成套开关柜铜排智能制造系统研发与应用

沈狄龙 王鹏程 夔国凤 高小永* 朱鹰

（1.杭州电力设备制造有限公司萧山欣美成套电气制造分公司 浙江省杭州市 311215）

（2.中国石油大学（北京）自动化系 北京市 102249 3.苏州慧工云信息科技有限公司 江苏省苏州市 215000）

铜排，由铜材质制作，是横截面为矩形或圆角矩形的长导体，应用于电路中，起输送电流和连接电气设备的作用。铜排在电气设备尤其是成套配电装置中应用广泛。目前，作为国民经济生产重要基础原材料工业之一的铜加工企业发展迅速，中国铜排加工业也不断成熟壮大。加上我国经济持续稳定发展和世界加工制造业中心地位的确立，我国电子工业、通讯、家电等行业快速发展，为铜排加工工业的市场提供了千载难逢的良好机遇。然而，铜排的设计仍依赖现场手动绘制，手动输入，效率极低，出错率甚至达到20%以上。将铜排生产过程标准化、模块化可以提高成套开关柜工程项目铜排设计的效率，提高铜排利用率，降低成本，实现提前预制，缩短制作周期，为精益产线的实施提供基础条件。

在铜排的生产过程中，由于过度依然工人经验及生产过程标准化程度低，导致铜排质量不能满足客户的要求，主要存在划伤、凹坑和色泽不匀等缺陷[1]。针对中盐江西某化工有限公司的一起低压母线铜排短路事故，龚炳林和黄龙林分析了事故及防范措施[2]。现有对铜排行业的研究绝大部分集中在对生产工艺的改进和设备研制方面。高中庸等[3]研究了一套提高铜排拉拔质量与生产效率的措施，王朱鑫等[4]提出氩弧焊对大厚度铜排进行焊接的一套工艺。Mingan Chen 等[5]对铜排在轴向压缩载荷下的塑性剪切产生的变形微观结构等进行了研究。何群等[6]介绍了裸铜排在三峡灭磁开关柜中的应用。黄金等[7]摸索出能获得较均匀晶粒度的加工工艺。冯淑敏等[8]提出采用由PLC 加光栅尺构成的闭环控制方式。同样罗继庚等[9]提出整个系统采用PLC 完成逻辑控制的保护。针对人工托举方式带来的工作危险程度大、加工质量不稳定等问题，纪大尧等[10]提出研制适合现场实际的铜排托举、调整设备。从U 型铜排产品的加工工艺着手，张永统等[11]对U 型铜排产品在挤压、拉拔过程中出现的问题进行了研究。Zhang-zhi SHI 等[12]分析了带有胶质颗粒的铜排在小幅冷拉后伸长率明显下降的原因。徐善刚等[13]分析了新型铜排连续高速镀锡生产线的应用优势。以铜排母线的配电方式为基础，张益波等[14]设计一种适合注塑机配电箱使用的大电流电能分配方式。最近，鲁中甫等[15]采用S7-1500 系列PLC、施耐德LEXM32M 系列驱动器、施耐德GXU 系列触摸屏等，实现铜排链的自动拆卸和自动装配。Bohluli[16]探讨了通过扭曲挤压和正向挤压来制造铝铜双金铜排的可行性。在对生产设备的改进与研制方面，主要包括对工装模具、折弯机凹凸模等设备的改进。此外，由于传统基于CAD 软件的铜排设计需要一定的空间想象能力且过程繁琐易出错，耗费时间，杨波等[17]以SolidWorks 软件为研究对象，自动输出铜排零件图样，实现了数字化生产。

综上所述，现有的对铜排生产的研究大多集中在生产工艺和生产设备的改进和研制方面，对成套开关柜铜排设计制作过程中的标准化、模块化等内容研究很少。本文通过对开关柜柜型的调研、对关键数据的分析，结合技工经验与三维技术，定义统一的标准，采用MATLAB 语言开发智能设计软件，使得元器件与开关柜的生产标准化、铜排的设计模块化，从而加快生产速度、提高生产力，减少对技术工人的要求，进而降低成本减少人为错误。

1 问题描述

铜排在电气设备，特别是成套配电装置中应广泛用，在电路中起输送电流和连接电气设备的作用，它的加工质量直接影响到开关柜的安全性、可靠性，并且影响到电路传输的质量。本文所研究的成套开关柜铜排智能制造系统，通过对大量柜型及各元器件数据的分析，制定统一的生产标准，使得柜体及各元器件的生产标准化的同时也使得铜排的设计模块化。成套开关柜铜排智能制造系统设计流程图如图1 所示。

图1：成套开关柜铜排智能制造系统设计流程图

其中，柜体参数包括物料编号、型号、生产厂家、长、宽、高、安装梁尺寸；断路器参数包括物料编号、型号、规格、生产厂家、长、宽、高、安装孔孔径、安装孔位置（宽）、安装孔位置（深）、安装孔侧边间距；出线端子参数包括长、宽、高、孔距、孔径、相间距、上下端子中心距、下端子中心高度、安装孔位置（宽）；母线框参数包括物料编号、型号、生产厂家、长、宽、高、母线宽、母线高、相间距、安装孔孔径；关联参数包括绝缘子横梁位置（高）、绝缘子横梁位置（低）、断路器安装板高度。

2 软件设计与研发

对柜体、各元器件（断路器、母线框等）进行计算逻辑分析。设计数据字典，采用MySQL 平台，实现数据批量导入与导出。MATLAB 环境中实现各部分单独的建模界面，对各部分进行三维立体展示。主界面将各部分按照实际柜体需求进行组合安装，实现柜体与各元器件组合后的三维立体展示。

表1：柜体参数表

表2：断路器参数表

表3：出线端子参数表

2.1 计算逻辑分析

单独建模时，分别以柜体、断路器、母线框的正面（XOZ，X 轴与Z 轴形成的平面）左下角为三维空间的原点坐标。对柜体、断路器、母线框、关联部分进行计算逻辑分析及坐标设计后，在MySQL 中设计数据字典如表1-5 所示。其中，对柜体主要分析其长宽高以及柜体内各部分的支架信息；对断路器及出线端子，主要分析断路器的深、宽、高、安装孔位置及孔径等，以及出线端子的长宽厚、孔径、孔距及其相对于断路器的坐标等信息；对母线框，主要分析母线框的厚、高、安装孔孔径等，以及母线的厚、宽等。

关联部分建模时，以柜体的正面（XOZ，X 轴与Z 轴形成的平面）左下角为三维空间的原点坐标，根据柜体内各支架的参数信息及断路器与母线框的参数信息，计算得到各部分的三维坐标。

2.2 各单元建模界面

柜体参数设置界面、断路器参数设置界面、母线框参数设置界面如图2-图4。

图2：柜体参数设置界面

图4：母线框参数设置界面

表4：母线框参数表

表5：关联参数表

表6：对比结果统计

2.3 系统功能

本文所开发的成套开关柜铜排智能制造系统具有如下功能：

（1）自动生成冲孔、折弯程序：将柜体、断路器、母线框及关联部分等数据输入系统后，首先会进行柜体、断路器、母线框等部分的三维立体建模，接着根据关联数据将各部分进行组合生成关联三维立体图，最后根据关联三维立体图及逻辑关系，生成铜排的三维立体图，包括冲孔、折弯部分的程序。

（2）与制造设备打通，自动生成下料清单：在软件界面上生成三维立体图的同时也可以输出SE 文件，SE 文件输入现场的制造设备便开始生产铜排，包括打孔、折弯等。

（3）与铜排智能仓库打通，实现铜排精准库存管理，自动取料。

（4）与MES 系统的对接，可以实现对生产数据的实时采集。

综合上述功能，整个系统可以实现从设计、到备料、到生产的数字化实时管理。

3 实施效果

本节通过一个实际应用案例来验证所开发的智能制造系统的有效性。

案例所采用的柜体、断路器、母线框、关联部分等数据，以及单独的三维示意图，如图5-图7 所示。得到图8 所示的关联三维示意图，图9 中加入了带有折弯的铜排单排，图10 为带有折弯的铜排双排。通过统一规范柜体、断路器、母线框等尺寸信息，实现各部分的生产标准化。将所得关联三维示意图中与铜排相关的参数及程序单独处理后，与Solid Edge 进行连接，实现铜排的三维设计如图11 所示，并导出相应的SE 文件。最后将SE 文件输入现场铜排生产设备，即可按照所设定的参数和程序进行铜排的模块化生产。

图3：断路器参数设置界面

图5：柜体数据

图6：断路器数据

图7：母线框数据

图8：关联三维图(铜排生成前)

图9：关联三维图(铜排生成后)

图10：关联三维图(双排)

图11：Solid Edge 文件

针对智能制造系统投入前后的效果，在杭州萧山欣美成套电气制造分公司运行后，得到结果对比统计，如表6 所示。

通过对比结果可以看出，采用智能制造系统后，通过系统界面的三维示意图，可以实现铜排设计过程的三维可视化，加快了铜排生产速率、减少了施工期。另外，通过设计过程全程的可视化显示，对于设计过程的合理性诊断提供了详细可靠的依据，可以有效地防止设计出错，大大降低了出错率。

在整体的预估经济效益上，全国的规模以上电气成套企业计有3000 余家，从事铜排设计相关的工作人员需量在10,000 人以上，当前的人才缺口巨大，且工作效率与质量与自动建模测算相比，本产品预估节约35%的人效，且能显著降低设计出错率，节约宝贵的铜原材料资源。

4 结论与展望

铜排在电路中起输送电流和连接电气设备的作用，它的加工质量不仅影响到成套开关柜产品运行的安全可靠性，也影响产品的制造成本。针对目前实际现场采用的手动绘制、手动输入方式带来的效率极低、出错率极高等问题，本文通过对柜型的调研、对关键数据的分析，定义统一的标准，采用MATLAB 语言开发了智能设计软件，实现了自动出图、自动生成加工程序、自动生成下料清单、铜排精准库存管理以及采集生产过程数据的功能。实施效果表明，本研究所开发的智能制造系统，可使得元器件与盘柜的生产标准化、铜排的设计模块化，提高成套开关柜工程项目铜排设计的效率，降低成本，降低出错率，为精益产线的实施提供基础条件。

在下一步的工作中，面向更高的生产质量与要求，特别是电磁兼容性与散热效应的优化，将成为成套开关柜铜排布局的进阶优化目标，在传统的现场测量下，这一优化工序将难以实现。而在模型化设计的基础上，铜排本身的参数化设计可以实现除用铜最省这一经济指标外的其他设计与经营指标，为国家的用电安全与可靠性提供更多的可能性与价值。