摘 要：【目的】目前智能制造技術(shù)應(yīng)用未能精準(zhǔn)賦能于電機(jī)制造企業(yè)的各個(gè)核心價(jià)值創(chuàng)造環(huán)節(jié)，導(dǎo)致智能制造技術(shù)應(yīng)用無(wú)法充分發(fā)揮提升電機(jī)制造企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造能力的作用，有必要對(duì)電機(jī)制造車間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而打通制造痛點(diǎn)。【方法】基于精益智造模式，對(duì)電機(jī)金加工車間建立總體設(shè)計(jì)模型、工程設(shè)計(jì)模型、工藝流程與布局模型及精益智造控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智造技術(shù)的增值和企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造的融合。【結(jié)果】在金加工車間設(shè)計(jì)投產(chǎn)后，可滿足市場(chǎng)對(duì)多規(guī)格、小批量的柔性化生產(chǎn)要求，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)高自動(dòng)化、高質(zhì)量化、高效率化?！窘Y(jié)論】車間設(shè)計(jì)方案入選中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部的超高效永磁電機(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(xiàng)目，為電機(jī)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)高價(jià)值，促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：精益生產(chǎn)；智能制造；電機(jī)金加工

中圖分類號(hào)：TM305" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0033-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.007

Electrical Machine Workshop Design Based on the Lean Manufacturing Model

HUANG Sheng1 LI Haote1 ZHANG Guofu2 ZHAO Zilong3

（1.Hunan College of Chemical Technology，Zhuzhou 412000，China;

2.China Machinery International Engineering Design and Research Institute Limited Liability Company，Changsha 410000，China; 3.Zhuzhou CRRC Timly Forge Co.， Ltd.， Zhuzhou 412000，China）

Absrtact： [Purposes] The current application of intelligent manufacturing technology can not accurately endow each core value creation link of motor manufacturing enterprises.Therefore， it is necessary to optimize the design of the motor manufacturing workshop in order to solve the manufacturing pain point. [Methods] Based on the lean intelligent manufacturing model， the overall design model， engineering design model， process flow and layout model and the lean intelligent manufacturing control system are established for the electrical machine shop， in order to realize the value-added of intelligent technology and the integration of enterprise value creation. [Findings] The requirements of the market for flexible production with multiple specifications and small batches were met to achieve high automation， high quality and high efficiency of the motor production. [Conclusions] The workshop design is included in the project of Integrated Standardization and New Mode application of intelligent manufacturing for ultra-high-efficiency permanent magnet motor and control system of Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China， which provides technical support for motor manufacturing enterprises to achieve high value and promote high-quality development.

Keywords： lean production; intelligent manufacturing; electrical machine

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電機(jī)已成為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ础Ｈ欢?，電機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，智能制造對(duì)機(jī)械工業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展起到至關(guān)重要的作用^［1-4］。然而，從以企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造能力提升來(lái)促進(jìn)電機(jī)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的角度來(lái)看，智能制造的實(shí)施對(duì)我國(guó)電機(jī)制造企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到的作用并不明顯。這是因?yàn)槲覈?guó)現(xiàn)有的智能制造模式還不夠精益，智能制造技術(shù)應(yīng)用未能精準(zhǔn)賦能于電機(jī)制造企業(yè)的各個(gè)核心價(jià)值創(chuàng)造環(huán)節(jié)，導(dǎo)致智能制造技術(shù)應(yīng)用無(wú)法充分發(fā)揮其提升電機(jī)制造企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造能力的作用^［5-8］。

1 精益智造模式

要實(shí)現(xiàn)智能制造，需要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)這4個(gè)維度系統(tǒng)推進(jìn)。智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線，以用戶為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，信息—物理系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)^［9］。

精益生產(chǎn)是一個(gè)集成的社會(huì)—技術(shù)系統(tǒng)，核心目標(biāo)為通過(guò)減少供應(yīng)商客戶及組織內(nèi)部的變異來(lái)減少浪費(fèi)。這一概念來(lái)源于豐田生產(chǎn)方式的實(shí)踐活動(dòng)，是對(duì)其實(shí)踐活動(dòng)的總結(jié)^［10］。

精益智造模式將精益增值理念與智能制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，以提升制造型企業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造能力為目標(biāo)，通過(guò)科學(xué)應(yīng)用智能制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高效推進(jìn)企業(yè)的技術(shù)要素、生產(chǎn)要素和資源要素的有機(jī)整合，對(duì)企業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造系統(tǒng)進(jìn)行精益化設(shè)計(jì)、流程再造和模式重構(gòu)。這一先進(jìn)制造模式將智能制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為企業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造能力^［11-12］。

目前，電機(jī)金加工工藝已相對(duì)成熟。然而，在電機(jī)智能制造過(guò)程中，物流路線過(guò)長(zhǎng)、周轉(zhuǎn)情況頻繁可能導(dǎo)致工件損壞，且周轉(zhuǎn)還會(huì)導(dǎo)致加工工序倒流，不利于電機(jī)制造的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。基于精益智造模式，有必要對(duì)電機(jī)金加工車間進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)智造技術(shù)的增值和企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造的融合。

2 電機(jī)金加工車間設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)模型

金加工車間主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、端蓋、機(jī)座等零部件進(jìn)行加工。該車間將新增組合車床、車削中心、真空浸漆機(jī)、臥立式加工中心等金加工設(shè)備，可形成年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)套新能源汽車電機(jī)動(dòng)力總成的生產(chǎn)能力。金加工車間將配套條碼管理系統(tǒng)、設(shè)備DNC聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和精益智造控制系統(tǒng)，并融合光機(jī)電一體化、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制、車間設(shè)備信息集成技術(shù)等技術(shù)，能實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析匯總，實(shí)現(xiàn)車間的智能化和信息化管理。金加工數(shù)字化生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

2.2 工程設(shè)計(jì)模型

金加工數(shù)字化生產(chǎn)線主要分為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子自動(dòng)化加工單元、端蓋自動(dòng)化加工單元、機(jī)座自動(dòng)化加工單元。加工單元主要功能模塊設(shè)計(jì)如下。

2.2.1 轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子自動(dòng)化加工單元。①異步電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子自動(dòng)化加工單元不適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)，可對(duì)中心高為80～90 cm的批量最大的部分采用設(shè)備直線式布置，搭配直走式的上下料機(jī)械手方案，整合自動(dòng)上下料平鉆，并包含脫殼處理工序。該加工單元包括機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)及電機(jī)轉(zhuǎn)軸自動(dòng)化加工單元、轉(zhuǎn)軸壓入轉(zhuǎn)子等加工單元，具體包括1臺(tái)RB20機(jī)器人、1臺(tái)RB50機(jī)器人、1臺(tái)伺服立式壓機(jī)、1臺(tái)數(shù)控外圓磨機(jī)、1臺(tái)XK713數(shù)控銑床、3臺(tái)CAK4085數(shù)控車床及自動(dòng)上下料的加工單元。②永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子自動(dòng)化單元。如圖2所示，該單元通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人、設(shè)備及操作工的有效結(jié)合，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、提升產(chǎn)能效率，通過(guò)智能化管理看板及時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能及物流情況。工件采用線體傳送，工業(yè)機(jī)器人與設(shè)備結(jié)合完成磁瓦安裝、轉(zhuǎn)子塑封及工件上下料。該設(shè)計(jì)消除了磁瓦安裝及注塑時(shí)易對(duì)操作工造成人身傷害的隱患，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。

2.2.2 端蓋自動(dòng)化加工單元。該自動(dòng)化加工單元的配置為3臺(tái)i5T3.5-5075s智能機(jī)床、1臺(tái)六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、1套托盤升降式回轉(zhuǎn)料倉(cāng)、3套工件翻面模塊、3套抽檢模塊、1套總控單元。①機(jī)器人選用的是廣數(shù)RB50關(guān)節(jié)機(jī)器人，該機(jī)器人控制軸數(shù)為6軸、最大水平工作半徑為1 250 mm、最大夾持重量為50 kg，適合輕型零件的自動(dòng)上下料應(yīng)用。②工件抓手模塊是由2套氣爪組成的，布置在機(jī)器人的第六軸上，可同步完成上料與下料動(dòng)作，上下料效率高。氣爪為三指氣爪，適合于盤類工件的抓取。③工件料庫(kù)的料倉(cāng)有16個(gè)托盤，由鏈條帶動(dòng)循環(huán)。每個(gè)托盤可疊放高度為350 mm，調(diào)整范圍為φ100～φ300 mm。托盤的定位精度為±2 mm，單盤載荷能力為60 kg。提升機(jī)由電機(jī)、滾珠形絲杠驅(qū)動(dòng)，在傳感器的配合下，保證機(jī)械手抓取毛坯位置恒定。在更換產(chǎn)品時(shí)，操作員只需把對(duì)應(yīng)的限位柱調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)位置即可，托盤的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為行星齒輪，具有操作簡(jiǎn)單、方便、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 電機(jī)機(jī)座自動(dòng)化加工單元。該單元由1臺(tái)軌道機(jī)器人、8臺(tái)自控液壓夾具、1套（上下料）物料輸送系統(tǒng)、1套防護(hù)單元及2臺(tái)雙工位臥式加工中心（可擴(kuò)展至4臺(tái)）組成，可完成對(duì)此殼體（正反面所有孔系）的自動(dòng)化加工，生產(chǎn)線所有設(shè)備都采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并能完全滿足生產(chǎn)線正常生產(chǎn)要求。夾具上的所有組件均為模塊化設(shè)計(jì)，具有較好的通用性和互換性。夾具具有氣密檢測(cè)（毛坯定位除外）、壓力檢測(cè)、油缸位置檢測(cè)及定位面沖洗、斷銷檢測(cè)（OP10B）等功能。夾具設(shè)計(jì)為內(nèi)置油路，布局合理，無(wú)積削死角，結(jié)構(gòu)剛性好，不產(chǎn)生夾緊變形。夾具配有自動(dòng)線控制接口，能與自動(dòng)線進(jìn)行完美匹配。

2.3 工藝流程及布局模型

工藝流程如圖3所示。

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子布局及端蓋布局模型如圖4所示。

機(jī)座布局模型如圖5所示。

2.4 精益智造控制系統(tǒng)

機(jī)床、夾具、機(jī)器人、物流、測(cè)量單元及所有外部信號(hào)通過(guò)獨(dú)立的IO模塊輸出至運(yùn)營(yíng)層，最終輸入到精益智造綜合管理系統(tǒng)。精益智造綜合管理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集信號(hào)，從而對(duì)所有設(shè)備下達(dá)正確合理的指令，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行及監(jiān)控，總線控制系統(tǒng)具有智能診斷功能和視頻輸出接口，系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，方便設(shè)備調(diào)試。當(dāng)其中某單臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，其他設(shè)備可正常生產(chǎn)。系統(tǒng)配置有手動(dòng)操作平臺(tái)，每個(gè)單元的啟動(dòng)與急停等功能都可在此平臺(tái)上完成操作，有效提高設(shè)備的可操作性和安全性，使復(fù)雜的生產(chǎn)管理過(guò)程變得簡(jiǎn)易化和可視化。精益智造控制系統(tǒng)功能如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于精益智造模式的電機(jī)金加工車間可完成電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子、端蓋、機(jī)座等零部件的加工。在引入精益智造模式后，該車間具有較強(qiáng)的柔性制造能力和兼容性，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。自該項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，顯著提高了電機(jī)金加工車間的綜合生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮了精益智造控制系統(tǒng)對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益提升的作用，為電機(jī)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考。

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收稿日期：2023-06-29

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)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(jì)與研究”（22C0903）。

作者簡(jiǎn)介：黃勝（1986—），男，博士生，高級(jí)工程師，研究方向：智能制造；李皓特（1987—），男，本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)；張國(guó)富（1981—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：智能制造。