基于多领域任务对象的伺服机构产品化研制模式探索及实践

胡洋、杨波、刘亚冬、周宣、刘璐 /北京精密机电控制设备研究所

北京精密机电控制设备研究所作为我国航天伺服技术的开创者和引领者，是我国航天伺服系统的主要供应商，并已进入航海和航空等领域，研究所的愿景是成为世界知名的高性能伺服系统集成供应商，服务航天强国、国家安全和社会智能化进步。伺服系统组成复杂、产品种类和数量多、制造难度大，“十四五”期间，产品的多样性和数量会进一步激增，现有管理模式难以实现更好的发展，产品化是缓解人力资源压力、持续提升产品质量和客户满意度的有效途径，因此进一步深入推进产品化模式探索与实践显得尤为必要。

一、总体思路

在研究所承制的多个机电伺服产品中，2kW 功率等级机电伺服系统应用型号最多，产品配套及成本需求迫切。因此，研究所以2kW 级机电伺服产品为典型，开展伺服配套单机/单元产品与零组件通用化研究，建立通用验收准则、通用化测试平台及统一采购平台，建设适用于2kW 级机电伺服产品的设计和试验体系，大大提高了2kW 级机电伺服产品的批量化能力，降低成本，提高效率，缩短新型号产品研制周期，极大地加快了工程应用步伐。通过在多个领域型号及项目的应用验证，2kW 级通用化机电伺服产品已顺利通过各项考核试验，标志着2kW 级机电伺服产品已具备快速研制和配套能力，能够不断满足日益增长的多领域型号配套需求。

近年来，中国航天科技集团有限公司推进产品化工作，研究所发挥设计制造一体化优势，形成“三个能力、四类系统、五层货架”的建设思路。技术创新、系统集成、精益制造3 个能力是基础，电动液压、燃气液压、机电、静压4 类伺服系统涵盖所有产品种类，5 层货架是研究所产品的载体和产品化基本框架，如图1 所示。

图1 伺服机构产品化研制模式基本框架

航天伺服系统可分为系统、单机、单元和零（部）组件4 个物理层级，以某型运载火箭伺服系统为例（见图2）。

图2 某型运载火箭伺服系统产品层级

可以看出，伺服系统产品层级多，特别是在单元和零（部）组件层级，种类多、数量多、专业多。因此，在单机和单元产品2 个层级编制型谱，在零（部）组件层级设立了通用件，增加预制件层和基础层是产品化模式的建设重点。

在单机和单元产品2 个层级，优化产品型谱，形成基本特征鲜明、系列划分清晰的友好易用型谱，确保机电伺服作动器、伺服控制器、电机和伺服传动丝杠等核心产品型谱落地，为快速设计和掌握核心技术奠定坚实基础。

在零（部）组件层，将技术状态稳定、工艺成熟、质量稳定的通用结构件、通用电路单元、通用紧固件等通用件纳入货架管理，有助于优化和规范紧固件与零（组）件的选用与投产。通过统一选材标准、统一技术条件、统一质量要求，实现工艺的统一稳定与统一组批生产，能够大幅提高生产效率和产品质量。

在预制件层，重点推进壳体类零件预制件，形成预制件粗加工批量定制、成品数字化柔性制造的快速生产模式，能够有效缩短生产周期，提高生产效率，降低采购成本。

在基础层，建立完善伺服产品设计、工艺类基础标准，包括伺服产品金属材料、非金属材料、电子元器件选用范围等，夯实基础，提升能力。

二、研究内容

1.伺服产品型谱和货架建设

将机电伺服作动器作为单独一类产品开展型谱规划，建立以外观构型和功率级别为主要特征参数的型谱代号，搭建高辨识度的“基本型+衍生型”产品系列。在机电伺服作动器产品型谱规划的基础上，以试点、总结和推广的模式，围绕基本型产品建设，开展差异性、通用性分析和“三再”工作，利用数字化设计软件，优化、细化和固化设计状态及全流程工艺技术状态，协同推进伺服电机、传动机构等核心单元产品型谱建设，精简单元产品和部组件选型，构建壳体、连接支耳等直属结构件的通用件系列，打造基本型机电伺服作动器产品平台，制定衍生型产品设计规则，建成“精简基本型+按需定制衍生型”的航天机电伺服作动器产品货架设计模式，产品性能指标保持国内领先，设计周期大幅缩短。平行直线式机电作动器图谱示例如图3 所示。

图3 平行直线式机电作动器图谱示例

在系统方案分解基础上，基于不同领域需求开展多维度货架平台研究与建设，根据不同系统的总体要求，构建“预制件—关键组件—元器件”结构树，完成系统研制和产品交付。在此基础上，建设了机加件平台、单机平台、组件平台、原材料平台、元器件平台、软件平台等多维度货架平台，如图4 所示。

图4 多维度货架平台示意图

基于多领域的伺服机构多维度平台，主要针对重点单机控制驱动器和机电作动器进行拓展。壳体作为预制件层货架重点组成部分，本货架平台针对多领域任务要求与总体要求，将壳体分为机加、冷拉、冲压和铸造等制造方式，并配合不同热表处理方案形成多工艺平台，针对不同领域的环境、力学、成本等各方面要求按需选型；在控制驱动器单机下分为控制和驱动2 个架构层级，每个层级有不同的电路搭配及元器件组合方案，配合相应软件实现控制和驱动功能，并通过电路板的产品化设计兼容进口工业级和国产级等不同级别的元器件封装形式，可以根据总体要求实现货架选型，并具备扩展功率等级至1 ～5kW 的能力；位移传感器和电机作为元件级货架产品，其中位移传感器分为3 种方案，同样可根据不同领域需求进行选型。

2.产品通用化试验平台建设

针对机电伺服机构比功率高、长时间、高可靠等工作要求，建设了机电伺服作动器、控制驱动器等产品综合试验方法、通用化可调节式负载加载平台、通用化伺服机构产品测试系统和动力系统等通用性强的产品综合试验平台，如图5 所示，用于满足机电伺服系统系列化、产品化要求。

图5 通用化试验平台

通用化伺服测试系统采用PXI 总线，并集成了1553B、RS-422、RS-485 和CAN 等多种测试总线，组成一个开放式、模块化、可扩展的通用化数据链路自动测试系统，配合通用化伺服动力系统，可用于2kW 级机电伺服产品测试验收。

通用化可调节式伺服加载平台采用模块化设计，可根据不同型号要求对力矩负载和摩擦负载等参数进行适应性调节，满足不同型号的测试要求。

通用化伺服动力系统按照2kW 通用化机电伺服系统用电功率设计，采用统一电气接口，可以满足机电伺服系统产品化测试供电需求。

3.产品通用化配套体系建设

为了提高伺服产品的综合产品化能力，建立了通用化配套体系，以产品进行分类，从底层预制件及零组件开始进行统一订货采购，自下而上进行发放。单机层通过下层单元层进行选用组装，装调完毕后再由系统层根据不同领域要求以及总体系统需求对单机产品进行选型组装调试，直至产品验收出厂。各单机接收到底层采购的配套后进行单机验收测试，验收完的单机进入单机货架，等待系统层的配套需求。系统层按照总体需求首先进行系统配套需求分析，按照分析结果完成各单机配套清单，并按照清单去单机层货架选择相应单机产品，组成系统并进行系统级验收测试后出厂，其总体流程如图6 所示。

图6 通用化配套体系示意图

三、实施效果

研究所通过探索伺服机构产品化研制模式，建立了相应的多维度货架平台、通用化试验平台和通用化采购平台，为未来多领域伺服技术发展、多领域产品应用奠定了产品化基础。多维度货架平台的建立，能够优化产品系列，为产品组批生产、提高效率、降低成本奠定基础；通用化试验平台的建立，为实现验收试验通用化、测试流程通用化、负载模拟通用化提供保障；通用化采购平台的建立，能够优化采购体系，提高产品供应效率，降低供应链成本，为大批量供货提供基本保障。打造机电伺服作动器产品的数字化装配、数字化测试和数字化试验等能力，优化供应链布局，提升产品保证能力，大幅缩短产品订货交付周期。

研究所通过采用上述研制模式，5 年来取得了良好的效果。一是成功完成了以陆基、海基、潜射为代表的多领域10 余项型号快速研制任务，为多领域军用装备的快速研制并列装部队、增强国防实力贡献了力量；二是成功完成了以“捷龙”一号为代表的商业航天研制及首飞任务，在贯彻强化军民融合的重要指示过程中摸索出了产品化模式的新思路；三是成功完成了数十项飞行试验及大型地面试验验证考核，极大提高了型号研制效率；四是顺利完成了多个阶段研制任务，其中3 项型号任务已顺利进入批产阶段，进一步加快了型号研制进度；五是这些研制成果均由同一型号队伍取得，有效节约了人力成本；六是该研制模式的探索促进了伺服技术应用市场的开拓，推动了军民融合和产业化发展。

基于多领域任务对象的产品化伺服机构研制模式已应用于多个型号机电伺服产品研制，标志着中型功率机电伺服系统大规模应用的技术条件已趋成熟，极大地缩短了研制周期，提高了产品安全性、可靠性及产业化能力，能够满足日益增多的多领域伺服产品使用需求，为后续大批量伺服产品的型号应用和批产工作提供了重要的实践经验和优化依据，全面提升了研究所伺服产品向海、陆、空、天多领域的配套能力。