水輪機備品修復加工數字化車間管理的探索與實踐

黃長久

（國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰 611830）

1 引言

近年來，建設數字化智能水電廠是國內眾多水電廠的發展方向。作為發電企業，為保障水輪發電機組的可靠運行，對水輪發電機組的檢修和備品修復加工必不可少，創建水輪機備品修復加工數字化車間管理成為了主攻方向之一，也是勢在必行。

水輪機備品修復加工車間是電網企業中少有的制造車間，更是少之又少的水電產品修復加工車間。在修復加工的過程中，其核心就是通過車間生產將被沖蝕破壞了的水輪機備品轉化為修舊如新的新產品——這就是生產性轉化，車間在這個過程中處于非常重要的位置，水輪機備品修復加工車間是將不滿足尺寸、外觀、質量要求的各種水輪機備品按照設計圖紙轉變為新備品的主要場所，是決定生產效率與備品質量的重要環節。

2 構建柔性適應性的生產組織架構

通過構建數字化環境下的水輪機備品修復加工車間生產管理組織架構，如圖1 所示，建立人員、材料和數控加工設備之間的相互協作機制、信息傳遞機制、質量過程管控機制，修復加工都在數字化車間管理的統一系統框架下進行統籌安排。

圖1 數字化車間建設

2.1 創建水輪機備品修復質量管理體系

水輪機備品修復加工車間各崗位、各設備都統籌于生產組織架構下管理，以高效高質生產為核心，人、機、料、法、環、測各環節相互融合，基于統籌的管理，使管理者能夠做到“看得見，說得清，做得對”[1]，實現了水輪機備品修復加工過程的敏捷、高效、高質、協同的精細化生產質量管理體系[2]。主要包括加工設備管理體系、生產計劃管理體系、倉庫物流管理體系、品質質檢管理體系、安全生產管理體系和生產現場管理體系。

水輪機備品修復加工數字化車間是直接進行生產活動的單位，其質量管理必須具體明確，依據質量管理的計劃、組織、控制職能等要求，結合備品修復加工生產特點，構建完善的質量控制流程與質量預警機制，使得備品修復加工質量可控；通過對工作地點、內容、工作負責人、風險等級、作業類型和危險管控措施的日管控，實現對備品修復加工車間的生產全過程管理可控。

2.2 優化數控加工模式下的人力資源配置

實施專業化班組建設，提升多班組高效協同配合能力，車間根據專業設置了5 個班組，班組設置如圖2 所示。隨著水輪機備品修復加工項目數量的增多、勞動強度與日俱增，質檢標準的不斷提高，受項目周期、人員數量、技能水平的限制，都不能靠單個班組自行完成。采用水輪機備品修復加工多班組協同配合工作的模式，按照專業化多工種形式進行班組建設，建立了高效性、系統性、精益化的管理模式，在安全、效率、質量等方面都有很大程度的提高。

圖2 車間班組設置結構圖

2.3 加強全員績效管理，完善激勵約束機制

水輪機備品修復加工車間采用全員績效管理，績效管理體系科學化、規范化和系統化，充分調動了員工積極性，持續提高員工工作業績。采用目標任務制和工作積分制兩種激勵方式，目標任務制是通過目標任務、減項指標以及綜合評價等考核內容進行量化評價的考核制度；工時積分制同價計酬是以標準工時為度量單位，以單位耗時為計量基礎，確認工時積分，工時積分核算成績效工資作為績效激勵[3]。建立了績效管理積分同價計酬工時積分標準定額庫，工作項目分為備品一級分類（修復備件項目分類）、二級分類（工序分類）、三級分類（工種分類），具體的計時方法有標準定額法、實錄工時法和協商評估法，以站間系數和質量系數（良好、合格、降級使用、不合格）兩種系數適應性協調績效激勵機制。

3 構?建工件數字化設計數據庫

針對水輪機備品修復加工生產特點，以現有數字化設備為基礎，優化工藝工序流程，全方位搭建工件模型3D 數據庫和NC 程序數據庫的水輪機備品修復數字化生產設計數據庫，在修復加工全周期的設計階段實現數字化[4]。深度調研水輪機過流部件備品修復主要客戶群——岷江流域內水電站水輪機過流部件設計參數情況發現，主要存在設計圖紙數字化程度薄弱、因制造廠家技術壁壘導致設計數據缺失以及各客戶過流部件備品形式結構差異大等問題，導致水輪機過流部件備品修復加工與水輪機過流部件新品制造存在較大差異。為解決客戶設備情況差異大、標準化程度低的現實問題，構建多渠道工件設計數據庫顯得尤為迫切。

3.1 基于正向建模的CAD/CAM 工件信息數字化采集

針對客戶可提供完整二維設計圖紙的相關部件如水輪機導葉、頂蓋及底環等部件，運用交互式計算機輔助設計軟件平臺對相關工件進行數字化設計和造型復現。首先，進行二維草圖繪制，向CAD 平臺完成工件參數化約束的二維輪廓信息傳遞。隨后運用先進的三維建模、網格曲面重構技術建立尺寸及形位約束驅動的三維模型，如圖3 所示。

圖3 正向建模數字化采集

圖4 逆向工程數字化采集

3.2 基于逆向工程的實體工件信息數字化采集

針對客戶因制造廠家技術壁壘等原因無法提供完整的可用于三維重構的二維設計數據等情況，例如水輪機轉輪3D 模型，需要運用逆向建模技術，通過3D 掃描設備獲取實物樣件表面或內腔數據，輸入逆向反求軟件中進行處理和三維重構，在計算機上逆向求出實物樣件的設計模型。處理數據的流程包括點階段、多邊形階段、形狀階段等[5]。

3.3 創建模塊化與在線審批的NC 程序數據庫

水輪機備品修復加工中，涉及到數量繁多的內外圓車削加工、規則曲面與自由曲面的銑削加工等工序。完整的NC 數控程序編制流程包括從三維建模、工序制定、加工參數優選、刀路生成、動態仿真、防碰撞檢測到程序輸出[6]。面對備品修復加工對象的非標準特性，如果每次加工都從零開始編制NC程序，將極大降低加工效率，影響數控設備生產力的充分釋放。通過對主要加工工序如：導葉軸頸車削、導葉止水面銑削、導葉自由曲面銑削進行模塊化分解，在工件無法實現標準化流水線加工的情況下，分解工序，模塊化創建NC 程序，建立可修改并反復調用的程序塊，并組建程序數據庫。

通過水電廠備品修復NC 數控加工信息化管理，創建了部件修復加工的數控程序庫，包括導葉自動編程/止水面和頂蓋、底環、轉輪等手工編程等常用程序，并進行信息化管理，可進一步優化生產流程，提高工作效率，保障加工質量。

3.4 構建動、靜態信息結合的刀具管理數據庫

隨著柔性制造系統在備品修復中的落地應用，種類、規格及數量繁多的刀具是數字化車間的重要生產資源。通過構建刀具管理數據庫，提高刀具利用率，降低庫存量，減少制造成本，以動態信息與靜態信息相結合的方式進行數據構建。其中靜態信息主要實現對刀具名稱、類型、型號、規格、主參數、材質等基本參數的集約管理，動態信息主要針對刀具數量、狀態（庫存中、報廢、借出中）等動態信息的實時跟蹤。合理控制車間刀具庫存與成本，為車間生產調度計劃的排產提供車間刀具資源的相應約束信息，避免車間刀具準備計劃和生產計劃脫節。

4 搭建信息化項目管理平臺

4.1 形成以可視化排產系統為核心的生產調度信息管理

搭建信息化可視化的生產項目管理平臺，實現了生產執行和數據共享，使水輪機備品修復加工車間的生產過程透明化。車間內所有項目相關信息全部在大屏幕上顯示，確保與備品車間的實際環境相對應，如圖5 中的項目信息所示，實現了待修復電站頂蓋當前狀態、檢測記錄、設備信息、人員信息等影響生產的制約因素的信息采集、隨處共享和可視分析。同時備品修復加工質量得到提高，大部分質量數據實現記錄可視化，質量管控實現流程化管理。可隨時查詢該頂蓋在每個節點的檢測記錄和質量狀態。通過頂蓋質量檔案，實現生產有記錄、質檢有流程、信息可追溯[7]。

圖5 水輪機備品修復加工車間生產項目管理平臺

4.2 形成以基于模型的作業指導書為核心的工藝信息管理

面向數字化車間的工藝文件信息化管理的關鍵是要對工藝信息進行數字化，形成計算機可識別、可復用并相互關聯的數據及文件體系[8]。從數據特點來看，工藝數據可分為結構化的工藝數據和非結構化的工藝文件。例如：水輪機備品堆焊作業中的焊條型號、焊接電流、極性接法、焊接層數等數據和水輪機備品車削加工中的刀具型號、刀具角度、吃刀量、進給量、主軸轉速以及刀具圓角大小等參數均為典型的結構化工藝數據；而可視化的三維工藝指導手冊、加工工藝卡是現場加工中不可或缺的非結構化指導性工藝文檔[9]。

統一工件結構化工藝數據的存儲格式，建立工件與工藝數據的一一映射關系，通過對水輪機備品工件的設計屬性、工件結構、裝配信息進行重新組織，重新構建工件的工藝結構樹，實現工件結構化工藝數據的集中存儲、瀏覽與調用。針對水輪機備品修復中工藝文檔數量大、需流程化審簽、版本多等方面的管理難點。通過構建基于可控權限的共享云文檔、數字化工藝工序卡生成平臺的非結構化工藝文檔編制和流轉體系[10]。對數控設備的運行狀態進行實時監測、并采集數據，數控設備的數據包括機床的開機、關機、報警、主軸轉速、進給量、加工開始與結束時間等信息。當設備發生報警時，系統能夠實時顯示，并且統計報警機床名稱、次數、時間。對故障報警原因進行分析，并將信息推送給車間管理人員[11]。通過打通機械設備數據采集堵點，奠定實時數據分析基礎。

5 結論

通過探索水輪機備品修復加工數字化車間新模式，有效保證了水輪機備品修復加工質量，提高了工作效率，大大縮減備品修復加工時間。車間生產組織高效協同、車間生產過程實時可控、車間生產可追溯、車間生產可視化，提高了水輪機備品修復加工的質量，實現了柔性自動化加工，以及信息化共享過程，促進了車間綜合價值的提升。

通過質量管理創新，為水輪機過流部件修復加工業務的提質增效取得了顯著的成效。

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