中國空間技術研究院 李獻斌 冶元菲 周益 肖曉 褚宏偉

基于DFx方法的宇航單機產品開發(fā)流程優(yōu)化與實踐

中國空間技術研究院 李獻斌 冶元菲 周益 肖曉 褚宏偉

中國空間技術研究院在宇航單機產品傳統(tǒng)設計開發(fā)流程的基礎上，基于DFx方法（面向x的設計方法，x包括：可制造性、可裝配性和可驗證性等），探索和實施流程優(yōu)化，落實三個工程和兩個機制，有效解決了新產品開發(fā)過程中技術狀態(tài)反復和迭代周期長的問題，以促進宇航單機產品開發(fā)實現(xiàn)降本增效。

我國宇航企業(yè)經過了數(shù)十年的發(fā)展，正在進行產業(yè)化轉型和專業(yè)化分工的深化，對產品開發(fā)效率和效益都提出了更高的要求。以往宇航單機產品開發(fā)中常見的功能性問題和可靠性問題等都已具備較好的解決方案，但在設計階段對下游工程化需求考慮不周，使得產品存在設計缺陷，導致設計狀態(tài)迭代多、生產不順暢、合格率低。因此，對宇航單機產品開發(fā)流程優(yōu)化提出了迫切需求。

一、總體思路

宇航單機產品DFx開發(fā)流程以并行流程為主線，以三個工程和兩個機制為總體框架（見圖1）。三個工程是基于多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的并行工程、基于設計要素提煉和應用的知識工程、基于數(shù)據(jù)共享和數(shù)字化協(xié)同的信息工程。兩個機制是基于制度化和團隊優(yōu)化的實施與監(jiān)控機制，基于質量、進度和成本的綜合度量機制。三個工程和兩個機制相互配合，形成系統(tǒng)性和閉環(huán)性的體系。

二、三個工程與兩個機制

1.基于多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的并行工程

傳統(tǒng)宇航單機產品設計開發(fā)過程屬于“串行”設計流程，產品開發(fā)各環(huán)節(jié)相對孤立，信息單向流動，易產生隔墻式設計，造成設計迭代流程長，產品開發(fā)周期長。因此，需要基于并行工程的思想對產品開發(fā)流程進行優(yōu)化。

研究院建立了逐步深化的“三次設計”方法與程序（方案設計、初步設計與詳細設計），結合宇航單機產品設計開發(fā)分工特點，構建了利于產業(yè)化的“二項并行”（多專業(yè)協(xié)同、上下游并行），以及“三條基線”建立時機與內涵（功能基線、研制基線與生產基線），通過漸進式技術狀態(tài)管控實現(xiàn)設計開發(fā)微循環(huán)改進，形成了宇航單機產品“三二三流程”。

一是漸進式、逐步深化的“三次設計”。

將宇航單機產品設計開發(fā)流程分為方案設計過程、初步設計過程和詳細設計過程，要求產品設計從整機結構設計出發(fā)，由方案選擇、功能模塊劃分和工藝路線確定到完善設計和參數(shù)優(yōu)化逐步深入，通過構建“三次設計”方法和流程，實現(xiàn)宇航單機產品DFx要求在設計開發(fā)過程中分布落實和逐步深入。

方案設計的目標是完成產品需求分析，確定技術方案，開展關鍵技術驗證。初步設計的目標是功能模塊的細化、工藝路線的確定、接口關系的仿真計算等工作，投產關鍵組件進行試制和驗證。詳細設計的目標是完成可靠性設計并開展功能性能實現(xiàn)（含生產）的全面參數(shù)優(yōu)化，固化產品設計技術狀態(tài)。

二是多專業(yè)協(xié)同和上下游并行的“二項并行”。

以“多專業(yè)協(xié)同、上下游并行”的方法組織產品并行設計開發(fā)，“多專業(yè)協(xié)同”要求在設計過程中各專業(yè)之間要協(xié)同設計，充分考慮各項指標之間的協(xié)調?！吧舷掠尾⑿小币笤谠O計過程中要提前考慮可制造性（DFM）、可裝配性（DFA）和可驗證性（DFV）等方面,合理前移工藝和驗證工作項目，并將產品設計與仿真分析、研制試驗、工藝設計等工作并行融入技術流程。從而在設計開發(fā)環(huán)節(jié)實現(xiàn)設計改進，避免實物階段的長周期迭代。

結合產品特點建立進一步細化的具體產品流程，明確具體工藝工作和驗證工作前移的要求。同時在并行過程中開展DFx知識應用，作為評審和審查的依據(jù)，確保DFx知識得到落實，同時也使得并行工作更加充分。

三是漸進式、增量式的“三條基線”。

研究確定了宇航單機產品 “三條基線”的建立時機與專業(yè)內涵，在方案設計結束后建立功能基線，在初步設計結束后建立研制基線，在詳細設計結束后建立生產基線。通過基線開展對產品設計技術狀態(tài)和生產技術狀態(tài)的過程管控，結合技術狀態(tài)分散發(fā)布和微循環(huán)迭代，實現(xiàn)“三條基線”的漸進式和增量式管控模式?！叭龡l基線”是漸進式的而不是完全隔離的，是由功能基線—研制基線—生產基線逐漸細化的；“三條基線”是增量式的而不是一成不變的，隨著用戶要求和產品規(guī)范的不斷完善，“三條基線”也相應的進行增量式開發(fā)。

2.基于設計要素提煉和應用的知識工程

分類定義了符合宇航單機產品特點的DFx原則與內涵，制定了宇航單機產品DFx設計要素編制規(guī)范，提出了以結構化和開放性為特征的設計要素構建方法，結合設計經驗和歷史教訓系統(tǒng)梳理了機電產品、電子產品等10類宇航單機產品DFx設計要素庫，固化一千余條設計要素，為設計開發(fā)流程提供知識基礎，實現(xiàn)了知識傳承、消除不良和設計模式轉變的目的。

針對新研產品，將設計要素的應用評估納入研制技術流程，以兩級評估的方式開展。

一是結合并行流程的應用。在產品開發(fā)設計過程中，結合產品特點將設計要素納入并行開發(fā)流程進行落實，明確落實時機、落實人員和落實方法，主要有設計師自查、設計工藝檢驗多方協(xié)同、產保審查驗證等方式。

二是結合集同評審的審查評估。在產品設計開發(fā)的里程碑節(jié)點，結合方案設計、初步設計、詳細設計等集同評審環(huán)節(jié)，對設計要素的落實情況及DFx開展有效性進行閉環(huán)檢查評估。

低年級課文中有很多修飾性的詞語，這些詞語把事物寫得更具體形象。如：蘇教版二年級下冊《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

通過建立數(shù)字化協(xié)同設計平臺，將需求管理系統(tǒng)、產品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)、質量管理信息系統(tǒng)等進行有效集成。通過集成化的管理平臺，實現(xiàn)包含產品需求、產品設計、系統(tǒng)驗證、數(shù)字化生產、缺陷反饋、變更管理的面向產品全生命周期管理模式，大幅提升宇航單機產品的研制效率。

結合工作實踐建立了相應的標準規(guī)范流程，如產品數(shù)字化協(xié)同設計、三維模型構建、仿真分析等管理要求，用于指導研制團隊規(guī)范開展協(xié)同設計工作。通過這些規(guī)章制度的建立，可以規(guī)范研制團隊的協(xié)同設計流程，為后續(xù)順利高效的開展數(shù)字化協(xié)同設計奠定基礎。

4.基于制度化和團隊優(yōu)化的實施與監(jiān)控機制

制定一系列的規(guī)章制度與標準規(guī)范（見圖2）。建立標準化的方法指導，通過實施與監(jiān)控機制實現(xiàn)了設計開發(fā)流程落地生根。

對于新研產品開發(fā)，設立了產品負責人（產品總工），組建了產品開發(fā)團隊。產品開發(fā)團隊與職能部門之間建立矩陣式管理模式。開發(fā)團隊一般包括：產品負責人、產品設計師、產品工藝師、產品測試師、產保人員、產品質量師、產品調度、物資人員等，對于涉及到多專業(yè)的產品，將相應專業(yè)的設計人員納入團隊內，組建跨部門、跨專業(yè)的研發(fā)團隊。在產品研制部門層面，開展了組織結構改進，在設計和生產分離的基礎上成立了銜接設計與生產的工程部，形成了以設計、工程、生產、產保專業(yè)分離架構的產品研制隊伍分工模式。

面向具體產品，融入宇航單機產品設計開發(fā)流程開展監(jiān)控，主要監(jiān)控內容結合質量保證項目內容進行設計。主要方式包括：產保審查、團隊協(xié)同、同行評審、項目團隊集同評審等，對DFx的相關要求及設計要素的落實情況進行逐條檢查。

針對方案設計、模樣總結、初步設計、詳細設計、初樣總結五類里程碑評審，將DFx的相關要求融入報告模板中；質量部門組織各部門對監(jiān)視和評估結果進行分析，對DFx的相關要求及核心設計要素的落實情況進行逐條檢查。

5.基于質量、進度和成本的綜合度量機制

建立了宇航單機產品DFx度量體系并發(fā)布了宇航單機產品DFx度量規(guī)范，構建了基于質量、進度及成本的評價指標體系和評價準則，構造了符合宇航單機產品特點、可量化的度量模型和度量向量，明確了11個度量參數(shù)（質量4個、進度3個、成本4個），從產品和組織層面多維度評價體系實施對于提升質量水平、縮短開發(fā)周期、降低產品成本的有效性，在研究與應用過程中基于度量結果對DFx流程進行持續(xù)改進。產品級開發(fā)質量度量模型（見圖3），組織級管理度量模型（見圖4）。

三、應用實例

以XX-4衛(wèi)星大力矩飛輪為例，產品團隊在開發(fā)過程中采用基于DFx方法的開發(fā)流程，最終實現(xiàn)了一次開發(fā)成功、成本有效降低等開發(fā)目標。

1.并行工程應用

大力矩飛輪產品運用DFx技術優(yōu)化流程，通過開展產品實現(xiàn)策劃，確定了方案、初步和詳細3個設計過程的各項工作，包括關鍵技術攻關、產品工藝設計、軸承和電機試制與驗證等。在實現(xiàn)策劃與各設計過程研制技術流程制定過程中，將質量控制點嵌入產品研制技術流程，改進設計要素等知識應用，落實設計團隊人員協(xié)同。在大力矩產品設計過程中，設計團隊人員共開展了40余次協(xié)同，包括定期例會討論、臨時技術溝通、圖紙審查、文件評審等多種形式，充分利用宇航產品設計要素，及時解決了軸承供油率、電機優(yōu)化設計、線路散熱設計等問題。

2.知識工程應用

在產品方案設計過程中，大力矩飛輪產品開發(fā)團隊運用DFx技術把握關鍵、集智攻關，全過程充分利用宇航產品設計要素開展產品設計開發(fā)。依據(jù)宇航產品設計要素開展了軸承潤滑設計、電機繞線設計、輪體結構設計、線路電源安全性設計等工作。依據(jù)設計要素要求開展模塊化設計，將飛輪產品確定為五大組成部分，即殼體組件、輪體組件、軸承組件、電機組件和線路組件，各組件分別具有其獨立功能的模塊，各個模塊可以被單獨地組裝、測量及試驗，使得產品具有較好的可裝配性和可驗證性。

3.信息工程應用

建立了產品的數(shù)字化模型，通過數(shù)字化平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，團隊成員可隨時查看和使用產品數(shù)字模型，并行開展仿真分析和工藝設計等工作，實現(xiàn)了高效的產品設計和微循環(huán)迭代改進驗證。

4.實施與監(jiān)控機制應用

大力矩飛輪產品啟動研制時，組建了精干的并行開發(fā)團隊，覆蓋設計（包括整機，軸承、電機與線路等專業(yè)）、工藝（包括整機、機加、電裝與固封等專業(yè)）、技工、測試和產保等方面。由產品負責人、型號“兩總”、分系統(tǒng)設計師、開發(fā)團隊成員以及外部專家等多方人員對多類報告進行充分審查和討論，起到了設計與工藝并行、設計與驗證并行的作用。

5.度量機制應用

大力矩飛輪產品最終實現(xiàn)了一次開發(fā)成功、正樣生產和使用全過程無質量問題發(fā)生、開發(fā)周期縮短近25%、成本有效降低等開發(fā)目標。

四、應用效果

DFx開發(fā)流程實施2年多以來，試點單位的產品設計問題穩(wěn)步降低，精益設計水平穩(wěn)步提升，按既定的質量、進度、成本目標成功研制90余個新研單機產品，應用結果表明在質量、進度和成本等方面都取得了明顯的改進，如開發(fā)過程中識別并改進53項設計薄弱環(huán)節(jié)，產品制造周期平均縮短25.66%，裝配周期平均縮短10.87%，不可測試率降低了32.25%，新研產品質量問題發(fā)生率下降40%。

在試點實施的基礎上，研究院組織各廠所對宇航單機產品DFx開發(fā)流程進行推廣應用，取得了很好的效果。通過實施宇航單機產品DFx開發(fā)流程，按既定的質量、進度、成本目標成功研制79個新研產品并順利交付25個型號用戶，其中“北斗”二代導航衛(wèi)星、“天宮”二號等7個型號已實現(xiàn)在軌穩(wěn)定運行，“嫦娥”五號等已完成產品交付。