汽輪機葉片數字化柔性生產線設計應用

劉永亮

摘要：以汽輪機葉片為產品對象，進行數字化柔性生產線建設，通過工藝流程設計、生產線布局規劃、加工單元主要設備導入、信息化系統設計與集成應用，實現汽輪機葉片的自動化柔性生產，提高產品質量和生產效率，降低運營成本，滿足多品種、小批量的訂單模式需求。

關鍵詞：汽輪機葉片;數字化;柔性生產;生產線設計

0 ?引言

葉片作為汽輪機的核心部件，其生產效率、生產成本和產品質量，直接影響著整個汽輪機的生產效率、生產成本以及性能。汽輪機葉片屬于典型的多品種小批量定制化生產零件，為滿足其質量、交期、成本等方面日益升高的要求，實施機加柔性生產線勢在必行。本文以汽輪機葉片為產品對象，設計應用數字化柔性生產線，主要內容包括：工藝流程設計、生產線布局規劃、加工單元主要設備導入、信息化系統設計與集成應用。

1 ?生產工藝流程設計

汽輪機葉片的生產主要以機械加工為主，大致分為：毛坯來料——粗加工1——粗加工2——精加工1——精加工2——產品下線檢測等環節。傳統的生產工藝流程，大多工藝環節間依靠人工轉運產品，造成生產效率低下，存在安全風險和質量風險。為此，需重新設計工藝流程，零件、組件、半成品、成品在各工序之間流轉采用全自動傳輸線，同時配置必要的轉運設施，提高傳輸效率，保證生產節拍要求，有效控制傳輸過程對零組件及產品表面的污染和損傷。

2 ?生產線布局規劃

針對汽輪機葉片的生產特點和工藝流程，采用計算機建模仿真技術、數學理論方法，從規劃、建設到運行等不同環節對生產線進行模擬、分析、評估、驗證和優化。基于數字化布局技術，在三維虛擬環境中基于生產工藝、加工設備以及物流設施等進行生產總體布局設計。汽輪機葉片生產線布局如圖1所示。

3 ?加工單元主要設備導入

生產線主要包括工件粗加工1、粗加工2、精加工1、精加工2等基本加工單元構成。根據工藝流程可規劃不同的加工路徑，利用機器人將待加工件分配到預訂的加工單元處，各單元可獨立完成相應工序的加工作業，加工后的工件存儲到中轉站;根據加工工序和各個加工單元的作業情況，系統可動態調整工藝路線，將不同加工單元組成全自動柔性生產線，實現混線柔性生產。主要設備包括：

3.1 上下料手推車、3R夾具、中轉料架

上下料手推車為定制設備，主要實現集中上料，單個取料的功能，工件一次上料50只。并配有定位鎖死機構，在手推車到位后將其鎖死，用于保證機器人抓取的重復定位精度要求。

3R夾具用于機器人夾持的臺階為100mm，夾具能夾持的工件端面尺寸范圍為35×60mm，長度小于260mm。

中轉料架與上下料手推車結構相同，僅固定在原地使用。

3.2 刀具、夾具RFID系統

工業RFID系統主要由數據載體、讀/寫磁頭、分析單元和各種附件組成。用工業RFID系統進行刀具編碼，保存所有相關的刀具數據，如編號、尺寸和使用壽命，并隨時調用，簡化了數據管理，提高生產過程質量，最終提升經濟效益。在上線前的預處理過程中，人工錄入工件型號，與夾具ID進行綁定，利用RFID系統對3R夾具進行追溯和管理，從而實現對工件的加工和流轉過程進行追溯和管理。

3.3 立式加工中心

針對汽輪機葉片產品的工藝特點，本生產線導入應用4臺5軸聯動立式加工中心。立式加工中心，具有整機結構剛性強、精度穩定、故障率低、可靠性好的優點;工作臺采用滾動導軌，有效地避免了低速爬行現象。立式加工中心的基本結構包括數控系統、機械本體和輔助系統。

數控系統：由CNC裝置、伺服趨動裝置、可編程序控制器等組成，是加工中心執行順序動作和完成加工過程的控制中心。

機械本體：包括基礎部件、主軸部件、自動換刀裝置等。基礎部件由床身立柱和工作臺組成，是加工中心的結構基礎;主軸部件由主軸箱、電機、主軸和軸承等組成，是加工中心的關鍵部件。

輔助系統：包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓等，對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，是加工中心中不可缺少的部分。

3.4 工業機器人

采用六軸機器人，機器人手爪主要由氣缸分別安裝在連接板上，當手爪工作時候，先從取料位置抓取一件待加工工件，移動到機床位置后，放入好相應的工位中。手爪配備檢測開關，實現閉環管理，防止因為手爪夾持不到位引起的工件脫落。

軌道采用優質型鋼焊接而成，優化設計而成，滿足設備的強度要求。經去應力處理，保證設備經過長期使用不會發生變形，采用伺服電機配合高精度的齒輪齒條實現機器人行走的驅動，保證驅動平穩、位置可靠。軌道兩端設置位置檢測開關和機械擋塊，防止因為設備故障或人員誤操作而導致的設備損壞。

3.5 刀具預調儀

刀具預調儀是在新刀具進入柔性生產系統時進行刀具參數測量和補償的儀器。檢測數據直接反饋到控制系統以及MES系統，實現刀具在加工過程中質量可控制，可追溯功能，最終保證加工產品的質量。

3.6 備用刀庫

備用刀庫的放置區域和機器人上下料的活動區域設置有1米以上的距離，確保安全。刀庫由優質鋼材焊接而成，層與層之間呈階梯狀錯路放置，方便機器人取放刀具。鋼架上加工刀柄放置孔，孔上放置非金屬刀托，刀柄直接放于刀托上。刀庫由信息化系統對刀具信息進行管理。

3.7 總控系統

總控系統是在無人直接參與下可使生產過程或其他過程按期望規律或預定程序進行的控制系統，是實現自動化的主要手段。系統設有操作權限，權限分為一般操作者、高級操作者、維修人員等，不同的權限只能操作相應按鈕或修改相應的數據，從而增加系統的安全性。所有設備設有紅（設備報警或故障）、黃（設備暫停）、綠（設備正在運行）三種故障報警指示，并安裝在設備明顯位置，在緊急的情況下能立即停止設備的任何工作。

4 ?信息化系統設計與集成應用

4.1 信息系統整體框架

該柔性生產線的信息化系統方案設計包括系統架構、各系統功能模塊、硬件配置、車間布局以及總體實施解決方案，主要建設并集成應用四大系統：生產執行系統（MES）、工位系統、分布式數控系統（DNC）、視頻監視系統。MES系統針對生產過程提供排產、設備監控、生產控制、過程監控;工位系統針對現場生產操作，現場數據與MES系統數據交互;DNC系統完成設備運行及加工數據采集;視頻監控系統對機床實時加工過程監控。

MES系統通過數據庫與工位系統進行數據共享和數據傳輸，為保證MES操作實時性，增加MES系統信息推送至工位系統;視頻監控系統可與現有視頻系統集成，同時上傳實時視頻至MES系統，MES系統進行視頻信息加載;工位系統與DNC系統通過訪問工位系統接口進行采集數據上傳，工位系統通過訪問DNC系統接口進行程序號下發;工位系統與PLC控制系統通過TCP/IP通信，進行信息交互。

4.2 MES系統方案設計

MES系統采用Service-Oriented Architecture（SOA）技術B/S架構，應用服務端和數據庫部署在企業內部，并可與企業其他系統通過接口實現系據集成，用戶通過局域網登錄系統，在各自授權的范圍內操作。MES系統主要分為六大功能模塊：用戶管理、生產管理、刀具管理、庫存管理、設備管理、報表管理，功能模塊之間的交叉共用組成完整生產過程控制系統。

4.3 工位系統方案設計

該系統采用C/S架構，在整個項目中作為承上啟下，完成MES系統與PLC控制系統數據和控制對接。MES配置工藝模型在該系統得到完美展現，同時也作為現場工人與MES系統交互橋梁，進而實現車間現場與辦公室零距離辦公。該工位擁有以下功能：隨機抽檢產品，根據MES設置自動抽檢，檢查結果錄入，不合格返修處理，設備對刀具固定刀補量更改，消息推送、工單提示，備用刀具與刀庫位置綁定。

4.4 DNC系統方案設計

DNC系統的主要組成部分有：中央計算機及外圍存儲設備、通信接口、機床及機床控制器。首先，由計算機進行數據管理，從大容量的存儲器中取回零件程序并把它傳遞給機床;然后在這兩個方向上控制信息的流動，在多臺計算機間分配信息，使各機床控制器能完成各自的操作;最后由計算機監視并處理機床反饋。分布式數控系統可以通過計算機網絡實現NC（數控）程序的直接裝載和靈活存儲，因此能實現：消除程序讀入裝置維護所需的費用;減少程序輸入的錯誤;簡化NC程序的管理;便于進行生產調度和監控，提高數控設備生產效率。

5 ?結束語

葉片作為汽輪機的核心部件，是決定汽輪機生產效率、生產成本以及性能的重要因素。本文通過建設應用汽輪機葉片的數字化柔性生產線，提高了產品生產效率和質量、降低了成本、改善了人工作業環境，滿足了汽輪機葉片的多品種小批量定制化生產需求，為同行業提供了可參考的數字化柔性生產線解決方案和應用示范。

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