基于精益智造模式的電機金加工車間設計

摘 要：【目的】目前智能制造技術應用未能精準賦能于電機制造企業的各個核心價值創造環節，導致智能制造技術應用無法充分發揮提升電機制造企業價值創造能力的作用，有必要對電機制造車間進行優化設計，從而打通制造痛點。【方法】基于精益智造模式，對電機金加工車間建立總體設計模型、工程設計模型、工藝流程與布局模型及精益智造控制系統，實現智造技術的增值和企業價值創造的融合。【結果】在金加工車間設計投產后，可滿足市場對多規格、小批量的柔性化生產要求，從而實現電機生產高自動化、高質量化、高效率化。【結論】車間設計方案入選中華人民共和國工業和信息化部的超高效永磁電機及控制系統智能制造綜合標準化與新模式應用項目，為電機制造企業實現高價值，促進高質量發展提供技術支持。

關鍵詞：精益生產；智能制造；電機金加工

中圖分類號：TM305" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0033-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.007

Electrical Machine Workshop Design Based on the Lean Manufacturing Model

HUANG Sheng1 LI Haote1 ZHANG Guofu2 ZHAO Zilong3

（1.Hunan College of Chemical Technology，Zhuzhou 412000，China;

2.China Machinery International Engineering Design and Research Institute Limited Liability Company，Changsha 410000，China; 3.Zhuzhou CRRC Timly Forge Co.， Ltd.， Zhuzhou 412000，China）

Absrtact： [Purposes] The current application of intelligent manufacturing technology can not accurately endow each core value creation link of motor manufacturing enterprises.Therefore， it is necessary to optimize the design of the motor manufacturing workshop in order to solve the manufacturing pain point. [Methods] Based on the lean intelligent manufacturing model， the overall design model， engineering design model， process flow and layout model and the lean intelligent manufacturing control system are established for the electrical machine shop， in order to realize the value-added of intelligent technology and the integration of enterprise value creation. [Findings] The requirements of the market for flexible production with multiple specifications and small batches were met to achieve high automation， high quality and high efficiency of the motor production. [Conclusions] The workshop design is included in the project of Integrated Standardization and New Mode application of intelligent manufacturing for ultra-high-efficiency permanent magnet motor and control system of Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China， which provides technical support for motor manufacturing enterprises to achieve high value and promote high-quality development.

Keywords： lean production; intelligent manufacturing; electrical machine

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，電機已成為現代工業機械的主要動力源。然而，電機市場的競爭也日益激烈，智能制造對機械工業的轉型與發展起到至關重要的作用^［1-4］。然而，從以企業價值創造能力提升來促進電機制造企業轉型升級的角度來看，智能制造的實施對我國電機制造企業的高質量發展起到的作用并不明顯。這是因為我國現有的智能制造模式還不夠精益，智能制造技術應用未能精準賦能于電機制造企業的各個核心價值創造環節，導致智能制造技術應用無法充分發揮其提升電機制造企業價值創造能力的作用^［5-8］。

1 精益智造模式

要實現智能制造，需要從產品、生產、模式、基礎這4個維度系統推進。智能產品是主體，智能生產是主線，以用戶為中心的產業模式變革是主題，信息—物理系統和工業互聯網是基礎^［9］。

精益生產是一個集成的社會—技術系統，核心目標為通過減少供應商客戶及組織內部的變異來減少浪費。這一概念來源于豐田生產方式的實踐活動，是對其實踐活動的總結^［10］。

精益智造模式將精益增值理念與智能制造技術的優勢相結合，以提升制造型企業的價值創造能力為目標，通過科學應用智能制造技術的優勢，高效推進企業的技術要素、生產要素和資源要素的有機整合，對企業的價值創造系統進行精益化設計、流程再造和模式重構。這一先進制造模式將智能制造技術的優勢轉化為企業的價值創造能力^［11-12］。

目前，電機金加工工藝已相對成熟。然而，在電機智能制造過程中，物流路線過長、周轉情況頻繁可能導致工件損壞，且周轉還會導致加工工序倒流，不利于電機制造的標準化和規范化。基于精益智造模式，有必要對電機金加工車間進行設計優化，以實現智造技術的增值和企業價值創造的融合。

2 電機金加工車間設計

2.1 總體設計模型

金加工車間主要負責對電機轉軸、轉子、端蓋、機座等零部件進行加工。該車間將新增組合車床、車削中心、真空浸漆機、臥立式加工中心等金加工設備，可形成年產10萬臺套新能源汽車電機動力總成的生產能力。金加工車間將配套條碼管理系統、設備DNC聯網技術和精益智造控制系統，并融合光機電一體化、工業生產過程控制、車間設備信息集成技術等技術，能實時采集生產數據，并進行分析匯總，實現車間的智能化和信息化管理。金加工數字化生產線總體設計模型如圖1所示。

2.2 工程設計模型

金加工數字化生產線主要分為轉軸轉子自動化加工單元、端蓋自動化加工單元、機座自動化加工單元。加工單元主要功能模塊設計如下。

2.2.1 轉軸、轉子自動化加工單元。①異步電機轉軸轉子自動化加工單元不適應多品種小批量生產，可對中心高為80～90 cm的批量最大的部分采用設備直線式布置，搭配直走式的上下料機械手方案，整合自動上下料平鉆，并包含脫殼處理工序。該加工單元包括機器人自動上下料系統及電機轉軸自動化加工單元、轉軸壓入轉子等加工單元，具體包括1臺RB20機器人、1臺RB50機器人、1臺伺服立式壓機、1臺數控外圓磨機、1臺XK713數控銑床、3臺CAK4085數控車床及自動上下料的加工單元。②永磁同步電機轉子自動化單元。如圖2所示，該單元通過對工業機器人、設備及操作工的有效結合，減輕員工勞動強度、提升產品質量穩定性、提升產能效率，通過智能化管理看板及時監控生產工藝流程、產品質量、產能及物流情況。工件采用線體傳送，工業機器人與設備結合完成磁瓦安裝、轉子塑封及工件上下料。該設計消除了磁瓦安裝及注塑時易對操作工造成人身傷害的隱患，同時提高產品質量穩定性及生產效率。

2.2.2 端蓋自動化加工單元。該自動化加工單元的配置為3臺i5T3.5-5075s智能機床、1臺六軸關節機器人、1套托盤升降式回轉料倉、3套工件翻面模塊、3套抽檢模塊、1套總控單元。①機器人選用的是廣數RB50關節機器人，該機器人控制軸數為6軸、最大水平工作半徑為1 250 mm、最大夾持重量為50 kg，適合輕型零件的自動上下料應用。②工件抓手模塊是由2套氣爪組成的，布置在機器人的第六軸上，可同步完成上料與下料動作，上下料效率高。氣爪為三指氣爪，適合于盤類工件的抓取。③工件料庫的料倉有16個托盤，由鏈條帶動循環。每個托盤可疊放高度為350 mm，調整范圍為φ100～φ300 mm。托盤的定位精度為±2 mm，單盤載荷能力為60 kg。提升機由電機、滾珠形絲杠驅動，在傳感器的配合下，保證機械手抓取毛坯位置恒定。在更換產品時，操作員只需把對應的限位柱調節到對應位置即可，托盤的調節機構為行星齒輪，具有操作簡單、方便、靈活性強等優點。

2.2.3 電機機座自動化加工單元。該單元由1臺軌道機器人、8臺自控液壓夾具、1套（上下料）物料輸送系統、1套防護單元及2臺雙工位臥式加工中心（可擴展至4臺）組成，可完成對此殼體（正反面所有孔系）的自動化加工，生產線所有設備都采用模塊化設計，設備的各項性能指標均符合國家相關行業標準，并能完全滿足生產線正常生產要求。夾具上的所有組件均為模塊化設計，具有較好的通用性和互換性。夾具具有氣密檢測（毛坯定位除外）、壓力檢測、油缸位置檢測及定位面沖洗、斷銷檢測（OP10B）等功能。夾具設計為內置油路，布局合理，無積削死角，結構剛性好，不產生夾緊變形。夾具配有自動線控制接口，能與自動線進行完美匹配。

2.3 工藝流程及布局模型

工藝流程如圖3所示。

轉軸轉子布局及端蓋布局模型如圖4所示。

機座布局模型如圖5所示。

2.4 精益智造控制系統

機床、夾具、機器人、物流、測量單元及所有外部信號通過獨立的IO模塊輸出至運營層，最終輸入到精益智造綜合管理系統。精益智造綜合管理系統通過實時采集信號，從而對所有設備下達正確合理的指令，實現生產線的自動運行及監控，總線控制系統具有智能診斷功能和視頻輸出接口，系統設有自動和手動兩種模式，方便設備調試。當其中某單臺設備故障時，其他設備可正常生產。系統配置有手動操作平臺，每個單元的啟動與急停等功能都可在此平臺上完成操作，有效提高設備的可操作性和安全性，使復雜的生產管理過程變得簡易化和可視化。精益智造控制系統功能如圖6所示。

3 結語

基于精益智造模式的電機金加工車間可完成電機轉軸轉子、端蓋、機座等零部件的加工。在引入精益智造模式后，該車間具有較強的柔性制造能力和兼容性，具備了工作狀態反饋、制造數據采集和數據交互等數字化能力。自該項目實施以來，顯著提高了電機金加工車間的綜合生產效率，充分發揮了精益智造控制系統對企業經營效益提升的作用，為電機制造企業轉型升級提供參考。

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［12］智慧質量系統解決方案賦能精益智造［J］.現代制造，2019（1）：6-7.

收稿日期：2023-06-29

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目“電機智能制造生產線及關鍵工藝設備的設計與研究”（22C0903）。

作者簡介：黃勝（1986—），男，博士生，高級工程師，研究方向：智能制造；李皓特（1987—），男，本科，助教，研究方向：機械設計；張國富（1981—），男，本科，高級工程師，研究方向：智能制造。