基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子車間設(shè)計

黃勝　張國富　趙子龍

摘 要：基于數(shù)字孿生技術(shù)，可以實現(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)的高質(zhì)量化和高效率化。同時，還可以兼顧多規(guī)格、小批量的柔性化生產(chǎn)模式，以滿足企業(yè)在市場環(huán)境中的需求。因此，將傳統(tǒng)制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字孿生制造是電機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文針對某公司的實際情況，提出了基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子車間設(shè)計，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，為電機(jī)行業(yè)的智能化改造和生產(chǎn)優(yōu)化提供參考價值。

關(guān)鍵詞：電機(jī)定轉(zhuǎn)子 數(shù)字孿生 車間設(shè)計

1 引言

隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的不斷深入推進(jìn)，電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)正逐漸向定制化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。越來越多的電機(jī)企業(yè)追求產(chǎn)品創(chuàng)新、低成本制造，以迎合用戶需求并實現(xiàn)產(chǎn)能優(yōu)化。為解決實際問題，越來越多的企業(yè)采用數(shù)字孿生技術(shù)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在席卷制造業(yè)[1-2]。

2 數(shù)字孿生車間介紹

數(shù)字孿生車間是在新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)的驅(qū)動下實現(xiàn)物理車間和虛擬車間之間雙向真實映射與互動的系統(tǒng)。它實現(xiàn)了物理車間、虛擬車間和車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合［3-4］。數(shù)字孿生車間系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃和生產(chǎn)過程控制等，在物理車間、虛擬車間和車間服務(wù)系統(tǒng)之間迭代優(yōu)化，以實現(xiàn)車間生產(chǎn)和管控的最優(yōu)［5］。

3 基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子智能車間設(shè)計

3.1 基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子智能車間系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子車間系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和運行流程如圖1所示。它主要由信息系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和智能展示系統(tǒng)組成。信息系統(tǒng)包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、分布式數(shù)字控制（DNC）過程控制系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，用于下達(dá)車間生產(chǎn)指令和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)[5]。

3.2 定轉(zhuǎn)子智能制造生產(chǎn)線

3.2.1 總體設(shè)計模型

數(shù)字化定轉(zhuǎn)子沖片車間負(fù)責(zé)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的沖片沖制、定子鐵芯的扣片或焊接以及轉(zhuǎn)子鐵芯的鑄鋁等加工工序?？傮w設(shè)計模型如圖2所示。

通過數(shù)字化定轉(zhuǎn)子沖片車間，根據(jù)產(chǎn)品的電機(jī)直徑，建設(shè)了數(shù)字化高速沖流水線單元（直徑50mm至300mm）、數(shù)字化整卷伺服偏擺沖壓流水線單元（直徑300mm至450mm）和轉(zhuǎn)子自動化澆鑄數(shù)字化車間。數(shù)字化定子疊裝單元根據(jù)產(chǎn)品直徑大小，建設(shè)了定子自動扣片單元（直徑50mm至300mm）和定子自動氬弧焊單元（直徑300mm至450mm）。轉(zhuǎn)子自動化澆鑄數(shù)字化車間根據(jù)產(chǎn)品直徑大小，建設(shè)了伺服臥式壓鑄自動化流水線單元（直徑30mm至90mm）和轉(zhuǎn)子自動氬弧焊單元（直徑90mm至270mm）。此外，結(jié)合車間智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了車間級的智能化和信息化管理。

3.2.2 工程設(shè)計模型

（1）數(shù)字化高速沖流水線設(shè)計模型

數(shù)字化高速沖流水線單元將配備630T伺服數(shù)控高速精密沖床1臺、六關(guān)節(jié)機(jī)器人1臺、90°伺服旋轉(zhuǎn)抓手2套、伺服高速油壓機(jī)2臺、在線檢測系統(tǒng)2套、三通道伺服輸送線2套、平板板鏈輸送線2條、雙工位下料倉1套，總控單元2套。

將機(jī)械手用于數(shù)字化高速沖流水線，以轉(zhuǎn)移沖床所加工的定轉(zhuǎn)子鐵芯工件，實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子鐵芯的碼垛裝箱，以提升產(chǎn)品質(zhì)量，并避免碰傷和刮傷。采用埃夫特六關(guān)節(jié)機(jī)器人具有安裝使用靈活、效率高和運動速度快等特點，非常適合與各種機(jī)床組成柔性自動化生產(chǎn)線，以提高效率、節(jié)約人力。

（2）數(shù)字化整卷伺服偏擺沖流水線設(shè)計模型

數(shù)字化整卷伺服偏擺沖流水線單元將配備整卷伺服偏擺沖送料機(jī)1臺、250T伺服高性能寬臺面沖床1臺、63T伺服高性能沖床2臺、20KG機(jī)器人3臺、沖片接料裝置3套、沖片視覺分離裝置1套、沖片伺服收料裝置2套、中轉(zhuǎn)料道3套。

機(jī)械手將用于數(shù)字化整卷伺服偏擺沖流水線，以轉(zhuǎn)移沖床所加工的定轉(zhuǎn)子沖片，實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子沖片的分離，以提升產(chǎn)品質(zhì)量，并避免碰傷和刮傷。采用埃夫特ER20機(jī)器人具有安裝使用靈活、效率高和運動速度快等特點。

（3）數(shù)字化定子自動扣片流水線設(shè)計模型

數(shù)字化定子自動扣片流水線單元將配備伺服自動扣片機(jī)2臺、伺服送料機(jī)2套、伺服平板板鏈線2套、50KG六關(guān)節(jié)機(jī)器人1臺、總控單元2套。

（4）數(shù)字化定子自動氬弧焊流水線設(shè)計模型

數(shù)字化定子自動氬弧焊流水線單元將配備伺服自動化氬弧焊機(jī)2臺、下拉式氬弧焊工裝2套、50KG六關(guān)節(jié)機(jī)器人1臺、伺服橫架機(jī)械手2套、總控單元4套。

（5）數(shù)字化離心澆鑄流水線設(shè)計模型

數(shù)字化離心澆鑄流水線單元將配備自動溫控天然氣熔鋁爐1臺、中頻溫控加熱爐1套、上下料伺服機(jī)械手2套、伺服離心澆鑄機(jī)1臺、伺服給湯機(jī)1臺、切澆口伺服油壓機(jī)1臺、雙工位下料倉1套、總控單元3套。

（6）數(shù)字化臥式自動壓鑄流水線單元

數(shù)字化臥式自動壓鑄流水線單元將配備280T臥式伺服壓鑄機(jī)1臺、自動溫控天然氣熔鋁爐1臺、伺服給湯機(jī)1臺、50KG六關(guān)節(jié)機(jī)器人1臺、多軸伺服鉸孔機(jī)1臺、自動溫控冷卻線1套、隔板收集裝置1套、24頭雙控伺服噴霧機(jī)1套、伺服板鏈線2套、轉(zhuǎn)子鐵芯定位裝置1套、轉(zhuǎn)定位總控單元3套。

3.2.3 工藝流程及布局模型

（1）數(shù)字化高速沖流水線工藝流程

硅鋼片條料通過伺服高速送料機(jī)送入數(shù)控高速精密沖床（配高速級進(jìn)模），沖壓后輸送出定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯。然后，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯通過90°伺服旋轉(zhuǎn)抓手轉(zhuǎn)移到伺服高速油壓機(jī)，進(jìn)行二次冷壓。冷壓后的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯再由90°伺服旋轉(zhuǎn)抓手轉(zhuǎn)移到在線厚度檢測工位進(jìn)行產(chǎn)品檢測。檢測完成后，產(chǎn)品進(jìn)行分揀并有序排列在裝箱三通道伺服輸送線上。當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定程度時，由六關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行碼垛操作。

（2） 數(shù)字化整卷伺服偏擺沖流水線工藝流程

硅鋼片卷料通過伺服偏擺送料機(jī)送入伺服高性能寬臺面沖床進(jìn)行沖壓（配合定子復(fù)合模），沖出定子沖片和轉(zhuǎn)子葵花片沖片。隨后，視覺分離裝置將沖片分離，定子沖片直接進(jìn)行碼垛?？ㄆㄟ^機(jī)器人1置于中轉(zhuǎn)料道上，由機(jī)器人2送入63T伺服高性能沖床進(jìn)行切廢葉（切邊）沖制出轉(zhuǎn)子圓片（然后由機(jī)器人取出）。原片經(jīng)過中轉(zhuǎn)料道送至機(jī)器人3工位，由機(jī)器人送入63T伺服高性能沖床進(jìn)行槽型沖制，轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行碼垛。

（3）數(shù)字化定子自動扣片流水線工藝流程

數(shù)字化定子自動扣片流水線工藝流程如圖3所示。首先，工人會將定子沖片稱重后放入疊壓工裝中，并且設(shè)備會自動將其送入扣片區(qū)。接下來，上下油缸將定子沖片鎖緊，然后自動進(jìn)行扣片操作?？燮瓿珊螅簤合到y(tǒng)會被松開，使定子鐵芯自動送到下料工位，而下料機(jī)器人則會負(fù)責(zé)將其裝箱碼垛。

（4）數(shù)字化定子自動氬弧焊流水工藝流程

數(shù)字化定子自動氬弧焊流水工藝流程如圖4所示。定子沖片同樣會被工人稱重后放入氬弧焊工裝中，并且設(shè)備也會自動將其送入氬弧焊焊接區(qū)。然后，上下油缸會鎖緊定子沖片，使其可以進(jìn)行自動氬弧焊（6-8槍）操作。焊接完成后，液壓系統(tǒng)會被松開，將定子送到下料工位。隨后，下料機(jī)械手會自動將其下料至工位。

（5）數(shù)字化離心澆鑄工藝流程

數(shù)字化離心澆鑄工藝流程是這樣的：首先，人工將要澆鑄的轉(zhuǎn)子鐵芯放在進(jìn)料鏈板線的相應(yīng)工裝上。接著，轉(zhuǎn)子鐵芯會進(jìn)入中頻加熱爐，經(jīng)過均勻加熱后達(dá)到澆鑄要求。然后，上下料機(jī)械手從轉(zhuǎn)子加熱爐上抓取疊片，并將其放入離心澆鑄機(jī)模具內(nèi)。接著，澆鑄機(jī)會合模，自動給湯機(jī)澆鋁液。完成后，上下料機(jī)械手會將澆鑄完成的轉(zhuǎn)子從離心澆鑄機(jī)模具內(nèi)取出，并放置在鑄鋁轉(zhuǎn)子輸送線上。隨后，機(jī)械手會將鑄鋁轉(zhuǎn)子從輸送線上抓起，并送入專機(jī)。專機(jī)會切去澆口，并進(jìn)行裝箱處理。

（6）數(shù)字化臥式自動壓鑄工藝流程

轉(zhuǎn)子鐵芯框會被放入指定位置，然后六關(guān)節(jié)機(jī)器人1會抓取鐵芯，并將其排列到排列區(qū)。接著，機(jī)器人2會抓取轉(zhuǎn)子鐵芯，并將其放入壓鑄模內(nèi)。臥式壓鑄機(jī)合模后，會給湯機(jī)倒鋁液倒壓射室，然后進(jìn)行鑄鋁操作。開模后，機(jī)器人2會進(jìn)入抓取鋁轉(zhuǎn)子，然后將其放到冷卻區(qū)。與此同時，噴霧機(jī)會進(jìn)入模具噴脫模劑，以便順利脫模。噴霧機(jī)退出后，機(jī)器人2會重復(fù)以上動作。機(jī)器人1的動作則是從鐵框內(nèi)取出轉(zhuǎn)子鐵芯，并將其放到排列區(qū)，然后取隔板，換真空吸盤。

4 結(jié)語

基于數(shù)字孿生的電機(jī)定轉(zhuǎn)子車間設(shè)計采用了沖片沖制、定子鐵芯扣片和焊接以及轉(zhuǎn)子鐵芯鑄鋁的工藝。該車間改造項目已成功入選工信部超高效永磁電機(jī)及控制系統(tǒng)智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項目。引入數(shù)字化技術(shù)后，該車間具備了工作狀態(tài)反饋、制造數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互等數(shù)字化能力。同時，該車間具有較強(qiáng)的柔性制造能力和兼容性，有效提高了電機(jī)定轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，為電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)字化和智能化生產(chǎn)提供了有參考價值的解決方案。

項目基金：湖南省教育廳科學(xué)研究項目《電機(jī)智能制造生產(chǎn)線及關(guān)鍵工藝設(shè)備的設(shè)計與研究》（編號22C0903）。

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