風(fēng)電葉片制造自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)途徑

孫路路

（中材科技（阜寧）風(fēng)電葉片有限公司，江蘇 鹽城 224400）

引言

目前，風(fēng)力葉片的制造仍然需要大量工作，因?yàn)樗且粋€(gè)勞動(dòng)密集型行業(yè)，手工操作是生產(chǎn)過程中最重要的加工環(huán)節(jié)。因此，鑒于目前風(fēng)電葉片制造的發(fā)展、人工成本和人工標(biāo)準(zhǔn)化操作，已成為制約風(fēng)電葉片大規(guī)模生產(chǎn)和精細(xì)化生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。隨著我國的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，國家對(duì)相關(guān)的制造業(yè)提出新的要求。為推動(dòng)風(fēng)電葉片制造業(yè)快速高質(zhì)量發(fā)展，必須在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，降低生產(chǎn)加工過程中的投入成本。因此，在風(fēng)機(jī)葉片的制造過程中使用機(jī)械自動(dòng)化裝置已成為最好的發(fā)展方向。

一、風(fēng)電葉片工藝體系現(xiàn)狀

近年來，隨著質(zhì)量文化在行業(yè)內(nèi)的逐漸推廣普及，全面質(zhì)量管理的理念在不斷推動(dòng)風(fēng)電葉片制造企業(yè)的管理改革。相比于質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康安全管理體系在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的不斷實(shí)施、完善、融合，風(fēng)電葉片的工藝工作從技術(shù)基礎(chǔ)、工作流程及組織結(jié)構(gòu)等多方面表現(xiàn)出不足。

（一）技術(shù)基礎(chǔ)

風(fēng)電葉片采用多種復(fù)合原材料，對(duì)原材料性能或檢驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范較為充分，但對(duì)這些材料的工藝性能參數(shù)要求相對(duì)不足。同時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片制造工藝的要求過于廣泛，具體表現(xiàn)為：（1）在風(fēng)電葉片物理制造過程中，由于產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)、規(guī)格等多項(xiàng)產(chǎn)品信息差異及尺寸、材料制、公差要求等，設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證相應(yīng)的程序方案，編制相應(yīng)的程序文件。工藝方案的設(shè)計(jì)及創(chuàng)建的優(yōu)缺點(diǎn)在很大程度上是取決于工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，由于缺乏合適的材料數(shù)據(jù)庫支持，缺乏各種材料的基本工藝性能參數(shù)，甚至每個(gè)結(jié)構(gòu)模塊對(duì)應(yīng)的基本制造工藝數(shù)據(jù)也沒有詳細(xì)量化大葉片，是根據(jù)樣品參數(shù)，當(dāng)放大到應(yīng)用參數(shù)時(shí)，更多地依賴于經(jīng)驗(yàn)的積累和物理驗(yàn)證。(2)相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)工具和軟件還不成熟或沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用基礎(chǔ)。主要應(yīng)用軟件還是二維CAD，二維之間的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換還存在瓶頸。三維模型目前風(fēng)電葉片的制造過程中，產(chǎn)品信息或工藝信息主要通過紙質(zhì)圖紙或文件來表達(dá)，產(chǎn)品3D 模型與工藝數(shù)據(jù)分離，過程數(shù)據(jù)解讀或追溯非常繁瑣，使用時(shí)間長不同的軟件可以很容易地將信息引導(dǎo)，在傳輸中出現(xiàn)“噪音”或“失真”。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，部分葉片設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三維造型。但是在過程信息表達(dá)的過程中，仍然是靠模型之間的轉(zhuǎn)換。因此，在從設(shè)計(jì)→工藝→制造的信息交換過程中，效率低下，精度差的問題。

（二）工作流程

將葉片工藝的研發(fā)體系主要受新材料應(yīng)用、成本優(yōu)化、產(chǎn)品升級(jí)等因素的驅(qū)動(dòng)完善和優(yōu)化。工作過程以技術(shù)變革過程為主，考核方式以專家考核或過往經(jīng)驗(yàn)積累為主。工作流程與工藝技術(shù)基礎(chǔ)的交互性較差，工藝流程尚未數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化。中國風(fēng)電葉片經(jīng)過十多年的發(fā)展，工藝系統(tǒng)代表了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和采購的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。在“設(shè)計(jì)與輕工藝”理念的影響下，工藝系統(tǒng)始終以“大責(zé)、小權(quán)、易言。”在工作過程中，技術(shù)工作與管理工作難以區(qū)分，對(duì)過程工程和過程管理的邊界和內(nèi)涵缺乏研究。對(duì)于風(fēng)電葉片這種勞動(dòng)密集型的手工行業(yè)，在了解什么類型的工作以及如何控制操作人員在工藝工作中以及操作人員如何參與工藝工作等方面仍存在差異。

（三）工作職責(zé)及組織架構(gòu)

工程師按其專業(yè)職責(zé)可分為：機(jī)械工程師——模型制作；開發(fā)工程師——主要從事新產(chǎn)品開發(fā)過程中的工藝研究和創(chuàng)新領(lǐng)域的工作；工藝工程師——在材料成本和形狀效率方面進(jìn)行了特殊改進(jìn)、員工培訓(xùn)；質(zhì)量工程師——質(zhì)量維護(hù)。葉片技術(shù)的工作內(nèi)容復(fù)雜，涉及多種文件、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，包括產(chǎn)品技術(shù)、工裝設(shè)備設(shè)計(jì)和管理、技術(shù)創(chuàng)新、材料配額（BOM）、制造標(biāo)準(zhǔn)化和知識(shí)產(chǎn)權(quán)、培訓(xùn)和認(rèn)證等。分類的方法也不同，而且這些流程文件的創(chuàng)建、審查、實(shí)施、維護(hù)、改進(jìn)和創(chuàng)新受到訂單增加、行業(yè)競爭形勢和不同學(xué)派的影響，一、二級(jí)流程部門的職責(zé)或組織結(jié)構(gòu)在不斷變化或自我調(diào)整。有的在這個(gè)過程中取得了很好的效果，但也有的適得其反。工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)向?qū)嵨镏圃爝^渡的重要環(huán)節(jié)，也是制造過程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。風(fēng)電葉片的制造過程目前更多是基于專家判斷和經(jīng)驗(yàn)積累，過程的技術(shù)基礎(chǔ)、工作流程和技術(shù)人員的職責(zé)仍在整合和梳理，將繼續(xù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和精益的過程科研創(chuàng)新體系。

二、風(fēng)電葉片的制造過程

（一）構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫

風(fēng)電葉片的制造涉及復(fù)雜的技術(shù)過程，需要許多過程的相互作用才能完成。就整體制造工藝而言，主要工藝是壓鑄模具和修補(bǔ)涂層。”在制造過程中，依賴許多相關(guān)設(shè)備，包括模具、叉車、加熱器、真空泵、翻轉(zhuǎn)夾具、樹脂混合機(jī)、噴涂，然而風(fēng)電葉片制造過程中涉及的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備很少。目前，只有少數(shù)制造商對(duì)葉片的某些個(gè)別部件進(jìn)行了初步的半自動(dòng)化嘗試并取得了一定的成果，如半自動(dòng)撒布機(jī)和半自動(dòng)一體式、涂膠機(jī)等。目前，只有部分制造業(yè)實(shí)施了一種自動(dòng)化生產(chǎn)模式，例如汽車制造業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)中大量使用了相關(guān)的自動(dòng)化設(shè)備。

在風(fēng)電葉片的生產(chǎn)中，可以借鑒其成熟技術(shù)，結(jié)合葉片生產(chǎn)的特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展。葉片生產(chǎn)線要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，需要大量先進(jìn)的硬件設(shè)備作為基本保障，并在此基礎(chǔ)上集成信息系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)線的機(jī)械化、自動(dòng)化。相關(guān)硬件的提供和管理應(yīng)該貫穿整個(gè)生產(chǎn)線和流程。因此，自動(dòng)化管理的實(shí)現(xiàn)首先需要網(wǎng)絡(luò)信息的建設(shè)，通過網(wǎng)絡(luò)信息的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠軟硬件信息的采集和分析，能夠有效地監(jiān)控和控制所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。并確保生產(chǎn)質(zhì)量。

工藝數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)應(yīng)以基礎(chǔ)知識(shí)、制造公差、工裝和行業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，按照自下而上的工藝和結(jié)構(gòu)，集成到一個(gè)整體數(shù)據(jù)庫中。自下而上是按照復(fù)合材料驗(yàn)證的邏輯和順序進(jìn)行研究。工藝數(shù)據(jù)庫中的知識(shí)鏈應(yīng)基于整個(gè)制造工藝，構(gòu)建整體框架，按特征類型構(gòu)建。基礎(chǔ)知識(shí)體系由玻璃纖維、樹脂、粘接膠等構(gòu)成葉片的材料，以及導(dǎo)流網(wǎng)、呼吸棉等工藝制造的基本性能和材料應(yīng)用參數(shù)的相應(yīng)工藝數(shù)據(jù)組成。

根據(jù)從基礎(chǔ)到產(chǎn)品的邏輯屬性，結(jié)合風(fēng)電葉片的屬性，結(jié)合工藝決策知識(shí)，理性分析、歸納總結(jié)，將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合到新模型中，構(gòu)建整體工藝設(shè)計(jì)與創(chuàng)新框架.該模型可以在已建立的數(shù)據(jù)庫中快速找到對(duì)應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行材料應(yīng)用，同時(shí)在漏洞的基礎(chǔ)上填補(bǔ)空缺，以工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新。

風(fēng)電葉片腹板在施工規(guī)劃中主要起到傳遞剪切力的作用，目前市場上的形式為“工”字腹板。在“工”字腹板法蘭建立工藝數(shù)據(jù)庫時(shí)，首先根據(jù)不同基重制成的層壓板的測試強(qiáng)度，玻璃纖維和芯材Bi600 g/m2、Bi800 g/m2、Bi1200 分別為被選中。比較公差時(shí)發(fā)現(xiàn)玻璃纖維重量的制造公差為3%，材料Bi1200g/m2由于制造公差而重量增加的風(fēng)險(xiǎn)最大，選擇進(jìn)入下一個(gè)設(shè)計(jì)決策。按照之前使用的輔材成型工具和整個(gè)粘合壓機(jī)工具，Bi800g/m2的使用優(yōu)于Bi600g/m2：Bi800g/m2粘合厚度的一致性為100%，且法蘭邊緣區(qū)域Bi600g/m2的粘合厚度一致性不超過80%同時(shí)，根據(jù)無紡布形狀的可制造性，確定無紡布產(chǎn)品在50%-95%的長度范圍。

（二）搭建工藝仿真平臺(tái)

在風(fēng)電葉片產(chǎn)品的制造過程中，技術(shù)手段的應(yīng)用或驗(yàn)證往往依賴物理驗(yàn)證，即“試錯(cuò)法”來評(píng)估工藝設(shè)計(jì)的合理性，這無疑增加了內(nèi)外部成本和成本。質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程，工作結(jié)果的評(píng)審和驗(yàn)證更多地依賴于設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，迭代周期短，反應(yīng)速度快。近年來，MOLDEX、PAM-RTM 等風(fēng)電葉片鑄造工藝仿真軟件逐漸向中國風(fēng)電制造單位轉(zhuǎn)移，相應(yīng)的粘接工藝和固化工藝可通過ABAQUS 等軟件或二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)做工藝仿真仿真設(shè)計(jì)通過建立仿真平臺(tái)，可以增加工藝設(shè)計(jì)的驗(yàn)證手段，開拓工藝設(shè)計(jì)空間，提高工藝能力，降低試錯(cuò)成本。風(fēng)電葉片的產(chǎn)品生命周期目前更多依賴紙質(zhì)記錄和二維CAD 圖紙進(jìn)行打印記錄，產(chǎn)品型號(hào)和零件的工藝信息打印可以使用CATIA 或其他類似軟件作為產(chǎn)品平臺(tái)制造過程。進(jìn)程結(jié)構(gòu)樹表示進(jìn)程信息。不同的制造過程在不同的階段調(diào)用三維體積模型，以實(shí)現(xiàn)工藝路線的可視化，建立了一個(gè)集產(chǎn)品工藝信息設(shè)計(jì)與管理、工藝信息可視化和完整的產(chǎn)品生命周期管理于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。工藝仿真平臺(tái)和零件工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)深度集成到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中。以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以仿真平臺(tái)和施工平臺(tái)為工具，流程全過程可視化，無二次轉(zhuǎn)化和傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化生產(chǎn)。

（三）建立工藝管理體系

工藝技術(shù)的發(fā)展應(yīng)在動(dòng)態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)化的工藝管理框架下進(jìn)行，否則多條工藝路線如火如荼，對(duì)產(chǎn)品一致性、工藝標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在流程管理框架的過程中，應(yīng)建立流程框架體系，該框架應(yīng)結(jié)合上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和流程平臺(tái)，選擇最合適的模型設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)流程的標(biāo)準(zhǔn)化框架系統(tǒng)。在管理過程中，要針對(duì)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和名稱，梳理文件類型、代碼、名稱和流程變更控制，加強(qiáng)變更流程管控，解決實(shí)施難、變更亂、亂的問題，徹底改變困難的改進(jìn)。借鑒工藝體系內(nèi)的“PDCA”方法論，推動(dòng)和研究工藝內(nèi)的創(chuàng)新行動(dòng)，將工藝技術(shù)的研究能力劃分為工藝預(yù)控制、產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃（元件布置和產(chǎn)能評(píng)估）、制造技術(shù)、精益物流，六大領(lǐng)域運(yùn)維、售后和關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)在不同的階段進(jìn)行研究、研究、改造和應(yīng)用。在處理關(guān)鍵問題時(shí)，我們注重與國內(nèi)外大學(xué)、科研院所和先進(jìn)企業(yè)的合作與交流，以開闊工匠的視野，讓他們可以自由地集思廣益，碰撞靈感，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，設(shè)計(jì)和制造流程并落地創(chuàng)新成果。

三、葉片生產(chǎn)自動(dòng)流轉(zhuǎn)倒運(yùn)

風(fēng)力葉片的高效生產(chǎn)需要完整且合理的生產(chǎn)線配置。生產(chǎn)線布局時(shí)，可設(shè)置為T 型配置。生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，可設(shè)置為T 形生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中，第一步制作刀架和刀桿，刀架和刀桿作為外殼的一部分。同時(shí)，外殼制造過程也需要合理的生產(chǎn)線布局，外殼制造通常是從成型到工具修復(fù)再到涂層的過程，可以根據(jù)這一特性設(shè)置在流水線布局中。由于葉片的技術(shù)生產(chǎn)特性，在制造過程中必須轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸多個(gè)半成品。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子葉片的特點(diǎn)是尺寸過長、徑向和弦向不一致、葉片形狀不規(guī)則。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，轉(zhuǎn)子葉片的尺寸不斷突破通過限制，并在生產(chǎn)過程中增加了其尺寸和形狀的影響，使生產(chǎn)成本大大增加。但實(shí)施自動(dòng)化后，可采用自動(dòng)流動(dòng)和逆向運(yùn)輸方式完成葉片及部件的運(yùn)輸，減少外部設(shè)備的使用，提高現(xiàn)有設(shè)備的使用效率。

（一）工位和模具端裝備作業(yè)運(yùn)行軌道系統(tǒng)

鏟模車間需要相應(yīng)的模具，同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，需要設(shè)置自動(dòng)移動(dòng)的軌道。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，需要在自動(dòng)化車道內(nèi)增加刀片生產(chǎn)所需的所有工藝內(nèi)容和相關(guān)設(shè)備，包括自動(dòng)涂膠、自動(dòng)點(diǎn)膠、自動(dòng)灌注和合模等。葉片制造工藝完成。作為葉片制造中不可或缺的工序，葉片修復(fù)也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在葉片修復(fù)階段，可在葉片兩側(cè)設(shè)置工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行修復(fù)工作，機(jī)器人應(yīng)具備葉片切割、打磨、噴漆等功能，通過信息控制實(shí)現(xiàn)葉片修復(fù)的自動(dòng)化。

（二）產(chǎn)品和部件流轉(zhuǎn)的自動(dòng)倒運(yùn)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化，必須實(shí)現(xiàn)各工序內(nèi)容的自動(dòng)化，才能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。由于在搬運(yùn)、卷筒紙到托盤再到模具修復(fù)的過程中有不同的工位，并且每個(gè)工位的板材位置不同，因此這些工位中最重要的自動(dòng)化設(shè)備是可以實(shí)施的自動(dòng)換向系統(tǒng)。車削作業(yè)是自動(dòng)化的，在建立自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，要嚴(yán)格控制自加工流程，確保零件或半成品能自動(dòng)正確傳送，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和零件的自動(dòng)化。

（三）原材料自動(dòng)配送系統(tǒng)

在葉片生產(chǎn)加工過程中，想要實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)的全自動(dòng)化，必須考慮原材料的輸送。因此，需要在材料儲(chǔ)備倉庫和生產(chǎn)線及工位之間設(shè)置自動(dòng)配送系統(tǒng)，并以軌道的形式將其連接，在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)按照葉片制作工藝規(guī)程將不同工序所需要的材料按序提前設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)物流的自動(dòng)配送。

四、殼體成型自動(dòng)化生產(chǎn)線

（一）鋪布自動(dòng)化

在制造過程中，噴灑和撒布是生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。這兩個(gè)過程的自動(dòng)化相對(duì)容易，可以集成在一臺(tái)設(shè)備上。只需要合理的信息設(shè)置和位置轉(zhuǎn)移，傳感器設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化噴灑和噴灑過程。鋪設(shè)葉片時(shí)，需要完成玻纖布的鋪設(shè)、芯材的鋪設(shè)、輔料的鋪設(shè)，同時(shí)，對(duì)于自動(dòng)玻纖鋪設(shè)，需要保證玻纖布的尺寸和定位符合，也就是，操作標(biāo)準(zhǔn)需要將精確的運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入到自動(dòng)安裝設(shè)備中，以便使用定位傳感器實(shí)現(xiàn)安裝的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)安裝過程的自動(dòng)化。此外，還有在玻璃纖維織物的鋪設(shè)過程中將玻璃纖維織物切割的鋪設(shè)方法。切割的玻纖布和葉片的結(jié)構(gòu)會(huì)跟隨形狀，然后調(diào)整涂布機(jī)使其自動(dòng)感應(yīng)鋪設(shè)位置，了解鋪設(shè)自動(dòng)化的完整性。

（二）在線灌注與在線涂膠

在葉片制造的整個(gè)過程中，葉片成型的注射階段是最重要的工序之一，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注射，需要完成葉片的自動(dòng)上料、自動(dòng)消泡、溫度控制和攪拌完成樹脂輸送管。在灌注過程中，灌裝機(jī)通過自動(dòng)流水系統(tǒng)返回模具進(jìn)行澆注；同時(shí)灌裝機(jī)出膠軟管與模具輸送管的連接系統(tǒng)設(shè)置成這樣可以確保在灌裝機(jī)運(yùn)行時(shí)可以快速實(shí)施兩者。如果要使兩根管子連接并成功進(jìn)行灌注，則需要添加自動(dòng)裝置，尤其是管子之間的自動(dòng)連接和檢測。兩者之間可以設(shè)置一個(gè)帶傳感器的電磁閥，傳感器必須在型腔中傳輸。可有效記錄樹脂壓力和流量，并將記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回灌裝機(jī)。達(dá)到預(yù)設(shè)填充量或樹脂壓力值/流量后，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填充。

五、總結(jié)

從上面的描述可以看出，風(fēng)電葉片的制造涉及很多復(fù)雜的工序，人工操作質(zhì)量不確定性多，人工操作成本太高。能否提高葉片制造的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化，是當(dāng)前葉片制造行業(yè)應(yīng)該研究和探討的問題。本文基于轉(zhuǎn)子葉片制造過程，提出了一種自動(dòng)化解決方案，以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片制造行業(yè)的健康發(fā)展。