航天器總裝過程的質量控制方法

郭 欣

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

生產質量異常的發生一般與所生產內容的成熟度、復雜度、可靠性要求成正比[1]。航天器系統龐大、技術狀態復雜、總裝及專業測試（以下簡稱總裝）工序多[2]，為了實現產品的零缺陷質量管理目標，對工藝以及生產實施過程的控制管理提出了嚴苛要求。航天器具有多品種、小批量、多系統、長流程的生產模式及特點，影響其生產過程的質量因素較多，質量控制難度大，因此有必要開展航天器總裝過程質量的控制方法研究。

本文分析了航天器在總裝過程中發生的質量異常及其產生的原因，提出了全流程優化方法及質量控制方法，結合風險控制理論及統計控制理論的應用，得出了一種適用于航天器總裝生產質量控制的新模式。

1 航天器總裝過程中的質量異常分析

1.1 航天器總裝生產流程

對于航天器總裝工作而言，典型生產流程見圖1。

圖1 航天器總裝生產流程Fig. 1 Manufacture flow chart of spacecraft assembly and integration

1.2 航天器質量異常原因分析

在航天器總裝過程中有許多影響產品質量的因素。通過對2008年以來航天器總裝過程質量問題的匯總分析，發現問題多集中在磕碰、劃傷、擠傷、引入多余物、打火、焊接不當、插接安裝錯誤等。按照傳統的人、機、料、法、環、測的質量管理要素以及航天器總裝工作流程，可將產生質量問題的原因主要歸結為工藝問題、操作問題、設備問題、儀器及材料異常4大類。結合具體的工作內容，分析歸納出每一類問題中可能導致航天器質量異常的具體原因見圖2。

圖2 航天器總裝過程質量異常原因分析Fig. 2 Quality abnormity analysis caused in spacecraft assembly and integration

2 航天器總裝過程質量控制

根據圖2中工藝、操作、設備、儀器及材料4大類質量異常原因分析，需要針對航天器總裝過程中的文件輸入控制、風險分析與控制、工藝及產品保證方案策劃、總裝生產實施、結果檢驗等各環節制定嚴格的質量控制措施并采用更科學的評估、管理方法。

2.1 文件輸入控制

設計文件制定過程中需要總裝工藝人員參與并進行工藝性、可操作性審查，以確認設計輸入的充分性與適宜性。對設計輸入的確認方式包括參加設計單位組織的設計評審，參與產品布局設計、設計文件的會簽、對單位生產條件的調研與設計以及相關技術問題的協調等。通過參與總體方案的工藝性設計過程，工藝人員可提前開展型號研制需求、風險分析、工藝方案設計、工裝規劃、工藝攻關、試驗策劃等工作。

2.2 風險分析與控制

現階段航天器質量管理的主要思路為控制重心前移，加強研制策劃階段的生產流程風險分析與控制。本節將詳細描述風險分析與控制理論在航天器總裝生產工序中質量控制的應用。

2.2.1 當前工序風險定義

在策劃階段對航天器總裝生產全流程進行風險點識別及風險評估。當前工序風險值r(t)為

式中：p(t)為本工序發生質量異常的概率；c(t)為質量異常發生后造成的損失。

2.2.1.1 發生質量異常的概率發生質量異常的概率p(t)是隨時間t變化的函數，

式中：xi為第i個風險因素引起質量異常的概率特征值，其取值區間為[0,10]。經過分析，風險因素有7種：x1為技術方案復雜性；x2為技術方案成熟度；x3為風險可檢測性；x4為風險控制及安全防護能力；x5為人員熟練程度；x6為設備狀態；x7為產品風險積累情況。其中x5、x6、x7均是時間t的函數。

p(t)依據其幾何特征可分為3類：

1）類脈沖式。如加熱器、電阻焊接連接，在經過檢驗、熱響應測試、性能測試以后，這類風險幾乎可以忽略不計。

2）周期式。對于類似于艙板反復開合、發動機附近操作等工序，其單次風險較高。

3）積分式。這種風險概率的種類最多，特點為隨時間遞增，如吊具長期使用后產生缺陷、電連接器反復拆裝保險造成多余物、插頭反復插拔、螺釘多次拆裝等。

2.2.1.2 質量異常發生后造成的損失

當前工序質量異常發生后造成的損失c(t)為

式中：yi為第i個風險成本損失因子，其取值區間為[0,10]。其中y1為異常處理成本，y2為生產進度成本，y3為關聯設備異常成本，y4為信譽度損失。y1和y4是時間t的函數。

c(t)為時間t的函數，如越接近于上級單位計劃節點時刻，信譽度損失y4將會越高，產品合艙狀態后異常處理成本y1將會明顯增高。

2.2.1.3p(t)和c(t)的模型

根據公式(2)的定義，并考慮到各風險因素在總裝過程中的分布特點，得到目前適用總裝的p(t)模型為

當前工序質量異常發生后造成的成本損失c(t)模型為

式中：li(t)為單邊上升或下降的指數型函數，i=1,2；qi為各風險成本權值，i=1,2。

對于模型的兩點說明：

1）單邊上升指數函數取A(eλt-1)型，單邊下降指數函數取A(1-eλt)型，A的大小決定了風險概率初始值，λ大小決定風險概率變化率；

2）模型中ki、qi、λ、A的取值根據歷史數據和風險事故發生情況以及各風險因素、風險成本損失對于產品的影響大小均衡選取。

2.2.2 風險評價

模型計算得到的風險值為相對比較值。因為航天器總裝部門對于風險控制的要求嚴苛，而目前并沒有風險評價分級準則，所以以計算值大小作為風險相對大小的判斷依據。

2.2.3 模型驗證與修正

通過對大量歷史工序實施數據進行匯總和比較，修正了估計模型式(4)、式(5)中的參數。用修正后的模型對總裝生產中 3項質量異常案例進行了分析計算，結果見表1；另外隨機抽取了3道工序進行計算，結果見表2。

表1 質量異常工序風險概率p(t)統計Table 1 Risk probability of quality abnormal working procedures

表2 隨機抽樣工序風險概率p(t)統計Table 2 Risk probability of random sampling procedures

由表中數據可知，工序3的概率值最大，是因為該工序在技術方案復雜性、風險可檢測性、人員熟練程度、設備狀態等多個單因素上均存在較大風險；而工序6的概率值比較大，是由于首發產品進行部件安裝時，部件的外輪廓以及電、機械安裝接口較難操作導致的，但經過初樣產品驗證后，風險大大減小，故未發生質量異常，計算結果與實際情況相符。

2.3 制定工藝及產品保證策劃方案

產品總裝工藝技術流程等策劃性文件的編制以總體設計要求為基礎，結合實際生產條件和以往型號的繼承性經驗，分析產品實現過程的安全性和保障性，提出適宜的工作方法、工作流程和資源保障條件。產品質量保證大綱的制定以工藝方案、技術流程為分析對象，以總體設計要求為分析基礎，采用風險分析與控制理論對產品實現過程的安全性和保障性進行分析，通過詳細梳理過程風險點、進行全面風險分析并提出控制措施，得出適宜的工作方法和資源保障條件。

方案策劃的目的是減小式(4)中x1～x4的值。

2.4 工藝文件準備

總裝工藝文件依據評審通過的總裝工藝技術流程、技術方案、工藝規劃、相關設計輸入文件和圖樣進行編制，并與輸入文件保持一致。確定技術狀態應結合產品特點，盡量采用成熟的或經飛行考驗的技術[3]，對新技術、新材料、新工藝、新狀態、新環境、新單位、新崗位、新人員、新設備等情況進行充分論證、地面試驗和鑒定。

對總裝中技術難度大、工藝不穩定、難以保證質量的工藝技術，立項審批后，進行項目攻關和實施；項目攻關完成后，組織評審或鑒定，只有通過了鑒定的新工藝技術方可在型號中實施。對總裝過程中的風險項目要進行 FMEA分析，并在工藝文件中提出詳細的工藝措施。

2.5 產品總裝實施

產品總裝實施過程的風險控制的具體內容依據各級工藝標準、各產品平臺經評審固化的產品化模塊文件、操作質量安全管理要求文件等制定。涉及操作風險的實施過程需依托數字化總裝系統[4]中面向人機工效的仿真驗證技術[5]，以操作者生理特點對航天器生產安全的影響為切入點，從操作者的身高體態、可視性、可達性、舒適性、可檢驗性等角度，綜合評價工藝方法及安全防護方案的可實施性和有效性。針對某些產品外表面凸出部件的易損特性，使用防護工裝進行保護，降低操作風險。

2.6 實施結果檢驗

總裝生產檢驗方法分為在線檢測和全檢。檢驗人員進行生產跟檢，監督檢查實施過程是否按設計圖樣、設計文件、工藝文件實施；對關鍵特性、重要特性進行100%檢驗；核實產品標識并監督總裝過程中表格化文件的執行情況；檢驗每道工序實施的符合性，填寫質量記錄表格化文件，根據需要留存影像資料。

檢驗結果通過電子檢驗印章進入總裝部門“看板生產數據庫”，結果數據將按產品型號和工序集中管理，經過統計分析后作為測量數據參與到持續改進中。

2.7 驗收及交付

階段性工作完成后，需進行階段性技術狀態總結、編寫總結報告，產品保證部門組織用戶、設計方及相關人員對其進行評審，詳細梳理生產過程中的技術狀態符合情況、設計更改、偏離、超差及處理情況。評審通過后方可進行產品交付。

2.8 質量統計控制

對于多品種、小批量的生產模式，目前的質量統計控制方法中應用比較成熟的有通用圖法、相對公差法、固定樣本法等[6]。

航天器總裝生產中采用相似工序通用圖法對過程和結果進行質量統計控制。其主要原理是將相似工序的數據（即同類型分布的數據）經過數學變換成為同一分布的數據，積少成多，在同一張控制圖上進行統計控制。相似工序主要是指技術指標相似或相近、工裝設備相似、操作對象相似、操作人員相同、操作方法相似、操作環境相似等。在相似工序條件下，應用標準變換使正態分布N(μi,σi)對所有i變換成N(0,1)，然后在通用圖上統一控制。

現以航天器總裝生產過程中的艙板接地制作為例，說明使用相似工序通用圖法進行質量控制的過程。共選取5個型號產品的6種接地點，即對每種接地點采集5組數據，見表3。

表3 艙板接地電阻測量表Table 3 The grounding resistance of cabin board

對表3數據進行參數估計，估計接地電阻值樣本分布參數均值μi、方差σi。對于所有接地點i，式中：Xij為不同型號的接地點的電阻值；c4為中心線系數，因樣本數量為5，故取c4=0.940 0。

應用標準變換將測量值變換為標準化值yij，有

對于標準化值，作通用圖XT進行統一控制，見圖 3。圖中共使用了 29個數據點，符合判穩準則；數據分散性較好，且在中心區上下振蕩，個別點出現了偏離的情況，但均在(-1.5, +1.5)范圍內，符合控制限要求。

圖3 艙板接地電阻控制圖Fig. 3 Control of the grounding resistance of cabin board

如果計算結果出現偏離并超過控制限的情況，則系統報警，此時需要查找超差原因，采取控制措施、修改過程文件并檢測實施結果；如果超差情況消失，則固化目前的生產方法，并舉一反三到其他相關生產流程中。

3 控制措施的實施效果

通過采取上述用于單步工序風險點識別、評估的風險控制技術以及適用于多品種、小批量、產品追求零缺陷目標特點的航天器總裝過程質量控制方法，2011年度的初樣產品總裝質量問題發生率同比下降了80%，優于下降5%的目標；正樣產品總裝質量問題發生率同比下降了71.3%，優于下降10%的目標；杜絕了重大質量事故和重復性質量問題發生。

4 結束語

本文針對由航天器總裝生產中工藝、操作、設備及材料等方面因素導致的質量異常提出了具體的過程質量控制方法：在生產策劃階段及實施階段，應用風險控制理論進行風險識別與評價，通過評價工序風險值r(t)加強了對質量異常的控制；在操作實施階段，提出了一種適應航天器總裝生產特點的新型統計控制方法，通過控制圖進行閉環控制，提高了實施效果的控制能力，并提供了生產質量趨勢判定手段。統計數據顯示，本文所采用的控制理論及方法能滿足質量改進率的要求，適用于典型的小批量、多系統、長流程、接近零缺陷質量要求的航天器生產模式，方法的實施進一步提高了航天產品的可靠性。

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