汽輪機(jī)葉片數(shù)字化柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉永亮

摘要：以汽輪機(jī)葉片為產(chǎn)品對(duì)象，進(jìn)行數(shù)字化柔性生產(chǎn)線建設(shè)，通過(guò)工藝流程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線布局規(guī)劃、加工單元主要設(shè)備導(dǎo)入、信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片的自動(dòng)化柔性生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，滿(mǎn)足多品種、小批量的訂單模式需求。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉片;數(shù)字化;柔性生產(chǎn);生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

0 ?引言

葉片作為汽輪機(jī)的核心部件，其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量，直接影響著整個(gè)汽輪機(jī)的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本以及性能。汽輪機(jī)葉片屬于典型的多品種小批量定制化生產(chǎn)零件，為滿(mǎn)足其質(zhì)量、交期、成本等方面日益升高的要求，實(shí)施機(jī)加柔性生產(chǎn)線勢(shì)在必行。本文以汽輪機(jī)葉片為產(chǎn)品對(duì)象，設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)字化柔性生產(chǎn)線，主要內(nèi)容包括：工藝流程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線布局規(guī)劃、加工單元主要設(shè)備導(dǎo)入、信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成應(yīng)用。

1 ?生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)葉片的生產(chǎn)主要以機(jī)械加工為主，大致分為：毛坯來(lái)料——粗加工1——粗加工2——精加工1——精加工2——產(chǎn)品下線檢測(cè)等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程，大多工藝環(huán)節(jié)間依靠人工轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)品，造成生產(chǎn)效率低下，存在安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為此，需重新設(shè)計(jì)工藝流程，零件、組件、半成品、成品在各工序之間流轉(zhuǎn)采用全自動(dòng)傳輸線，同時(shí)配置必要的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施，提高傳輸效率，保證生產(chǎn)節(jié)拍要求，有效控制傳輸過(guò)程對(duì)零組件及產(chǎn)品表面的污染和損傷。

2 ?生產(chǎn)線布局規(guī)劃

針對(duì)汽輪機(jī)葉片的生產(chǎn)特點(diǎn)和工藝流程，采用計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)理論方法，從規(guī)劃、建設(shè)到運(yùn)行等不同環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬、分析、評(píng)估、驗(yàn)證和優(yōu)化?；跀?shù)字化布局技術(shù)，在三維虛擬環(huán)境中基于生產(chǎn)工藝、加工設(shè)備以及物流設(shè)施等進(jìn)行生產(chǎn)總體布局設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)線布局如圖1所示。

3 ?加工單元主要設(shè)備導(dǎo)入

生產(chǎn)線主要包括工件粗加工1、粗加工2、精加工1、精加工2等基本加工單元構(gòu)成。根據(jù)工藝流程可規(guī)劃不同的加工路徑，利用機(jī)器人將待加工件分配到預(yù)訂的加工單元處，各單元可獨(dú)立完成相應(yīng)工序的加工作業(yè)，加工后的工件存儲(chǔ)到中轉(zhuǎn)站;根據(jù)加工工序和各個(gè)加工單元的作業(yè)情況，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝路線，將不同加工單元組成全自動(dòng)柔性生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)混線柔性生產(chǎn)。主要設(shè)備包括：

3.1 上下料手推車(chē)、3R夾具、中轉(zhuǎn)料架

上下料手推車(chē)為定制設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)集中上料，單個(gè)取料的功能，工件一次上料50只。并配有定位鎖死機(jī)構(gòu)，在手推車(chē)到位后將其鎖死，用于保證機(jī)器人抓取的重復(fù)定位精度要求。

3R夾具用于機(jī)器人夾持的臺(tái)階為100mm，夾具能夾持的工件端面尺寸范圍為35×60mm，長(zhǎng)度小于260mm。

中轉(zhuǎn)料架與上下料手推車(chē)結(jié)構(gòu)相同，僅固定在原地使用。

3.2 刀具、夾具RFID系統(tǒng)

工業(yè)RFID系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)載體、讀/寫(xiě)磁頭、分析單元和各種附件組成。用工業(yè)RFID系統(tǒng)進(jìn)行刀具編碼，保存所有相關(guān)的刀具數(shù)據(jù)，如編號(hào)、尺寸和使用壽命，并隨時(shí)調(diào)用，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)管理，提高生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量，最終提升經(jīng)濟(jì)效益。在上線前的預(yù)處理過(guò)程中，人工錄入工件型號(hào)，與夾具ID進(jìn)行綁定，利用RFID系統(tǒng)對(duì)3R夾具進(jìn)行追溯和管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工和流轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行追溯和管理。

3.3 立式加工中心

針對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，本生產(chǎn)線導(dǎo)入應(yīng)用4臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心。立式加工中心，具有整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)、精度穩(wěn)定、故障率低、可靠性好的優(yōu)點(diǎn);工作臺(tái)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，有效地避免了低速爬行現(xiàn)象。立式加工中心的基本結(jié)構(gòu)包括數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械本體和輔助系統(tǒng)。

數(shù)控系統(tǒng)：由CNC裝置、伺服趨動(dòng)裝置、可編程序控制器等組成，是加工中心執(zhí)行順序動(dòng)作和完成加工過(guò)程的控制中心。

機(jī)械本體：包括基礎(chǔ)部件、主軸部件、自動(dòng)換刀裝置等?；A(chǔ)部件由床身立柱和工作臺(tái)組成，是加工中心的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ);主軸部件由主軸箱、電機(jī)、主軸和軸承等組成，是加工中心的關(guān)鍵部件。

輔助系統(tǒng)：包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓等，對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，是加工中心中不可缺少的部分。

3.4 工業(yè)機(jī)器人

采用六軸機(jī)器人，機(jī)器人手爪主要由氣缸分別安裝在連接板上，當(dāng)手爪工作時(shí)候，先從取料位置抓取一件待加工工件，移動(dòng)到機(jī)床位置后，放入好相應(yīng)的工位中。手爪配備檢測(cè)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，防止因?yàn)槭肿A持不到位引起的工件脫落。

軌道采用優(yōu)質(zhì)型鋼焊接而成，優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，滿(mǎn)足設(shè)備的強(qiáng)度要求。經(jīng)去應(yīng)力處理，保證設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用不會(huì)發(fā)生變形，采用伺服電機(jī)配合高精度的齒輪齒條實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的驅(qū)動(dòng)，保證驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、位置可靠。軌道兩端設(shè)置位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)和機(jī)械擋塊，防止因?yàn)樵O(shè)備故障或人員誤操作而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

3.5 刀具預(yù)調(diào)儀

刀具預(yù)調(diào)儀是在新刀具進(jìn)入柔性生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行刀具參數(shù)測(cè)量和補(bǔ)償?shù)膬x器。檢測(cè)數(shù)據(jù)直接反饋到控制系統(tǒng)以及MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刀具在加工過(guò)程中質(zhì)量可控制，可追溯功能，最終保證加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.6 備用刀庫(kù)

備用刀庫(kù)的放置區(qū)域和機(jī)器人上下料的活動(dòng)區(qū)域設(shè)置有1米以上的距離，確保安全。刀庫(kù)由優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成，層與層之間呈階梯狀錯(cuò)路放置，方便機(jī)器人取放刀具。鋼架上加工刀柄放置孔，孔上放置非金屬刀托，刀柄直接放于刀托上。刀庫(kù)由信息化系統(tǒng)對(duì)刀具信息進(jìn)行管理。

3.7 總控系統(tǒng)

總控系統(tǒng)是在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其他過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要手段。系統(tǒng)設(shè)有操作權(quán)限，權(quán)限分為一般操作者、高級(jí)操作者、維修人員等，不同的權(quán)限只能操作相應(yīng)按鈕或修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而增加系統(tǒng)的安全性。所有設(shè)備設(shè)有紅（設(shè)備報(bào)警或故障）、黃（設(shè)備暫停）、綠（設(shè)備正在運(yùn)行）三種故障報(bào)警指示，并安裝在設(shè)備明顯位置，在緊急的情況下能立即停止設(shè)備的任何工作。

4 ?信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成應(yīng)用

4.1 信息系統(tǒng)整體框架

該柔性生產(chǎn)線的信息化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)架構(gòu)、各系統(tǒng)功能模塊、硬件配置、車(chē)間布局以及總體實(shí)施解決方案，主要建設(shè)并集成應(yīng)用四大系統(tǒng)：生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、工位系統(tǒng)、分布式數(shù)控系統(tǒng)（DNC）、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。MES系統(tǒng)針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程提供排產(chǎn)、設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)控制、過(guò)程監(jiān)控;工位系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互;DNC系統(tǒng)完成設(shè)備運(yùn)行及加工數(shù)據(jù)采集;視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床實(shí)時(shí)加工過(guò)程監(jiān)控。

MES系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與工位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)傳輸，為保證MES操作實(shí)時(shí)性，增加MES系統(tǒng)信息推送至工位系統(tǒng);視頻監(jiān)控系統(tǒng)可與現(xiàn)有視頻系統(tǒng)集成，同時(shí)上傳實(shí)時(shí)視頻至MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)進(jìn)行視頻信息加載;工位系統(tǒng)與DNC系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)工位系統(tǒng)接口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)上傳，工位系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)DNC系統(tǒng)接口進(jìn)行程序號(hào)下發(fā);工位系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP通信，進(jìn)行信息交互。

4.2 MES系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)采用Service-Oriented Architecture（SOA）技術(shù)B/S架構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)部署在企業(yè)內(nèi)部，并可與企業(yè)其他系統(tǒng)通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)系據(jù)集成，用戶(hù)通過(guò)局域網(wǎng)登錄系統(tǒng)，在各自授權(quán)的范圍內(nèi)操作。MES系統(tǒng)主要分為六大功能模塊：用戶(hù)管理、生產(chǎn)管理、刀具管理、庫(kù)存管理、設(shè)備管理、報(bào)表管理，功能模塊之間的交叉共用組成完整生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。

4.3 工位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，在整個(gè)項(xiàng)目中作為承上啟下，完成MES系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制對(duì)接。MES配置工藝模型在該系統(tǒng)得到完美展現(xiàn)，同時(shí)也作為現(xiàn)場(chǎng)工人與MES系統(tǒng)交互橋梁，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)與辦公室零距離辦公。該工位擁有以下功能：隨機(jī)抽檢產(chǎn)品，根據(jù)MES設(shè)置自動(dòng)抽檢，檢查結(jié)果錄入，不合格返修處理，設(shè)備對(duì)刀具固定刀補(bǔ)量更改，消息推送、工單提示，備用刀具與刀庫(kù)位置綁定。

4.4 DNC系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

DNC系統(tǒng)的主要組成部分有：中央計(jì)算機(jī)及外圍存儲(chǔ)設(shè)備、通信接口、機(jī)床及機(jī)床控制器。首先，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，從大容量的存儲(chǔ)器中取回零件程序并把它傳遞給機(jī)床;然后在這兩個(gè)方向上控制信息的流動(dòng)，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)間分配信息，使各機(jī)床控制器能完成各自的操作;最后由計(jì)算機(jī)監(jiān)視并處理機(jī)床反饋。分布式數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)NC（數(shù)控）程序的直接裝載和靈活存儲(chǔ)，因此能實(shí)現(xiàn)：消除程序讀入裝置維護(hù)所需的費(fèi)用;減少程序輸入的錯(cuò)誤;簡(jiǎn)化NC程序的管理;便于進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控，提高數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)效率。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

葉片作為汽輪機(jī)的核心部件，是決定汽輪機(jī)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本以及性能的重要因素。本文通過(guò)建設(shè)應(yīng)用汽輪機(jī)葉片的數(shù)字化柔性生產(chǎn)線，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低了成本、改善了人工作業(yè)環(huán)境，滿(mǎn)足了汽輪機(jī)葉片的多品種小批量定制化生產(chǎn)需求，為同行業(yè)提供了可參考的數(shù)字化柔性生產(chǎn)線解決方案和應(yīng)用示范。

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