機床改造在離散型智能制造新模式中的應用探索

陳文平，劉軍，劉伯興，胡章洪

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

汽輪發電機轉子槽楔（以下簡稱槽楔或轉子槽楔）的作用是通風散熱和固定轉子線圈的位置，防止發電機轉子在高速旋轉過程中將其甩出。它與發電機的轉子槽進行裝配，裝配尺寸精度要求較高。因此，槽楔屬于汽輪發電機的核心裝配組件，廣泛用于300MW級、600MW級、1000MW級等汽輪發電機型，對于整個汽輪發電機組的平穩、安全、高效地運行起著至關重要的作用。槽楔加工屬于典型的離散型制造，以往主要以單機分散數控加工為主，存在工序及加工設備較分散，序間轉運效率低，上料、夾緊、松開、取料等動作環節仍離不開人的輔助，人力物力消耗大等現象。選取槽楔產品作為智能制造新模式探索的一個突破點具有技術性、創新性、經濟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目標

本文提出了一種以離散點方式構建高柔性、高效率的分散制造單元與MES系統集中管理相結合的槽楔智能制造單元新模式。該新模式的優勢在于組網靈活、針對性強、見效快、可復制性好、經濟效益好。其具體目標如下：

（1）機床改造須滿足產品的加工要求、自動化功能、優化資源利用率和降低生產成本；

（2）智能制造單元的架構、流程合理；

（3）保證產品質量，提高生產效率；

（4）可實現自動采集機床等設備的狀態信息、生產數據，支撐數字化制造；

（5）培養數字化、智能化新型技術、管理人才。

2 機床改造的規模和對象

2.1 機床改造的原則

目前，傳統制造業有大量的存量機床使用年限過長、數控系統老化、機床維護困難而頻臨淘汰的邊緣。如何抉擇一臺機床是否具有改造價值，應從以下幾個方面的原則進行考慮：

（1）經濟性原則：機床改造的費用與新購同類機床的費用比較決定了機床改造方案的經濟性。通常情況下，我們需要根據設備狀態和資金條件選配適合的數控系統、傳動部件、電子元器件、刀庫、自動門等，與新購同等性能的設備相比會節約30%～80%的費用。

（2）機床基礎結構好、關鍵運動部件可修復或更換的原則：一般而言，機床的機械部分比軟件部分價格更高，而且機械部分特別是機床本體相對比較穩定，軟件部分則更新換代較快。

（3）加工對象適用原則：根據機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床進行改造。

2.2 加工對象

槽楔是一種典型的離散型制造產品，具有小批量、品種多、工步雜的特點。

如果按產品的規格來分，可以分出上百種不同類型的槽楔，實現自動化加工的難度極大。而按產品加工特性分，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，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選擇銑削加工中心作為機床改造的對象是合理、可行的。

2.3 確定機床改造的對象

本課題通過重點分析了設備條件、加工對象并結合內外部環境因素的評估，最終選定三臺機械性能良好、數控系統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用的機床改造對象。

3 機床改造方案及實施

3.1 改造前的情況

3臺改造的加工中心中有2臺老法道VMC4020加工中心，采用fadal數控系統，機床主體結構完好，服役近20年。由于使用年限過長，其設備的傳動軸精度磨損嚴重，數控系統落后過時，且易損件采購困難，自動刀庫故障率高，處于停機停產狀態。

3.2 改造方案

根據設備實際情況和現有機床技術水平，對機床及其附屬設備進行以下改造和重組：

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

（2）系統改造：數控系統更換為具有網絡功能的最新數控系統（FANUC-0i-MF），開發DCS控制系統應用平臺，集成PLC控制等。

（3）自動化功能：修復或增加自動刀庫、自動門、自動排屑系統；新增機器人及導軌、自動定位夾具、四軸旋轉工作臺等。

（4）為DNC程序傳輸和MDC數據采集預留數據交互接口。

3.3 改造效果

截至2019年底3臺加工中心已成功改造，改造后機床運行穩定、可靠，自動化功能銜接流暢，單機效率略有提升；以工藝調試加工成批合格零件為準，加工精度達到甚至高于原機床出廠精度要求。

4 智能制造單元方案

4.1 系統框架設計

槽楔智能制造單元新模式采用MES+DCS+PLC系統組網的架構，高度柔性化的工業機器人以及高適應性的定制自動工裝、卡爪等工具，實現槽楔類離散型產品的集中、柔性自動化加工。DCS分布式控制系統是連接MES系統和設備端物理層的橋梁樞紐。MES系統通過遠程I/O與DCS系統通信交互數據，DCS系統通過現場總線實現PLC控制器與機器人系統、機床控制系統、自動工裝系統之間數據及控制信號交互，實現自動控制。圖1為系統架構設計。

4.2 自動化流程設計

針對槽楔的產品特點和工藝流程，規劃合理、高效的自動化流程是方案設計的重要內容。首先通過MES系統下達排產計劃和加工任務，在接到加工任務后，由DCS系統發出指令控制工業機器人到達指定的上料位抓取準備好的產品坯料，機器人根據預先規劃的路線方案將產品坯料送至指定待加工機床，待該序加工完成后，機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系統設置配銑加工任務，當檢測到工件已處于配銑上料位后，發出機器人抓取指令，機器人根據指令優先級依次抓取工件，送至3#機床，待該序完成后，機器人取出工件，送回配銑下料位即完成一個工作循環。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系統可與機床通信交互，自動獲取機床狀態、設備嫁動率等數據。DCS系統+PLC控制執行MES系統下達的排產任務，自動統計生產相關數據信息，通過遠程I/O與現場總線進行數據及信號交互，實現數字化控制、數字化管理。選用的工業機器人具有六軸自由度，柔性好，適應性強，可結合專家級的知識或經驗形成高效率的柔性系統，滿足不同品種產品切換、設計或工藝變更等多樣化的加工需求。

4.4 工裝自動化

槽楔加工工裝的自動化改造設計是實現槽楔自動化加工的難點和關鍵點。工裝改造需要創新設計，要考慮包括外形、油路、氣管、控制元件、夾緊元件、力學分析、強度計算等諸多因素。難點主要體現在：（1）多種尺寸規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度之間的矛盾問題。

解決措施：通過工藝分析、結構設計、強度核算和試驗驗證等手段，設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，實現了槽楔工件的自動、精準定位及裝夾動作，為實現槽楔全序自動化加工奠定了技術基礎。

5 實際效果

槽楔智能制造單元現已投入生產使用，完成了多臺機組的轉子槽楔的加工任務，達到了以下效果：

（1）質量方面，機床精度得到完全修復和提高，產品質量明顯提升；

（2）生產效率方面，由原來的單機數控加工的串行作業模式改為智能制造單元的并行作業模式，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和輔助，不僅改善了勞動環境，還節約人為停機等待時間；

（3）成本方面，節省了大量的人力物力消耗，提高了人均產出值；

（4）管理方面，提高了生產過程的信息透明度，為數字化管理提供支撐。

6 結語

通過對槽楔智能制造單元的新模式應用探索，提出了離散型制造單元的網絡架構，合理運用機床改造技術，攻克了槽楔工裝自動化改造的難點，取得了較好的經濟效益和社會效益。這種以離散型智能制造單元為基礎“細胞”，以MES系統打通設備層與管理層的數據“血管”，形成離散型數字化車間的網絡化制造的新模式“雛形”，為后續建設離散型制造企業的數字化工廠提供一種重要思路，發展空間巨大。