成套開(kāi)關(guān)柜銅排智能制造系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

沈狄龍 王鵬程 夔國(guó)鳳 高小永* 朱鷹

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司蕭山欣美成套電氣制造分公司 浙江省杭州市 311215）

（2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）自動(dòng)化系 北京市 102249 3.蘇州慧工云信息科技有限公司 江蘇省蘇州市 215000）

銅排，由銅材質(zhì)制作，是橫截面為矩形或圓角矩形的長(zhǎng)導(dǎo)體，應(yīng)用于電路中，起輸送電流和連接電氣設(shè)備的作用。銅排在電氣設(shè)備尤其是成套配電裝置中應(yīng)用廣泛。目前，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)重要基礎(chǔ)原材料工業(yè)之一的銅加工企業(yè)發(fā)展迅速，中國(guó)銅排加工業(yè)也不斷成熟壯大。加上我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和世界加工制造業(yè)中心地位的確立，我國(guó)電子工業(yè)、通訊、家電等行業(yè)快速發(fā)展，為銅排加工工業(yè)的市場(chǎng)提供了千載難逢的良好機(jī)遇。然而，銅排的設(shè)計(jì)仍依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)繪制，手動(dòng)輸入，效率極低，出錯(cuò)率甚至達(dá)到20%以上。將銅排生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化可以提高成套開(kāi)關(guān)柜工程項(xiàng)目銅排設(shè)計(jì)的效率，提高銅排利用率，降低成本，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)制，縮短制作周期，為精益產(chǎn)線的實(shí)施提供基礎(chǔ)條件。

在銅排的生產(chǎn)過(guò)程中，由于過(guò)度依然工人經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化程度低，導(dǎo)致銅排質(zhì)量不能滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，主要存在劃傷、凹坑和色澤不勻等缺陷[1]。針對(duì)中鹽江西某化工有限公司的一起低壓母線銅排短路事故，龔炳林和黃龍林分析了事故及防范措施[2]?，F(xiàn)有對(duì)銅排行業(yè)的研究絕大部分集中在對(duì)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和設(shè)備研制方面。高中庸等[3]研究了一套提高銅排拉拔質(zhì)量與生產(chǎn)效率的措施，王朱鑫等[4]提出氬弧焊對(duì)大厚度銅排進(jìn)行焊接的一套工藝。Mingan Chen 等[5]對(duì)銅排在軸向壓縮載荷下的塑性剪切產(chǎn)生的變形微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。何群等[6]介紹了裸銅排在三峽滅磁開(kāi)關(guān)柜中的應(yīng)用。黃金等[7]摸索出能獲得較均勻晶粒度的加工工藝。馮淑敏等[8]提出采用由PLC 加光柵尺構(gòu)成的閉環(huán)控制方式。同樣羅繼庚等[9]提出整個(gè)系統(tǒng)采用PLC 完成邏輯控制的保護(hù)。針對(duì)人工托舉方式帶來(lái)的工作危險(xiǎn)程度大、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，紀(jì)大堯等[10]提出研制適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的銅排托舉、調(diào)整設(shè)備。從U 型銅排產(chǎn)品的加工工藝著手，張永統(tǒng)等[11]對(duì)U 型銅排產(chǎn)品在擠壓、拉拔過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。Zhang-zhi SHI 等[12]分析了帶有膠質(zhì)顆粒的銅排在小幅冷拉后伸長(zhǎng)率明顯下降的原因。徐善剛等[13]分析了新型銅排連續(xù)高速鍍錫生產(chǎn)線的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。以銅排母線的配電方式為基礎(chǔ)，張益波等[14]設(shè)計(jì)一種適合注塑機(jī)配電箱使用的大電流電能分配方式。最近，魯中甫等[15]采用S7-1500 系列PLC、施耐德LEXM32M 系列驅(qū)動(dòng)器、施耐德GXU 系列觸摸屏等，實(shí)現(xiàn)銅排鏈的自動(dòng)拆卸和自動(dòng)裝配。Bohluli[16]探討了通過(guò)扭曲擠壓和正向擠壓來(lái)制造鋁銅雙金銅排的可行性。在對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)與研制方面，主要包括對(duì)工裝模具、折彎?rùn)C(jī)凹凸模等設(shè)備的改進(jìn)。此外，由于傳統(tǒng)基于CAD 軟件的銅排設(shè)計(jì)需要一定的空間想象能力且過(guò)程繁瑣易出錯(cuò)，耗費(fèi)時(shí)間，楊波等[17]以SolidWorks 軟件為研究對(duì)象，自動(dòng)輸出銅排零件圖樣，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)。

綜上所述，現(xiàn)有的對(duì)銅排生產(chǎn)的研究大多集中在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)和研制方面，對(duì)成套開(kāi)關(guān)柜銅排設(shè)計(jì)制作過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等內(nèi)容研究很少。本文通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)柜柜型的調(diào)研、對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合技工經(jīng)驗(yàn)與三維技術(shù)，定義統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用MATLAB 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)智能設(shè)計(jì)軟件，使得元器件與開(kāi)關(guān)柜的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、銅排的設(shè)計(jì)模塊化，從而加快生產(chǎn)速度、提高生產(chǎn)力，減少對(duì)技術(shù)工人的要求，進(jìn)而降低成本減少人為錯(cuò)誤。

1 問(wèn)題描述

銅排在電氣設(shè)備，特別是成套配電裝置中應(yīng)廣泛用，在電路中起輸送電流和連接電氣設(shè)備的作用，它的加工質(zhì)量直接影響到開(kāi)關(guān)柜的安全性、可靠性，并且影響到電路傳輸?shù)馁|(zhì)量。本文所研究的成套開(kāi)關(guān)柜銅排智能制造系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)大量柜型及各元器件數(shù)據(jù)的分析，制定統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使得柜體及各元器件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)也使得銅排的設(shè)計(jì)模塊化。成套開(kāi)關(guān)柜銅排智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

圖1：成套開(kāi)關(guān)柜銅排智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

其中，柜體參數(shù)包括物料編號(hào)、型號(hào)、生產(chǎn)廠家、長(zhǎng)、寬、高、安裝梁尺寸；斷路器參數(shù)包括物料編號(hào)、型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、長(zhǎng)、寬、高、安裝孔孔徑、安裝孔位置（寬）、安裝孔位置（深）、安裝孔側(cè)邊間距；出線端子參數(shù)包括長(zhǎng)、寬、高、孔距、孔徑、相間距、上下端子中心距、下端子中心高度、安裝孔位置（寬）；母線框參數(shù)包括物料編號(hào)、型號(hào)、生產(chǎn)廠家、長(zhǎng)、寬、高、母線寬、母線高、相間距、安裝孔孔徑；關(guān)聯(lián)參數(shù)包括絕緣子橫梁位置（高）、絕緣子橫梁位置（低）、斷路器安裝板高度。

2 軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)

對(duì)柜體、各元器件（斷路器、母線框等）進(jìn)行計(jì)算邏輯分析。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)字典，采用MySQL 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入與導(dǎo)出。MATLAB 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各部分單獨(dú)的建模界面，對(duì)各部分進(jìn)行三維立體展示。主界面將各部分按照實(shí)際柜體需求進(jìn)行組合安裝，實(shí)現(xiàn)柜體與各元器件組合后的三維立體展示。

表1：柜體參數(shù)表

表2：斷路器參數(shù)表

表3：出線端子參數(shù)表

2.1 計(jì)算邏輯分析

單獨(dú)建模時(shí)，分別以柜體、斷路器、母線框的正面（XOZ，X 軸與Z 軸形成的平面）左下角為三維空間的原點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)柜體、斷路器、母線框、關(guān)聯(lián)部分進(jìn)行計(jì)算邏輯分析及坐標(biāo)設(shè)計(jì)后，在MySQL 中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)字典如表1-5 所示。其中，對(duì)柜體主要分析其長(zhǎng)寬高以及柜體內(nèi)各部分的支架信息；對(duì)斷路器及出線端子，主要分析斷路器的深、寬、高、安裝孔位置及孔徑等，以及出線端子的長(zhǎng)寬厚、孔徑、孔距及其相對(duì)于斷路器的坐標(biāo)等信息；對(duì)母線框，主要分析母線框的厚、高、安裝孔孔徑等，以及母線的厚、寬等。

關(guān)聯(lián)部分建模時(shí)，以柜體的正面（XOZ，X 軸與Z 軸形成的平面）左下角為三維空間的原點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)柜體內(nèi)各支架的參數(shù)信息及斷路器與母線框的參數(shù)信息，計(jì)算得到各部分的三維坐標(biāo)。

2.2 各單元建模界面

柜體參數(shù)設(shè)置界面、斷路器參數(shù)設(shè)置界面、母線框參數(shù)設(shè)置界面如圖2-圖4。

圖2：柜體參數(shù)設(shè)置界面

圖4：母線框參數(shù)設(shè)置界面

表4：母線框參數(shù)表

表5：關(guān)聯(lián)參數(shù)表

表6：對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 系統(tǒng)功能

本文所開(kāi)發(fā)的成套開(kāi)關(guān)柜銅排智能制造系統(tǒng)具有如下功能：

（1）自動(dòng)生成沖孔、折彎程序：將柜體、斷路器、母線框及關(guān)聯(lián)部分等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，首先會(huì)進(jìn)行柜體、斷路器、母線框等部分的三維立體建模，接著根據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)將各部分進(jìn)行組合生成關(guān)聯(lián)三維立體圖，最后根據(jù)關(guān)聯(lián)三維立體圖及邏輯關(guān)系，生成銅排的三維立體圖，包括沖孔、折彎部分的程序。

（2）與制造設(shè)備打通，自動(dòng)生成下料清單：在軟件界面上生成三維立體圖的同時(shí)也可以輸出SE 文件，SE 文件輸入現(xiàn)場(chǎng)的制造設(shè)備便開(kāi)始生產(chǎn)銅排，包括打孔、折彎等。

（3）與銅排智能倉(cāng)庫(kù)打通，實(shí)現(xiàn)銅排精準(zhǔn)庫(kù)存管理，自動(dòng)取料。

（4）與MES 系統(tǒng)的對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

綜合上述功能，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、到備料、到生產(chǎn)的數(shù)字化實(shí)時(shí)管理。

3 實(shí)施效果

本節(jié)通過(guò)一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例來(lái)驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的智能制造系統(tǒng)的有效性。

案例所采用的柜體、斷路器、母線框、關(guān)聯(lián)部分等數(shù)據(jù)，以及單獨(dú)的三維示意圖，如圖5-圖7 所示。得到圖8 所示的關(guān)聯(lián)三維示意圖，圖9 中加入了帶有折彎的銅排單排，圖10 為帶有折彎的銅排雙排。通過(guò)統(tǒng)一規(guī)范柜體、斷路器、母線框等尺寸信息，實(shí)現(xiàn)各部分的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。將所得關(guān)聯(lián)三維示意圖中與銅排相關(guān)的參數(shù)及程序單獨(dú)處理后，與Solid Edge 進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)銅排的三維設(shè)計(jì)如圖11 所示，并導(dǎo)出相應(yīng)的SE 文件。最后將SE 文件輸入現(xiàn)場(chǎng)銅排生產(chǎn)設(shè)備，即可按照所設(shè)定的參數(shù)和程序進(jìn)行銅排的模塊化生產(chǎn)。

圖3：斷路器參數(shù)設(shè)置界面

圖5：柜體數(shù)據(jù)

圖6：斷路器數(shù)據(jù)

圖7：母線框數(shù)據(jù)

圖8：關(guān)聯(lián)三維圖(銅排生成前)

圖9：關(guān)聯(lián)三維圖(銅排生成后)

圖10：關(guān)聯(lián)三維圖(雙排)

圖11：Solid Edge 文件

針對(duì)智能制造系統(tǒng)投入前后的效果，在杭州蕭山欣美成套電氣制造分公司運(yùn)行后，得到結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)，如表6 所示。

通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出，采用智能制造系統(tǒng)后，通過(guò)系統(tǒng)界面的三維示意圖，可以實(shí)現(xiàn)銅排設(shè)計(jì)過(guò)程的三維可視化，加快了銅排生產(chǎn)速率、減少了施工期。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程全程的可視化顯示，對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程的合理性診斷提供了詳細(xì)可靠的依據(jù)，可以有效地防止設(shè)計(jì)出錯(cuò)，大大降低了出錯(cuò)率。

在整體的預(yù)估經(jīng)濟(jì)效益上，全國(guó)的規(guī)模以上電氣成套企業(yè)計(jì)有3000 余家，從事銅排設(shè)計(jì)相關(guān)的工作人員需量在10,000 人以上，當(dāng)前的人才缺口巨大，且工作效率與質(zhì)量與自動(dòng)建模測(cè)算相比，本產(chǎn)品預(yù)估節(jié)約35%的人效，且能顯著降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)率，節(jié)約寶貴的銅原材料資源。

4 結(jié)論與展望

銅排在電路中起輸送電流和連接電氣設(shè)備的作用，它的加工質(zhì)量不僅影響到成套開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品運(yùn)行的安全可靠性，也影響產(chǎn)品的制造成本。針對(duì)目前實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)采用的手動(dòng)繪制、手動(dòng)輸入方式帶來(lái)的效率極低、出錯(cuò)率極高等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)柜型的調(diào)研、對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分析，定義統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用MATLAB 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了智能設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)出圖、自動(dòng)生成加工程序、自動(dòng)生成下料清單、銅排精準(zhǔn)庫(kù)存管理以及采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的功能。實(shí)施效果表明，本研究所開(kāi)發(fā)的智能制造系統(tǒng)，可使得元器件與盤(pán)柜的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、銅排的設(shè)計(jì)模塊化，提高成套開(kāi)關(guān)柜工程項(xiàng)目銅排設(shè)計(jì)的效率，降低成本，降低出錯(cuò)率，為精益產(chǎn)線的實(shí)施提供基礎(chǔ)條件。

在下一步的工作中，面向更高的生產(chǎn)質(zhì)量與要求，特別是電磁兼容性與散熱效應(yīng)的優(yōu)化，將成為成套開(kāi)關(guān)柜銅排布局的進(jìn)階優(yōu)化目標(biāo)，在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量下，這一優(yōu)化工序?qū)㈦y以實(shí)現(xiàn)。而在模型化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，銅排本身的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)除用銅最省這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外的其他設(shè)計(jì)與經(jīng)營(yíng)指標(biāo)，為國(guó)家的用電安全與可靠性提供更多的可能性與價(jià)值。