五大质量工具在航空发动机数控系统研制项目中的应用研究

孙丹钧 汪松 薛丹

(中航工业航空动力控制系统研究所，江苏 无锡 214063)

五大质量工具在航空发动机数控系统研制项目中的应用研究

孙丹钧 汪松 薛丹

(中航工业航空动力控制系统研究所，江苏 无锡 214063)

航空发动机数字电子控制系统(数控系统)是一个非常复杂的电子与机械式系统，其研制过程也是一项极其严谨的系统工程。通过研究ISO/TS16949中五大质量工具的输入输出，分析探讨了五大质量工具与航空发动机数控系统研发流程的应用融合。结果表明在数控系统全生命周期的研制项目中采用五大质量工具进行项目策划和过程控制，可以更加有效地降低生产成本，促进对所需更改的早期识别，引导资源，增进客户的满意度。

数字电子控制系统；五大质量工具；航空发动机；研制项目

0 引言

随着我国航空工业的蓬勃发展，大量的新技术、新材料不断应用，航空装备的结构变得日益复杂，作为军用武器装备航空燃气涡轮发动机的控制系统也变得极其复杂，状态检测及故障检测的要求越来越高。保障航空发动机安全稳定的运行是控制系统的最基本要求。因此，如何在项目全生命周期内研制出高质量、高稳定性的控制系统，已成为目前迫切需要解决的问题。

汽车行业在推行TS16949质量管理体系标准过程中，使用质量管理的五大工具：统计过程控制(SPC)、生产件批准程序(PPAP)、测量系统分析(MSA)、潜在失效模式及后果分析(FMEA)、先期产品质量策划与控制计划(APQP/CP)。它们是QS9000/TS16949质量管理体系的子系统，由美国三大汽车公司通用、福特、克莱斯勒联合制定并且在汽车行业中成熟应用。五大质量工具在满足顾客需求和期望、促进供方和顾客良好沟通、提高产品质量、降低成本、提高生产效率等方面提供了有效的管理方法和技术途径。控制系统作为与汽车可类比的复杂系统，如能将五大质量工具应用到控制系统领域，借助其成熟的管理理念、方法和工具，势必会带来更优的管理效果。

1 五大质量工具概念

五大质量工具是TS16949标准体系中最核心的部分。而APQP是五大质量工具中最重要的，贯穿产品的整个设计开发、制造的所有过程。APQP分为五大阶段，其余四种工具在APQP的流程中都有各自的应用并且都属于其阶段任务。五大质量工具间相互关系见图1。

图1 五大质量工具相互关系图

1.1 先期产品质量策划

APQP是生产单位在制造出新产品后进行批量生产前的一种策划活动。它是联系整个生产过程的过程(对于数控系统：系统-子系统-附件)；同时它也是一种分阶段的结构化的生产活动和步骤，用以确保所交付产品满足客户需求。

实施APQP的核心是在正确理解和获取客户需求的前提下，对自身产品或服务进行提前的质量管控，对整个生产经营活动进行事前介入和预防。APQP的目标是促进产品或服务在整个生产经营中所涉及的人员之间能够得到及时有效的沟通，确保所要求的行为和步骤能够有效完成，使产品投产后质量风险降低至最小。

1.2 潜在失效模式和后果分析

FMEA是一种在设计和制造产品时，为了消除产品质量缺陷和故障起因、提前对产品的故障或缺陷进行确定和检测的一种有效工具。它是由故障模式分析(FMA)和故障影响分析(FEA)组合而成，用以评估和分析产品可能存在的故障，以便在现有条件或技术下将隐患或风险降至最低水平。根据产品故障产生对象的不同，FMEA可以细分为过程FMEA(PFMEA)、设计FMEA(DFMEA)、使用FMEA和服务FMEA四类，其中以PFMEA和DFMEA最为常用。

在对产品或服务进行FMEA分析时，其主要过程包括：

(1)找到产品(过程)中的故障模式。

(2)按照客户的需求和评价体系，分析和评估所有的故障模式。

(3)根据分析结果寻找故障起因机理，据此向客户提出预防和改进的措施。

1.3 测量系统分析

MSA是一种普遍用于工业界并选择介绍各种方法来评定测量系统的工具，其重点是对每个零件能重复读数的测量系统。使用MSA时可以对获得的测量数据进行评估，并使用数理统计和图表的方法对测量系统的分辨率和误差进行分析，从而确保使用了合适的数据分析方法(SPC工具、试验设计、方差分析、回归分析等)以及测量数据的准确性。测量系统误差分析方法可以分成五种类型：偏倚分析，重复性分析，再现性分析，稳定性分析，线性分析。

1.4 统计过程分析

SPC是运用数学统计的方法，对生产过程中记录的连续的质量数据进行收集，通过观察和分析控制图来及时了解整个产品的生产状况以及产品质量的稳定性。它能够达到及时预警不合格产品的出现，并立即采取有效控制措施，从而达到事先预防的作用。

1.5 生产件批准程序

PPAP是对生产件的控制程序，也是对质量的一种管理方法，产品生产企业在向客户提交产品时需进行PPAP。客户只有在产品供应商所提供的PPAP文件完全合格后才能接收产品。此外，当工程变更后还须提交报告。

2 五大质量工具在数控系统研制项目中的应用分析

2.1 数控系统研制流程

中航工业航空动力控制系统研究所(以下简称动控所)在航空发动机数字电子控制系统(以下简称数控系统)全生命周期的研发项目中是基于ARP4754A通用系统研发流程，“V”型研发流程见图2。该流程要求在整个产品的设计开发过程中采用“自上而下设计分解，自下而上集成验证”的原则，每一阶段的设计活动都必须具有对应的输入输出物。

2.2 数控系统研制项目中五大质量工具的具体应用

数控系统总体研发流程主要分为五个阶段：顶层设计、系统方案设计、系统详细设计、系统集成与验证和系统维护阶段。通过分析在数控系统研制项目中的输入输出物，研究讨论五大质量工具在数控系统研制项目中的应用，示意图见图3。

2.2.1 第一阶段：项目计划和定义

该阶段主要是描述顾客(主机所)的需求和期望，以计划和规定研制项目的质量。所有的工作应考虑顾客的需求，并提供比竞争者更好的产品和服务。

该阶段的主要工作是成立一个包括系统、软件、电子控制器等各部件专业的共同工作小组，明确项目组的成员及成员责任(明确主办单位、协办单位以及被知会单位)。

图2 数控系统研制项目流程

图3 五大质量工具在数控系统研制项目中的应用示意图

该阶段的输入主要包括：主机数控系统技术要求、数控系统技术协议等客户需求，以及项目组成员的习得经验、标杆单位的数据及先进经验等。项目小组成立后即可根据主机的输入开展数控系统顶层设计工作、计划协调、设备采购、部件测试等前期工作。

项目组根据获得的需求及习得的经验，编制项目任务书，绘制研制流程图等各顶层文件。在该阶段主要输出物见表1。

表1 基于APQP的数控系统研制第一阶段输出

2.2.2 第二阶段：数控系统产品设计与开发

在本阶段的研制过程中，项目组根据上一阶段输出的顶层设计文件，主要是进行数控系统技术方案设计，制定产品质量目标和计划、确定技术状态基线、制定设计规范，编写部件技术要求以及试验任务书等。在设计过程中涉及的方案，图样和规范的更改都需要设计更改单。数控系统研制过程输出见表2。

表2 基于APQP的数控系统研制第二阶段输出

2.2.3 第三阶段：数控系统过程设计与开发

数控系统的研制在该阶段属于详细设计阶段，包括系统的集成与验证。当项目进入此阶段后，需要进行各部件和分系统等详细设计，并形成相应的设计报告及使用维护说明书。数控系统研制过程第三阶段输出见表3。

表3 基于APQP的数控系统研制第三阶段输出

同样，数控系统的部件及子系统也可以根据APQP进行五阶段的开发，并且在开发的各个阶段要组织进行设计方案及成果评审，以取得管理者的长期支持。

2.2.4 第四阶段：项目的产品和过程确认

在第二、三阶段产品和过程的设计与开发过程中，始终需要对项目的产品和过程进行确认。数控系统在产品和过程确认阶段是配合主机发动机进行小批量生产，以检查确认数控系统是否满足主机以及批产的要求，本阶段具体输出物见表4。其中测量系统需要采用MSA质量工具对数控系统的测量系统(频率信号，离散量，开关量测量，电传系统)，分系统对部件的测量系统/测量工具进行评价。

表4 基于APQP的数控系统研制第四阶段输出

(续)

当项目所有的产品和过程得到确认后，动控所作为各附件单位客户，可以要求各个附件供应商满足PPAP后才能进行各附件产品的批产研制。而动控所作为主机所的数控系统供应商，也应根据主机所要求的提交等级进行生产件批准程序。如果PPAP未能获顾客批准，则须纠正后再次提交PPAP项目文件或过程，并保留原版为今后产品的开发提供经验。

2.2.5 第五阶段：反馈、评价和纠正措施

反馈、评定和纠正措施应该始终贯穿于整个数控系统的研制过程。从项目策划阶段至数控系统交付后的生产服务阶段，一旦变差，应及时与主机所或客户进行反馈、评定并给出纠正措施。本阶段属于不停的迭代回归，数控系统研制在本阶段的输出物主要是各类研制总结报告、产品使用手册、外场服务及评价等。

2.3 五大质量工具实施需要注意的事项

根据以上对五大质量工具的分析研究，对其优越性和适用性得到了进一步的认识。但是，数控系统在实施推广五大质量工具时还须考虑以下问题：

(1)如何将动控所目前的质量管理体系与TS16949质量管理体系进行对接，以及五大质量工具如何与动控所信息化平台相结合，是在推广使用五大质量工具时须首要考虑的问题。

(2)考虑控制系统结构复杂，生命周期长等特点，在进行开发使用五大质量工具时，不能只注重信息化管理系统功能与TS16949的结合，而应该将TS16949的业务流程分析清楚，结合数控系统全生命周期的特点，开发出适合于航空发动机数控系统质量管理体系的工具。

(3)五大质量工具在实际运行时往往用不上，因为提供一套完整的APQP到提交PPAP之前，起码需要半年的时间，但是在实际项目运行及市场开发阶段，往往不会有很长的时间。

(4)APQP需要动控所、主机所及供应商同步进行质量管控。如何保证和说服客户或供应商配合动控所进行APQP质量管控是一大挑战。

(5)在进行SPC的时候，对测试设备的精度要求很高，但是目前大多数国内企业设备的精度都达不到要求。当CPK<1.33时就需要进行整改，而考虑经营成本等因素，管理者通常不会轻易放弃自己的设备。

(6)五大质量工具是为资源充沛的大企业打造的，在实际使用五大质量工具的过程中，需要企业具有很完善的管理制度及培训制度。如果员工责任心不强，得不到很好的培训，APQP很容易流于形式，很难使产品质量真正达到很好的管控要求。

3 结语

通过以上分析可以看出，在数控系统研制过程中使用五大质量工具进行质量管控，能够有效引导资源，使客户满意。

但是，考虑到动控所的质量管理体系和APQP所依据的标准体系不一样，以及五大质量工具在数控系统研发过程中的适用性要求。数控系统在产品策划和研制过程中，通过各阶段的主要活动、输入输出内容、过程管控形式、结果表现手法、表单内容等在细节上借鉴APQP的做法，从而实现完善质量管理体系，优化管控效果。

[1]邵进涛.产品全生命周期管理系统中TS16949质量控制方法研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[2]陈坤.先期产品质量策划(APQP)在彩印钢化玻璃加工中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[3]刘璇，尹显东，乔建军，等.企业应用ISO/TS16949特殊要求的研究[J].标准科学，2011(12):44-47.PMT

2016-04-20