風電葉片制造機械化及自動化

李 奎，程 朗，印厚飛

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司， 江蘇 連云港 222000）

引言

當前風電葉片的制造屬于勞動密集型作業，其制造加工全部依靠人工操作，人工作業產生的各種成本占到整個葉片制造成本的1/3，同時隨著國家“中國制造2025”戰略的深入，在風電葉片制造行業引入機械自動化制造裝備和方法，降低成本提升質量愈顯重要。本文結合目前風電葉片制造形勢，和國內外其它制造行業在機械化和自動化方面已有技術，對風電葉片制造如何實現自動化進行了系統性論述。

1 風電葉片制造現狀

風電葉片的制造從大的工序上可分為模鑄成型和修型涂裝，其制造過程配套的設備諸如模具、行車叉車、加熱器、真空泵、翻轉鎖模、樹脂混膠機和噴涂機等多為輔助生產，而直接用于葉片生產作業的自動化機械裝備基本沒有。其中葉片涂裝在汽車制造行業已實現自動化可以借鑒，自動層鋪、自動灌注、自動倒運流轉等在飛行器制造行業也有應用，這些成熟的技術結合葉片生產的工藝技術特點，進行二次開發后可用于葉片的自動化生產[1]。和其它自動化生產線一樣，葉片的自動化生產線也需要硬件設備和網絡信息系統的深度融合才能實現。葉片的硬件部分：產品的自動流轉倒運貫穿于葉片制造從投料到成品產出全過程；分布于各模具和工位中具有不同功能的自動化機械裝備是制造執行終端。葉片的軟件方面：中央智能控制系統是整個自動化工廠的大腦，通過MES等專業的生產管理系統實現對車間所有人、機、料、法、環、測的統籌、調度和監控，收集和匯總各設備的運行數據和生產線的生產工藝數據；系統具有數據分析、存儲、人機交互展示、設備及產品檔案記錄和各種報表打印等功能；智能化水平更高的控制系統，還能通過大數據實現對設備和工藝參數的最優化自動調整，從而實現生產效益的最大化和產品工藝的最優化。

2 葉片生產自動流轉倒運

風電葉片的生產屬于T型生產線布局，大梁和腹板提前生產作為部件在殼體生產時使用，殼體成型至型修涂裝可按照流水線形式布局。葉片在加工過程中的流轉是線性的，原材料、部件、半成品及成品的流轉倒運貫穿于葉片制造全過程，是葉片自動化生產線不可缺少的部分。鑒于風電葉片尺寸巨大，可通過自動化流轉倒運工裝載動葉片和部件在布置好的車間軌道上受控輸送，實現生產過程中產品的自動倒運流轉。同時該系統內置整個工廠的物理模型數據，輸送和運行軌道上布置位移、速度和定位傳感器，通過流轉倒運工裝本身的控制程序和與軌道傳感器進行通訊，實現流轉倒運的啟停和精確定位，其軌道可以是具有傳感器的物理軌道也可以是磁感應的AGV軌道或者差分衛星定位系統路徑[2]。

2.1 工位和模具端裝備作業運行軌道系統

在成型車間，每套模具兩側均布置有該模具葉片生產所需自動化裝備運行的軌道，自動膠衣涂刷、自動鋪布、自動灌注合模等裝備安裝在該軌道上圍繞模具進行作業，實現膠衣自動噴涂、自動鋪層、自動灌注、自動涂膠合模；在葉片型修階段，每個型修工位兩側布置供葉片型修噴漆機器人運行的軌道，圍繞半成品葉片進行葉片切邊、打磨、噴漆的設備在此軌道上來回運行實現葉片型修。

2.2 產品和部件流轉的自動倒運系統

在大梁至殼體、腹板至殼體、殼體至型修不同工位間，布置用于大梁腹板和葉片周轉倒運的自動倒運系統，該系統根據大梁、腹板與殼體以及殼體與型修作業的作業順序，自動將對應部件和成品輸送至下一個工序或工位，實現各生產線間部件產品的自動流轉。

2.3 原材料自動配送系統

在倉庫至每條生產線和工位設有用于物料自動配送的軌道系統，該系統將各工序所需物料根據生產計劃，自動配送至對應工位的自動化生產設備端，實現物料配送的自動化。

3 殼體成型自動化生產線

該自動化生產線主要是以模具和工位為中心，在模具或工位周邊布置自動化設備作業軌道，膠衣自動噴涂設備、自動鋪布設備、自動鋪設芯材設備、在線自動灌注設備、在線自動涂膠設備、自動切邊打磨噴漆設備等在該軌道上運行，完成相應模具生產工序生產作業，實現葉片生產加工的機械自動化。

3.1 膠衣噴涂和鋪布自動化

在葉片和大梁腹板層鋪灌注階段，膠衣噴涂、玻纖布鋪設、芯材鋪放和輔材鋪放集成在一個設備上，該設備通過內置的葉片模具型面數據和布置在模具上的定位傳感器實現膠衣自動化混合、噴涂。玻纖布的自動鋪設實現方式有兩種：第一種為所使用玻纖布為標準布帶，自動鋪布機通過系統內置的葉型、模具型面數據、鋪布工藝數據，結合布置在模具上的定位傳感器將玻纖布帶精準的鋪設在模具，往復作業完成整個葉片的鋪設；第二種為所使用的玻纖布為提前按葉片的結構和鋪設工藝裁切好的裁片，自動鋪布機通過自動識別將每塊裁片鋪放到對應的位置，最終完成整個鋪布過程。同時該鋪布機具備芯材和導注輔材鋪放的功能，根據不同的材料更換對應的作業手臂和程序，完成整個葉片殼體的自動鋪設，過程中與材料的自動配送系統結合，可以實現作業過程自動上料和材料自動識別更換。

3.2 在線灌注與在線涂膠

在葉片成型的真空導注階段，通過集成了樹脂自動上料、自動脫泡、降溫和混配等功能的在線灌注機與預埋在模具上的樹脂輸送管路連接，實現葉片成型的自動化導注。導注開始時在線灌注機流轉倒運系統開至待灌注的模具，在線灌注機的混合樹脂出口有帶快速接口的連接軟管，與模具上的樹脂輸送主管路實現快速連接，樹脂輸送主管路在葉片每個導注口位置的支管上布有帶傳感器的電磁閥門，電磁閥門的傳感器可以通過樹脂流速、壓力等感應真空灌注進行程度，傳感器將這些信號傳輸給在線灌注機，在線灌注機通過內置的灌注程序，檢測到模具上對應區域樹脂澆注完成后給出指令自動關閉對應澆注口的電磁閥門，最終完成整個葉片的真空灌注。在葉片合模階段，通過合模專用的在線涂膠合模機完成葉片合模涂膠的自動化，在線涂膠機運行軌道從模具葉根向葉尖移動，根據系統內預制的葉型數據和涂膠區域定位數據，完成粘接劑的自動上料、自動配混和自動涂膠，涂膠時機器根據布置在模具上的定位傳感器，對不同的涂膠區域進行識別，根據每個區域粘接劑涂抹尺寸數據自動切換不同的刮膠頭，最終完成整個葉片的合模涂膠。涂膠結束后模具根據智能控制系統自動啟動模具翻轉、鎖模，最終實現葉片合模的自動化。

3.3 大梁腹板的吊裝與定位自動化

大梁腹板生產完畢后通過一體化的吊具準確的完成大梁腹板的吊裝，吊裝至對應殼體主模具上后，通過吊具和主模具上定位傳感器實現大梁腹板的精確定位和安放，該吊具為模塊化重復結構，可根據產品的長度通過增加重復單元數量的方式增加長度，吊具可實現對產品的自動抓放，通過吊具內置的識別系統自動識別產品型號和產品上預制的吊點標記，自動完成吊點的自動調節和復核，確保吊裝安全，同時吊具本身具備智能控制系統，可實時顯示吊具的運行狀態和工作軌跡，從而實現大梁腹板吊裝與定位的自動化。

3.4 葉片表面型修和涂裝自動化

從成型車間生產線下來的半成品葉片，通過自動流轉倒運系統輸送至型修涂裝工位，使用多軸工業機器人手臂實現型修涂裝的自動化作業[3]。在此工序葉片的處理方式有兩種，一種為葉片固定，在工位兩側鋪設工業機器人作業的導軌，機器人在導軌上按照程序設定從葉根向葉尖移動完成葉片的切邊、打磨和涂裝作業；另一種為通過式，葉片在自動流轉倒運系統上逐步通過固定點機器人的方式，完成葉片的切邊、打磨和涂裝作業。切邊、打磨和涂裝使用同一個工業機器人，該機器人內置切邊、打磨和噴涂三種作業模式，不同的模式下自動切換不同的末端作業頭和程序。機器人的內置程序中有不同葉型的三維數據，結合作業工位的各種定位傳感器實現葉片型修和涂裝的自動化。

4 分布式和中央自動控制系統

為確保各模具和工位所有自動化設備的協同運行、互不影響和安全高效，需要有一套以模具和工位為單位的分布式智能控制系統，和以整個工廠為總體的中央控制系統，終端設備和模具的運行由設備和模具內置的自動化程序完成對應的自動化作業[4]。分布式控制系統根據內置的葉片生產工藝流程和參數，對一套模具及周邊配套的設備按工藝流程進行排序、控制和切換。該系統自動化作業的具體實施方法為在每個設備和模具以及產品流轉系統上加裝數據采集裝置和控制裝置，數據采集線路和控制線路集成到該模具配套的分布式就地控制柜，該控制柜負責控制和收集該模具周邊所有設備的工藝和運行數據，同時將數據進行整理打包后進行傳輸至更高一級的中央智能監控系統，該分布式就地控制柜在更換生產線后可實現模塊化快速拆裝和換模；中央監控系統根據生產計劃和節拍，在整個工廠層面統籌控制共用部分葉片自動流轉倒運系統和各分布式就地控制柜的運行，確保整個工廠多條并行生產線的有序運行。中央控制系統通過工業化、信息化和智能化代替了人工化的生產作業管控，準時化地完成各生產線及其設備集群的自動操作和關停，同時作為一個大數據終端完整的記錄所有設備和葉片生產過程中的各種數據，再通過大數據分析改進程序優化葉片制造工藝，進而不斷提升產品質量，達到提質增效的目的，從而提升產品的市場競爭力。

5 網絡化和信息化

以上自動化生產線和控制系統離不開網絡化和信息化，網絡是信息的載體和高速公路，二者相輔相成是整個葉片自動化生產線的軟體部分發揮著重要的作用。分布式就地控制柜對每個模具自動化設備的監控、中央監控系統對分布在各生產線就地控制柜和相應設備的監控、各種數據采集傳輸，都需要數據傳輸網絡，因此需要在整個工廠內搭建以模具工位為三級、以車間為二級和以中央控制系統級為一級的工廠網絡系統，實現對整個工廠各終端系統的網絡化布局[5]。

信息化主要是通過網絡實現對各級設備、控制柜、中央監控系統程序化的智能化專用軟件平臺，其中WMS電子倉庫管理系統通過布置在倉庫的物資收發和車間模具周邊軌道系統實現物料的配送和上料，ERP實現對物料出入庫的賬務和公司級層面訂單、項目和生產計劃資源管理分配，基于MES制造執行系統的中央監控系統實現對各工序生產的制造執行和數據記錄分析。信息化是整個葉片自動化生產線的中樞大腦，支配著整個葉片生產自動化系統的運行。

6 結語

通過以上機械化、自動化、網絡化、數字化和信息化深度融合而打造的風電葉片自動化生產線，取代了風電葉片生產制造過程中人員直接作業的工序。自動化生產線建成以后工廠只需要保留少數人員用于設備管理、工廠管理和中央監控系統的運維，直接生產工序實現了機械化和自動化，大大降低了葉片制造成本，發揮出了機器作業對產品質量進一步提升的優勢，而且人工的減少規避了企業面臨的大部分勞資風險，是風電葉片制造優質安全高效的必由之路。