基于脉动式生产线的cubesat总装.docx
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基于脉动式生产线的cubesat总装
基于脉动式生产线的
CubeSat总装过程研究
学生姓名：
朱蓬勃王宁宇韩睿贾雯娜池雨灿张丰
学生学号：
11321301161131820208113041052211318202061131820225
院（系）：
航天学院控制科学与工程航天工程与力学系
指导教师：
张世杰
二〇一五年六月
基于脉动式生产线的CubeSat总装过程研究
哈尔滨工业大学朱蓬勃王宁宇韩睿贾雯娜池雨灿张丰
摘要：
脉动式生产线的思想最开始起源于福特公司的汽车生产线，因为其优越的性质，良好的柔性控制，可以很好地完成生产任务。
而在微小卫星需求量越来越大、小卫星模块化、集成化、平台化发展的今天，如何完成小卫星的批量生产这成了我们亟待解决的问题。
其中CubeSat小卫星就是代表。
本文介绍了脉动式生产线的思想，计算方法，并在CubeSat上进行模拟，并且对整个总装过程进行分析评价，最后提出了所需要细化的问题和所需的方法。
关键词：
脉动式生产线微小卫星总装CubeSat
1脉动式生产线与精益生产思想
脉动装配生产线（PulseAssemblyLines）最初从Ford公司的移动式汽车生产线衍生而来，是连续移动装配生产线的过渡阶段，不同的是脉动装配生产线可以设定缓冲时间，对生产节拍要求不高，当生产某个环节出现问题时，整个生产线可以不移动，或留给下个站位去解决，当飞机的装配工作全部完成时，生产线就脉动一次。
整条生产线由4部分组成：
脉动主体、物流供给系统、可视化管理系统、技术支持。
（1）脉动主体：
站位设施、对接定位设备、可移动的装配设备等。
（2）物流供给系统：
AGV车、完备的配套和配送系统。
（3）可视化管理系统：
现场可视化系统、ERP与MES无缝融合的信息管理系统、工作现场的固定和移动终端。
2生产线配置与柔性设计原理
生产线配置首先是生产线平衡问题，生产线平衡问题研究如何安排生产线工位，即需要设置多少个工位和每个工位的作业内容是什么。
“平衡”的意义体现在每个工位的工作量相当。
生产线平衡的目的是尽量使每个工位都处于繁忙状态，完成最多的操作量，闲置时间最少，以求生产线效率最优。
时下，为快速适应市场需求的变化，生产方式的灵活性和可变性正越来越受到企业的重视。
柔性生产的思想正是为了快速适应市场需求的变化而产生的。
柔性生产是指企业通过变革生产方式，以快速对应市场需求变化的一系列方法。
柔性生产是关于生产方式的一种理念，而不是一门技术，没有一种普遍适用的柔性生产方式。
实现柔性生产需要的是不断改善的意识，并没有什么必须要掌握的关于柔性生产的技术。
同样具有柔性生产理念的企业，实现柔性生产的方式却并不一定相同。
2.1生产线平衡
2.1.1三个基本概念
生产节拍是相邻两个产品通过生产线尾端的时间间隔，即每隔多长时间有一件产品从生产线流出。
其计算公式为：
基本作业单元是生产线上不能再分解的动作，如果再分解，就产生多余动作。
生产线效率是衡量生产线平衡优劣的指标，为总有效时间占总付出时间的百分比，闲置时间越少生产线效率越高。
生产线效率的计算公式为：
2.1.2生产线平衡步骤
生产线平衡的步骤如下：
（1）用一个流程图表示出基本动作的先后关系。
流程图由圆圈和箭头组成，圆圈代表一个基本作业单元，箭头表示作业顺序。
（2）计算生产节拍（C）
（3）用下面的公式计算出所需要的工位数（N）：
结果取不小于计算值的最小整数。
计算出的工位数为理论上满足要求的最少工位数。
（4）向第一个工位分配基本作业单元，一次一项，逐项增加，直到完成作业的时间等于节拍，或由于受作业时间或操作次序的限制其他基本作业单元不能再增加为止。
重复这个过程向第二个工位分配作业，然后是第三个工位，直到将所有基本作业单元分配完毕。
分配作业时，首先分配具有第一特征的基本作业单元，若有问题，则分配具有第二特征的基本作业单元。
其中第一特征为：
具有最多后续作业；第二特征为：
持续时间最长。
（5）计算效率，评价生产线平衡效果。
（6）如果结果不如人意，进一步调整生产线的平衡。
2.1.3生产线平衡计算方法举例
某型玩具车要在一个传送带上组装，每天生产1000台，每天的生产时间是8小时，图表1列出了组装的基本作业单元和时间：
基本动作
时间（秒）
动作描述
必须提前的作业
A
23
组装车体支架
—
B
6
安装前后轴
A
C
5
拧紧支架螺钉
B
D
27
组装传动组件
—
E
9
安装电路板
D
F
7
安装前轮
C
G
7
安装后轮
C
H
7
安装遥控组件
E
I
7
安装马达
E
J
5
总装，拧紧4个螺钉
F、G、H、I
K
5
测试
J
总时间T
108
图表1某型玩具车组装的基本作业单元和时间
下面我们看看如何按以上介绍的规则来配置玩具车的组装生产线。
第一步：
画流程图
图表2以流程图的形式反映了图表1中各基本作业单元的次序关系。
图表2某型玩具车组装作业流程图
G
第二步：
计算生产节拍
计算时将每天的工作时间换算成秒，因为作业时间是以秒表示的。
第三步：
计算工位数
这是计算出的工位数的理论值，实际数量可能会大一些。
第四步：
向工位分配作业
各基本作业单元后续作业数量如图表3所示：
基本作业单元
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
后续作业数量
6
5
4
5
4
2
2
2
2
1
0
图表3各基本作业单元后续作业数量
向各工位分配作业的过程如图表4所示：
工位
作业
作业时间（秒）
剩余时间（秒）
可安排的紧后作业
紧后作业最多的作业
持续时间最长的作业
工位1
A
23
5.8（空闲）
无
工位2
D
27
1.8（空闲）
无
工位3
B
6
22.8
C、E
C、E
E
E
9
13.8
C、H、I
C
C
5
8.8
F、G、H、I
F、G、H、I
F、G、H、I
F（注）
7
1.8（空闲）
无
工位4
G
7
21.8
H、I
H、I
H、I
H（注）
7
14.8
I
I
7
7.8
J
J
5
2.8（空闲）
无
工位5
K
5
23.8（空闲）
无
注：
若最长时间相等，任选一项作业。
图表4向各工位分配作业的过程
第五步：
计算效率：
效率为75%意味着生产线不平衡或闲置时间达25%，共有36秒的闲置时间（28.8×5－112），最轻松的工位是工位5。
第六步：
进一步调整生产线的平衡
能不能得到一个更好的平衡方案呢？
在本例中，答案是肯定的。
在本例中，将第一特征和第二特征交换，就会得到一个更好的方案。
进一步调整生产线平衡可能采取的方法还有进行作业分解和采取柔性生产布置等。
2.1.4作业分解
最长的基本作业单元时间决定了生产节拍的最小可能值。
最长的基本作业单元时间就是生产节拍的下限，除非有可能将作业分解到两个或更多的工位上去。
考虑下面的例子，假设一条生产线的基本作业单元的时间分别为：
25秒、42秒、17秒、15秒、22秒、18秒、9秒、15秒、27秒，生产线每天运行8小时，每天的产量为800台。
满足800台/天产量的生产节拍是36秒〔（8×60×60）/800〕，现在面临的问题是有一个基本作业单元的时间是42秒，大于36秒，应该怎么办呢？
有许多方法可以使42秒的作业适合36秒的节拍。
可能采用的办法如下：
（1）作业分解
将这个作业分配到两个工位上，虽然会产生多余动作。
（2）作业共享
让相邻的工位对该作业进行一点共享，这样相邻的工位就能帮助完成一部分作业。
作业共享与作业分解不同，对于作业共享而言，相邻工位只是提供帮助，而不是独立完成作业的某一部分。
（3）设立平行工位
将作业分配给两个平行操作的工位。
（4）聘用操作技能高的工人
聘用操作技能高的工人也许能满足36秒的要求。
（5）加班
以42秒每台的速度每天能生产685台，比800台少115台，生产115台需要加班约80分钟（115×42/60）。
（6）改进设计
对产品设计进行改进使作业时间稍微减少是有可能的。
其他减少作业时间的办法包括设备改进、生产线设立备用人员、改进材料以及由多技能的工人组成团队来操作生产线而不是让生产线的工人各负其责。
2.2生产线布置
2.2.1直线型与U型生产线
以上生产线平衡事例对工位的配置结果如图表5所示，这是直线型生产线布置，是最常见的一种生产线布置方式。
A
D
B
E
C
F
G
H
I
J
K
图表5直线型生产线布置
如果将以上事例的生产线布置成U型，将得到图表6所示的布置。
A
B
E
C
F
J
I
H
G
K
D
图表6U型生产线布置
在以上生产线平衡事例中，将生产线布置成U型使5个工位减少为4个，因为A、K两个作业可以由一个人来完成。
U型生产线布置是柔性生产和精益生产中经常采用的一种生产线布置方式。
U型生产线布置让生产线拐个弯，将生产线上的物品投入口和输出口放在一个地点。
相对于将物品投入口和输出口分开的直线型生产线布置，它有如下优点：
·为生产线的平衡提供更多的可能性；
·随生产线流动的产品托板、工夹具等流回到起点，减少了搬送作业；
·一人进行多项操作时，有利于减少人员走动；
·不用安排不同的人进行投入材料和收集成品的工作；
·物流路线更加顺畅。
有时将U型生产线的首尾连在一起，成为O型生产线，进一步减少产品托板和工夹具等的搬送。
2.2.2便于作业共享的生产线布置
作业共享，即相邻工位的员工互相提供帮助，能起到自动平衡生产线的作用。
因此，在工位的安排上要注意不要将员工隔离或封闭起来，应该为作业共享创造条件，如图表7所示。
图表7有利于作业共享的生产线布置
2.3柔性生产
2.3.1柔性生产的特点
“柔性”是指企业能根据市场需求的变化，快速提高和降低产能、变换产品品种的能力。
大型生产线产能固定，为制造特定产品而设置，因而不具有柔性。
柔性生产是相对于大型生产线难以变动的“刚性”而言，更具有灵活性和可变性。
柔性生产通常具有以下特点：
（1）生产线较小
柔性生产的主要特点可以用一个字来概括，那就是“小”，小才具有灵活性。
设置多条独立工作的小型生产线来代替一条大型生产线，当产品需求量增加或减少时，可以很容易地通过复制或拆除小型生产线来加以对应。
同时，用多条小型生产线来代替一条大型生产线，也为多品种同时生产提供了更有效的手段。
因此，实现柔性生产的主要方法，就是将生产线小型化。
撇开柔性生产而言，缩短生产线也应该是工厂改善的重点。
从生产线平衡的角度看，人数越多的生产线越难以平衡，其效率通常是不高的。
生产线越长、人数越多也意味着有更多的在制品在生产线上，这也必然影响到生产效率和生产成本。
而且生产线上的人数越多，出错误的机会也越多，就将导致越多的质量问题和越多的停机时间。
（2）低成本设置生产线
低成本设置生产线是生产柔性的要求。
如果生产线是花大价钱设置的，要进行复制、拆除或改动就不是那么容易了，生产方式也就失去了“柔性”。
到一些实现柔性生产的工厂去参观，可能发现他们的生产线很简陋，有的甚至是在以类似作坊的方式进行生产，不能认为那样的生产方式就是落后的，对此种现象需要以柔性生产的眼光来看待。
低成本设置生产线除了要求组建生产线的材料要简单、廉价，而且要求材料尽可能具有通用性，方便生产线变动时重复使用。
（3）持续变革生产方式
柔性生产是为了快速对应市场需求的变化，市场需求的不断变化要求企业的生产方式也相应做出调整。
企业所采用的柔性生产方式本身并不是一成不变的，需要进行改进甚至创造新的柔性生产方式以适应市场的变化。
每个企业的实际情况都不一样，没有一种普遍适用的柔性生产方式。
企业柔性生产的实现，需要结合本企业的生产特点和面临的市场环境等实际情况，创造性地建立适合本企业的生产方式，并不断进行改进。
良好的现场改善气氛对企业柔性生产的实现是有很大帮助的。
成功实现柔性生产的工厂，生产线上的许多改善装置常常就是出自现场员工之手。
2.3.2单元生产
单元生产（CellManufacturing）是生产线小型化的产物。
当设置多条小型生产线来代替大型生产线，且每条小型生产线都能独立完成大型生产线的工作时，这样的一条小型生产线就是一个生产单元。
单元生产是最常见的一种柔性生产方式。
单元生产的优点不仅在于方便复制和拆除，为快速对应产量的变化提供了可能，同时，以多个生产单元来代替一条大型生产线，也方便了多品种同时生产。
实行单元生产要求单元内的工人必须受过更好的训练，能够完成多种操作。
由于单元生产是每个单元独立完成工作的，因此每个单元都需要使用全套的工具和检测设备，以“单元化”的方式取代同样产能的一条生产线，可能需要更高的投资。
为降低单元设置费用，除了尽量使用简单、廉价，且具有通用性的材料外，可考虑将高价值的工具和检测设备在两个以上单元之间共用。
工厂产品市场需求的变化通常在一个区间内，由固定部分和变动部分组成。
工厂实行柔性生产时，根据实际情况，可以采用既有生产线和生产单元相结合的形式，将固定产量部分在既有生产线上生产，变动部分在单元内生产。
将生产线小型化做到极至，就是“一人生产方式”。
在一人生产方式中，一个工人完成组装产品（或产品的一个组件）的全部操作。
当产品（或组件）组装的工序较少，且产量不大时，一人生产方式因其极好的灵活性在特定情况下也是适用的。
一人生产方式也有生产线和工位，工人通过在各工位之间顺序移动完成产品（或组件）的组装。
为便于工人在工位间移动，一人生产方式通常采用站立式作业，并常常将生产线设置成U型或O型，以减少工人的移动和产品托板、工夹具等的搬送。
一种变型的一人生产方式是“巡回生产方式”。
在巡回生产方式中，一个工人独立完成组装产品（或组件）的全部操作，但多个工人同时在生产线上进行相同的作业。
3卫星结构及其装配
3.1卫星结构
卫星都是由有效载荷和平台两部分组成。
有效载荷是卫星的核心部分，随卫星不同用途而异，功能不一按其功能一般可分为通信广播、对地观测、导航定位、科学探测和技术试验五大类，实际上每一大类中具体的有效载荷的功能、性能也很不相同。
有效载荷的品种多，技术更新快，若单独生产较为繁琐，因此提出标准化生产的概念，其中平台标准化比较容易实现。
国外的空间工业部门，特别是一些主要的空间制造商，经过多年的实践已推出一批标准化的平台。
平台是由星载各服务系统组合而成的一个舱段或几个舱段，例如：
服务舱、有效载荷舱（不含有效载荷）、推进舱、返回舱等（如下所示）：
图表8卫星结构
要想对卫星进行流水线生产，需要了解卫星的结构，从而确定其装配的顺序，合理分配工位，实现脉动式流水线生产。
卫星装配中必不可少的系统有：
电源系统、结构系统、姿轨控系统、热控系统、有效载荷。
3.1.1结构系统
根据卫星的性能、使用、制造等要求，我们选择合适的卫星结构形式和材料。
结构构型的选择主要是从性能要求、使用要求、制造要求和成本要求等方面考虑。
微小卫星的构型目前常见的有箱板式、桁架式、中心承力筒式和多层箱体组合叠放结构等几种。
箱板式结构：
壁板既可以为卫星提供外部轮廓，同时担当主承力结构以及安装界面，此构型具有结构简单，内部空间富余，造价低廉等优点，但也存在强度不足的情况，在选用此结构形式时可考虑与桁架式结构混合使用，来弥补箱板式结构强度不足的缺陷，并且也可解决单独使用桁架式结构重量过大的问题。
中心承力筒结构：
可将其看作是一个圆柱形的壳体，以此作为卫星的主承力结构，由于承力筒重量过大，结构较为复杂，空间布局形式不够理想等原因很少应用在微小卫星上。
多层箱体组合叠放结构：
采用多个大小相同的方形箱体堆放在一起，并用金属杆件进行固定连接的形式，它的好处在于将整个机构采用模块化的形式进行设计，这样既能提高灵活性又能降低制造成本。
图表9卫星结构构型
3.1.2电源系统
电源系统由太阳电池阵、储能蓄电池组、电源控制器组成。
太阳电池阵为电源系统的发电装置，由于微小卫星体积小、重量轻，整星没有轨道控制系统，因此其太阳电池阵供电系统一般采用光电转换效率较高的体装式太阳电池阵。
储能蓄电池组负责在卫星进入阴影期时为卫星提供能源，由于微小卫星基本为低轨道卫星，轨道周期较短，一般为90分钟左右，每圈都有阴影期，为30分钟左右，每圈可供充电的时间较短。
而且，低轨道卫星的有效载荷往往仅在特定区域或特定时间开机，有较多次的短期负载，因此蓄电池组必须选用比能量较高的蓄电池组。
电源控制器是电源系统的核心部件，它提供电源系统的供电母线，在光照区完成对太阳电池阵输出功率进行调节，在地影区对蓄电池组实施充放电控制以及保护等等，提供电源系统与其他分系统及地面支持设备的接口，完成遥测信号的取样及预处理，接受并执行遥控指令及地面有线指令。
微小卫星由于系统比较简单，因此将卫星的配电系统与供电系统合二为一，统一为电源系统，因此，电源系统设计中还包括配电器单元电路。
3.1.3热控系统
卫星热控系统分为主动热控和被动热控。
在被动热控中，运用比较广泛的是热控涂层，采用高吸收／发射比的热控涂层来提高卫星整体和热控面的温度水平，采用S-781白漆以及石英玻璃镀铝二次表面镜来加强散热面的散热效果以及采用高发射率的热控涂层来加强星内辐射换热等等，实践表明这些热控涂层都达到了预期的效果。
此外为了减少外热流的影响，大部分卫星在外表面粘贴多层隔热材料（Multi-layerheatinsulition简称MLI）。
随着卫星技术的日益发展，特别是一些对温度及温度梯度要求很高的仪器设备的采用，这时单独的被动热控不能很好地解决问题，于是主动热控就成为一种有益的补充，它能达到很高的控制精度。
对氢镍电池组采用电加热器主动控温的方法，在轨飞行验证：
四块Cd-Ni蓄电池一直稳定工作在3～6℃的最佳温度，电池块之间的温差小于2℃，远远满足-5～15℃的设计要求；上海航天技术研究院的赵小翔用毛细回路技术（CapillaryPumpedLoop简称CPL）对风云一号C星的氢镍电池组进行主动热控，卫星在轨运行测试表明：
卫星温度处于最佳状态，镉镍电池组的温度控制在4～9℃的范围内，6台镉镍电池组之间温差小于3℃，满足镉镍电池组的特殊温度要求。
等温化设计可以改善舱内仪器设备间的换热，减小温差，另一方面能减小个别仪器设备热功耗的变化引起的温度波动，当仪器设备进行调换时，也不会因热功耗或尺寸的不同，带来较大的温度变化，这对于公用平台的设计，适应有效载荷的变化，具有实际意义。
这其中主要有以下几种实现方式：
（1）热控涂层的应用：
在卫星内部所有外侧壁板的内表面和仪器的外表面都喷涂高发射率的涂层有助于加强卫星内部地辐射换热效果，这从一定程度上降低了卫星内部地温度差异。
东方红三号采用了这种方式。
（2）热管的应用：
热管在卫星热控系统中被广泛地应用，它可以布置在仪器的安装位置下面，预埋在安装仪器的蜂窝板夹层内，起到拉平蜂窝板温度的效果。
在“神舟”号飞船的热设计中通过热管设计来减少返回舱的周向温差。
热管还可以布置在卫星本体的侧壁上，从而可以降低卫星本体朝阳面和背阳面之间的温差。
（3）导热填充材料的应用：
对于热功耗比较大的仪器设备来说，其底面和安装板之间的接触热阻比较大，此时可以在这类仪器设备的底面和安装板之间填充导热填料来降低接触热阻，可以起到比较好的效果。
（4）多层隔热材料的应用：
多层隔热材料用于等温化设计的一个比较突出的范例便是在卫星本体的外表面布置多层隔热材料，可以在很大程度上降低空间外热流对卫星温度场的影响。
此外，流体循环换热回路以及毛细抽吸两相环（CPL）都在卫星的等温化设计中也得到了比较广泛的应用。
3.1.4姿轨控系统
卫星姿轨控系统是整个卫星系统的重要组成部分，是一个嵌入式实时控制系统。
它不同于一般的控制系统，该系统复杂，要求较高的可靠性。
图表10姿轨控系统结构
姿轨控系统主要包括敏感器、控制计算机和执行机构。
常见的姿轨控敏感器有：
地球敏感器（红外、紫外）、太阳敏感器、星敏感器、载波相位查分GPS磁强计、陀螺等。
姿轨控计算机采集、处理敏感器信号，根据控制算法产生执行机构的驱动信号，使得在有外界扰动的情况下，卫星仍满足姿态及轨道要求，实现姿态确定与姿态稳定控制，提供高精度的姿态测量数据，完成正常轨道运行期间的姿态稳定控制，克服由于轨道维持及轨道机动所产生的姿态扰动，将姿态角和姿态角速率控制在任务要求的范围内。
姿态轨道控制的执行可以通过喷气控制和飞轮控制来完成。
3.2卫星装配
卫星总装实施过程分为组件、部件总装，功能组建总装，舱段总装和整星总装。
下图为某卫星的总装过程：
图表11某卫星总装过程
该卫星的总装流程主要由结构壳体装配、单机装配、电缆装配等组成。
在卫星CubeSat的装配中，同理根据卫星结构及其平台设计总装流程，分配工位，从而实现脉动式流水线生产。
4CubeSat简介及模拟总装过程
4.1CubeSat卫星
CubeSat卫星虽然体积小，但大卫星需要的系统它身上也都有，包括星务管理、通信、电源、姿态确定与控制、结构热控、载荷等。
不同的卫星任务决定了星上载荷的不同，从而对其他分系统的要求也不同，会根据具体的情况进行不同的设计。
比如载荷的体积较大，就要选择2U或者3U的卫星，耗电量较大的载荷就需要增加太阳能帆板等。
对于脉动试生产线实际应用过程中，其在波音公司的成功实现是举世瞩目的，在CubeSat装配过程中，其也可以使用并仿照波音公司的脉动式装配生产线。
在小卫星装配过程中，可以将小卫星的装配划分成结构系统、电源系统等多个离散的工作区，使其在整个装配线的移动过程中，每脉动一次，即可完成一定的装配工作，从而实现整个装配过程的脉动生产。
而且在小卫星装配过程中，其接收到的每一个部件，如整体结构，有效载荷，制导系统都是相当于“成品”，及其部件内不仅结构完整，而且相应的线路，电缆等都已经安装好，是典型的模块化装配。
脉动式生产线在装配过程中，核心思想是精益化制造，CubeSat小卫星也可按照精益化生产线原则进行布局，使得零部件、工艺装备、材料和人员都精确到达生产线所需要的使用地点。
所以，在CubeSat小卫星的装配制造过程中，应用脉动式装配生产线是具有可行性的。
应用脉动式生产线进行小卫星装配时，对于制造型企业而言，如果是按照流水线式的生产方式，其必然是成批生产，成批移动；在成批生产条件下，生产具有重复性，产品品种较少，每种产品的产量较多，形成多品种周期性的轮番生产的特点。
而在脉动式生产线的单件生产，单件移动的条件下，即按照工作流程将作业场地、设备（作业台）合理配置，一般划分为几个工作段，产品在每个工作段生产时，零件一个一个地经过各种工作地进行加工、移动，不是一批一批地加工、移动，每个工序最多只有一个在制品或成品。
在每个工作段中从生产开始到完成之前，没有在制品放置场地及入箱包装的作业。
作业人员随着在制品走，从作业区的第一个工序到最后一个工序都是该作业人员操作。
事实上如果产品按从原材料到成品的过程连续来生产的话，即单件流动，工作能更好、更有效地完成。
在单件流动中，因为在每个工段中各工序衔接在一起，前工序做完一个在制品，就可
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