航天器复合材料结构产品生产模式的改进实践

◎北京卫星制造厂 杨海涛 尉世厚

北京卫星制造厂是我国卫星、飞船等航天器的骨干制造企业，承担的航天器复合材料结构产品主要包括蜂窝夹层结构板、中心承力筒、太阳翼基板和连接架四大类。随着我国航天事业的不断发展，各类复合材料结构产品的生产任务量呈现大幅增长，这对生产能力造成了巨大压力，为此北京卫星制造厂采取了增加人员配备、添置仪器设备、安排加班倒班、扩大资源投入等措施，使产能紧张的状况得到了缓解。但由于航天型号生产任务的特殊性，其原有生产模式存在着诸如生产任务和过程不连续、难以确定生产能力的最优配置等问题。因此，笔者认为需要从更全面的角度采用更为系统的方法探索满足航天型号生产需求的新途径，以提高生产能力，降低生产成本，改善资源闲置，减少企业负担。

一、生产模式的改进过程

生产模式是指在生产制造过程中，通过有效组织各种制造要素而形成的可以在特定环境中达到良好制造效果且具有相似特点的一类方式方法的总称。其本质是对组成生产系统的各种生产资源进行组织与配置，并规定生产资源相互间的协调关系和运行方式。在产品的功能组成、性能指标、交货期、质量、成本、任务数量这几项核心属性中，只有产品的任务数量是企业采用何种生产模式的决定性因素，因为其直接影响着产品的生产规模、设备配备、人员数量、工装/工具的专业化程度、生产的组织形式等。

根据产品数量可以将生产模式粗略分为单件研制生产模式、批量生产模式和大规模生产模式三大类。其中，单件研制生产模式是根据用户需求对产品的设计、制造、装配、应用的全过程进行全新的、有针对性的研究和制造，以满足用户的各项要求；批量生产模式结合不同的生产理念可进一步分为集成制造模式、精益生产模式、敏捷制造模式、单元制造模式、柔性制造模式、大规模定制模式；大规模生产模式特指大批量无差别产品的生产。

1.原有生产模式的问题

图1 复合材料结构产品原有的生产模式

截止到20世纪末，航天器的生产模式属于典型的单件研制生产模式，即根据上级任务组织生产，产品数量少、标准化程度低、通用性低，具有完全定制生产的特点，生产进度和质量要求的紧迫性不突出。

以复合材料结构产品为例，其原有的生产模式（见图1）是产品研制的“小作坊”生产模式。一件结构件从生产准备到产品交付都由一组操作人员完成，人员的组织模式为“一人一岗，一岗多能”。

这种组织模式对产品种类的变化有很强的适应性，一个工位或人员能够对多种不同的产品进行操作，在产品种类变化大、任务量较小时能够满足生产要求，且综合成本较低。但这种模式在复合材料结构产品生产中存在的问题主要有：工人的操作技能没有针对性，工作没有延续性，工人操作的熟练性和技巧性没有得到充分发挥，车间内增加了协调工作，也增加了产品生产过程的流转次数，极大地影响了生产效率和产品质量的稳定性和可靠性，难以适应任务量大幅增长后的生产需要。

然而进入21世纪以来，随着我国航天事业的快速发展，航天器的生产任务逐年迅速增长，复合材料结构产品的制造也逐渐从探索性的应用研究及产品研制发展到规模化、批量化制造，原有的生产模式已无法满足型号任务需求，改进产品生产模式势在必行。

2.生产模式的改进思路

以复合材料结构产品生产流程为依托、单元化生产为主导，通过科学化和统筹化的组织、管理与控制，将复合材料结构产品生产过程划分为生产准备、缠绕成型、下料铺层、装配胶接、固化成型、产品后处理、温控实施、产品交付8个生产单元，再将这些单元有机地结合为一个整体并与成组技术、并行工程和批生产模式相结合，从而建立既能满足多型号、小批量生产又能实现快速响应的柔性生产组织模式，如图2所示。

二、生产模式的改进实践

1.生产单元的划分

根据产品特点、生产流程和加工方法对主要的生产单元进行细化，细化后形成小的生产单元，以实行并行工程。这种单元的划分必须是动态的，主要是根据产品的操作难度和周期长短来决定。在产品难度大且生产周期较短时，调整并细化生产单元就尤为重要，因为其可以降低每个生产单元内产品的操作难度，缩短生产周期。

生产单元划分是根据型号复合材料结构产品的特点，以成组技术和并行工程为指导思想，在产品种类划分的基础上对各种产品生产过程中的工艺环节进行分类，形成主要的小生产单元，主要包括生产准备、缠绕成型、下料铺层预成型、承力筒复合装配、基板复合装配、结构板复合装配、热控实施、产品固化成型、承力筒打孔胶接、结构板和基板后埋胶接单元。

2.人员组织模式与观念的转变

根据复合材料成型的特点和生产过程中控制的关键点，结合车间人员的能力和特长将以工种为依据划分班组的模式改为按生产单元划分班组（见图3）。班组由多个工位组成，每个班组的人员都动态地分布在各个工位内；设立班组长和工位负责人（即摊长），班组长只对车间领导负责，摊长只对班组长负责。这种组织模式既可发挥车间职工的潜力，又能缩短生产周期，提升产品质量，在某种程度上解决了产品质量稳定性和可靠性问题。

图2 复材结构产品单元化生产组织模式

在单元化生产模式下对操作人员的岗位职能进行了较大的调整，由原来的“一人一岗，一岗多能”调整为“一人多岗，一专多能”。此外，整合了车间工种，将钳工和胶接工种统一为复合材料胶接工种，使其适用于单元化生产的需要。实践证明，只有转变职工的思想观念，倡导合作和配合，提高团队协作能力，提高执行力，才能使单元化生产模式的优势发挥到极致。

3.人员技能的培训

结合复合材料成型操作经验，以提高生产效率和产品质量为前提，对各种操作方式进行分析、归类和总结。针对操作过程中的难点问题，综合各个操作人员的特长制定完善了复合材料结构件成型操作细则，并将其作为结构件成型生产过程中的操作依据和职工操作技能培训的基本要求，在车间职工中形成了一个培训→熟练掌握→提出改进方法→验证→改进操作方法→培训的PDCA循环。

4.生产流程的优化和再造

对生产流程的梳理优化是提高生产效率的关键。以复合材料产品技术流程为基础，首先对复合材料结构产品生产流程进行梳理，对每个生产流程进行测量，包括流程的有效工时、等待时间、生产周期、周转次数、更正次数、返工次数；然后取消不必要的步骤，优化非关键步骤，合并流程步骤等。同时加大与其它部门的沟通，将生产流程需要配合的各个生产节点及时通知各部门，尽量减少等待时间，提高生产效率。

图3 改进后的人员组织模式

5.产品零件和工装的定置管理

规划单元内部的物料摆放，在单元现场推行定制管理，包括区域、单元、工位划线，单元内设置产品和工装的存放区域；实现现场物料的定位、定置、定量、定标以及原材料、在制品、产成品的分类、隔离、标识、储运等，形成有效的物料识别、放置、移动规则，消除寻找时间，减少取放时间；规范工具的借归和存放管理，工装的使用和现场摆放。

例如，对结构板定位工装进行专人统一管理，制定定位工装的管理制度，这样可以有效地控制定位工装的使用，同时能及时向工艺部门和生产部门提供定位工装的数量与使用情况信息，为结构板研制计划的有效实施提供了有利保障。定位工装的统一管理可以杜绝结构板复合过程中定位工装用错的现象，同时可缩短结构板工装的准备时间，极大地提高了结构板的研制质量和生产效率。

6.生产布局与组织方式的改进

例如，一个生产环节一般由生产准备、实际操作和工作后的现场处理三部分组成，如果工装试装环节需4个小时，其中生产准备需1个小时，实际操作需2个小时，后处理需1个小时，那么在这个生产环节中，有效工作时间的比例为50%。由此可见，提高有效工作时间的比例是生产能力提升的关键。

采用少人化制造和同步化生产方式可以有效体现单元化生产的优势。通过合理的工艺布局可以提高操作人员的工作量，减少等待时间，提高有效工作时间。例如，在结构板装配过程中对生产组织模式进行改进，并将工作台布置为U字型，让1名操作人员同时辅助3位装配人员，同时进行3块结构板的生产，这样大大减少了闲置人员的等待时间，同时将各个环节的有效工作时间比例提高到80%。

综上所述，在制造资源没有大幅增加的情况下，北京卫星制造厂通过改进航天器复合材料结构产品生产模式实现了生产能力的显著提升。在任务分派上，由原来人员、资源不确定转变为由专门单元负责，实现了相似任务的集中作业，提高了生产专业性；在人员组织上，由原来一组人从头干到尾，没有明确的人员分工，转变为按照工艺流程对不同岗位人员进行明确分工，提高了作业熟练度，保证了质量一致性；在设备使用上，由不同类型产品共用转变为根据生产单元划分专用设备，有效避免了设备冲突；在设备布局上，由原来相同功能的设备集中摆放转变为将产品所需的不同设备集中摆放，明显缩短了物料搬运距离；在作业划分上，由原来没有测算划分转变为根据工序负荷测算划分作业内容，从而提升了生产的均衡性；在在考核方式上，由原来单纯按照个人工时考核转变为按照单元完成的任务量整体考核，提高了职工工作的积极性和团队合作意识。

通过生产模式的改进，北京卫星制造厂已实现太阳翼基板单件平均工时缩短15%，年均产量提高6倍；蜂窝夹层结构板单件平均工时缩短45%，年均产量提高2倍；承力筒、连接架等产品也取得了产能明显提高的效果，圆满完成了不断增长的型号生产任务，为我国航天事业的高速发展提供了有力的支持。