航天器復合材料結構產品生產模式的改進實踐

◎北京衛星制造廠 楊海濤 尉世厚

北京衛星制造廠是我國衛星、飛船等航天器的骨干制造企業，承擔的航天器復合材料結構產品主要包括蜂窩夾層結構板、中心承力筒、太陽翼基板和連接架四大類。隨著我國航天事業的不斷發展，各類復合材料結構產品的生產任務量呈現大幅增長，這對生產能力造成了巨大壓力，為此北京衛星制造廠采取了增加人員配備、添置儀器設備、安排加班倒班、擴大資源投入等措施，使產能緊張的狀況得到了緩解。但由于航天型號生產任務的特殊性，其原有生產模式存在著諸如生產任務和過程不連續、難以確定生產能力的最優配置等問題。因此，筆者認為需要從更全面的角度采用更為系統的方法探索滿足航天型號生產需求的新途徑，以提高生產能力，降低生產成本，改善資源閑置，減少企業負擔。

一、生產模式的改進過程

生產模式是指在生產制造過程中，通過有效組織各種制造要素而形成的可以在特定環境中達到良好制造效果且具有相似特點的一類方式方法的總稱。其本質是對組成生產系統的各種生產資源進行組織與配置，并規定生產資源相互間的協調關系和運行方式。在產品的功能組成、性能指標、交貨期、質量、成本、任務數量這幾項核心屬性中，只有產品的任務數量是企業采用何種生產模式的決定性因素，因為其直接影響著產品的生產規模、設備配備、人員數量、工裝/工具的專業化程度、生產的組織形式等。

根據產品數量可以將生產模式粗略分為單件研制生產模式、批量生產模式和大規模生產模式三大類。其中，單件研制生產模式是根據用戶需求對產品的設計、制造、裝配、應用的全過程進行全新的、有針對性的研究和制造，以滿足用戶的各項要求；批量生產模式結合不同的生產理念可進一步分為集成制造模式、精益生產模式、敏捷制造模式、單元制造模式、柔性制造模式、大規模定制模式；大規模生產模式特指大批量無差別產品的生產。

1.原有生產模式的問題

圖1 復合材料結構產品原有的生產模式

截止到20世紀末，航天器的生產模式屬于典型的單件研制生產模式，即根據上級任務組織生產，產品數量少、標準化程度低、通用性低，具有完全定制生產的特點，生產進度和質量要求的緊迫性不突出。

以復合材料結構產品為例，其原有的生產模式（見圖1）是產品研制的“小作坊”生產模式。一件結構件從生產準備到產品交付都由一組操作人員完成，人員的組織模式為“一人一崗，一崗多能”。

這種組織模式對產品種類的變化有很強的適應性，一個工位或人員能夠對多種不同的產品進行操作，在產品種類變化大、任務量較小時能夠滿足生產要求，且綜合成本較低。但這種模式在復合材料結構產品生產中存在的問題主要有：工人的操作技能沒有針對性，工作沒有延續性，工人操作的熟練性和技巧性沒有得到充分發揮，車間內增加了協調工作，也增加了產品生產過程的流轉次數，極大地影響了生產效率和產品質量的穩定性和可靠性，難以適應任務量大幅增長后的生產需要。

然而進入21世紀以來，隨著我國航天事業的快速發展，航天器的生產任務逐年迅速增長，復合材料結構產品的制造也逐漸從探索性的應用研究及產品研制發展到規模化、批量化制造，原有的生產模式已無法滿足型號任務需求，改進產品生產模式勢在必行。

2.生產模式的改進思路

以復合材料結構產品生產流程為依托、單元化生產為主導，通過科學化和統籌化的組織、管理與控制，將復合材料結構產品生產過程劃分為生產準備、纏繞成型、下料鋪層、裝配膠接、固化成型、產品后處理、溫控實施、產品交付8個生產單元，再將這些單元有機地結合為一個整體并與成組技術、并行工程和批生產模式相結合，從而建立既能滿足多型號、小批量生產又能實現快速響應的柔性生產組織模式，如圖2所示。

二、生產模式的改進實踐

1.生產單元的劃分

根據產品特點、生產流程和加工方法對主要的生產單元進行細化，細化后形成小的生產單元，以實行并行工程。這種單元的劃分必須是動態的，主要是根據產品的操作難度和周期長短來決定。在產品難度大且生產周期較短時，調整并細化生產單元就尤為重要，因為其可以降低每個生產單元內產品的操作難度，縮短生產周期。

生產單元劃分是根據型號復合材料結構產品的特點，以成組技術和并行工程為指導思想，在產品種類劃分的基礎上對各種產品生產過程中的工藝環節進行分類，形成主要的小生產單元，主要包括生產準備、纏繞成型、下料鋪層預成型、承力筒復合裝配、基板復合裝配、結構板復合裝配、熱控實施、產品固化成型、承力筒打孔膠接、結構板和基板后埋膠接單元。

2.人員組織模式與觀念的轉變

根據復合材料成型的特點和生產過程中控制的關鍵點，結合車間人員的能力和特長將以工種為依據劃分班組的模式改為按生產單元劃分班組（見圖3）。班組由多個工位組成，每個班組的人員都動態地分布在各個工位內；設立班組長和工位負責人（即攤長），班組長只對車間領導負責，攤長只對班組長負責。這種組織模式既可發揮車間職工的潛力，又能縮短生產周期，提升產品質量，在某種程度上解決了產品質量穩定性和可靠性問題。

圖2 復材結構產品單元化生產組織模式

在單元化生產模式下對操作人員的崗位職能進行了較大的調整，由原來的“一人一崗，一崗多能”調整為“一人多崗，一專多能”。此外，整合了車間工種，將鉗工和膠接工種統一為復合材料膠接工種，使其適用于單元化生產的需要。實踐證明，只有轉變職工的思想觀念，倡導合作和配合，提高團隊協作能力，提高執行力，才能使單元化生產模式的優勢發揮到極致。

3.人員技能的培訓

結合復合材料成型操作經驗，以提高生產效率和產品質量為前提，對各種操作方式進行分析、歸類和總結。針對操作過程中的難點問題，綜合各個操作人員的特長制定完善了復合材料結構件成型操作細則，并將其作為結構件成型生產過程中的操作依據和職工操作技能培訓的基本要求，在車間職工中形成了一個培訓→熟練掌握→提出改進方法→驗證→改進操作方法→培訓的PDCA循環。

4.生產流程的優化和再造

對生產流程的梳理優化是提高生產效率的關鍵。以復合材料產品技術流程為基礎，首先對復合材料結構產品生產流程進行梳理，對每個生產流程進行測量，包括流程的有效工時、等待時間、生產周期、周轉次數、更正次數、返工次數；然后取消不必要的步驟，優化非關鍵步驟，合并流程步驟等。同時加大與其它部門的溝通，將生產流程需要配合的各個生產節點及時通知各部門，盡量減少等待時間，提高生產效率。

圖3 改進后的人員組織模式

5.產品零件和工裝的定置管理

規劃單元內部的物料擺放，在單元現場推行定制管理，包括區域、單元、工位劃線，單元內設置產品和工裝的存放區域；實現現場物料的定位、定置、定量、定標以及原材料、在制品、產成品的分類、隔離、標識、儲運等，形成有效的物料識別、放置、移動規則，消除尋找時間，減少取放時間；規范工具的借歸和存放管理，工裝的使用和現場擺放。

例如，對結構板定位工裝進行專人統一管理，制定定位工裝的管理制度，這樣可以有效地控制定位工裝的使用，同時能及時向工藝部門和生產部門提供定位工裝的數量與使用情況信息，為結構板研制計劃的有效實施提供了有利保障。定位工裝的統一管理可以杜絕結構板復合過程中定位工裝用錯的現象，同時可縮短結構板工裝的準備時間，極大地提高了結構板的研制質量和生產效率。

6.生產布局與組織方式的改進

例如，一個生產環節一般由生產準備、實際操作和工作后的現場處理三部分組成，如果工裝試裝環節需4個小時，其中生產準備需1個小時，實際操作需2個小時，后處理需1個小時，那么在這個生產環節中，有效工作時間的比例為50%。由此可見，提高有效工作時間的比例是生產能力提升的關鍵。

采用少人化制造和同步化生產方式可以有效體現單元化生產的優勢。通過合理的工藝布局可以提高操作人員的工作量，減少等待時間，提高有效工作時間。例如，在結構板裝配過程中對生產組織模式進行改進，并將工作臺布置為U字型，讓1名操作人員同時輔助3位裝配人員，同時進行3塊結構板的生產，這樣大大減少了閑置人員的等待時間，同時將各個環節的有效工作時間比例提高到80%。

綜上所述，在制造資源沒有大幅增加的情況下，北京衛星制造廠通過改進航天器復合材料結構產品生產模式實現了生產能力的顯著提升。在任務分派上，由原來人員、資源不確定轉變為由專門單元負責，實現了相似任務的集中作業，提高了生產專業性；在人員組織上，由原來一組人從頭干到尾，沒有明確的人員分工，轉變為按照工藝流程對不同崗位人員進行明確分工，提高了作業熟練度，保證了質量一致性；在設備使用上，由不同類型產品共用轉變為根據生產單元劃分專用設備，有效避免了設備沖突；在設備布局上，由原來相同功能的設備集中擺放轉變為將產品所需的不同設備集中擺放，明顯縮短了物料搬運距離；在作業劃分上，由原來沒有測算劃分轉變為根據工序負荷測算劃分作業內容，從而提升了生產的均衡性；在在考核方式上，由原來單純按照個人工時考核轉變為按照單元完成的任務量整體考核，提高了職工工作的積極性和團隊合作意識。

通過生產模式的改進，北京衛星制造廠已實現太陽翼基板單件平均工時縮短15%，年均產量提高6倍；蜂窩夾層結構板單件平均工時縮短45%，年均產量提高2倍；承力筒、連接架等產品也取得了產能明顯提高的效果，圓滿完成了不斷增長的型號生產任務，為我國航天事業的高速發展提供了有力的支持。