浅谈产品方案设计阶段的“三化”设计

陈安升 薛涛

（中国航天科工集团公司三院33所，北京，100074）

浅谈产品方案设计阶段的“三化”设计

陈安升 薛涛

（中国航天科工集团公司三院33所，北京，100074）

文摘：简析微机电惯性系统的特点及其在方案设计阶段开展“三化”工作的意义，通过介绍某微机电惯性系统方案设计中的“三化”工作实践，总结产品方案设计阶段的“三化”设计经验。

方案设计；“三化”设计；微机电惯性系统（MINS）。

“三化”（通用化、系列化、组合化/模块化）是标准化的三种形式，也称标准化的三种方法。“通用化”即最大限度地扩大同一单元的使用范围；“系列化”是根据同一类产品的发展规律和使用要求，对主要参数作合理规划，将其型式与结构进行统一和规定；“组合化/模块化”是对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解，设计生产出一系列通用模块或标准模块，选取补充新设计的专用模块、零件进行相应的组合。推行“三化”设计是发展武器装备的一项基本政策，对发展我国国防科技和武器装备具有重要的作用和深远的意义[1,2]。

在产品批量小、任务重、时间紧等背景下，标准化工作的作用和效益不直接、不明显，工作的开展有时不能引起足够的重视甚至被视为可有可无。而一旦需求量大幅度增加，如何能够满足多样的需求以及短期内生产出符合要求的大量优质产品便成了一大难题，并且量产后产品的可靠性和维修性也变得十分重要。在方案设计阶段，“三化”的设计能有效解决上述问题。通过产品方案设计过程中的系列化设计，能够满足用户对产品多样的需求；通过模块化和通用化设计，可以保证在短期内生产出符合要求的大量优质产品，并且可有效提高量产后的产品可靠性和维修性。

微机电惯性系统是由微机电惯性器件组合成的微小型惯性系统，广泛应用于机载/车载测绘载荷（合成孔径雷达、激光雷达、分布式成像载荷等）运动误差补偿、小型/长航时无人机导航、制导炮弹导航、火炮稳定瞄准控制等领域，能够为使用对象提供位置、速度、姿态、角速率和加速度等重要运动参数。上述应用领域既有体积小、重量轻的共同需求，又有多样化的不同需求：分布式惯性测量的需求、常规惯性/卫星组合导航的需求、高精度惯性/卫星组合导航的需求、适应于复杂战地环境的深组合导航等的需求。面对众多的需求，微机电惯性系统方案设计阶段的系列化设计至关重要。为满足市场对缩短研制周期、提高产品性能以及可靠性和维修性的要求，同时解决多样化的需求，还必须进行通用化和模块化的方案设计，以解决多型产品的研制与缩短研制周期、提高产品可靠性、维修性之间的矛盾[3,4]。

通过在方案设计阶段的“三化”设计，充分发挥微机电惯性系统产品优势和技术优势，并使这种优势随着市场形势的改变而延伸和扩展，使企业具备以不变应万变的主动性和对市场的应变能力，在短期内提供满足市场需求的高质量、使用可靠和易于维修的产品[5,6]。笔者结合某型号微机电惯性系统“三化”设计实践，谈谈产品方案阶段如何开展“三化”设计工作。

1 方案阶段的系列化设计

系列化设计是顶层设计，以满足市场需求为最终目的。系列化设计直接影响了各个系列的功能模块划分，确定了相同功能模块的通用化设计需求。根据多样化的需求，在方案设计阶段，将微机电惯性系统分为5个系列产品：轻小型惯性测量系统（MINS-A）、多源惯性组合导航系统（MINS-E）、单天线惯性/卫星组合导航系统（MINS-N）、双天线惯性/卫星组合导航系统（MINS-D）和深组合导航系统（MINS-U）。其中，MINS-D为方案设计阶段直接研制的基本型产品，其它4个系列通过替换基本型的部分功能模块实现。图1所示为微电机惯性产品方案设计阶段进行系列化设计的方案。

为更好满足市场需求，将用户需求进一步细分，根据微机电惯性系统测量对象的动态特性和精度需求不同，将加速度计5个系列产品分为两类：高精度型和低成本型。每个系列的加速度测量范围从2g～200g可选，代号为A1～A6；陀螺仪有75（°）/s和300（°）/s可选，代号分别为G1和G2。表1所列为加速度计和陀螺仪指标，一般情况下，测量范围和测量精度不能兼具。因此，用户可根据需求自行选择加速度计与陀螺仪测量范围和精度。

表1 加速度计和陀螺仪指标

2 方案阶段的模块化设计

模块化设计决定了产品系列化的实现方案，是产品通用化设计的基础。模块化设计有利于提高产品整体可靠性，便于产品维护。通过对系统功能分解，合理划分功能模块，通过模块替换，相应增减或更改产品的部分功能，从而在短期内形成多型优化产品。

根据功能和系列化需求将微机电惯性系统分为惯性测量单元（JC）、接收机（KWX）、导航计算机（SD）、直流电源（HJ）、外壳（SH）和对外连接器体（OC）等几个功能模块，如图2所示。

为满足5个系列产品对各个模块的不同需求，在方案设计阶段，将其中部分功能模块进行系列化设计。表2所列为5个系列产品所需的模块组成。

表2 各个系列产品模块组成

3 方案阶段的通用化设计

通用化设计是在模块化的基础上实现系列化的有效手段。在模块化设计的基础上，对不同系列的同一功能模块通用化，使得各个系列的功能模块可以直接替换，从而在较短周期内研制出多款优秀产品。

在微机电惯性系统方案设计阶段，针对5个系列产品的六大功能模块分别进行通用化设计，其中直流电源（HJ）和导航计算机（SD）在5个系列产品的功能和需求相似度较高。因此，在方案设计时统筹考虑结构尺寸、安装方式、电气接口、通讯接口以及通讯协议等方面，使这两个模块兼容5个系列产品。而对于惯性测量单元（JC）、接收机（KWX）、外壳（SH）和对外连接器（OC）模块，考虑到用户在产品重量、尺寸、成本和功能等方面的需求差异，进行差异化设计，表3所列为功能模块的通用化设计方案。

表3 各功能模块通用化设计

从表3中可以看出，大部分主要功能模块的系列化均借用成熟模块，新研制模块在充分利用成熟模块的基础上，做到结构和电气接口兼容、功能升级，从而在研制一款产品时达到功能模块成熟、通用，同时形成满足市场需求的多个优质系列化产品。

综上，产品的方案设计不能仅简单地实现功能，而是应充分考虑市场需求，借鉴成熟模块。通过合理的系列化设计，满足市场多样的需求。同时，对规划的系列化产品进行功能分析与分解，进行模块划分，对分解出的模块进行系列化设计和通用化设计，形成通用的一系列标准模块。通过标准模块进行组合，最终形成新产品。

随着标准化工作在产品研制中的推广与普及，“三化”设计重要性越发显著。特别是在基本型产品方案设计阶段，通过“三化”设计，可以在较短的时间内研制出满足各种需求的多款优质产品，提高产品的可靠性和可维修性。同时，充分发挥产品优势和技术优势，并使这种优势随着市场形势的改变而延伸与扩展，使企业具备以不变应万变的主动性和对市场的应变能力，从而在短期内提供满足市场需求的高质量、使用可靠和易于维修的产品。

[1]刘相浩．努力做好型号研制的标准化工作[J]．航天标准化，1995（3）.

[2]黄志远．浅谈型号研制标准化工作[J]．航天标准化，1996（3）.

[3]国防科学技术工业委员会．QJ 3201-2004地（舰）空导弹武器系统“三化”设计指南[S]．北京：中国航天标准化研究所，2004-04．

[4]陈绍章．谈谈惯性平台“三化”工作[J]．航天标准化，1997（1）．

[5]盛步云，熊志勇．产品创新设计与设计标准化[J]．中国个体防护装备，2011（1）．

[6]莫勇．浅析某型机惯导系统的快速研发[J]．航空标准化与质量，2011（6）．

陈安升（1987年—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：惯性技术，现从事惯性导航技术研究与惯性导航系统研制工作。