基于多領域任務對象的伺服機構產品化研制模式探索及實踐

胡洋、楊波、劉亞冬、周宣、劉璐 /北京精密機電控制設備研究所

北京精密機電控制設備研究所作為我國航天伺服技術的開創者和引領者，是我國航天伺服系統的主要供應商，并已進入航海和航空等領域，研究所的愿景是成為世界知名的高性能伺服系統集成供應商，服務航天強國、國家安全和社會智能化進步。伺服系統組成復雜、產品種類和數量多、制造難度大，“十四五”期間，產品的多樣性和數量會進一步激增，現有管理模式難以實現更好的發展，產品化是緩解人力資源壓力、持續提升產品質量和客戶滿意度的有效途徑，因此進一步深入推進產品化模式探索與實踐顯得尤為必要。

一、總體思路

在研究所承制的多個機電伺服產品中，2kW 功率等級機電伺服系統應用型號最多，產品配套及成本需求迫切。因此，研究所以2kW 級機電伺服產品為典型，開展伺服配套單機/單元產品與零組件通用化研究，建立通用驗收準則、通用化測試平臺及統一采購平臺，建設適用于2kW 級機電伺服產品的設計和試驗體系，大大提高了2kW 級機電伺服產品的批量化能力，降低成本，提高效率，縮短新型號產品研制周期，極大地加快了工程應用步伐。通過在多個領域型號及項目的應用驗證，2kW 級通用化機電伺服產品已順利通過各項考核試驗，標志著2kW 級機電伺服產品已具備快速研制和配套能力，能夠不斷滿足日益增長的多領域型號配套需求。

近年來，中國航天科技集團有限公司推進產品化工作，研究所發揮設計制造一體化優勢，形成“三個能力、四類系統、五層貨架”的建設思路。技術創新、系統集成、精益制造3 個能力是基礎，電動液壓、燃氣液壓、機電、靜壓4 類伺服系統涵蓋所有產品種類，5 層貨架是研究所產品的載體和產品化基本框架，如圖1 所示。

圖1 伺服機構產品化研制模式基本框架

航天伺服系統可分為系統、單機、單元和零（部）組件4 個物理層級，以某型運載火箭伺服系統為例（見圖2）。

圖2 某型運載火箭伺服系統產品層級

可以看出，伺服系統產品層級多，特別是在單元和零（部）組件層級，種類多、數量多、專業多。因此，在單機和單元產品2 個層級編制型譜，在零（部）組件層級設立了通用件，增加預制件層和基礎層是產品化模式的建設重點。

在單機和單元產品2 個層級，優化產品型譜，形成基本特征鮮明、系列劃分清晰的友好易用型譜，確保機電伺服作動器、伺服控制器、電機和伺服傳動絲杠等核心產品型譜落地，為快速設計和掌握核心技術奠定堅實基礎。

在零（部）組件層，將技術狀態穩定、工藝成熟、質量穩定的通用結構件、通用電路單元、通用緊固件等通用件納入貨架管理，有助于優化和規范緊固件與零（組）件的選用與投產。通過統一選材標準、統一技術條件、統一質量要求，實現工藝的統一穩定與統一組批生產，能夠大幅提高生產效率和產品質量。

在預制件層，重點推進殼體類零件預制件，形成預制件粗加工批量定制、成品數字化柔性制造的快速生產模式，能夠有效縮短生產周期，提高生產效率，降低采購成本。

在基礎層，建立完善伺服產品設計、工藝類基礎標準，包括伺服產品金屬材料、非金屬材料、電子元器件選用范圍等，夯實基礎，提升能力。

二、研究內容

1.伺服產品型譜和貨架建設

將機電伺服作動器作為單獨一類產品開展型譜規劃，建立以外觀構型和功率級別為主要特征參數的型譜代號，搭建高辨識度的“基本型+衍生型”產品系列。在機電伺服作動器產品型譜規劃的基礎上，以試點、總結和推廣的模式，圍繞基本型產品建設，開展差異性、通用性分析和“三再”工作，利用數字化設計軟件，優化、細化和固化設計狀態及全流程工藝技術狀態，協同推進伺服電機、傳動機構等核心單元產品型譜建設，精簡單元產品和部組件選型，構建殼體、連接支耳等直屬結構件的通用件系列，打造基本型機電伺服作動器產品平臺，制定衍生型產品設計規則，建成“精簡基本型+按需定制衍生型”的航天機電伺服作動器產品貨架設計模式，產品性能指標保持國內領先，設計周期大幅縮短。平行直線式機電作動器圖譜示例如圖3 所示。

圖3 平行直線式機電作動器圖譜示例

在系統方案分解基礎上，基于不同領域需求開展多維度貨架平臺研究與建設，根據不同系統的總體要求，構建“預制件—關鍵組件—元器件”結構樹，完成系統研制和產品交付。在此基礎上，建設了機加件平臺、單機平臺、組件平臺、原材料平臺、元器件平臺、軟件平臺等多維度貨架平臺，如圖4 所示。

圖4 多維度貨架平臺示意圖

基于多領域的伺服機構多維度平臺，主要針對重點單機控制驅動器和機電作動器進行拓展。殼體作為預制件層貨架重點組成部分，本貨架平臺針對多領域任務要求與總體要求，將殼體分為機加、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，針對不同領域的環境、力學、成本等各方面要求按需選型；在控制驅動器單機下分為控制和驅動2 個架構層級，每個層級有不同的電路搭配及元器件組合方案，配合相應軟件實現控制和驅動功能，并通過電路板的產品化設計兼容進口工業級和國產級等不同級別的元器件封裝形式，可以根據總體要求實現貨架選型，并具備擴展功率等級至1 ～5kW 的能力；位移傳感器和電機作為元件級貨架產品，其中位移傳感器分為3 種方案，同樣可根據不同領域需求進行選型。

2.產品通用化試驗平臺建設

針對機電伺服機構比功率高、長時間、高可靠等工作要求，建設了機電伺服作動器、控制驅動器等產品綜合試驗方法、通用化可調節式負載加載平臺、通用化伺服機構產品測試系統和動力系統等通用性強的產品綜合試驗平臺，如圖5 所示，用于滿足機電伺服系統系列化、產品化要求。

圖5 通用化試驗平臺

通用化伺服測試系統采用PXI 總線，并集成了1553B、RS-422、RS-485 和CAN 等多種測試總線，組成一個開放式、模塊化、可擴展的通用化數據鏈路自動測試系統，配合通用化伺服動力系統，可用于2kW 級機電伺服產品測試驗收。

通用化可調節式伺服加載平臺采用模塊化設計，可根據不同型號要求對力矩負載和摩擦負載等參數進行適應性調節，滿足不同型號的測試要求。

通用化伺服動力系統按照2kW 通用化機電伺服系統用電功率設計，采用統一電氣接口，可以滿足機電伺服系統產品化測試供電需求。

3.產品通用化配套體系建設

為了提高伺服產品的綜合產品化能力，建立了通用化配套體系，以產品進行分類，從底層預制件及零組件開始進行統一訂貨采購，自下而上進行發放。單機層通過下層單元層進行選用組裝，裝調完畢后再由系統層根據不同領域要求以及總體系統需求對單機產品進行選型組裝調試，直至產品驗收出廠。各單機接收到底層采購的配套后進行單機驗收測試，驗收完的單機進入單機貨架，等待系統層的配套需求。系統層按照總體需求首先進行系統配套需求分析，按照分析結果完成各單機配套清單，并按照清單去單機層貨架選擇相應單機產品，組成系統并進行系統級驗收測試后出廠，其總體流程如圖6 所示。

圖6 通用化配套體系示意圖

三、實施效果

研究所通過探索伺服機構產品化研制模式，建立了相應的多維度貨架平臺、通用化試驗平臺和通用化采購平臺，為未來多領域伺服技術發展、多領域產品應用奠定了產品化基礎。多維度貨架平臺的建立，能夠優化產品系列，為產品組批生產、提高效率、降低成本奠定基礎；通用化試驗平臺的建立，為實現驗收試驗通用化、測試流程通用化、負載模擬通用化提供保障；通用化采購平臺的建立，能夠優化采購體系，提高產品供應效率，降低供應鏈成本，為大批量供貨提供基本保障。打造機電伺服作動器產品的數字化裝配、數字化測試和數字化試驗等能力，優化供應鏈布局，提升產品保證能力，大幅縮短產品訂貨交付周期。

研究所通過采用上述研制模式，5 年來取得了良好的效果。一是成功完成了以陸基、?；?、潛射為代表的多領域10 余項型號快速研制任務，為多領域軍用裝備的快速研制并列裝部隊、增強國防實力貢獻了力量；二是成功完成了以“捷龍”一號為代表的商業航天研制及首飛任務，在貫徹強化軍民融合的重要指示過程中摸索出了產品化模式的新思路；三是成功完成了數十項飛行試驗及大型地面試驗驗證考核，極大提高了型號研制效率；四是順利完成了多個階段研制任務，其中3 項型號任務已順利進入批產階段，進一步加快了型號研制進度；五是這些研制成果均由同一型號隊伍取得，有效節約了人力成本；六是該研制模式的探索促進了伺服技術應用市場的開拓，推動了軍民融合和產業化發展。

基于多領域任務對象的產品化伺服機構研制模式已應用于多個型號機電伺服產品研制，標志著中型功率機電伺服系統大規模應用的技術條件已趨成熟，極大地縮短了研制周期，提高了產品安全性、可靠性及產業化能力，能夠滿足日益增多的多領域伺服產品使用需求，為后續大批量伺服產品的型號應用和批產工作提供了重要的實踐經驗和優化依據，全面提升了研究所伺服產品向海、陸、空、天多領域的配套能力。