基于DFx方法的宇航单机产品开发流程优化与实践

中国空间技术研究院 李献斌 冶元菲 周益 肖晓 褚宏伟

基于DFx方法的宇航单机产品开发流程优化与实践

中国空间技术研究院 李献斌 冶元菲 周益 肖晓 褚宏伟

中国空间技术研究院在宇航单机产品传统设计开发流程的基础上，基于DFx方法（面向x的设计方法，x包括：可制造性、可装配性和可验证性等），探索和实施流程优化，落实三个工程和两个机制，有效解决了新产品开发过程中技术状态反复和迭代周期长的问题，以促进宇航单机产品开发实现降本增效。

我国宇航企业经过了数十年的发展，正在进行产业化转型和专业化分工的深化，对产品开发效率和效益都提出了更高的要求。以往宇航单机产品开发中常见的功能性问题和可靠性问题等都已具备较好的解决方案，但在设计阶段对下游工程化需求考虑不周，使得产品存在设计缺陷，导致设计状态迭代多、生产不顺畅、合格率低。因此，对宇航单机产品开发流程优化提出了迫切需求。

一、总体思路

宇航单机产品DFx开发流程以并行流程为主线，以三个工程和两个机制为总体框架（见图1）。三个工程是基于多专业协同和上下游并行的并行工程、基于设计要素提炼和应用的知识工程、基于数据共享和数字化协同的信息工程。两个机制是基于制度化和团队优化的实施与监控机制，基于质量、进度和成本的综合度量机制。三个工程和两个机制相互配合，形成系统性和闭环性的体系。

二、三个工程与两个机制

1.基于多专业协同和上下游并行的并行工程

传统宇航单机产品设计开发过程属于“串行”设计流程，产品开发各环节相对孤立，信息单向流动，易产生隔墙式设计，造成设计迭代流程长，产品开发周期长。因此，需要基于并行工程的思想对产品开发流程进行优化。

研究院建立了逐步深化的“三次设计”方法与程序（方案设计、初步设计与详细设计），结合宇航单机产品设计开发分工特点，构建了利于产业化的“二项并行”（多专业协同、上下游并行），以及“三条基线”建立时机与内涵（功能基线、研制基线与生产基线），通过渐进式技术状态管控实现设计开发微循环改进，形成了宇航单机产品“三二三流程”。

一是渐进式、逐步深化的“三次设计”。

将宇航单机产品设计开发流程分为方案设计过程、初步设计过程和详细设计过程，要求产品设计从整机结构设计出发，由方案选择、功能模块划分和工艺路线确定到完善设计和参数优化逐步深入，通过构建“三次设计”方法和流程，实现宇航单机产品DFx要求在设计开发过程中分布落实和逐步深入。

方案设计的目标是完成产品需求分析，确定技术方案，开展关键技术验证。初步设计的目标是功能模块的细化、工艺路线的确定、接口关系的仿真计算等工作，投产关键组件进行试制和验证。详细设计的目标是完成可靠性设计并开展功能性能实现（含生产）的全面参数优化，固化产品设计技术状态。

二是多专业协同和上下游并行的“二项并行”。

以“多专业协同、上下游并行”的方法组织产品并行设计开发，“多专业协同”要求在设计过程中各专业之间要协同设计，充分考虑各项指标之间的协调。“上下游并行”要求在设计过程中要提前考虑可制造性（DFM）、可装配性（DFA）和可验证性（DFV）等方面,合理前移工艺和验证工作项目，并将产品设计与仿真分析、研制试验、工艺设计等工作并行融入技术流程。从而在设计开发环节实现设计改进，避免实物阶段的长周期迭代。

结合产品特点建立进一步细化的具体产品流程，明确具体工艺工作和验证工作前移的要求。同时在并行过程中开展DFx知识应用，作为评审和审查的依据，确保DFx知识得到落实，同时也使得并行工作更加充分。

三是渐进式、增量式的“三条基线”。

研究确定了宇航单机产品 “三条基线”的建立时机与专业内涵，在方案设计结束后建立功能基线，在初步设计结束后建立研制基线，在详细设计结束后建立生产基线。通过基线开展对产品设计技术状态和生产技术状态的过程管控，结合技术状态分散发布和微循环迭代，实现“三条基线”的渐进式和增量式管控模式。“三条基线”是渐进式的而不是完全隔离的，是由功能基线—研制基线—生产基线逐渐细化的；“三条基线”是增量式的而不是一成不变的，随着用户要求和产品规范的不断完善，“三条基线”也相应的进行增量式开发。

2.基于设计要素提炼和应用的知识工程

分类定义了符合宇航单机产品特点的DFx原则与内涵，制定了宇航单机产品DFx设计要素编制规范，提出了以结构化和开放性为特征的设计要素构建方法，结合设计经验和历史教训系统梳理了机电产品、电子产品等10类宇航单机产品DFx设计要素库，固化一千余条设计要素，为设计开发流程提供知识基础，实现了知识传承、消除不良和设计模式转变的目的。

针对新研产品，将设计要素的应用评估纳入研制技术流程，以两级评估的方式开展。

一是结合并行流程的应用。在产品开发设计过程中，结合产品特点将设计要素纳入并行开发流程进行落实，明确落实时机、落实人员和落实方法，主要有设计师自查、设计工艺检验多方协同、产保审查验证等方式。

二是结合集同评审的审查评估。在产品设计开发的里程碑节点，结合方案设计、初步设计、详细设计等集同评审环节，对设计要素的落实情况及DFx开展有效性进行闭环检查评估。

低年级课文中有很多修饰性的词语，这些词语把事物写得更具体形象。如：苏教版二年级下册《真想变成大大的荷叶》中“透明的雨滴”“清凌凌的小河”“眨眼的星星”“弯弯的新月”……读“透明”“清凌凌”“眨眼”“弯弯”这些修饰词，脑中马上浮现出“雨滴”“小河”“星星”“新月”等一幅幅美妙的画面。

3.基于数据共享和数字化协同的信息工程

通过建立数字化协同设计平台，将需求管理系统、产品数据管理系统、生产管理系统、质量管理信息系统等进行有效集成。通过集成化的管理平台，实现包含产品需求、产品设计、系统验证、数字化生产、缺陷反馈、变更管理的面向产品全生命周期管理模式，大幅提升宇航单机产品的研制效率。

结合工作实践建立了相应的标准规范流程，如产品数字化协同设计、三维模型构建、仿真分析等管理要求，用于指导研制团队规范开展协同设计工作。通过这些规章制度的建立，可以规范研制团队的协同设计流程，为后续顺利高效的开展数字化协同设计奠定基础。

4.基于制度化和团队优化的实施与监控机制

制定一系列的规章制度与标准规范（见图2）。建立标准化的方法指导，通过实施与监控机制实现了设计开发流程落地生根。

对于新研产品开发，设立了产品负责人（产品总工），组建了产品开发团队。产品开发团队与职能部门之间建立矩阵式管理模式。开发团队一般包括：产品负责人、产品设计师、产品工艺师、产品测试师、产保人员、产品质量师、产品调度、物资人员等，对于涉及到多专业的产品，将相应专业的设计人员纳入团队内，组建跨部门、跨专业的研发团队。在产品研制部门层面，开展了组织结构改进，在设计和生产分离的基础上成立了衔接设计与生产的工程部，形成了以设计、工程、生产、产保专业分离架构的产品研制队伍分工模式。

面向具体产品，融入宇航单机产品设计开发流程开展监控，主要监控内容结合质量保证项目内容进行设计。主要方式包括：产保审查、团队协同、同行评审、项目团队集同评审等，对DFx的相关要求及设计要素的落实情况进行逐条检查。

针对方案设计、模样总结、初步设计、详细设计、初样总结五类里程碑评审，将DFx的相关要求融入报告模板中；质量部门组织各部门对监视和评估结果进行分析，对DFx的相关要求及核心设计要素的落实情况进行逐条检查。

5.基于质量、进度和成本的综合度量机制

建立了宇航单机产品DFx度量体系并发布了宇航单机产品DFx度量规范，构建了基于质量、进度及成本的评价指标体系和评价准则，构造了符合宇航单机产品特点、可量化的度量模型和度量向量，明确了11个度量参数（质量4个、进度3个、成本4个），从产品和组织层面多维度评价体系实施对于提升质量水平、缩短开发周期、降低产品成本的有效性，在研究与应用过程中基于度量结果对DFx流程进行持续改进。产品级开发质量度量模型（见图3），组织级管理度量模型（见图4）。

三、应用实例

以XX-4卫星大力矩飞轮为例，产品团队在开发过程中采用基于DFx方法的开发流程，最终实现了一次开发成功、成本有效降低等开发目标。

1.并行工程应用

大力矩飞轮产品运用DFx技术优化流程，通过开展产品实现策划，确定了方案、初步和详细3个设计过程的各项工作，包括关键技术攻关、产品工艺设计、轴承和电机试制与验证等。在实现策划与各设计过程研制技术流程制定过程中，将质量控制点嵌入产品研制技术流程，改进设计要素等知识应用，落实设计团队人员协同。在大力矩产品设计过程中，设计团队人员共开展了40余次协同，包括定期例会讨论、临时技术沟通、图纸审查、文件评审等多种形式，充分利用宇航产品设计要素，及时解决了轴承供油率、电机优化设计、线路散热设计等问题。

2.知识工程应用

在产品方案设计过程中，大力矩飞轮产品开发团队运用DFx技术把握关键、集智攻关，全过程充分利用宇航产品设计要素开展产品设计开发。依据宇航产品设计要素开展了轴承润滑设计、电机绕线设计、轮体结构设计、线路电源安全性设计等工作。依据设计要素要求开展模块化设计，将飞轮产品确定为五大组成部分，即壳体组件、轮体组件、轴承组件、电机组件和线路组件，各组件分别具有其独立功能的模块，各个模块可以被单独地组装、测量及试验，使得产品具有较好的可装配性和可验证性。

3.信息工程应用

建立了产品的数字化模型，通过数字化平台实现数据共享，团队成员可随时查看和使用产品数字模型，并行开展仿真分析和工艺设计等工作，实现了高效的产品设计和微循环迭代改进验证。

4.实施与监控机制应用

大力矩飞轮产品启动研制时，组建了精干的并行开发团队，覆盖设计（包括整机，轴承、电机与线路等专业）、工艺（包括整机、机加、电装与固封等专业）、技工、测试和产保等方面。由产品负责人、型号“两总”、分系统设计师、开发团队成员以及外部专家等多方人员对多类报告进行充分审查和讨论，起到了设计与工艺并行、设计与验证并行的作用。

5.度量机制应用

大力矩飞轮产品最终实现了一次开发成功、正样生产和使用全过程无质量问题发生、开发周期缩短近25%、成本有效降低等开发目标。

四、应用效果

DFx开发流程实施2年多以来，试点单位的产品设计问题稳步降低，精益设计水平稳步提升，按既定的质量、进度、成本目标成功研制90余个新研单机产品，应用结果表明在质量、进度和成本等方面都取得了明显的改进，如开发过程中识别并改进53项设计薄弱环节，产品制造周期平均缩短25.66%，装配周期平均缩短10.87%，不可测试率降低了32.25%，新研产品质量问题发生率下降40%。

在试点实施的基础上，研究院组织各厂所对宇航单机产品DFx开发流程进行推广应用，取得了很好的效果。通过实施宇航单机产品DFx开发流程，按既定的质量、进度、成本目标成功研制79个新研产品并顺利交付25个型号用户，其中“北斗”二代导航卫星、“天宫”二号等7个型号已实现在轨稳定运行，“嫦娥”五号等已完成产品交付。