機(jī)床改造在離散型智能制造新模式中的應(yīng)用探索

陳文平，劉軍，劉伯興，胡章洪

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔（以下簡(jiǎn)稱槽楔或轉(zhuǎn)子槽楔）的作用是通風(fēng)散熱和固定轉(zhuǎn)子線圈的位置，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將其甩出。它與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽進(jìn)行裝配，裝配尺寸精度要求較高。因此，槽楔屬于汽輪發(fā)電機(jī)的核心裝配組件，廣泛用于300MW級(jí)、600MW級(jí)、1000MW級(jí)等汽輪發(fā)電機(jī)型，對(duì)于整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)、安全、高效地運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。槽楔加工屬于典型的離散型制造，以往主要以單機(jī)分散數(shù)控加工為主，存在工序及加工設(shè)備較分散，序間轉(zhuǎn)運(yùn)效率低，上料、夾緊、松開(kāi)、取料等動(dòng)作環(huán)節(jié)仍離不開(kāi)人的輔助，人力物力消耗大等現(xiàn)象。選取槽楔產(chǎn)品作為智能制造新模式探索的一個(gè)突破點(diǎn)具有技術(shù)性、創(chuàng)新性、經(jīng)濟(jì)性和示范性的重要意義。

1 典型離散型智能制造單元的建設(shè)目標(biāo)

本文提出了一種以離散點(diǎn)方式構(gòu)建高柔性、高效率的分散制造單元與MES系統(tǒng)集中管理相結(jié)合的槽楔智能制造單元新模式。該新模式的優(yōu)勢(shì)在于組網(wǎng)靈活、針對(duì)性強(qiáng)、見(jiàn)效快、可復(fù)制性好、經(jīng)濟(jì)效益好。其具體目標(biāo)如下：

（1）機(jī)床改造須滿足產(chǎn)品的加工要求、自動(dòng)化功能、優(yōu)化資源利用率和降低生產(chǎn)成本；

（2）智能制造單元的架構(gòu)、流程合理；

（3）保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；

（4）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集機(jī)床等設(shè)備的狀態(tài)信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支撐數(shù)字化制造；

（5）培養(yǎng)數(shù)字化、智能化新型技術(shù)、管理人才。

2 機(jī)床改造的規(guī)模和對(duì)象

2.1 機(jī)床改造的原則

目前，傳統(tǒng)制造業(yè)有大量的存量機(jī)床使用年限過(guò)長(zhǎng)、數(shù)控系統(tǒng)老化、機(jī)床維護(hù)困難而頻臨淘汰的邊緣。如何抉擇一臺(tái)機(jī)床是否具有改造價(jià)值，應(yīng)從以下幾個(gè)方面的原則進(jìn)行考慮：

（1）經(jīng)濟(jì)性原則：機(jī)床改造的費(fèi)用與新購(gòu)?fù)悪C(jī)床的費(fèi)用比較決定了機(jī)床改造方案的經(jīng)濟(jì)性。通常情況下，我們需要根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和資金條件選配適合的數(shù)控系統(tǒng)、傳動(dòng)部件、電子元器件、刀庫(kù)、自動(dòng)門等，與新購(gòu)?fù)刃阅艿脑O(shè)備相比會(huì)節(jié)約30%～80%的費(fèi)用。

（2）機(jī)床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)好、關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件可修復(fù)或更換的原則：一般而言，機(jī)床的機(jī)械部分比軟件部分價(jià)格更高，而且機(jī)械部分特別是機(jī)床本體相對(duì)比較穩(wěn)定，軟件部分則更新?lián)Q代較快。

（3）加工對(duì)象適用原則：根據(jù)機(jī)床所加工對(duì)象的幾何特征、加工行程、加工工步、裝夾定位等要求選擇適用的機(jī)床進(jìn)行改造。

2.2 加工對(duì)象

槽楔是一種典型的離散型制造產(chǎn)品，具有小批量、品種多、工步雜的特點(diǎn)。

如果按產(chǎn)品的規(guī)格來(lái)分，可以分出上百種不同類型的槽楔，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的難度極大。而按產(chǎn)品加工特性分，可將槽楔分為僅帶直孔、直槽特征的槽楔和帶彎孔、斜槽特征的槽楔兩種，其中僅帶直孔或直槽特征的只需三軸聯(lián)動(dòng)即可完成，而帶彎孔、斜槽特征的則需要至少四軸才能完成。只有以此共性特征的分類方式為基礎(chǔ)，將槽楔作為離散型智能制造單元的的加工對(duì)象才具有可行性。因此，針對(duì)槽楔的加工特點(diǎn)選擇銑削加工中心作為機(jī)床改造的對(duì)象是合理、可行的。

2.3 確定機(jī)床改造的對(duì)象

本課題通過(guò)重點(diǎn)分析了設(shè)備條件、加工對(duì)象并結(jié)合內(nèi)外部環(huán)境因素的評(píng)估，最終選定三臺(tái)機(jī)械性能良好、數(shù)控系統(tǒng)老化落后的銑削加工中心作為槽楔智能制造單元新模式應(yīng)用的機(jī)床改造對(duì)象。

3 機(jī)床改造方案及實(shí)施

3.1 改造前的情況

3臺(tái)改造的加工中心中有2臺(tái)老法道VMC4020加工中心，采用fadal數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床主體結(jié)構(gòu)完好，服役近20年。由于使用年限過(guò)長(zhǎng)，其設(shè)備的傳動(dòng)軸精度磨損嚴(yán)重，數(shù)控系統(tǒng)落后過(guò)時(shí)，且易損件采購(gòu)困難，自動(dòng)刀庫(kù)故障率高，處于停機(jī)停產(chǎn)狀態(tài)。

3.2 改造方案

根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況和現(xiàn)有機(jī)床技術(shù)水平，對(duì)機(jī)床及其附屬設(shè)備進(jìn)行以下改造和重組：

（1）精度修復(fù)：全部更換已磨損嚴(yán)重的X、Y、Z傳動(dòng)軸的滾珠絲杠、軸承等，并將部分英制的運(yùn)動(dòng)部件改為公制部件。

（2）系統(tǒng)改造：數(shù)控系統(tǒng)更換為具有網(wǎng)絡(luò)功能的最新數(shù)控系統(tǒng)（FANUC-0i-MF），開(kāi)發(fā)DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，集成PLC控制等。

（3）自動(dòng)化功能：修復(fù)或增加自動(dòng)刀庫(kù)、自動(dòng)門、自動(dòng)排屑系統(tǒng)；新增機(jī)器人及導(dǎo)軌、自動(dòng)定位夾具、四軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。

（4）為DNC程序傳輸和MDC數(shù)據(jù)采集預(yù)留數(shù)據(jù)交互接口。

3.3 改造效果

截至2019年底3臺(tái)加工中心已成功改造，改造后機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，自動(dòng)化功能銜接流暢，單機(jī)效率略有提升；以工藝調(diào)試加工成批合格零件為準(zhǔn)，加工精度達(dá)到甚至高于原機(jī)床出廠精度要求。

4 智能制造單元方案

4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

槽楔智能制造單元新模式采用MES+DCS+PLC系統(tǒng)組網(wǎng)的架構(gòu)，高度柔性化的工業(yè)機(jī)器人以及高適應(yīng)性的定制自動(dòng)工裝、卡爪等工具，實(shí)現(xiàn)槽楔類離散型產(chǎn)品的集中、柔性自動(dòng)化加工。DCS分布式控制系統(tǒng)是連接MES系統(tǒng)和設(shè)備端物理層的橋梁樞紐。MES系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程I/O與DCS系統(tǒng)通信交互數(shù)據(jù)，DCS系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)PLC控制器與機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)床控制系統(tǒng)、自動(dòng)工裝系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)及控制信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2 自動(dòng)化流程設(shè)計(jì)

針對(duì)槽楔的產(chǎn)品特點(diǎn)和工藝流程，規(guī)劃合理、高效的自動(dòng)化流程是方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。首先通過(guò)MES系統(tǒng)下達(dá)排產(chǎn)計(jì)劃和加工任務(wù)，在接到加工任務(wù)后，由DCS系統(tǒng)發(fā)出指令控制工業(yè)機(jī)器人到達(dá)指定的上料位抓取準(zhǔn)備好的產(chǎn)品坯料，機(jī)器人根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路線方案將產(chǎn)品坯料送至指定待加工機(jī)床，待該序加工完成后，機(jī)器人取出已加工工件，送至下一工位，直至全序完成后，將成品從下料位取出。對(duì)于需要配銑的槽楔零件，先由DCS系統(tǒng)設(shè)置配銑加工任務(wù)，當(dāng)檢測(cè)到工件已處于配銑上料位后，發(fā)出機(jī)器人抓取指令，機(jī)器人根據(jù)指令優(yōu)先級(jí)依次抓取工件，送至3#機(jī)床，待該序完成后，機(jī)器人取出工件，送回配銑下料位即完成一個(gè)工作循環(huán)。圖2為槽楔智能制造單元的布局圖。

圖2 槽楔智能制造單元布局圖

4.3 智能化功能

DCS系統(tǒng)可與機(jī)床通信交互，自動(dòng)獲取機(jī)床狀態(tài)、設(shè)備嫁動(dòng)率等數(shù)據(jù)。DCS系統(tǒng)+PLC控制執(zhí)行MES系統(tǒng)下達(dá)的排產(chǎn)任務(wù)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O與現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)及信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制、數(shù)字化管理。選用的工業(yè)機(jī)器人具有六軸自由度，柔性好，適應(yīng)性強(qiáng)，可結(jié)合專家級(jí)的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)形成高效率的柔性系統(tǒng)，滿足不同品種產(chǎn)品切換、設(shè)計(jì)或工藝變更等多樣化的加工需求。

4.4 工裝自動(dòng)化

槽楔加工工裝的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)槽楔自動(dòng)化加工的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。工裝改造需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)，要考慮包括外形、油路、氣管、控制元件、夾緊元件、力學(xué)分析、強(qiáng)度計(jì)算等諸多因素。難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）多種尺寸規(guī)格的兼容性對(duì)工裝柔性提出較高要求；（2）為了兼顧自動(dòng)化和排屑的需求，工裝本體鏤空簡(jiǎn)化與剛強(qiáng)度之間的矛盾問(wèn)題。

解決措施：通過(guò)工藝分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度核算和試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，設(shè)計(jì)了分別用于銑外形序、銑彎孔序和配銑序的三套自動(dòng)夾具，形成槽楔智能制造單元的自動(dòng)定位夾具系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了槽楔工件的自動(dòng)、精準(zhǔn)定位及裝夾動(dòng)作，為實(shí)現(xiàn)槽楔全序自動(dòng)化加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

5 實(shí)際效果

槽楔智能制造單元現(xiàn)已投入生產(chǎn)使用，完成了多臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)子槽楔的加工任務(wù)，達(dá)到了以下效果：

（1）質(zhì)量方面，機(jī)床精度得到完全修復(fù)和提高，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升；

（2）生產(chǎn)效率方面，由原來(lái)的單機(jī)數(shù)控加工的串行作業(yè)模式改為智能制造單元的并行作業(yè)模式，效率至少提升一倍以上，同時(shí)極大減少了加工過(guò)程的人工干預(yù)和輔助，不僅改善了勞動(dòng)環(huán)境，還節(jié)約人為停機(jī)等待時(shí)間；

（3）成本方面，節(jié)省了大量的人力物力消耗，提高了人均產(chǎn)出值；

（4）管理方面，提高了生產(chǎn)過(guò)程的信息透明度，為數(shù)字化管理提供支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)槽楔智能制造單元的新模式應(yīng)用探索，提出了離散型制造單元的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，合理運(yùn)用機(jī)床改造技術(shù)，攻克了槽楔工裝自動(dòng)化改造的難點(diǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這種以離散型智能制造單元為基礎(chǔ)“細(xì)胞”，以MES系統(tǒng)打通設(shè)備層與管理層的數(shù)據(jù)“血管”，形成離散型數(shù)字化車間的網(wǎng)絡(luò)化制造的新模式“雛形”，為后續(xù)建設(shè)離散型制造企業(yè)的數(shù)字化工廠提供一種重要思路，發(fā)展空間巨大。