基于數據驅動的發動機生產全過程數字化質量管控應用

◎西安航天發動機有限公司 劉天陽 雍楚曼

面對“十三五”期間“數量多、難度大、要求高、周期緊”的航天液體動力制造“新常態”，為提高工廠研制能力，適應繁重的生產任務及型號研制需求，進一步提升液體動力核心制造能力，西安航天發動機有限公司積極探索液體動力制造技術與信息化技術融合應用，建立了一套符合工廠多品種、小批量離散制造特色的生產現場數字化質量管控新模式，實現了生產現場全流程數字化管理，進一步提升現場質量控制水平。

液體火箭發動機作為運載火箭的“心 臟”，是影響火箭發射成敗的重要因素。液體火箭發動機是高溫、高壓和高熱流密度的復雜熱力學循環系統，工作環境惡劣，制造要求極高。發動機研制流程復雜，涉及機械加工、鍛造、鑄造、鈑金、焊接、特種加工、裝配等22 個制造專業，67 種工藝方法，專業之間交叉頻繁，工序高達十萬多道。

西安航天發動機有限公司是我國大型液體火箭發動機研制生產專業廠，主要從事常規運載、新一代運載液氧煤油等型號發動機的研制生產。

面對“十三五”期間“數量多、難度大、要求高、周期緊”的航天液體動力制造“新 常態”，為提高工廠研制能力，適應繁重的生產任務及型號研制需求，進一步提升液體動力核心制造能力，工廠積極探索液體動力制造技術與信息化技術融合應用。使信息化條件成為工廠進一步加強生產過程控制、確保發動機產品質量的重要手段，不斷提高產品質量和交付能力，滿足不斷增加的型號任務需求。

一、需求分析

工廠現階段生產現場質量控制模式難以適應精細化質量管理需求，制約了發動機質量管理水平的提高。在技術狀態控制方面，紙質工藝規程和跟蹤卡樣本依靠人為編制，存在技術狀態不一致風險；在制造資源保障方面，原材料領料發錯料、零組件配套出庫錯誤、現場使用的工裝、量具存在超期使用風險；在過程控制與量化控制方面，現場質量數據記錄存在錯填、漏填風險，不同車間協作數據傳遞存在出錯的風險；在質量數據統計匯總方面，質量數據包存在數據轉抄錯誤的風險。

面對上述實際情況和嚴格的質量管控要求，需借助信息化手段，從“質量數據定義、采集、傳遞與應用”層面，以信息化驅動質量管理，積極探索液體動力制造技術與信息化技術的融合應用。使得信息化成為加強生產過程控制、確保發動機產品質量的重要手段。從而進一步提高液體動力產品質量和交付能力。

二、建設目標

為滿足發動機全制造過程數字化質量管控目標，需在工藝、資源、計劃、現場生產、質量數據包等方面借助信息化手段，建設以質量管控為目的的液體火箭發動機數字化質量管控新模式，通過工藝、計劃、資源、生產之間的互聯、互通，協同作業進一步加強現場生產質量管控能力、提高發動機產品質量可靠性。具體包括：

實現從零件原材料領用——零件生產——部組件裝配——整機裝配制造全過程數字化質量管理，使各環節生產信息透明化、生產過程可控化，并形成豐富的統計和分析報表，直觀反映產品生產進度及異常情況，為生產管理提供決策支持和幫助。

實現產品生產現場流程化與約束化。將結構化工藝數據快速準確傳遞至現場，為現場提供唯一的制造要求；現場嚴格按照工藝文件要求，以約束性流程控制為基礎，現場串行流轉，隨源錄入和存儲產品質量數據，并實時判讀校驗產品質量超差超包絡情況，提升現場控制水平。

實現質量數據包快速生成。借助信息化條件，建立統一的數據管理平臺。集成獲取工藝管理系統、制造執行系統等信息化系統數據，并按照液體火箭發動機質量管理要求，快速生成質量數據包，提升質量復查效率，滿足型號交付要求。

三、技術路徑

工廠緊密結合發動機生產研制過程，圍繞工藝、生產、資源、質量四大業務主線，以數字化、信息化驅動質量管理，并將它們作為開展質量精細化管理的有力工具。

為此，選擇以制造執行系統為核心系統，按照“隨源錄入”與唯一數據源、信息傳遞鏈路貫通、制造管理的模型化與信息化三大原則，主要建設四大系統，如圖1 所示。

圖1 系統框架示意圖

1、工藝管理系統：以TeamCenter為平臺建設工藝管理系統（下文稱TC）。建立產品工藝BOM、完成編制工藝路線、工藝規程編制，為生產現場質量控制提供數據源頭。

2、生產計劃與資源管理系統：以Dynamics AX 為平臺建設企業生產計劃與資源管理系統（下文稱AX）。依據TC 傳遞的BOM、工藝路線下達生產任務，同時，管理原材料、型號成品、工藝裝備等庫存、建立信息臺賬，為生產現場質量控制提供基礎資源保障。

3、制造執行系統：以Camstar 為平臺建設制造執行系統（下文稱MES）。圍繞產品質量跟蹤卡，進行跟蹤卡創建、原材料領料、零組件配套、產品派工、參數填寫記錄、產品報工與檢驗的全流程管理，對產品全生產過程的質量數據和過程數據隨源記錄和存儲。

4、質量數據包生成系統：通過提取制造執行系統、生產計劃與資源管理系統等系統中數據獲取五單信息、質量參數、配套信息等，對數據進行分類匯總生成五單信息統計、三類關鍵特性數據匯總、產品功能性能數據匯總、焊縫建檔統計、力矩擰緊記錄匯總、多媒體數據匯總等表格，形成完整的質量數據包。

四、建設內容

（一）發動機裝配全過程數字化質量管控架構

隨著工廠信息化工作推進，工廠信息系統體系架構逐漸完善，基本形成以工藝設計、任務下達與資源管控、生產執行、質量管理為四大核心業務的體系架構。初步建立以裝配計劃為龍頭、以裝配工藝規程為指導、以現場執行為主線、以數據采集為基礎、以質量管控為目的的裝配生產執行控制平臺，實現對工廠生產過程的數字化質量管控，實時記錄、存儲及共享實時的裝配過程質量數據，并最終快速生成質量數據包。

（二）基于TC 平臺的工藝結構化管理

結構化工藝數據作為下游生產、質量、資源等信息系統的直接數據源頭。通過以產品BOM 為主線的結構化工藝數據管理模式應用研究，改變目前工藝數據紙質管理模式，統一表達、管理各環節產品相關的各種結構化工藝數據，避免信息數據的轉換、冗余，初步建立適應三維業務模式的管理機制，充分發揮數字化應用的優勢。

結構化工藝數據管理業務流程主要涉及設計BOM 接收、產品BOM 重構、結構化工藝路線管理、結構化材料定額管理、結構化工藝規程管理、工藝更改、信息系統集成等。

通過系統集成，將結構化信息傳輸至MES，工藝結構信息用于MES 中驅動生成約束性控制流程，工序結構化信息工藝規程現場展示，指導工人現場生產。

（三）基于AX 平臺的資源電子化管控

發動機生產計劃與資源管理系統主要現了實生產任務投產、原材料庫存管理、型號產品庫存管理等。完成了生產任務的快速下達，原材料出庫的包絡控制、型號產品的精準配套等工作，為現場質量管控提供制造資源數據。

（四）基于Camstar 平臺的生產執行約束

建設制造執行系統MES，主要實現了工藝、計劃、原材料領料、零組件配套、現場報工、參數填寫、協作調度、檢驗、系統集成等過程的全數字化管控。同時，通過MES 平臺與各系統進行集成聯動，打通和AX、TC之間的數據鏈路，自動接收提取相關工藝和生產任務信息，記錄產品制造的過程數據和質量數據，反饋產品制造進度和質量信息，提高工廠生產管理水平，進一步滿足制造過程科學化、規范化和精細化管理的需要，圖2 為生產車間報表。

（五）質量數據包快速生成

根據目前工廠現狀，需在產品出廠交付前，生成產品數據包。系統按照液體火箭發動機產品數據包要求，以產品生產過程中實際物流為依托，以跟蹤卡、合格證為質量數據的載體，以產品裝配BOM 為核心，抽取、整理、匯總TC、制造執行、庫存管理、物資管理等業務系統中的產品配套關系、電子質量跟蹤卡信息、原材料領料記錄、“五單”單據等質量數據，自動形成以設計關鍵特性數據、工藝關鍵特性數據、過程關鍵特性數據、發動機系統功能性能數據、生產過程多媒體記錄、超差情況統計、代料情況統計等為主要內容的產品質量數據包，以滿足型號交付要求。

五、自主可控情況

本項目已通過國防科工局技改條件及中國航天科技集團有限公司課題立項，整個項目由工廠牽頭開展，信息化系統二次開發100%具備國產自主知識產權，項目實施過程中的知識產權全歸工廠所有。其中，《基于MES 的結構化質量參數動態展示平臺》《基于TC工藝質量參數結構化管理系統》《基于AX 的自動化配套庫存管理系統》已獲國家計算機軟件著作權。

六、應用效果與經驗

通過項目實施，工廠所有專業均已應用以MES 為核心平臺的發動機全過程數字化質量管控新模式，建立了一套符合工廠多品種、小批量離散制造特色的生產現場數字化質量管控新模式，實現了生產現場全流程數字化管理，進一步提升現場質量控制水平。具體應用效果如下：

（一）建立了符合工廠特色的液體火箭發動機數字化質量管控模式

通過圍繞質量精細化管理開展信息化條件建設，工廠初步建立了一套完備的離散制造業，多品種、小批量研制模式下的基于數據驅動的發動機裝配全過程數字化質量管控應用新模式。同時，還建立了數字化工藝師團隊，積累了大量數字化工作實施與應用的經驗。

（二）以結構化工藝數據為核心，為制造過程的質量控制提供唯一數據源

工藝數據作為指導現場生產、開具跟蹤卡源頭數據，也是現場質量參數記錄的源頭數據，通過實施TC 系統將工藝文件顆粒度細化、關鍵工藝參數量化、質量參數結構化，提升工藝文件指導性，保證現場生產質量。在質量參數定義時明確參數要求值上下限，為現場合格校驗提供依據，同時，工藝更改與工藝文件關聯，確保工藝更改全過程可追溯。

（三）以數字化資源庫存管理為基礎，為制造過程質量控制提供基礎資源保證

通過實施AX 系統，管理原材料、成品庫存、工裝、量具、合格證臺賬，實現制造過程資源數據的信息化管理。同時，在AX 中進行原材料出庫包絡、成品出庫批次、地面件、試車件等驗證，進一步保證產品質量。此外，依據產品BOM 和工藝路線制定車間任務，為MES 開具質量跟蹤卡提供任務源頭數據。建立統一工裝、量具、物資編碼，實現工裝、量具、物資條碼化管理，規范工廠業務。

（四）以生產現場質量管控為主體，執行約束化現場質量管控

生產現場管理作為發動機質量管控具體執行階段，目前已在工廠全專業覆蓋基于MES 的生產管理系統。通過MES 的實施，實現質量跟蹤卡的自動生成，無紙化原材料領料，零組件配套，多媒體記錄，現場參數錯填、漏填、合格、包絡校驗，現場所用工裝、量具超期校驗，同時，在MES 中實現依據工藝規程工序、工步規定的約束性流程生產，保證現場質量管控。此外，基于工廠統一的MES 平臺實現不同車間協作，各車間數據隨源錄入，多次利用，保證唯一數據源和透明化生產，提升生產效率，保證產品質量。

（五）以質量數據包的自動生成為落腳點，確保生產質量

質量數據包生成系統目前已在工廠廣泛應用，自動提取MES、AX 中數據形成五單統計、原材料裝機清單、三類關鍵特性、包絡分析等產品質量相關數據，大幅減輕工藝人員質量復查的工作量，保證產品質量。

七、示范推廣情況

工廠依據自身產品特點和生產流程，建立了數字化質量管控體系，打通了工藝、生產、質量、資源之間的數據通路，建立了符合液體火箭發動機生產制造特點的信息化框架體系。該項目在離散制造型企業，特別是航空航天領域，具備很強的代表性，其統一平臺模式和各系統集成模式也具有較強的推廣價值。

八、后續發展思路及計劃

結合工廠信息化建設整體規劃，后續將進入效益提升階段和價值鏈提升階段，工廠還將重點開展包括通過與工業控制網的集成，實現底層設備質量數據自動采集、商務智能應用、智能制造新模式探索等工作。