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 618000)
汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔(以下簡稱槽楔或轉(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、600MW級、1000MW級等汽輪發(fā)電機(jī)型,對于整個汽輪發(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、取料等動作環(huán)節(jié)仍離不開人的輔助,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。
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)勢在于組網(wǎng)靈活、針對性強(qiáng)、見效快、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。
目前,傳統(tǒng)制造業(yè)有大量的存量機(jī)床使用年限過長、數(shù)控系統(tǒng)老化、機(jī)床維護(hù)困難而頻臨淘汰的邊緣。如何抉擇一臺機(jī)床是否具有改造價值,應(yīng)從以下幾個方面的原則進(jìn)行考慮:
(1)經(jīng)濟(jì)性原則:機(jī)床改造的費(fèi)用與新購?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)、傳動部件、電子元器件、刀庫、自動門等,與新購?fù)刃阅艿脑O(shè)備相比會節(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格更高,而且機(jī)械部分特別是機(jī)床本體相對比較穩(wěn)定,軟件部分則更新?lián)Q代較快。
(3)加工對象適用原則:根據(jù)機(jī)床所加工對象的幾何特征、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。
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)格來分,可以分出上百種不同類型的槽楔,實(shí)現(xiàn)自動化加工的難度極大。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象才具有可行性。因此,針對槽楔的加工特點(diǎn)選擇銑削加工中心作為機(jī)床改造的對象是合理、可行的。
本課題通過重點(diǎn)分析了設(shè)備條件、加工對象并結(jié)合內(nèi)外部環(huán)境因素的評估,最終選定三臺機(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)床改造對象。
3臺改造的加工中心中有2臺老法道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。由于使用年限過長,其設(shè)備的傳動軸精度磨損嚴(yán)重,數(shù)控系統(tǒng)落后過時,且易損件采購困難,自動刀庫故障率高,處于停機(jī)停產(chǎn)狀態(tài)。
根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況和現(xiàn)有機(jī)床技術(shù)水平,對機(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傳動軸的滾珠絲杠、軸承等,并將部分英制的運(yùn)動部件改為公制部件。
(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),開發(fā)DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用平臺,集成PLC控制等。
(3)自動化功能:修復(fù)或增加自動刀庫、自動門、自動排屑系統(tǒng);新增機(jī)器人及導(dǎo)軌、自動定位夾具、四軸旋轉(zhuǎn)工作臺等。
(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。
截至2019年底3臺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。
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)通過遠(yuǎn)程I/O與DCS系統(tǒng)通信交互數(shù)據(jù),DCS系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)PLC控制器與機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)床控制系統(tǒng)、自動工裝系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)及控制信號交互,實(shí)現(xiàn)自動控制。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。
針對槽楔的產(chǎn)品特點(diǎn)和工藝流程,規(guī)劃合理、高效的自動化流程是方案設(shè)計的重要內(nèi)容。首先通過MES系統(tǒng)下達(dá)排產(chǎn)計劃和加工任務(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
DCS系統(tǒng)可與機(jī)床通信交互,自動獲取機(jī)床狀態(tài)、設(shè)備嫁動率等數(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),自動統(tǒng)計生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息,通過遠(yuǎn)程I/O與現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)及信號交互,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)合專家級的知識或經(jīng)驗形成高效率的柔性系統(tǒng),滿足不同品種產(chǎn)品切換、設(shè)計或工藝變更等多樣化的加工需求。
槽楔加工工裝的自動化改造設(shè)計是實(shí)現(xiàn)槽楔自動化加工的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。工裝改造需要創(chuàng)新設(shè)計,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)格的兼容性對工裝柔性提出較高要求;(2)為了兼顧自動化和排屑的需求,工裝本體鏤空簡化與剛強(qiáng)度之間的矛盾問題。
解決措施:通過工藝分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度核算和試驗驗證等手段,設(shè)計了分別用于銑外形序、銑彎孔序和配銑序的三套自動夾具,形成槽楔智能制造單元的自動定位夾具系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了槽楔工件的自動、精準(zhǔn)定位及裝夾動作,為實(shí)現(xiàn)槽楔全序自動化加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
槽楔智能制造單元現(xiàn)已投入生產(chǎn)使用,完成了多臺機(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,同時極大減少了加工過程的人工干預(yù)和輔助,不僅改善了勞動環(huán)境,還節(jié)約人為停機(jī)等待時間;
(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)過程的信息透明度,為數(shù)字化管理提供支撐。
通過對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化改造的難點(diǎn),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。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。