1、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：1132130116 1131820208 1130410522 1131820206 1131820225 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
2、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 CubeSat1 脉动式生产线与精益生产思想脉 动 装 配 生 产 线 （Pulse Assembly Lines）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
3、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
4、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
5、线流出。其计算公式为： =每 天 生 产 时 间生 产 节 拍 （ C） 每 天 的 计 划 产 量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： =10%C总 有 效 时 间 T生 产 线 效 率 节 拍 工 位 数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）：=C完
6、 成 作 业 所 需 的 时 间 总 量生 产 节 拍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
7、.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 AC 5 拧紧支架螺钉 BD 27 组装传动组件 E 9 安装电路板 DF 7 安装前轮 CG 7 安装后轮 CH 7 安装遥控组件 EI 7 安装马达 EJ 5 总装，拧紧 4 个螺钉 F、G、H、IK 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
8、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 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。=C每 天 的 生 产 时 间 （ 8小 时 60分 秒 ） /10台 28.秒每 天 的 计 划 产 量第三步：计算工位数这是计算出的=108/2.3754()N 完 成 作 业 所 需 的 时 间 总 量 （ T） 取 整生 产 节 拍 （ C）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
9、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B 6 22.8 C、E C、E EE 9 13.8 C、H、I CC 5 8.8 F、G、H、IF、G、H、IF、G、H、I工位 3F（注） 7 1.8（空闲） 无G 7 21.8 H、I H、I H、IH（注） 7 14.8 II 7 7.8 J工位 4J 5 2.8（空闲） 无工位 5 K 5
10、23.8（空闲） 无G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：=10%8/(2.5)10%7TCN总 有 效 时 间生 产 线 效 率 节 拍 工 位 数效率为 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（28.85112），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
11、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（86060）/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
12、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（11542/60）。 （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
13、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。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。图表 6 U 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
14、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；A D B E C F G H I J KA B E C FJ I H GKD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
15、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
16、，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
17、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
18、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（Cell Manufacturing）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
19、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
20、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
