大型發(fā)電設(shè)備定子沖片柔性生產(chǎn)自動(dòng)產(chǎn)線技術(shù)研究

陳 兵，李晉航，石致遠(yuǎn)，殷慶文，吳文亮

（東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

定子沖片是大型發(fā)電設(shè)備的核心部件，其制造質(zhì)量和性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)電設(shè)備整體質(zhì)量和性能[1]。發(fā)電設(shè)備需根據(jù)客戶要求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，其制造屬于典型的離散制造，高成本、低效益特征明顯。

國內(nèi)外機(jī)構(gòu)和企業(yè)對沖片離散制造自動(dòng)化過程保持高度重視并積極技術(shù)探索。Dotoli[2]、Fay[3]等人指出當(dāng)前制造自動(dòng)化技術(shù)正朝著集成化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化方向發(fā)展，歐美等發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)加快離散生產(chǎn)過程改造，德國西門子與SCHULER公司合作研制出定子沖片集成自動(dòng)生產(chǎn)線，使沖片一次完成沖壓、去毛刺、刷漆、烘焙、落料等工藝，提高了沖片的生產(chǎn)效率；美國GE公司在燃機(jī)生產(chǎn)線上引入機(jī)器人、3D打印等柔性自動(dòng)化技術(shù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)了產(chǎn)線的柔性；類似的企業(yè)還有瑞典的ABB、日本的三菱等[4]。國內(nèi)華中科技大學(xué)[5]、華南理工大學(xué)[6]等高校與企業(yè)合作對車輛電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行研究，沈陽麥格文智公司[7]對小型發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)定子鐵芯自動(dòng)產(chǎn)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，均成功將離散制造集成化和流程化改造，但產(chǎn)線上的關(guān)鍵瓶頸設(shè)備無法共享使用，造成產(chǎn)線柔性不足，制造資源緊張。

綜上所述，目前國內(nèi)面向發(fā)電設(shè)備的制造自動(dòng)化技術(shù)研究不足，制造能力與歐美等國際企業(yè)相比仍有一定差距，制約了企業(yè)的發(fā)展，迫切需要進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)自動(dòng)化制造技術(shù)之上，深入分析定子沖片產(chǎn)品特點(diǎn)和制造工藝問題，開展定子沖片高柔性混合生產(chǎn)自動(dòng)技術(shù)研究和設(shè)備自主研制，在數(shù)字化車間建設(shè)實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用示范。

1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點(diǎn)及制造難點(diǎn)

1.1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點(diǎn)

定子沖片由0.3mm～0.6mm厚度的薄硅鋼片制作而成，如圖1所示，需根據(jù)客戶個(gè)性化要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)制造，導(dǎo)致其外形尺寸差異大、種類繁多[8]。例如一臺(tái)600MW火電發(fā)電機(jī)組由二十多萬張定子沖片組成，涉及正常片、項(xiàng)號(hào)片、調(diào)節(jié)片以及槽板等4大種類十幾種規(guī)格。

圖1 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片

1.2 大型發(fā)電設(shè)備定子沖片生產(chǎn)難點(diǎn)

大型發(fā)電設(shè)備定子沖片原工藝人工現(xiàn)場作業(yè)如圖2所示，制造流程如圖3所示，總結(jié)歸納出以下5個(gè)典型工藝特點(diǎn)及問題：

圖2 原工藝人工去毛刺和成品下料作業(yè)

1）工藝流程：橫向多規(guī)格批量配套組合生產(chǎn)，縱向多個(gè)過程復(fù)合交叉，工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長；

2）人工作業(yè)：手工單機(jī)作業(yè)多，人工成本高，投入產(chǎn)出不匹配；

3）物料轉(zhuǎn)運(yùn)：物流工具資源緊缺，轉(zhuǎn)運(yùn)效率低，生產(chǎn)節(jié)拍不平衡，序間半成品積壓嚴(yán)重；

4）工藝要求：尺寸精度和表面質(zhì)量要求在微米級(jí)，單片生產(chǎn)時(shí)間不超過4秒，制造精度和加工效率要求高；

5）生產(chǎn)組織：信息反饋和統(tǒng)計(jì)不及時(shí)不準(zhǔn)確，生產(chǎn)計(jì)劃無法有效指導(dǎo)一線生產(chǎn)，生產(chǎn)組織較為混亂。

可以看出，定子沖片制造屬于典型的多品種、中小批量、定制化的離散生產(chǎn)，相較一般離散制造而言其對加工精度、制造成本、生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量等要求更加嚴(yán)格[9]。隨著市場競爭愈加激烈，客戶要求越來越多樣化，人工單機(jī)作業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造方式無法適應(yīng)多品種沖片高效高柔性制造需求，需采用自動(dòng)化、數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)，考慮關(guān)鍵瓶頸設(shè)備綜合利用、多批量成組混合制造以及全流程制造等要求，改造定子沖片傳統(tǒng)制造作業(yè)模式。將傳統(tǒng)離散制造作業(yè)模式改造升級(jí)為類流水混合制造模式為本文的創(chuàng)新點(diǎn)。

2 自動(dòng)產(chǎn)線總體方案

自動(dòng)產(chǎn)線總體方案如圖4所示，從五個(gè)層面進(jìn)行自動(dòng)產(chǎn)線構(gòu)建，設(shè)備層面從定子沖片全流程制造要求設(shè)置八個(gè)工序單元，依次為開卷單元、沖壓單元、復(fù)合單元1、去毛刺單元、清洗單元、復(fù)合單元2、刷漆單元以及下料單元。控制層面實(shí)現(xiàn)與設(shè)備單元互聯(lián)，根據(jù)控制對象形成傳送帶連接控制、機(jī)器人控制、安全控制、單元控制以及接駁控制等五大控制模塊。數(shù)據(jù)層面通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與功能層和控制層的上下通訊，采集產(chǎn)線控制數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理形成生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、計(jì)劃以及安全等五類典型數(shù)據(jù)供功能層調(diào)用。功能層面根據(jù)人機(jī)交互和外部對接需要，形成組態(tài)可視監(jiān)控、產(chǎn)線展示看板、產(chǎn)品缺陷檢測、高清視頻監(jiān)控以及外部接駁等五大模塊。業(yè)務(wù)層面通過功能層各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)組合需求、產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)、產(chǎn)線柔性和安全需求、產(chǎn)線生產(chǎn)計(jì)劃及產(chǎn)能管理以及產(chǎn)線開放接口等業(yè)務(wù)。

圖4 定子沖片自動(dòng)產(chǎn)線總體框架

3 自動(dòng)產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

車間布局、連線設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工位以及控制集成是自動(dòng)產(chǎn)線構(gòu)建的核心，故針對沖片自動(dòng)產(chǎn)線開展產(chǎn)線布局重構(gòu)、離散單元連線生產(chǎn)設(shè)計(jì)、基于機(jī)器人的復(fù)合工位設(shè)計(jì)以及總控集成等技術(shù)研究。

3.1 產(chǎn)線布局重構(gòu)

定子沖片制造車間原設(shè)備通常根據(jù)工藝原則離散分布，生產(chǎn)計(jì)劃復(fù)雜、物流成本高、工人技能要求高[10]，無法滿足定子沖片少人高效高柔性制造要求。按照沖片產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)和場地空間最大利用要求，根據(jù)定子沖片工藝流程，參考[11]基于SPL-PGA方法進(jìn)行設(shè)備直線布局重構(gòu)，得到如圖5所示產(chǎn)線三維布局。同時(shí)基于產(chǎn)線開放性、經(jīng)濟(jì)性考慮，在單元區(qū)之間設(shè)計(jì)適當(dāng)數(shù)量的外部接駁點(diǎn)，如圖中9卷料上料接駁點(diǎn)、10沖壓下料接駁點(diǎn)、11粗在制品上下料接駁點(diǎn)、12精在制品上下料接駁點(diǎn)、13成品下料接駁點(diǎn)等，接駁點(diǎn)與車間AGV物流系統(tǒng)進(jìn)行對接，完成沖片原料上料、在制品和成品上下產(chǎn)線。新布局把離散作業(yè)型創(chuàng)新性的改成類流水線作業(yè)模式，結(jié)合緩存設(shè)置、節(jié)拍控制和物流自動(dòng)配給等，大幅提高沖片制造效率。

圖5 定子沖片自動(dòng)產(chǎn)線三維布局

3.2 離散單元連線及節(jié)拍設(shè)計(jì)

3.2.1 產(chǎn)線連線設(shè)計(jì)

整體連線將產(chǎn)線作業(yè)單元的專用加工設(shè)備及其配套采用移動(dòng)式傳送帶進(jìn)行連接，傳送帶與各段作業(yè)單元的生產(chǎn)節(jié)拍密切配合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的高效重組和生產(chǎn)方式的快速構(gòu)建，現(xiàn)場連接如圖6所示。卷料是薄片狀的硅鋼片金屬，考慮耐磨性，一般選用高性能PVC開孔皮帶[12]，確保沖片在皮帶線上傳輸不打滑和抓取不吸附。

圖6 產(chǎn)線設(shè)備現(xiàn)場傳送帶連接

3.2.2 產(chǎn)線節(jié)拍平衡

自動(dòng)產(chǎn)線有八個(gè)工位，完成八道工序，每道工序的作業(yè)工時(shí)不同，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線平衡理論進(jìn)行節(jié)拍平衡，使各個(gè)工序作業(yè)時(shí)間盡可能接近[13]。其中刷漆單元的作業(yè)工時(shí)一般用線速度表示，根據(jù)工藝要求換算成兩組沖片在傳送帶上的間隔時(shí)間，即刷漆工序節(jié)拍，計(jì)算示意圖及公示如圖7所示。

圖7 刷漆單元作業(yè)時(shí)間計(jì)算示意圖

計(jì)算公式：

式中：

lc—沖片外輪廓長度，單位mm，針對具體型號(hào)的產(chǎn)品為固定值；

ds—兩組沖片之間間距，單位mm，根據(jù)需要取值范圍50～200；

v1—刷漆工序線速度，單位m/min，根據(jù)刷漆烘干單元設(shè)備參數(shù)取值≤12；

g—重力加速度，一般取9.8m/s2；

kf—沖片與傳送帶之間的摩擦系數(shù)，一般取0.4。

沖片長度lc平均值取為700mm，傳送帶上兩沖片間距ds取值為100mm，刷漆爐傳送帶速度v1為12m/min，代入式(2)得到Ts為4.03s。使用秒表測定其余7個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間依次為開卷2s、沖壓2.4s、復(fù)合1工序3.5s、去毛刺1、清洗1s、復(fù)合2工序1s、下料1s。參考[14]利用MOD法進(jìn)行產(chǎn)線瓶頸工位分析和產(chǎn)線平衡率P計(jì)算，刷漆工位由于作業(yè)時(shí)間最長，故確定為瓶頸工位，計(jì)算產(chǎn)線平衡率P=0.49，此時(shí)產(chǎn)線的平衡性很差，作業(yè)斷續(xù)不安全不流暢。參考[15]利用生產(chǎn)線平衡分析法重新調(diào)整其余工位的作業(yè)時(shí)間接近瓶頸工位，即產(chǎn)線各個(gè)工位作業(yè)時(shí)間均衡為4s，此時(shí)產(chǎn)線平衡率P=1，產(chǎn)線平衡性好，作業(yè)連續(xù)安全可靠。

3.3 基于機(jī)器人的復(fù)合工位

3.3.1 復(fù)合工位設(shè)計(jì)

由于定子沖片制造工藝需要，在產(chǎn)線沖壓單元與去毛刺單元之間和清洗單元與刷漆單元之間設(shè)計(jì)復(fù)合工位，集中沖片旋轉(zhuǎn)、在制品上下料、自動(dòng)抽檢以及缺陷檢測等4項(xiàng)重要功能，解決沖片在傳送帶上方向跑偏、臨時(shí)使用部分產(chǎn)線、替代人工自動(dòng)質(zhì)量抽檢以及沖片表面重大質(zhì)量缺陷等問題。

6軸機(jī)械臂具有高柔性、高可靠性特點(diǎn)，在自動(dòng)產(chǎn)線構(gòu)建中發(fā)揮重要作用，采用6軸機(jī)器臂為主配置定制化復(fù)合吸盤夾具、兩套視覺檢測系統(tǒng)、厚度檢測傳感系統(tǒng)等作為實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)重要功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相關(guān)集成技術(shù)參考[16，17]。

3.3.2 復(fù)合工位結(jié)構(gòu)

復(fù)合工位結(jié)構(gòu)如圖8所示，定制化復(fù)合吸盤夾具安裝在機(jī)械臂末端，設(shè)計(jì)適應(yīng)不同尺寸大小的單片和雙片類型的沖片，方便快速抓取和放下；設(shè)計(jì)兩套視覺檢測系統(tǒng)判斷沖片實(shí)時(shí)位置和方位，通過現(xiàn)場總線方式與機(jī)械臂進(jìn)行通訊。第一套視覺系統(tǒng)安裝在機(jī)械臂抓取位置前，用于檢測沖片表面質(zhì)量和位置，將信息傳遞到機(jī)械臂，進(jìn)行相應(yīng)操作。第二套視覺系統(tǒng)安裝在機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)沖片后，檢測沖片物理位置信息，判斷沖片是否旋轉(zhuǎn)到位；厚度檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于防止夾具一次抓取上下吸附在一起的兩張或多張沖片，造成產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 基于機(jī)器人的復(fù)合工位示意圖

3.4 總控集成設(shè)計(jì)

3.4.1 總控集成框架

采用TIA全集成控制思想進(jìn)行產(chǎn)線總控集成[18]，即采用統(tǒng)一的SIEMENS S7系列控制硬件、統(tǒng)一的Portal軟件平臺(tái)、統(tǒng)一的SQL Server數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一的WinCC組態(tài)應(yīng)用進(jìn)行部署，易于實(shí)現(xiàn)管控一體化。具體實(shí)現(xiàn)則采用基于Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場總線的四層集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[19]，如圖9所示，包括設(shè)備級(jí)、集控級(jí)、監(jiān)管級(jí)以及信息級(jí)。設(shè)備級(jí)為各個(gè)單元現(xiàn)場設(shè)備和控制器，多采用S7-300系列PLC基于Profibus-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行組網(wǎng)[20]；集控級(jí)以PLC S7-1515為核心，使用TP1200觸摸屏進(jìn)行產(chǎn)線參數(shù)設(shè)置和人工操作，通過Profinet工業(yè)以太網(wǎng)總線與設(shè)備級(jí)各單元連接；監(jiān)管級(jí)以產(chǎn)線可視監(jiān)控系統(tǒng)為主，利用OPC服務(wù)器通過OPC UA服務(wù)[21]與集控級(jí)PLC建立連接，采集產(chǎn)線各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)；信息級(jí)使用通用以太網(wǎng)將OPC服務(wù)器與工廠MES系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)等無縫互通互聯(lián)，通過WebService服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[22]，實(shí)時(shí)指導(dǎo)產(chǎn)線生產(chǎn)，規(guī)范產(chǎn)線生產(chǎn)組織管理。

圖9 自動(dòng)產(chǎn)線全集成控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)控制模式

產(chǎn)線運(yùn)行過程中根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求形成八種作業(yè)流程：即1）正常沖片全作業(yè)流程；2）項(xiàng)號(hào)片全作業(yè)流程；3）在線檢測全作業(yè)流程；4）僅使用沖床單元作業(yè)流程；5）僅使用去毛刺和清洗單元作業(yè)流程；6）僅使用刷漆烘干單元作業(yè)流程；7）不使用刷漆烘干單元作業(yè)流程；8）不使用沖壓單元作業(yè)流程。根據(jù)不同作業(yè)流程將全自動(dòng)線進(jìn)行分段控制，形成八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式，如圖10所示，使產(chǎn)線既可全流程連線使用，又可根據(jù)不同作業(yè)流程通過不同的上、下料口獨(dú)立使用，增強(qiáng)產(chǎn)線的柔性和實(shí)用性。針對八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，減少產(chǎn)線異常情況。

圖10 八種標(biāo)準(zhǔn)控制模式示意圖

3.4.3 控制安全和異?？煽啃詸z測

系統(tǒng)層面采用就地分布控制模式[23]和基于TIA全集成思想的四層控制結(jié)構(gòu)，確保了產(chǎn)線控制系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠。細(xì)節(jié)層面在產(chǎn)線上部署感知傳感器，并基于WinCC組態(tài)平臺(tái)和人機(jī)交互終端建立上層產(chǎn)線可視監(jiān)控系統(tǒng)，對產(chǎn)線工藝參數(shù)和設(shè)備異常情況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，發(fā)生異常立即報(bào)警。同時(shí)構(gòu)建產(chǎn)線高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在產(chǎn)線上料口、去毛刺入口、刷漆入口和下料口等關(guān)鍵工位處部署高清攝像頭和智能提醒視頻看板，對生產(chǎn)全流程進(jìn)行可視監(jiān)控，協(xié)助現(xiàn)場人工及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障、保護(hù)設(shè)備安全、減少質(zhì)量損失。通過以上措施綜合保證控制安全和異常可靠性檢測與處理。

4 應(yīng)用示范

本研究應(yīng)用于某大型發(fā)電機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行定子沖片自動(dòng)線建設(shè)，面向300MW和600MW火電0.5mm定子沖片1遍漆全流程生產(chǎn)，對現(xiàn)有的定子沖片離散生產(chǎn)設(shè)備，包括1臺(tái)凱撒沖床、1臺(tái)荷蘭去毛刺機(jī)、1臺(tái)清洗機(jī)、1臺(tái)惠門刷漆爐等，按照前述技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了全自動(dòng)線升級(jí)改造。包括在沖床與去毛刺機(jī)之間、清洗機(jī)與刷漆爐之間新增2個(gè)機(jī)械臂復(fù)合工位；構(gòu)建四層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，通過WebService服務(wù)與分廠MES系統(tǒng)、AGV物流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及可視化系統(tǒng)等互通互聯(lián)；產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)定為4秒?，F(xiàn)場如圖11所示。

圖11 某企業(yè)沖剪車間定子沖片全自動(dòng)產(chǎn)線

自動(dòng)線于2019年9月開始試用，截止到2019年12月進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，同比2018年9月～12月，對比如表1所示。

表1 自動(dòng)產(chǎn)線升級(jí)改造前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比表

經(jīng)表分析，自動(dòng)產(chǎn)線取得良好的效益：1）產(chǎn)線改變了傳統(tǒng)的人工離散制造方式，實(shí)現(xiàn)了8種標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)控制模式，可適應(yīng)插單、在制品上線、局部過程生產(chǎn)等多業(yè)務(wù)需求，提高了關(guān)鍵設(shè)備使用率；2）物料搬運(yùn)量和人工作業(yè)時(shí)間大幅度減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率整體提升超過50%，真正實(shí)現(xiàn)了沖片從原料上料到成品入庫的全流程生產(chǎn)；3）線邊庫存積壓大幅度較少，生產(chǎn)總量提高接近1倍，車間生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)組織管理更加有效指導(dǎo)生產(chǎn)；4）產(chǎn)品單位耗電量降低6%，作業(yè)人員減少62%，年均節(jié)約生產(chǎn)成本約25%。

5 結(jié)語

本文針對大型發(fā)電設(shè)備定子沖片特點(diǎn)和制造工藝，分析了定子沖片傳統(tǒng)離散制造方式的問題，提出了定子沖片混合生產(chǎn)數(shù)字化車間自動(dòng)產(chǎn)線的布局重構(gòu)、連線設(shè)計(jì)、復(fù)合工位設(shè)計(jì)以及總控集成等關(guān)鍵技術(shù)方法，在建設(shè)實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了離散制造模式改造升級(jí)為類流程制造模式，使得關(guān)鍵瓶頸設(shè)備得到有效使用，提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好應(yīng)用效果。該方法可推廣應(yīng)用于電力裝備制造企業(yè)的關(guān)鍵零部件制造設(shè)備升級(jí)改造，結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，增強(qiáng)產(chǎn)線的信息交互、數(shù)據(jù)處理以及自決策能力，提升產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平，為今后構(gòu)建電力裝備大規(guī)模定制化制造智能工廠打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。