中國(guó)空間技術(shù)研究院 李獻(xiàn)斌 冶元菲 周益 肖曉 褚宏偉

基于DFx方法的宇航單機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程優(yōu)化與實(shí)踐

中國(guó)空間技術(shù)研究院 李獻(xiàn)斌 冶元菲 周益 肖曉 褚宏偉

中國(guó)空間技術(shù)研究院在宇航單機(jī)產(chǎn)品傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)上，基于DFx方法（面向x的設(shè)計(jì)方法，x包括：可制造性、可裝配性和可驗(yàn)證性等），探索和實(shí)施流程優(yōu)化，落實(shí)三個(gè)工程和兩個(gè)機(jī)制，有效解決了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中技術(shù)狀態(tài)反復(fù)和迭代周期長(zhǎng)的問(wèn)題，以促進(jìn)宇航單機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)降本增效。

我國(guó)宇航企業(yè)經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型和專業(yè)化分工的深化，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率和效益都提出了更高的要求。以往宇航單機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的功能性問(wèn)題和可靠性問(wèn)題等都已具備較好的解決方案，但在設(shè)計(jì)階段對(duì)下游工程化需求考慮不周，使得產(chǎn)品存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致設(shè)計(jì)狀態(tài)迭代多、生產(chǎn)不順暢、合格率低。因此，對(duì)宇航單機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程優(yōu)化提出了迫切需求。

一、總體思路

宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx開(kāi)發(fā)流程以并行流程為主線，以三個(gè)工程和兩個(gè)機(jī)制為總體框架（見(jiàn)圖1）。三個(gè)工程是基于多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的并行工程、基于設(shè)計(jì)要素提煉和應(yīng)用的知識(shí)工程、基于數(shù)據(jù)共享和數(shù)字化協(xié)同的信息工程。兩個(gè)機(jī)制是基于制度化和團(tuán)隊(duì)優(yōu)化的實(shí)施與監(jiān)控機(jī)制，基于質(zhì)量、進(jìn)度和成本的綜合度量機(jī)制。三個(gè)工程和兩個(gè)機(jī)制相互配合，形成系統(tǒng)性和閉環(huán)性的體系。

二、三個(gè)工程與兩個(gè)機(jī)制

1.基于多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的并行工程

傳統(tǒng)宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程屬于“串行”設(shè)計(jì)流程，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各環(huán)節(jié)相對(duì)孤立，信息單向流動(dòng)，易產(chǎn)生隔墻式設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)迭代流程長(zhǎng)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。因此，需要基于并行工程的思想對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行優(yōu)化。

研究院建立了逐步深化的“三次設(shè)計(jì)”方法與程序（方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)），結(jié)合宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分工特點(diǎn)，構(gòu)建了利于產(chǎn)業(yè)化的“二項(xiàng)并行”（多專業(yè)協(xié)同、上下游并行），以及“三條基線”建立時(shí)機(jī)與內(nèi)涵（功能基線、研制基線與生產(chǎn)基線），通過(guò)漸進(jìn)式技術(shù)狀態(tài)管控實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)微循環(huán)改進(jìn)，形成了宇航單機(jī)產(chǎn)品“三二三流程”。

一是漸進(jìn)式、逐步深化的“三次設(shè)計(jì)”。

將宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程分為方案設(shè)計(jì)過(guò)程、初步設(shè)計(jì)過(guò)程和詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)從整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，由方案選擇、功能模塊劃分和工藝路線確定到完善設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化逐步深入，通過(guò)構(gòu)建“三次設(shè)計(jì)”方法和流程，實(shí)現(xiàn)宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx要求在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中分布落實(shí)和逐步深入。

方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)是完成產(chǎn)品需求分析，確定技術(shù)方案，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。初步設(shè)計(jì)的目標(biāo)是功能模塊的細(xì)化、工藝路線的確定、接口關(guān)系的仿真計(jì)算等工作，投產(chǎn)關(guān)鍵組件進(jìn)行試制和驗(yàn)證。詳細(xì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是完成可靠性設(shè)計(jì)并開(kāi)展功能性能實(shí)現(xiàn)（含生產(chǎn)）的全面參數(shù)優(yōu)化，固化產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)。

二是多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的“二項(xiàng)并行”。

以“多專業(yè)協(xié)同、上下游并行”的方法組織產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，“多專業(yè)協(xié)同”要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中各專業(yè)之間要協(xié)同設(shè)計(jì)，充分考慮各項(xiàng)指標(biāo)之間的協(xié)調(diào)。“上下游并行”要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中要提前考慮可制造性（DFM）、可裝配性（DFA）和可驗(yàn)證性（DFV）等方面,合理前移工藝和驗(yàn)證工作項(xiàng)目，并將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真分析、研制試驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)等工作并行融入技術(shù)流程。從而在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)，避免實(shí)物階段的長(zhǎng)周期迭代。

結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)建立進(jìn)一步細(xì)化的具體產(chǎn)品流程，明確具體工藝工作和驗(yàn)證工作前移的要求。同時(shí)在并行過(guò)程中開(kāi)展DFx知識(shí)應(yīng)用，作為評(píng)審和審查的依據(jù)，確保DFx知識(shí)得到落實(shí)，同時(shí)也使得并行工作更加充分。

三是漸進(jìn)式、增量式的“三條基線”。

研究確定了宇航單機(jī)產(chǎn)品 “三條基線”的建立時(shí)機(jī)與專業(yè)內(nèi)涵，在方案設(shè)計(jì)結(jié)束后建立功能基線，在初步設(shè)計(jì)結(jié)束后建立研制基線，在詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)束后建立生產(chǎn)基線。通過(guò)基線開(kāi)展對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)和生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)的過(guò)程管控，結(jié)合技術(shù)狀態(tài)分散發(fā)布和微循環(huán)迭代，實(shí)現(xiàn)“三條基線”的漸進(jìn)式和增量式管控模式。“三條基線”是漸進(jìn)式的而不是完全隔離的，是由功能基線—研制基線—生產(chǎn)基線逐漸細(xì)化的；“三條基線”是增量式的而不是一成不變的，隨著用戶要求和產(chǎn)品規(guī)范的不斷完善，“三條基線”也相應(yīng)的進(jìn)行增量式開(kāi)發(fā)。

2.基于設(shè)計(jì)要素提煉和應(yīng)用的知識(shí)工程

分類定義了符合宇航單機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)的DFx原則與內(nèi)涵，制定了宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx設(shè)計(jì)要素編制規(guī)范，提出了以結(jié)構(gòu)化和開(kāi)放性為特征的設(shè)計(jì)要素構(gòu)建方法，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和歷史教訓(xùn)系統(tǒng)梳理了機(jī)電產(chǎn)品、電子產(chǎn)品等10類宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx設(shè)計(jì)要素庫(kù)，固化一千余條設(shè)計(jì)要素，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程提供知識(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)傳承、消除不良和設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變的目的。

針對(duì)新研產(chǎn)品，將設(shè)計(jì)要素的應(yīng)用評(píng)估納入研制技術(shù)流程，以兩級(jí)評(píng)估的方式開(kāi)展。

一是結(jié)合并行流程的應(yīng)用。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)將設(shè)計(jì)要素納入并行開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行落實(shí)，明確落實(shí)時(shí)機(jī)、落實(shí)人員和落實(shí)方法，主要有設(shè)計(jì)師自查、設(shè)計(jì)工藝檢驗(yàn)多方協(xié)同、產(chǎn)保審查驗(yàn)證等方式。

二是結(jié)合集同評(píng)審的審查評(píng)估。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的里程碑節(jié)點(diǎn)，結(jié)合方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等集同評(píng)審環(huán)節(jié)，對(duì)設(shè)計(jì)要素的落實(shí)情況及DFx開(kāi)展有效性進(jìn)行閉環(huán)檢查評(píng)估。

低年級(jí)課文中有很多修飾性的詞語(yǔ)，這些詞語(yǔ)把事物寫(xiě)得更具體形象。如：蘇教版二年級(jí)下冊(cè)《真想變成大大的荷葉》中“透明的雨滴”“清凌凌的小河”“眨眼的星星”“彎彎的新月”……讀“透明”“清凌凌”“眨眼”“彎彎”這些修飾詞，腦中馬上浮現(xiàn)出“雨滴”“小河”“星星”“新月”等一幅幅美妙的畫(huà)面。

3.基于數(shù)據(jù)共享和數(shù)字化協(xié)同的信息工程

通過(guò)建立數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將需求管理系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理信息系統(tǒng)等進(jìn)行有效集成。通過(guò)集成化的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)包含產(chǎn)品需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證、數(shù)字化生產(chǎn)、缺陷反饋、變更管理的面向產(chǎn)品全生命周期管理模式，大幅提升宇航單機(jī)產(chǎn)品的研制效率。

結(jié)合工作實(shí)踐建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范流程，如產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、三維模型構(gòu)建、仿真分析等管理要求，用于指導(dǎo)研制團(tuán)隊(duì)規(guī)范開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)工作。通過(guò)這些規(guī)章制度的建立，可以規(guī)范研制團(tuán)隊(duì)的協(xié)同設(shè)計(jì)流程，為后續(xù)順利高效的開(kāi)展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4.基于制度化和團(tuán)隊(duì)優(yōu)化的實(shí)施與監(jiān)控機(jī)制

制定一系列的規(guī)章制度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（見(jiàn)圖2）。建立標(biāo)準(zhǔn)化的方法指導(dǎo)，通過(guò)實(shí)施與監(jiān)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程落地生根。

對(duì)于新研產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，設(shè)立了產(chǎn)品負(fù)責(zé)人（產(chǎn)品總工），組建了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)與職能部門之間建立矩陣式管理模式。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)一般包括：產(chǎn)品負(fù)責(zé)人、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、產(chǎn)品工藝師、產(chǎn)品測(cè)試師、產(chǎn)保人員、產(chǎn)品質(zhì)量師、產(chǎn)品調(diào)度、物資人員等，對(duì)于涉及到多專業(yè)的產(chǎn)品，將相應(yīng)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員納入團(tuán)隊(duì)內(nèi)，組建跨部門、跨專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在產(chǎn)品研制部門層面，開(kāi)展了組織結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分離的基礎(chǔ)上成立了銜接設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的工程部，形成了以設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)、產(chǎn)保專業(yè)分離架構(gòu)的產(chǎn)品研制隊(duì)伍分工模式。

面向具體產(chǎn)品，融入宇航單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程開(kāi)展監(jiān)控，主要監(jiān)控內(nèi)容結(jié)合質(zhì)量保證項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要方式包括：產(chǎn)保審查、團(tuán)隊(duì)協(xié)同、同行評(píng)審、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)集同評(píng)審等，對(duì)DFx的相關(guān)要求及設(shè)計(jì)要素的落實(shí)情況進(jìn)行逐條檢查。

針對(duì)方案設(shè)計(jì)、模樣總結(jié)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、初樣總結(jié)五類里程碑評(píng)審，將DFx的相關(guān)要求融入報(bào)告模板中；質(zhì)量部門組織各部門對(duì)監(jiān)視和評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)DFx的相關(guān)要求及核心設(shè)計(jì)要素的落實(shí)情況進(jìn)行逐條檢查。

5.基于質(zhì)量、進(jìn)度和成本的綜合度量機(jī)制

建立了宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx度量體系并發(fā)布了宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx度量規(guī)范，構(gòu)建了基于質(zhì)量、進(jìn)度及成本的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，構(gòu)造了符合宇航單機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)、可量化的度量模型和度量向量，明確了11個(gè)度量參數(shù)（質(zhì)量4個(gè)、進(jìn)度3個(gè)、成本4個(gè)），從產(chǎn)品和組織層面多維度評(píng)價(jià)體系實(shí)施對(duì)于提升質(zhì)量水平、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的有效性，在研究與應(yīng)用過(guò)程中基于度量結(jié)果對(duì)DFx流程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。產(chǎn)品級(jí)開(kāi)發(fā)質(zhì)量度量模型（見(jiàn)圖3），組織級(jí)管理度量模型（見(jiàn)圖4）。

三、應(yīng)用實(shí)例

以XX-4衛(wèi)星大力矩飛輪為例，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用基于DFx方法的開(kāi)發(fā)流程，最終實(shí)現(xiàn)了一次開(kāi)發(fā)成功、成本有效降低等開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

1.并行工程應(yīng)用

大力矩飛輪產(chǎn)品運(yùn)用DFx技術(shù)優(yōu)化流程，通過(guò)開(kāi)展產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)策劃，確定了方案、初步和詳細(xì)3個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的各項(xiàng)工作，包括關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、軸承和電機(jī)試制與驗(yàn)證等。在實(shí)現(xiàn)策劃與各設(shè)計(jì)過(guò)程研制技術(shù)流程制定過(guò)程中，將質(zhì)量控制點(diǎn)嵌入產(chǎn)品研制技術(shù)流程，改進(jìn)設(shè)計(jì)要素等知識(shí)應(yīng)用，落實(shí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)人員協(xié)同。在大力矩產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)人員共開(kāi)展了40余次協(xié)同，包括定期例會(huì)討論、臨時(shí)技術(shù)溝通、圖紙審查、文件評(píng)審等多種形式，充分利用宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素，及時(shí)解決了軸承供油率、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、線路散熱設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

2.知識(shí)工程應(yīng)用

在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，大力矩飛輪產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用DFx技術(shù)把握關(guān)鍵、集智攻關(guān)，全過(guò)程充分利用宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。依據(jù)宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素開(kāi)展了軸承潤(rùn)滑設(shè)計(jì)、電機(jī)繞線設(shè)計(jì)、輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線路電源安全性設(shè)計(jì)等工作。依據(jù)設(shè)計(jì)要素要求開(kāi)展模塊化設(shè)計(jì)，將飛輪產(chǎn)品確定為五大組成部分，即殼體組件、輪體組件、軸承組件、電機(jī)組件和線路組件，各組件分別具有其獨(dú)立功能的模塊，各個(gè)模塊可以被單獨(dú)地組裝、測(cè)量及試驗(yàn)，使得產(chǎn)品具有較好的可裝配性和可驗(yàn)證性。

3.信息工程應(yīng)用

建立了產(chǎn)品的數(shù)字化模型，通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，團(tuán)隊(duì)成員可隨時(shí)查看和使用產(chǎn)品數(shù)字模型，并行開(kāi)展仿真分析和工藝設(shè)計(jì)等工作，實(shí)現(xiàn)了高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和微循環(huán)迭代改進(jìn)驗(yàn)證。

4.實(shí)施與監(jiān)控機(jī)制應(yīng)用

大力矩飛輪產(chǎn)品啟動(dòng)研制時(shí)，組建了精干的并行開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，覆蓋設(shè)計(jì)（包括整機(jī)，軸承、電機(jī)與線路等專業(yè)）、工藝（包括整機(jī)、機(jī)加、電裝與固封等專業(yè)）、技工、測(cè)試和產(chǎn)保等方面。由產(chǎn)品負(fù)責(zé)人、型號(hào)“兩總”、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員以及外部專家等多方人員對(duì)多類報(bào)告進(jìn)行充分審查和討論，起到了設(shè)計(jì)與工藝并行、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證并行的作用。

5.度量機(jī)制應(yīng)用

大力矩飛輪產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)了一次開(kāi)發(fā)成功、正樣生產(chǎn)和使用全過(guò)程無(wú)質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生、開(kāi)發(fā)周期縮短近25%、成本有效降低等開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

四、應(yīng)用效果

DFx開(kāi)發(fā)流程實(shí)施2年多以來(lái)，試點(diǎn)單位的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題穩(wěn)步降低，精益設(shè)計(jì)水平穩(wěn)步提升，按既定的質(zhì)量、進(jìn)度、成本目標(biāo)成功研制90余個(gè)新研單機(jī)產(chǎn)品，應(yīng)用結(jié)果表明在質(zhì)量、進(jìn)度和成本等方面都取得了明顯的改進(jìn)，如開(kāi)發(fā)過(guò)程中識(shí)別并改進(jìn)53項(xiàng)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)品制造周期平均縮短25.66%，裝配周期平均縮短10.87%，不可測(cè)試率降低了32.25%，新研產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生率下降40%。

在試點(diǎn)實(shí)施的基礎(chǔ)上，研究院組織各廠所對(duì)宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。通過(guò)實(shí)施宇航單機(jī)產(chǎn)品DFx開(kāi)發(fā)流程，按既定的質(zhì)量、進(jìn)度、成本目標(biāo)成功研制79個(gè)新研產(chǎn)品并順利交付25個(gè)型號(hào)用戶，其中“北斗”二代導(dǎo)航衛(wèi)星、“天宮”二號(hào)等7個(gè)型號(hào)已實(shí)現(xiàn)在軌穩(wěn)定運(yùn)行，“嫦娥”五號(hào)等已完成產(chǎn)品交付。