航天企業設計制造一體化現狀分析與對策研究

◎中國運載火箭技術研究院 張旭

◎首都航天機械有限公司 趙悅

一、前言

近年來，航天企業持續開展航天產品設計、制造一體化實踐，結合實際研制工作開展了系統性研究，探索出一套數字化、信息化工程研制體系，形成了協同研制工作模式，增強了各專業、各系統協調和信息交流的有效性，將部分傳統的串行工作轉換為并行，加快了研制進度，節約了研制成本，引領和帶動航天項目工程研制水平邁上新臺階，為企業持續創新驅動、健康發展和市場化轉型提供了有利支撐。

2010年，在新項目數字化研制過程中，企業提出了“改變二維出圖設計模式，打通全三維數字化設計、制造鏈路”的要求，成立數字化設計與制造IPT工作組，實施三維數字化設計與制造，企業在新型研制產品中大力推進設計、制造一體化工作，探索出一套數字化、信息化工程研制體系，研究制定統一規范標準，搭建了AVIDM、Teamcenter等信息化協同平臺。從2010年至2015年，企業的航天產品三維數字化工程研制體系建設與實踐，連續5年被評為集團公司數字化標桿工程，引領和帶動航天項目工程研制水平邁上了新臺階，保障了項目任務按時保質完成，為企業持續創新驅動、健康發展和市場化轉型提供了有利支撐。在2015年9月25日和2016年6月25日，新一代運載火箭圓滿完成首飛任務，驗證了設計、制造一體化的可行性。

二、設計、制造一體化產品研制模式應用現狀

為滿足項目研制的迫切需求，企業提出設計、制造一體化的產品研制模式，將廠所分離的串行研制向并行研制轉變，合理運用協同管理，讓制造提前介入設計，及時知悉設計意圖，甚至直接參與設計，打通了上、下游信息溝通鏈條，有效減少了設計與制造反復迭代，設計、制造“互不買賬、互相埋怨”等問題，形成了以研制項目為依托的協同管理模式，同時在面向制造的三維建模、三維圖紙到現場等信息化技術領域也積累了較為豐富的經驗。

（一）制定統一規范標準，保障一體化工作開展

為保障一體化協同工作順利開展，在確定了各環節及工作流程的基礎上，設計、制造部門共同制定了一系列的管理要求和技術規范，形成標準規范框架。通過統一標準，有效支撐了協同任務的完成，同時確保三維模型標注、圖紙技術狀態、工藝裝備尺寸等的一致性和規范性，有效控制產品質量。

（二）搭建信息協同平臺，提高一體化協作效率

突破一批全三維下廠的關鍵技術，解決總裝模型裝配信息表達和模型簡化的問題，使全三維下廠模型技術狀態得到有效控制，形成了更加合理的工作流程，使得設計意圖得到有效傳遞，設計結果得到直觀展現。以某項目為例，經過7個月時間，完成全箭20個箭體結構部段面向制造的三維建模、標注和發放等全部工作，受控零件三維模型達7萬個。制造部門通過TeamCenter系統自動接收由AVIDM系統正式發布的設計數據，順利承接設計的三維模型，并以此開展實際生產，為項目產品總裝縮短了10-30%的生產周期。除此之外，實現了對設計三維模型的提取，并轉換為工藝仿真模型，通過在產品裝配之前進行裝配仿真，還可以預先發現和暴露零部件干涉、裝配順序不合理等方面的問題，有效避免已裝配產品的分解和重新裝配。

（三）建立協同管理模式，優化管理流程

由設計、制造等相關人員共同組成產品聯合研發團隊，以集中辦公的形式，設立專職人員，制定管理制度，明確責任分工，工作流程分階段開展，實現受控的設計模型全三維下廠。對傳統串行工作流程進行優化，將設計出圖、簽署、曬藍下發、工藝路線材料定額、工裝申請等流程進行并聯，將工藝規程編制、工裝設計與制造等生產準備流程進行并聯，使協同工作模式和并行流程之間進行耦合，達到工作效率提高的最優化效果。同時，打破各單位單打獨斗的工作傳統，集中在統一的工作現場，通過網絡在工作站之間及時傳遞進展情況、反饋意見，把設計出圖、審查及簽署、藍圖下發、工藝路線編制、工裝申請等串行流程盡可能同步、甚至提前進行，直接在三維模型上進行協同工作，極大地縮短了傳遞路徑，進一步提高效率。

（四）建立支撐系統，適應管理模式轉型

項目制、產品化和生產線建設是推進設計、制造一體化的重要工作內容，也是對深入推進設計、制造一體化的強有力支撐。企業探索實踐項目管理模式，成立項目工作組，試點全要素項目制管理，推行項目經營，促進項目技術、經濟一體化。大力推進產品化工作，制造與設計之間上下聯動，整合形成產品通用化需求，提高生產效率和產品可靠性，有效降低成本。

三、存在問題

企業前期通過制定統一規范標準、搭建信息協同平臺、建立協同管理模式及支撐系統等工作，取得了一些顯著成效和寶貴經驗。但由于航天領域本身帶有濃厚的計劃經濟體制色彩，進入市場環境的時間不長，在標準規范健全、信息化建設、項目管理及人力資源管理等技術和管理上還存在問題和差距。

（一）標準規范不夠健全，難以支撐一體化發展需求

由于各參研單位之間的工作流程和方法都未標準化，在項目全生命周期研發、制造和服務的各個環節協同工作時效率低下。為縮短項目研制周期，新研項目在研制過程中均采用了協同研制模式，并根據協同研制成果制定了一批數字化設計標準、設計與工藝協同標準，這些標準的制定既總結了前期項目的研制經驗，又為后續項目的研制起到了支撐作用。但從項目研制的全生命周期來看，現有的標準尚不能完全支撐項目研制可靠、經濟、快速的需求，還存在以下不足：一是產品設計標準還沒有完全體現面向制造；二是產品制造方面的相關標準還沒有建立完全；三是項目全流程的仿真標準還有欠缺。

（二）信息尚未完全共享，約束機制及虛擬驗證手段匱乏

在部分項目研制過程中，設計、制造之間雖然建立了協同工作模式，搭建了設計、制造的信息化管理平臺，解決了軟硬件接口之間的信息流傳輸，但是沒有形成數據資源共享機制。設計、制造之間都無法直接獲悉對方的信息，使得設計難以考慮到制造周期、制造成本等因素；同時，面向設計、制造信息資源管理缺乏有效的約束機制，業務管理流程不夠順暢，缺乏相應的運行管理要求和制度約束；產品生產制造過程中大多以實物驗證為主，采用試裝、試制的方式，帶來大量的工裝和試驗成本，制造過程中各專業的仿真應用尚不深入，缺乏面向制造全流程的虛擬驗證手段，無法在制造前期預估制造全過程的問題和不足，不適應當前產品快速研制需求。

（三）能力差異導致協同工作尚未覆蓋全壽命周期

設計、制造單位協同能力參差不齊，尤其是工廠車間等一線生產部門，尚無法完全適應三維設計、制造一體化的各項要求，協同成本過高，且協同質量不高，無法覆蓋項目全生命周期的研發、制造和服務的各個環節，使得企業延伸產業鏈和擴大增值業務的舉措難以實現。

四、相關對策建議

面向工業4.0的大環境，著眼于未來協同網絡研發，在構建企業協同研制平臺時，一方面，企業應以BOM為主線組織相關產品數據、銜接不同階段的業務流程，并支撐不同層面的協同工作；另一方面，應基于系統工程思想，在產品全生命周期中，構建基于數字模型的產品研發模式，徹底打通從需求分析、功能設計、邏輯設計、樣機設計、工藝規劃和制造仿真的數據傳遞壁壘，從而形成跨地域、跨學科的企業級協同研制能力。

（一）統一科研生產基礎資源庫標準規范

搭建統一的標準件、接插件、元器件和材料等基礎資源的存儲環境，對材料、標準件、電氣元器件等進行統一分類管理，管理其入庫、更新、作廢等流程的動態維護過程，并提供便捷的信息檢索和重新利用手段，使得協同單位人員能夠方便查找到所需的標準件、元器件及材料。通過科研生產基礎資源庫的搭建，對協作過程中的基礎資源數據進行標準化、規范化的定義，可有效避免各單位基礎數據不一致的風險，同時也有利于未來推行統一架構，標準化各類基礎資源。

（二）加強基于數字樣機的協同研發與試驗驗證

數字化樣機協同定義：根據各級需求規格，基于系統工程方法論指引，建立功能/邏輯視圖及接口定義，并建立需求、功能、邏輯之間的關聯關系，提供參研單位間協調溝通的統一語境；通過基于模型的設計文檔報告的輸出及標準的模型輸出接口方便其他設計仿真工具獲取信息，實現基于統一語境、全局性的系統數字化定義。通過仿真環境的構建，形成對產品數字形態的全面驗證能力；通過定義模型數據交換的標準，有效統一各單位的數據交換格式，提升協作仿真效率。

（三）提升基于項目及流程的異地協作管控

將針對承接研制項目的全過程進行分析論證，從市場的開發到項目的形成，從用戶需求的輸入，到系統設計后的承研單位任務下發，并支撐系統集成驗證的全過程。通過任務流程一體化信息平臺的建設，將研制全過程串聯起來，并通過任務的輸入輸出，驅動任務的交接、下發、反饋。通過一體化協作管控的構建，將航天企業內部各單位、外部供應商等協同資源有機組織在一起，有序地開展研制活動；并提供企業多項目管控的執行輸入，可實時監控項目的進展、瓶頸及風險。

（四）推進產品數據發放管理

在項目協同研制平臺中將建設產品數據發放管理能力，使得受構型控制的產品數據成熟以后，在規范化的工作流程管理下，能夠及時發放至下游單位。加強對工廠等下游單位的基礎設施條件建設，提高培訓覆蓋面，解決上下游能力不匹配的實際問題。

通過協同研制平臺中以產品結構為核心組織產品數據能力的構建，通過集成接口使得成員單位PDM系統中的產品數據自動同步到協同研制平臺中，并建立與產品結構的關聯關系。在協同研制平臺中將建立規范化的產品數據發放電子工作流程，在工作流程驅動下，相關人員完成產品數據發放的啟動、審核、接收等工作。下游單位的人員可進入到各自的數據發放區，查看到發放的產品數據，用戶可通過集成接口將發放的產品數據從協同研制平臺中同步到其自身的PDM系統，也可利用協同研制平臺的能力導出數據包，進行離線的產品數據查看和瀏覽。

五、總結

設計、制造一體化是全面提升航天企業核心競爭能力的一項重要工作，也是落實推進深化改革、實施創新驅動等一系列要求的具體實踐。在深入推進一體化的過程中，要結合企業實際情況、業務特色和發展戰略，使設計、制造達到“開放、創新、融合”，持續不斷地推動生產力攀升，更好承擔起報效祖國、提升效益、造福員工的使命和責任！