航天企业设计制造一体化现状分析与对策研究

◎中国运载火箭技术研究院 张旭

◎首都航天机械有限公司 赵悦

一、前言

近年来，航天企业持续开展航天产品设计、制造一体化实践，结合实际研制工作开展了系统性研究，探索出一套数字化、信息化工程研制体系，形成了协同研制工作模式，增强了各专业、各系统协调和信息交流的有效性，将部分传统的串行工作转换为并行，加快了研制进度，节约了研制成本，引领和带动航天项目工程研制水平迈上新台阶，为企业持续创新驱动、健康发展和市场化转型提供了有利支撑。

2010年，在新项目数字化研制过程中，企业提出了“改变二维出图设计模式，打通全三维数字化设计、制造链路”的要求，成立数字化设计与制造IPT工作组，实施三维数字化设计与制造，企业在新型研制产品中大力推进设计、制造一体化工作，探索出一套数字化、信息化工程研制体系，研究制定统一规范标准，搭建了AVIDM、Teamcenter等信息化协同平台。从2010年至2015年，企业的航天产品三维数字化工程研制体系建设与实践，连续5年被评为集团公司数字化标杆工程，引领和带动航天项目工程研制水平迈上了新台阶，保障了项目任务按时保质完成，为企业持续创新驱动、健康发展和市场化转型提供了有利支撑。在2015年9月25日和2016年6月25日，新一代运载火箭圆满完成首飞任务，验证了设计、制造一体化的可行性。

二、设计、制造一体化产品研制模式应用现状

为满足项目研制的迫切需求，企业提出设计、制造一体化的产品研制模式，将厂所分离的串行研制向并行研制转变，合理运用协同管理，让制造提前介入设计，及时知悉设计意图，甚至直接参与设计，打通了上、下游信息沟通链条，有效减少了设计与制造反复迭代，设计、制造“互不买账、互相埋怨”等问题，形成了以研制项目为依托的协同管理模式，同时在面向制造的三维建模、三维图纸到现场等信息化技术领域也积累了较为丰富的经验。

（一）制定统一规范标准，保障一体化工作开展

为保障一体化协同工作顺利开展，在确定了各环节及工作流程的基础上，设计、制造部门共同制定了一系列的管理要求和技术规范，形成标准规范框架。通过统一标准，有效支撑了协同任务的完成，同时确保三维模型标注、图纸技术状态、工艺装备尺寸等的一致性和规范性，有效控制产品质量。

（二）搭建信息协同平台，提高一体化协作效率

突破一批全三维下厂的关键技术，解决总装模型装配信息表达和模型简化的问题，使全三维下厂模型技术状态得到有效控制，形成了更加合理的工作流程，使得设计意图得到有效传递，设计结果得到直观展现。以某项目为例，经过7个月时间，完成全箭20个箭体结构部段面向制造的三维建模、标注和发放等全部工作，受控零件三维模型达7万个。制造部门通过TeamCenter系统自动接收由AVIDM系统正式发布的设计数据，顺利承接设计的三维模型，并以此开展实际生产，为项目产品总装缩短了10-30%的生产周期。除此之外，实现了对设计三维模型的提取，并转换为工艺仿真模型，通过在产品装配之前进行装配仿真，还可以预先发现和暴露零部件干涉、装配顺序不合理等方面的问题，有效避免已装配产品的分解和重新装配。

（三）建立协同管理模式，优化管理流程

由设计、制造等相关人员共同组成产品联合研发团队，以集中办公的形式，设立专职人员，制定管理制度，明确责任分工，工作流程分阶段开展，实现受控的设计模型全三维下厂。对传统串行工作流程进行优化，将设计出图、签署、晒蓝下发、工艺路线材料定额、工装申请等流程进行并联，将工艺规程编制、工装设计与制造等生产准备流程进行并联，使协同工作模式和并行流程之间进行耦合，达到工作效率提高的最优化效果。同时，打破各单位单打独斗的工作传统，集中在统一的工作现场，通过网络在工作站之间及时传递进展情况、反馈意见，把设计出图、审查及签署、蓝图下发、工艺路线编制、工装申请等串行流程尽可能同步、甚至提前进行，直接在三维模型上进行协同工作，极大地缩短了传递路径，进一步提高效率。

（四）建立支撑系统，适应管理模式转型

项目制、产品化和生产线建设是推进设计、制造一体化的重要工作内容，也是对深入推进设计、制造一体化的强有力支撑。企业探索实践项目管理模式，成立项目工作组，试点全要素项目制管理，推行项目经营，促进项目技术、经济一体化。大力推进产品化工作，制造与设计之间上下联动，整合形成产品通用化需求，提高生产效率和产品可靠性，有效降低成本。

三、存在问题

企业前期通过制定统一规范标准、搭建信息协同平台、建立协同管理模式及支撑系统等工作，取得了一些显著成效和宝贵经验。但由于航天领域本身带有浓厚的计划经济体制色彩，进入市场环境的时间不长，在标准规范健全、信息化建设、项目管理及人力资源管理等技术和管理上还存在问题和差距。

（一）标准规范不够健全，难以支撑一体化发展需求

由于各参研单位之间的工作流程和方法都未标准化，在项目全生命周期研发、制造和服务的各个环节协同工作时效率低下。为缩短项目研制周期，新研项目在研制过程中均采用了协同研制模式，并根据协同研制成果制定了一批数字化设计标准、设计与工艺协同标准，这些标准的制定既总结了前期项目的研制经验，又为后续项目的研制起到了支撑作用。但从项目研制的全生命周期来看，现有的标准尚不能完全支撑项目研制可靠、经济、快速的需求，还存在以下不足：一是产品设计标准还没有完全体现面向制造；二是产品制造方面的相关标准还没有建立完全；三是项目全流程的仿真标准还有欠缺。

（二）信息尚未完全共享，约束机制及虚拟验证手段匮乏

在部分项目研制过程中，设计、制造之间虽然建立了协同工作模式，搭建了设计、制造的信息化管理平台，解决了软硬件接口之间的信息流传输，但是没有形成数据资源共享机制。设计、制造之间都无法直接获悉对方的信息，使得设计难以考虑到制造周期、制造成本等因素；同时，面向设计、制造信息资源管理缺乏有效的约束机制，业务管理流程不够顺畅，缺乏相应的运行管理要求和制度约束；产品生产制造过程中大多以实物验证为主，采用试装、试制的方式，带来大量的工装和试验成本，制造过程中各专业的仿真应用尚不深入，缺乏面向制造全流程的虚拟验证手段，无法在制造前期预估制造全过程的问题和不足，不适应当前产品快速研制需求。

（三）能力差异导致协同工作尚未覆盖全寿命周期

设计、制造单位协同能力参差不齐，尤其是工厂车间等一线生产部门，尚无法完全适应三维设计、制造一体化的各项要求，协同成本过高，且协同质量不高，无法覆盖项目全生命周期的研发、制造和服务的各个环节，使得企业延伸产业链和扩大增值业务的举措难以实现。

四、相关对策建议

面向工业4.0的大环境，着眼于未来协同网络研发，在构建企业协同研制平台时，一方面，企业应以BOM为主线组织相关产品数据、衔接不同阶段的业务流程，并支撑不同层面的协同工作；另一方面，应基于系统工程思想，在产品全生命周期中，构建基于数字模型的产品研发模式，彻底打通从需求分析、功能设计、逻辑设计、样机设计、工艺规划和制造仿真的数据传递壁垒，从而形成跨地域、跨学科的企业级协同研制能力。

（一）统一科研生产基础资源库标准规范

搭建统一的标准件、接插件、元器件和材料等基础资源的存储环境，对材料、标准件、电气元器件等进行统一分类管理，管理其入库、更新、作废等流程的动态维护过程，并提供便捷的信息检索和重新利用手段，使得协同单位人员能够方便查找到所需的标准件、元器件及材料。通过科研生产基础资源库的搭建，对协作过程中的基础资源数据进行标准化、规范化的定义，可有效避免各单位基础数据不一致的风险，同时也有利于未来推行统一架构，标准化各类基础资源。

（二）加强基于数字样机的协同研发与试验验证

数字化样机协同定义：根据各级需求规格，基于系统工程方法论指引，建立功能/逻辑视图及接口定义，并建立需求、功能、逻辑之间的关联关系，提供参研单位间协调沟通的统一语境；通过基于模型的设计文档报告的输出及标准的模型输出接口方便其他设计仿真工具获取信息，实现基于统一语境、全局性的系统数字化定义。通过仿真环境的构建，形成对产品数字形态的全面验证能力；通过定义模型数据交换的标准，有效统一各单位的数据交换格式，提升协作仿真效率。

（三）提升基于项目及流程的异地协作管控

将针对承接研制项目的全过程进行分析论证，从市场的开发到项目的形成，从用户需求的输入，到系统设计后的承研单位任务下发，并支撑系统集成验证的全过程。通过任务流程一体化信息平台的建设，将研制全过程串联起来，并通过任务的输入输出，驱动任务的交接、下发、反馈。通过一体化协作管控的构建，将航天企业内部各单位、外部供应商等协同资源有机组织在一起，有序地开展研制活动；并提供企业多项目管控的执行输入，可实时监控项目的进展、瓶颈及风险。

（四）推进产品数据发放管理

在项目协同研制平台中将建设产品数据发放管理能力，使得受构型控制的产品数据成熟以后，在规范化的工作流程管理下，能够及时发放至下游单位。加强对工厂等下游单位的基础设施条件建设，提高培训覆盖面，解决上下游能力不匹配的实际问题。

通过协同研制平台中以产品结构为核心组织产品数据能力的构建，通过集成接口使得成员单位PDM系统中的产品数据自动同步到协同研制平台中，并建立与产品结构的关联关系。在协同研制平台中将建立规范化的产品数据发放电子工作流程，在工作流程驱动下，相关人员完成产品数据发放的启动、审核、接收等工作。下游单位的人员可进入到各自的数据发放区，查看到发放的产品数据，用户可通过集成接口将发放的产品数据从协同研制平台中同步到其自身的PDM系统，也可利用协同研制平台的能力导出数据包，进行离线的产品数据查看和浏览。

五、总结

设计、制造一体化是全面提升航天企业核心竞争能力的一项重要工作，也是落实推进深化改革、实施创新驱动等一系列要求的具体实践。在深入推进一体化的过程中，要结合企业实际情况、业务特色和发展战略，使设计、制造达到“开放、创新、融合”，持续不断地推动生产力攀升，更好承担起报效祖国、提升效益、造福员工的使命和责任！