wěn)定與統(tǒng)一組批生產(chǎn)，能夠大幅提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

在預(yù)制件層，重點(diǎn)推進(jìn)殼體類零件預(yù)制件，形成預(yù)制件粗加工批量定制、成品數(shù)字化柔性制造的快速生產(chǎn)模式，能夠有效縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低采購(gòu)成本。

在基礎(chǔ)層，建立完善伺服產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝類基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括伺服產(chǎn)品金屬材料、非金屬材料、電子元器件選用范圍等，夯實(shí)基礎(chǔ)，提升能力。

二、研究?jī)?nèi)容

1.伺服產(chǎn)品型譜和貨架建設(shè)

將機(jī)電伺服作動(dòng)器作為單獨(dú)一類產(chǎn)品開展型譜規(guī)劃，建立以外觀構(gòu)型和功率級(jí)別為主要特征參數(shù)的型譜代號(hào)，搭建高辨識(shí)度的“基本型+衍生型”產(chǎn)品系列。在機(jī)電伺服作動(dòng)器產(chǎn)品型譜規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以試點(diǎn)、總結(jié)和推廣的模式，圍繞基本型產(chǎn)品建設(shè)，開展差異性、通用性分析和“三再”工作，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化、細(xì)化和固化設(shè)計(jì)狀態(tài)及全流程工藝技術(shù)狀態(tài)，協(xié)同推進(jìn)伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等核心單元產(chǎn)品型譜建設(shè)，精簡(jiǎn)單元產(chǎn)品和部組件選型，構(gòu)建殼體、連接支耳等直屬結(jié)構(gòu)件的通用件系列，打造基本型機(jī)電伺服作動(dòng)器產(chǎn)品平臺(tái)，制定衍生型產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)則，建成“精簡(jiǎn)基本型+按需定制衍生型”的航天機(jī)電伺服作動(dòng)器產(chǎn)品貨架設(shè)計(jì)模式，產(chǎn)品性能指標(biāo)保持國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，設(shè)計(jì)周期大幅縮短。平行直線式機(jī)電作動(dòng)器圖譜示例如圖3 所示。

圖3 平行直線式機(jī)電作動(dòng)器圖譜示例

在系統(tǒng)方案分解基礎(chǔ)上，基于不同領(lǐng)域需求開展多維度貨架平臺(tái)研究與建設(shè)，根據(jù)不同系統(tǒng)的總體要求，構(gòu)建“預(yù)制件—關(guān)鍵組件—元器件”結(jié)構(gòu)樹，完成系統(tǒng)研制和產(chǎn)品交付。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)了機(jī)加件平臺(tái)、單機(jī)平臺(tái)、組件平臺(tái)、原材料平臺(tái)、元器件平臺(tái)、軟件平臺(tái)等多維度貨架平臺(tái)，如圖4 所示。

圖4 多維度貨架平臺(tái)示意圖

基于多領(lǐng)域的伺服機(jī)構(gòu)多維度平臺(tái)，主要針對(duì)重點(diǎn)單機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器和機(jī)電作動(dòng)器進(jìn)行拓展。殼體作為預(yù)制件層貨架重點(diǎn)組成部分，本貨架平臺(tái)針對(duì)多領(lǐng)域任務(wù)要求與總體要求，將殼體分為機(jī)加、冷拉、沖壓和鑄造等制造方式，并配合不同熱表處理方案形成多工藝平臺(tái)，針對(duì)不同領(lǐng)域的環(huán)境、力學(xué)、成本等各方面要求按需選型；在控制驅(qū)動(dòng)器單機(jī)下分為控制和驅(qū)動(dòng)2 個(gè)架構(gòu)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)有不同的電路搭配及元器件組合方案，配合相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)控制和驅(qū)動(dòng)功能，并通過(guò)電路板的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)兼容進(jìn)口工業(yè)級(jí)和國(guó)產(chǎn)級(jí)等不同級(jí)別的元器件封裝形式，可以根據(jù)總體要求實(shí)現(xiàn)貨架選型，并具備擴(kuò)展功率等級(jí)至1 ～5kW 的能力；位移傳感器和電機(jī)作為元件級(jí)貨架產(chǎn)品，其中位移傳感器分為3 種方案，同樣可根據(jù)不同領(lǐng)域需求進(jìn)行選型。

2.產(chǎn)品通用化試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

針對(duì)機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)比功率高、長(zhǎng)時(shí)間、高可靠等工作要求，建設(shè)了機(jī)電伺服作動(dòng)器、控制驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品綜合試驗(yàn)方法、通用化可調(diào)節(jié)式負(fù)載加載平臺(tái)、通用化伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等通用性強(qiáng)的產(chǎn)品綜合試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5 所示，用于滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)系列化、產(chǎn)品化要求。

圖5 通用化試驗(yàn)平臺(tái)

通用化伺服測(cè)試系統(tǒng)采用PXI 總線，并集成了1553B、RS-422、RS-485 和CAN 等多種測(cè)試總線，組成一個(gè)開放式、模塊化、可擴(kuò)展的通用化數(shù)據(jù)鏈路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，配合通用化伺服動(dòng)力系統(tǒng)，可用于2kW 級(jí)機(jī)電伺服產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)收。

通用化可調(diào)節(jié)式伺服加載平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同型號(hào)要求對(duì)力矩負(fù)載和摩擦負(fù)載等參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，滿足不同型號(hào)的測(cè)試要求。

通用化伺服動(dòng)力系統(tǒng)按照2kW 通用化機(jī)電伺服系統(tǒng)用電功率設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一電氣接口，可以滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)產(chǎn)品化測(cè)試供電需求。

3.產(chǎn)品通用化配套體系建設(shè)

為了提高伺服產(chǎn)品的綜合產(chǎn)品化能力，建立了通用化配套體系，以產(chǎn)品進(jìn)行分類，從底層預(yù)制件及零組件開始進(jìn)行統(tǒng)一訂貨采購(gòu)，自下而上進(jìn)行發(fā)放。單機(jī)層通過(guò)下層單元層進(jìn)行選用組裝，裝調(diào)完畢后再由系統(tǒng)層根據(jù)不同領(lǐng)域要求以及總體系統(tǒng)需求對(duì)單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型組裝調(diào)試，直至產(chǎn)品驗(yàn)收出廠。各單機(jī)接收到底層采購(gòu)的配套后進(jìn)行單機(jī)驗(yàn)收測(cè)試，驗(yàn)收完的單機(jī)進(jìn)入單機(jī)貨架，等待系統(tǒng)層的配套需求。系統(tǒng)層按照總體需求首先進(jìn)行系統(tǒng)配套需求分析，按照分析結(jié)果完成各單機(jī)配套清單，并按照清單去單機(jī)層貨架選擇相應(yīng)單機(jī)產(chǎn)品，組成系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)收測(cè)試后出廠，其總體流程如圖6 所示。

圖6 通用化配套體系示意圖

三、實(shí)施效果

研究所通過(guò)探索伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品化研制模式，建立了相應(yīng)的多維度貨架平臺(tái)、通用化試驗(yàn)平臺(tái)和通用化采購(gòu)平臺(tái)，為未來(lái)多領(lǐng)域伺服技術(shù)發(fā)展、多領(lǐng)域產(chǎn)品應(yīng)用奠定了產(chǎn)品化基礎(chǔ)。多維度貨架平臺(tái)的建立，能夠優(yōu)化產(chǎn)品系列，為產(chǎn)品組批生產(chǎn)、提高效率、降低成本奠定基礎(chǔ)；通用化試驗(yàn)平臺(tái)的建立，為實(shí)現(xiàn)驗(yàn)收試驗(yàn)通用化、測(cè)試流程通用化、負(fù)載模擬通用化提供保障；通用化采購(gòu)平臺(tái)的建立，能夠優(yōu)化采購(gòu)體系，提高產(chǎn)品供應(yīng)效率，降低供應(yīng)鏈成本，為大批量供貨提供基本保障。打造機(jī)電伺服作動(dòng)器產(chǎn)品的數(shù)字化裝配、數(shù)字化測(cè)試和數(shù)字化試驗(yàn)等能力，優(yōu)化供應(yīng)鏈布局，提升產(chǎn)品保證能力，大幅縮短產(chǎn)品訂貨交付周期。

研究所通過(guò)采用上述研制模式，5 年來(lái)取得了良好的效果。一是成功完成了以陸基、?；撋錇榇淼亩囝I(lǐng)域10 余項(xiàng)型號(hào)快速研制任務(wù)，為多領(lǐng)域軍用裝備的快速研制并列裝部隊(duì)、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力貢獻(xiàn)了力量；二是成功完成了以“捷龍”一號(hào)為代表的商業(yè)航天研制及首飛任務(wù)，在貫徹強(qiáng)化軍民融合的重要指示過(guò)程中摸索出了產(chǎn)品化模式的新思路；三是成功完成了數(shù)十項(xiàng)飛行試驗(yàn)及大型地面試驗(yàn)驗(yàn)證考核，極大提高了型號(hào)研制效率；四是順利完成了多個(gè)階段研制任務(wù)，其中3 項(xiàng)型號(hào)任務(wù)已順利進(jìn)入批產(chǎn)階段，進(jìn)一步加快了型號(hào)研制進(jìn)度；五是這些研制成果均由同一型號(hào)隊(duì)伍取得，有效節(jié)約了人力成本；六是該研制模式的探索促進(jìn)了伺服技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)的開拓，推動(dòng)了軍民融合和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

基于多領(lǐng)域任務(wù)對(duì)象的產(chǎn)品化伺服機(jī)構(gòu)研制模式已應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)機(jī)電伺服產(chǎn)品研制，標(biāo)志著中型功率機(jī)電伺服系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)條件已趨成熟，極大地縮短了研制周期，提高了產(chǎn)品安全性、可靠性及產(chǎn)業(yè)化能力，能夠滿足日益增多的多領(lǐng)域伺服產(chǎn)品使用需求，為后續(xù)大批量伺服產(chǎn)品的型號(hào)應(yīng)用和批產(chǎn)工作提供了重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化依據(jù)，全面提升了研究所伺服產(chǎn)品向海、陸、空、天多領(lǐng)域的配套能力。