大型发电设备定子冲片柔性生产自动产线技术研究

陈 兵，李晋航，石致远，殷庆文，吴文亮

（东方电气集团科学技术研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

定子冲片是大型发电设备的核心部件，其制造质量和性能的优劣直接影响着发电设备整体质量和性能[1]。发电设备需根据客户要求进行定制化设计，其制造属于典型的离散制造，高成本、低效益特征明显。

国内外机构和企业对冲片离散制造自动化过程保持高度重视并积极技术探索。Dotoli[2]、Fay[3]等人指出当前制造自动化技术正朝着集成化、柔性化、网络化以及智能化方向发展，欧美等发电设备制造企业加快离散生产过程改造，德国西门子与SCHULER公司合作研制出定子冲片集成自动生产线，使冲片一次完成冲压、去毛刺、刷漆、烘焙、落料等工艺，提高了冲片的生产效率；美国GE公司在燃机生产线上引入机器人、3D打印等柔性自动化技术，保证了产品质量，增强了产线的柔性；类似的企业还有瑞典的ABB、日本的三菱等[4]。国内华中科技大学[5]、华南理工大学[6]等高校与企业合作对车辆电机定转子冲片自动化生产线进行研究，沈阳麦格文智公司[7]对小型发电机和电动机定子铁芯自动产线进行了设计，均成功将离散制造集成化和流程化改造，但产线上的关键瓶颈设备无法共享使用，造成产线柔性不足，制造资源紧张。

综上所述，目前国内面向发电设备的制造自动化技术研究不足，制造能力与欧美等国际企业相比仍有一定差距，制约了企业的发展，迫切需要进行自动化升级改造。本文在总结国内外相关企业自动化制造技术之上，深入分析定子冲片产品特点和制造工艺问题，开展定子冲片高柔性混合生产自动技术研究和设备自主研制，在数字化车间建设实践中进行应用示范。

1 大型发电设备定子冲片特点及制造难点

1.1 大型发电设备定子冲片特点

定子冲片由0.3mm～0.6mm厚度的薄硅钢片制作而成，如图1所示，需根据客户个性化要求进行定制设计制造，导致其外形尺寸差异大、种类繁多[8]。例如一台600MW火电发电机组由二十多万张定子冲片组成，涉及正常片、项号片、调节片以及槽板等4大种类十几种规格。

图1 大型发电设备定子冲片

1.2 大型发电设备定子冲片生产难点

大型发电设备定子冲片原工艺人工现场作业如图2所示，制造流程如图3所示，总结归纳出以下5个典型工艺特点及问题：

图2 原工艺人工去毛刺和成品下料作业

1）工艺流程：横向多规格批量配套组合生产，纵向多个过程复合交叉，工艺流程复杂，生产周期长；

2）人工作业：手工单机作业多，人工成本高，投入产出不匹配；

3）物料转运：物流工具资源紧缺，转运效率低，生产节拍不平衡，序间半成品积压严重；

4）工艺要求：尺寸精度和表面质量要求在微米级，单片生产时间不超过4秒，制造精度和加工效率要求高；

5）生产组织：信息反馈和统计不及时不准确，生产计划无法有效指导一线生产，生产组织较为混乱。

可以看出，定子冲片制造属于典型的多品种、中小批量、定制化的离散生产，相较一般离散制造而言其对加工精度、制造成本、生产效率、表面质量等要求更加严格[9]。随着市场竞争愈加激烈，客户要求越来越多样化，人工单机作业生产的传统制造方式无法适应多品种冲片高效高柔性制造需求，需采用自动化、数字化等先进技术，考虑关键瓶颈设备综合利用、多批量成组混合制造以及全流程制造等要求，改造定子冲片传统制造作业模式。将传统离散制造作业模式改造升级为类流水混合制造模式为本文的创新点。

2 自动产线总体方案

自动产线总体方案如图4所示，从五个层面进行自动产线构建，设备层面从定子冲片全流程制造要求设置八个工序单元，依次为开卷单元、冲压单元、复合单元1、去毛刺单元、清洗单元、复合单元2、刷漆单元以及下料单元。控制层面实现与设备单元互联，根据控制对象形成传送带连接控制、机器人控制、安全控制、单元控制以及接驳控制等五大控制模块。数据层面通过数据接口实现数据与功能层和控制层的上下通讯，采集产线控制数据，通过数据处理形成生产、设备、质量、计划以及安全等五类典型数据供功能层调用。功能层面根据人机交互和外部对接需要，形成组态可视监控、产线展示看板、产品缺陷检测、高清视频监控以及外部接驳等五大模块。业务层面通过功能层各个模块实现多业务组合需求、产线连续稳定生产、产线柔性和安全需求、产线生产计划及产能管理以及产线开放接口等业务。

图4 定子冲片自动产线总体框架

3 自动产线关键技术

车间布局、连线设计、关键工位以及控制集成是自动产线构建的核心，故针对冲片自动产线开展产线布局重构、离散单元连线生产设计、基于机器人的复合工位设计以及总控集成等技术研究。

3.1 产线布局重构

定子冲片制造车间原设备通常根据工艺原则离散分布，生产计划复杂、物流成本高、工人技能要求高[10]，无法满足定子冲片少人高效高柔性制造要求。按照冲片产品连续生产和场地空间最大利用要求，根据定子冲片工艺流程，参考[11]基于SPL-PGA方法进行设备直线布局重构，得到如图5所示产线三维布局。同时基于产线开放性、经济性考虑，在单元区之间设计适当数量的外部接驳点，如图中9卷料上料接驳点、10冲压下料接驳点、11粗在制品上下料接驳点、12精在制品上下料接驳点、13成品下料接驳点等，接驳点与车间AGV物流系统进行对接，完成冲片原料上料、在制品和成品上下产线。新布局把离散作业型创新性的改成类流水线作业模式，结合缓存设置、节拍控制和物流自动配给等，大幅提高冲片制造效率。

图5 定子冲片自动产线三维布局

3.2 离散单元连线及节拍设计

3.2.1 产线连线设计

整体连线将产线作业单元的专用加工设备及其配套采用移动式传送带进行连接，传送带与各段作业单元的生产节拍密切配合，实现产线的高效重组和生产方式的快速构建，现场连接如图6所示。卷料是薄片状的硅钢片金属，考虑耐磨性，一般选用高性能PVC开孔皮带[12]，确保冲片在皮带线上传输不打滑和抓取不吸附。

图6 产线设备现场传送带连接

3.2.2 产线节拍平衡

自动产线有八个工位，完成八道工序，每道工序的作业工时不同，应根据生产线平衡理论进行节拍平衡，使各个工序作业时间尽可能接近[13]。其中刷漆单元的作业工时一般用线速度表示，根据工艺要求换算成两组冲片在传送带上的间隔时间，即刷漆工序节拍，计算示意图及公示如图7所示。

图7 刷漆单元作业时间计算示意图

计算公式：

式中：

lc—冲片外轮廓长度，单位mm，针对具体型号的产品为固定值；

ds—两组冲片之间间距，单位mm，根据需要取值范围50～200；

v1—刷漆工序线速度，单位m/min，根据刷漆烘干单元设备参数取值≤12；

g—重力加速度，一般取9.8m/s2；

kf—冲片与传送带之间的摩擦系数，一般取0.4。

冲片长度lc平均值取为700mm，传送带上两冲片间距ds取值为100mm，刷漆炉传送带速度v1为12m/min，代入式(2)得到Ts为4.03s。使用秒表测定其余7个工位的作业时间依次为开卷2s、冲压2.4s、复合1工序3.5s、去毛刺1、清洗1s、复合2工序1s、下料1s。参考[14]利用MOD法进行产线瓶颈工位分析和产线平衡率P计算，刷漆工位由于作业时间最长，故确定为瓶颈工位，计算产线平衡率P=0.49，此时产线的平衡性很差，作业断续不安全不流畅。参考[15]利用生产线平衡分析法重新调整其余工位的作业时间接近瓶颈工位，即产线各个工位作业时间均衡为4s，此时产线平衡率P=1，产线平衡性好，作业连续安全可靠。

3.3 基于机器人的复合工位

3.3.1 复合工位设计

由于定子冲片制造工艺需要，在产线冲压单元与去毛刺单元之间和清洗单元与刷漆单元之间设计复合工位，集中冲片旋转、在制品上下料、自动抽检以及缺陷检测等4项重要功能，解决冲片在传送带上方向跑偏、临时使用部分产线、替代人工自动质量抽检以及冲片表面重大质量缺陷等问题。

6轴机械臂具有高柔性、高可靠性特点，在自动产线构建中发挥重要作用，采用6轴机器臂为主配置定制化复合吸盘夹具、两套视觉检测系统、厚度检测传感系统等作为实现4项重要功能的执行机构，相关集成技术参考[16，17]。

3.3.2 复合工位结构

复合工位结构如图8所示，定制化复合吸盘夹具安装在机械臂末端，设计适应不同尺寸大小的单片和双片类型的冲片，方便快速抓取和放下；设计两套视觉检测系统判断冲片实时位置和方位，通过现场总线方式与机械臂进行通讯。第一套视觉系统安装在机械臂抓取位置前，用于检测冲片表面质量和位置，将信息传递到机械臂，进行相应操作。第二套视觉系统安装在机械臂旋转冲片后，检测冲片物理位置信息，判断冲片是否旋转到位；厚度检测传感系统设计用于防止夹具一次抓取上下吸附在一起的两张或多张冲片，造成产品报废和设备故障风险。

图8 基于机器人的复合工位示意图

3.4 总控集成设计

3.4.1 总控集成框架

采用TIA全集成控制思想进行产线总控集成[18]，即采用统一的SIEMENS S7系列控制硬件、统一的Portal软件平台、统一的SQL Server数据库、统一的WinCC组态应用进行部署，易于实现管控一体化。具体实现则采用基于Profinet和Profibus-DP现场总线的四层集成网络结构[19]，如图9所示，包括设备级、集控级、监管级以及信息级。设备级为各个单元现场设备和控制器，多采用S7-300系列PLC基于Profibus-DP现场总线进行组网[20]；集控级以PLC S7-1515为核心，使用TP1200触摸屏进行产线参数设置和人工操作，通过Profinet工业以太网总线与设备级各单元连接；监管级以产线可视监控系统为主，利用OPC服务器通过OPC UA服务[21]与集控级PLC建立连接，采集产线各项数据，实时监控产线生产状态；信息级使用通用以太网将OPC服务器与工厂MES系统、AGV系统等无缝互通互联，通过WebService服务进行数据交互[22]，实时指导产线生产，规范产线生产组织管理。

图9 自动产线全集成控制系统架构

3.4.2 标准控制模式

产线运行过程中根据实际业务需求形成八种作业流程：即1）正常冲片全作业流程；2）项号片全作业流程；3）在线检测全作业流程；4）仅使用冲床单元作业流程；5）仅使用去毛刺和清洗单元作业流程；6）仅使用刷漆烘干单元作业流程；7）不使用刷漆烘干单元作业流程；8）不使用冲压单元作业流程。根据不同作业流程将全自动线进行分段控制，形成八种标准控制模式，如图10所示，使产线既可全流程连线使用，又可根据不同作业流程通过不同的上、下料口独立使用，增强产线的柔性和实用性。针对八种标准控制模式进行调试和试运行，减少产线异常情况。

图10 八种标准控制模式示意图

3.4.3 控制安全和异常可靠性检测

系统层面采用就地分布控制模式[23]和基于TIA全集成思想的四层控制结构，确保了产线控制系统整体稳定可靠。细节层面在产线上部署感知传感器，并基于WinCC组态平台和人机交互终端建立上层产线可视监控系统，对产线工艺参数和设备异常情况实时数据采集与监控，发生异常立即报警。同时构建产线高清视频监控系统，在产线上料口、去毛刺入口、刷漆入口和下料口等关键工位处部署高清摄像头和智能提醒视频看板，对生产全流程进行可视监控，协助现场人工及时发现生产故障、保护设备安全、减少质量损失。通过以上措施综合保证控制安全和异常可靠性检测与处理。

4 应用示范

本研究应用于某大型发电机制造企业进行定子冲片自动线建设，面向300MW和600MW火电0.5mm定子冲片1遍漆全流程生产，对现有的定子冲片离散生产设备，包括1台凯撒冲床、1台荷兰去毛刺机、1台清洗机、1台惠门刷漆炉等，按照前述技术和设计方案，进行了全自动线升级改造。包括在冲床与去毛刺机之间、清洗机与刷漆炉之间新增2个机械臂复合工位；构建四层结构控制系统，通过WebService服务与分厂MES系统、AGV物流系统、数据采集系统以及可视化系统等互通互联；产线节拍设定为4秒。现场如图11所示。

图11 某企业冲剪车间定子冲片全自动产线

自动线于2019年9月开始试用，截止到2019年12月进行生产数据统计，同比2018年9月～12月，对比如表1所示。

表1 自动产线升级改造前后生产数据统计对比表

经表分析，自动产线取得良好的效益：1）产线改变了传统的人工离散制造方式，实现了8种标准自动控制模式，可适应插单、在制品上线、局部过程生产等多业务需求，提高了关键设备使用率；2）物料搬运量和人工作业时间大幅度减少，劳动强度降低，生产效率整体提升超过50%，真正实现了冲片从原料上料到成品入库的全流程生产；3）线边库存积压大幅度较少，生产总量提高接近1倍，车间生产计划和生产组织管理更加有效指导生产；4）产品单位耗电量降低6%，作业人员减少62%，年均节约生产成本约25%。

5 结语

本文针对大型发电设备定子冲片特点和制造工艺，分析了定子冲片传统离散制造方式的问题，提出了定子冲片混合生产数字化车间自动产线的布局重构、连线设计、复合工位设计以及总控集成等关键技术方法，在建设实践中进行了应用，实现了离散制造模式改造升级为类流程制造模式，使得关键瓶颈设备得到有效使用，提高了生产效率、降低了生产成本，同时也降低了工人劳动强度，取得了良好应用效果。该方法可推广应用于电力装备制造企业的关键零部件制造设备升级改造，结合5G、大数据、人工智能等先进技术，增强产线的信息交互、数据处理以及自决策能力，提升产线的网络化和智能化水平，为今后构建电力装备大规模定制化制造智能工厂打下坚实的基础。