風(fēng)電葉片制造機(jī)械化及自動化

李 奎，程 朗，印厚飛

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司， 江蘇 連云港 222000）

引言

當(dāng)前風(fēng)電葉片的制造屬于勞動密集型作業(yè)，其制造加工全部依靠人工操作，人工作業(yè)產(chǎn)生的各種成本占到整個葉片制造成本的1/3，同時隨著國家“中國制造2025”戰(zhàn)略的深入，在風(fēng)電葉片制造行業(yè)引入機(jī)械自動化制造裝備和方法，降低成本提升質(zhì)量愈顯重要。本文結(jié)合目前風(fēng)電葉片制造形勢，和國內(nèi)外其它制造行業(yè)在機(jī)械化和自動化方面已有技術(shù)，對風(fēng)電葉片制造如何實現(xiàn)自動化進(jìn)行了系統(tǒng)性論述。

1 風(fēng)電葉片制造現(xiàn)狀

風(fēng)電葉片的制造從大的工序上可分為模鑄成型和修型涂裝，其制造過程配套的設(shè)備諸如模具、行車叉車、加熱器、真空泵、翻轉(zhuǎn)鎖模、樹脂混膠機(jī)和噴涂機(jī)等多為輔助生產(chǎn)，而直接用于葉片生產(chǎn)作業(yè)的自動化機(jī)械裝備基本沒有。其中葉片涂裝在汽車制造行業(yè)已實現(xiàn)自動化可以借鑒，自動層鋪、自動灌注、自動倒運(yùn)流轉(zhuǎn)等在飛行器制造行業(yè)也有應(yīng)用，這些成熟的技術(shù)結(jié)合葉片生產(chǎn)的工藝技術(shù)特點，進(jìn)行二次開發(fā)后可用于葉片的自動化生產(chǎn)[1]。和其它自動化生產(chǎn)線一樣，葉片的自動化生產(chǎn)線也需要硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的深度融合才能實現(xiàn)。葉片的硬件部分：產(chǎn)品的自動流轉(zhuǎn)倒運(yùn)貫穿于葉片制造從投料到成品產(chǎn)出全過程；分布于各模具和工位中具有不同功能的自動化機(jī)械裝備是制造執(zhí)行終端。葉片的軟件方面：中央智能控制系統(tǒng)是整個自動化工廠的大腦，通過MES等專業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)對車間所有人、機(jī)、料、法、環(huán)、測的統(tǒng)籌、調(diào)度和監(jiān)控，收集和匯總各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)；系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)分析、存儲、人機(jī)交互展示、設(shè)備及產(chǎn)品檔案記錄和各種報表打印等功能；智能化水平更高的控制系統(tǒng)，還能通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)對設(shè)備和工藝參數(shù)的最優(yōu)化自動調(diào)整，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效益的最大化和產(chǎn)品工藝的最優(yōu)化。

2 葉片生產(chǎn)自動流轉(zhuǎn)倒運(yùn)

風(fēng)電葉片的生產(chǎn)屬于T型生產(chǎn)線布局，大梁和腹板提前生產(chǎn)作為部件在殼體生產(chǎn)時使用，殼體成型至型修涂裝可按照流水線形式布局。葉片在加工過程中的流轉(zhuǎn)是線性的，原材料、部件、半成品及成品的流轉(zhuǎn)倒運(yùn)貫穿于葉片制造全過程，是葉片自動化生產(chǎn)線不可缺少的部分。鑒于風(fēng)電葉片尺寸巨大，可通過自動化流轉(zhuǎn)倒運(yùn)工裝載動葉片和部件在布置好的車間軌道上受控輸送，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的自動倒運(yùn)流轉(zhuǎn)。同時該系統(tǒng)內(nèi)置整個工廠的物理模型數(shù)據(jù)，輸送和運(yùn)行軌道上布置位移、速度和定位傳感器，通過流轉(zhuǎn)倒運(yùn)工裝本身的控制程序和與軌道傳感器進(jìn)行通訊，實現(xiàn)流轉(zhuǎn)倒運(yùn)的啟停和精確定位，其軌道可以是具有傳感器的物理軌道也可以是磁感應(yīng)的AGV軌道或者差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)路徑[2]。

2.1 工位和模具端裝備作業(yè)運(yùn)行軌道系統(tǒng)

在成型車間，每套模具兩側(cè)均布置有該模具葉片生產(chǎn)所需自動化裝備運(yùn)行的軌道，自動膠衣涂刷、自動鋪布、自動灌注合模等裝備安裝在該軌道上圍繞模具進(jìn)行作業(yè)，實現(xiàn)膠衣自動噴涂、自動鋪層、自動灌注、自動涂膠合模；在葉片型修階段，每個型修工位兩側(cè)布置供葉片型修噴漆機(jī)器人運(yùn)行的軌道，圍繞半成品葉片進(jìn)行葉片切邊、打磨、噴漆的設(shè)備在此軌道上來回運(yùn)行實現(xiàn)葉片型修。

2.2 產(chǎn)品和部件流轉(zhuǎn)的自動倒運(yùn)系統(tǒng)

在大梁至殼體、腹板至殼體、殼體至型修不同工位間，布置用于大梁腹板和葉片周轉(zhuǎn)倒運(yùn)的自動倒運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)大梁、腹板與殼體以及殼體與型修作業(yè)的作業(yè)順序，自動將對應(yīng)部件和成品輸送至下一個工序或工位，實現(xiàn)各生產(chǎn)線間部件產(chǎn)品的自動流轉(zhuǎn)。

2.3 原材料自動配送系統(tǒng)

在倉庫至每條生產(chǎn)線和工位設(shè)有用于物料自動配送的軌道系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各工序所需物料根據(jù)生產(chǎn)計劃，自動配送至對應(yīng)工位的自動化生產(chǎn)設(shè)備端，實現(xiàn)物料配送的自動化。

3 殼體成型自動化生產(chǎn)線

該自動化生產(chǎn)線主要是以模具和工位為中心，在模具或工位周邊布置自動化設(shè)備作業(yè)軌道，膠衣自動噴涂設(shè)備、自動鋪布設(shè)備、自動鋪設(shè)芯材設(shè)備、在線自動灌注設(shè)備、在線自動涂膠設(shè)備、自動切邊打磨噴漆設(shè)備等在該軌道上運(yùn)行，完成相應(yīng)模具生產(chǎn)工序生產(chǎn)作業(yè)，實現(xiàn)葉片生產(chǎn)加工的機(jī)械自動化。

3.1 膠衣噴涂和鋪布自動化

在葉片和大梁腹板層鋪灌注階段，膠衣噴涂、玻纖布鋪設(shè)、芯材鋪放和輔材鋪放集成在一個設(shè)備上，該設(shè)備通過內(nèi)置的葉片模具型面數(shù)據(jù)和布置在模具上的定位傳感器實現(xiàn)膠衣自動化混合、噴涂。玻纖布的自動鋪設(shè)實現(xiàn)方式有兩種：第一種為所使用玻纖布為標(biāo)準(zhǔn)布帶，自動鋪布機(jī)通過系統(tǒng)內(nèi)置的葉型、模具型面數(shù)據(jù)、鋪布工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合布置在模具上的定位傳感器將玻纖布帶精準(zhǔn)的鋪設(shè)在模具，往復(fù)作業(yè)完成整個葉片的鋪設(shè)；第二種為所使用的玻纖布為提前按葉片的結(jié)構(gòu)和鋪設(shè)工藝裁切好的裁片，自動鋪布機(jī)通過自動識別將每塊裁片鋪放到對應(yīng)的位置，最終完成整個鋪布過程。同時該鋪布機(jī)具備芯材和導(dǎo)注輔材鋪放的功能，根據(jù)不同的材料更換對應(yīng)的作業(yè)手臂和程序，完成整個葉片殼體的自動鋪設(shè)，過程中與材料的自動配送系統(tǒng)結(jié)合，可以實現(xiàn)作業(yè)過程自動上料和材料自動識別更換。

3.2 在線灌注與在線涂膠

在葉片成型的真空導(dǎo)注階段，通過集成了樹脂自動上料、自動脫泡、降溫和混配等功能的在線灌注機(jī)與預(yù)埋在模具上的樹脂輸送管路連接，實現(xiàn)葉片成型的自動化導(dǎo)注。導(dǎo)注開始時在線灌注機(jī)流轉(zhuǎn)倒運(yùn)系統(tǒng)開至待灌注的模具，在線灌注機(jī)的混合樹脂出口有帶快速接口的連接軟管，與模具上的樹脂輸送主管路實現(xiàn)快速連接，樹脂輸送主管路在葉片每個導(dǎo)注口位置的支管上布有帶傳感器的電磁閥門，電磁閥門的傳感器可以通過樹脂流速、壓力等感應(yīng)真空灌注進(jìn)行程度，傳感器將這些信號傳輸給在線灌注機(jī)，在線灌注機(jī)通過內(nèi)置的灌注程序，檢測到模具上對應(yīng)區(qū)域樹脂澆注完成后給出指令自動關(guān)閉對應(yīng)澆注口的電磁閥門，最終完成整個葉片的真空灌注。在葉片合模階段，通過合模專用的在線涂膠合模機(jī)完成葉片合模涂膠的自動化，在線涂膠機(jī)運(yùn)行軌道從模具葉根向葉尖移動，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)制的葉型數(shù)據(jù)和涂膠區(qū)域定位數(shù)據(jù)，完成粘接劑的自動上料、自動配混和自動涂膠，涂膠時機(jī)器根據(jù)布置在模具上的定位傳感器，對不同的涂膠區(qū)域進(jìn)行識別，根據(jù)每個區(qū)域粘接劑涂抹尺寸數(shù)據(jù)自動切換不同的刮膠頭，最終完成整個葉片的合模涂膠。涂膠結(jié)束后模具根據(jù)智能控制系統(tǒng)自動啟動模具翻轉(zhuǎn)、鎖模，最終實現(xiàn)葉片合模的自動化。

3.3 大梁腹板的吊裝與定位自動化

大梁腹板生產(chǎn)完畢后通過一體化的吊具準(zhǔn)確的完成大梁腹板的吊裝，吊裝至對應(yīng)殼體主模具上后，通過吊具和主模具上定位傳感器實現(xiàn)大梁腹板的精確定位和安放，該吊具為模塊化重復(fù)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)產(chǎn)品的長度通過增加重復(fù)單元數(shù)量的方式增加長度，吊具可實現(xiàn)對產(chǎn)品的自動抓放，通過吊具內(nèi)置的識別系統(tǒng)自動識別產(chǎn)品型號和產(chǎn)品上預(yù)制的吊點標(biāo)記，自動完成吊點的自動調(diào)節(jié)和復(fù)核，確保吊裝安全，同時吊具本身具備智能控制系統(tǒng)，可實時顯示吊具的運(yùn)行狀態(tài)和工作軌跡，從而實現(xiàn)大梁腹板吊裝與定位的自動化。

3.4 葉片表面型修和涂裝自動化

從成型車間生產(chǎn)線下來的半成品葉片，通過自動流轉(zhuǎn)倒運(yùn)系統(tǒng)輸送至型修涂裝工位，使用多軸工業(yè)機(jī)器人手臂實現(xiàn)型修涂裝的自動化作業(yè)[3]。在此工序葉片的處理方式有兩種，一種為葉片固定，在工位兩側(cè)鋪設(shè)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的導(dǎo)軌，機(jī)器人在導(dǎo)軌上按照程序設(shè)定從葉根向葉尖移動完成葉片的切邊、打磨和涂裝作業(yè)；另一種為通過式，葉片在自動流轉(zhuǎn)倒運(yùn)系統(tǒng)上逐步通過固定點機(jī)器人的方式，完成葉片的切邊、打磨和涂裝作業(yè)。切邊、打磨和涂裝使用同一個工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人內(nèi)置切邊、打磨和噴涂三種作業(yè)模式，不同的模式下自動切換不同的末端作業(yè)頭和程序。機(jī)器人的內(nèi)置程序中有不同葉型的三維數(shù)據(jù)，結(jié)合作業(yè)工位的各種定位傳感器實現(xiàn)葉片型修和涂裝的自動化。

4 分布式和中央自動控制系統(tǒng)

為確保各模具和工位所有自動化設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行、互不影響和安全高效，需要有一套以模具和工位為單位的分布式智能控制系統(tǒng)，和以整個工廠為總體的中央控制系統(tǒng)，終端設(shè)備和模具的運(yùn)行由設(shè)備和模具內(nèi)置的自動化程序完成對應(yīng)的自動化作業(yè)[4]。分布式控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置的葉片生產(chǎn)工藝流程和參數(shù)，對一套模具及周邊配套的設(shè)備按工藝流程進(jìn)行排序、控制和切換。該系統(tǒng)自動化作業(yè)的具體實施方法為在每個設(shè)備和模具以及產(chǎn)品流轉(zhuǎn)系統(tǒng)上加裝數(shù)據(jù)采集裝置和控制裝置，數(shù)據(jù)采集線路和控制線路集成到該模具配套的分布式就地控制柜，該控制柜負(fù)責(zé)控制和收集該模具周邊所有設(shè)備的工藝和運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理打包后進(jìn)行傳輸至更高一級的中央智能監(jiān)控系統(tǒng)，該分布式就地控制柜在更換生產(chǎn)線后可實現(xiàn)模塊化快速拆裝和換模；中央監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃和節(jié)拍，在整個工廠層面統(tǒng)籌控制共用部分葉片自動流轉(zhuǎn)倒運(yùn)系統(tǒng)和各分布式就地控制柜的運(yùn)行，確保整個工廠多條并行生產(chǎn)線的有序運(yùn)行。中央控制系統(tǒng)通過工業(yè)化、信息化和智能化代替了人工化的生產(chǎn)作業(yè)管控，準(zhǔn)時化地完成各生產(chǎn)線及其設(shè)備集群的自動操作和關(guān)停，同時作為一個大數(shù)據(jù)終端完整的記錄所有設(shè)備和葉片生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)分析改進(jìn)程序優(yōu)化葉片制造工藝，進(jìn)而不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到提質(zhì)增效的目的，從而提升產(chǎn)品的市場競爭力。

5 網(wǎng)絡(luò)化和信息化

以上自動化生產(chǎn)線和控制系統(tǒng)離不開網(wǎng)絡(luò)化和信息化，網(wǎng)絡(luò)是信息的載體和高速公路，二者相輔相成是整個葉片自動化生產(chǎn)線的軟體部分發(fā)揮著重要的作用。分布式就地控制柜對每個模具自動化設(shè)備的監(jiān)控、中央監(jiān)控系統(tǒng)對分布在各生產(chǎn)線就地控制柜和相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控、各種數(shù)據(jù)采集傳輸，都需要數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此需要在整個工廠內(nèi)搭建以模具工位為三級、以車間為二級和以中央控制系統(tǒng)級為一級的工廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個工廠各終端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化布局[5]。

信息化主要是通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各級設(shè)備、控制柜、中央監(jiān)控系統(tǒng)程序化的智能化專用軟件平臺，其中WMS電子倉庫管理系統(tǒng)通過布置在倉庫的物資收發(fā)和車間模具周邊軌道系統(tǒng)實現(xiàn)物料的配送和上料，ERP實現(xiàn)對物料出入庫的賬務(wù)和公司級層面訂單、項目和生產(chǎn)計劃資源管理分配，基于MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的中央監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對各工序生產(chǎn)的制造執(zhí)行和數(shù)據(jù)記錄分析。信息化是整個葉片自動化生產(chǎn)線的中樞大腦，支配著整個葉片生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的運(yùn)行。

6 結(jié)語

通過以上機(jī)械化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化深度融合而打造的風(fēng)電葉片自動化生產(chǎn)線，取代了風(fēng)電葉片生產(chǎn)制造過程中人員直接作業(yè)的工序。自動化生產(chǎn)線建成以后工廠只需要保留少數(shù)人員用于設(shè)備管理、工廠管理和中央監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)維，直接生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化和自動化，大大降低了葉片制造成本，發(fā)揮出了機(jī)器作業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提升的優(yōu)勢，而且人工的減少規(guī)避了企業(yè)面臨的大部分勞資風(fēng)險，是風(fēng)電葉片制造優(yōu)質(zhì)安全高效的必由之路。