刘永亮

摘要：以汽轮机叶片为产品对象，进行数字化柔性生产线建设，通过工艺流程设计、生产线布局规划、加工单元主要设备导入、信息化系统设计与集成应用，实现汽轮机叶片的自动化柔性生产，提高产品质量和生产效率，降低运营成本，满足多品种、小批量的订单模式需求。

关键词：汽轮机叶片;数字化;柔性生产;生产线设计

0  引言

叶片作为汽轮机的核心部件，其生产效率、生产成本和产品质量，直接影响着整个汽轮机的生产效率、生产成本以及性能。汽轮机叶片属于典型的多品种小批量定制化生产零件，为满足其质量、交期、成本等方面日益升高的要求，实施机加柔性生产线势在必行。本文以汽轮机叶片为产品对象，设计应用数字化柔性生产线，主要内容包括：工艺流程设计、生产线布局规划、加工单元主要设备导入、信息化系统设计与集成应用。

1  生产工艺流程设计

汽轮机叶片的生产主要以机械加工为主，大致分为：毛坯来料——粗加工1——粗加工2——精加工1——精加工2——产品下线检测等环节。传统的生产工艺流程，大多工艺环节间依靠人工转运产品，造成生产效率低下，存在安全风险和质量风险。为此，需重新设计工艺流程，零件、组件、半成品、成品在各工序之间流转采用全自动传输线，同时配置必要的转运设施，提高传输效率，保证生产节拍要求，有效控制传输过程对零组件及产品表面的污染和损伤。

2  生产线布局规划

针对汽轮机叶片的生产特点和工艺流程，采用计算机建模仿真技术、数学理论方法，从规划、建设到运行等不同環节对生产线进行模拟、分析、评估、验证和优化。基于数字化布局技术，在三维虚拟环境中基于生产工艺、加工设备以及物流设施等进行生产总体布局设计。汽轮机叶片生产线布局如图1所示。

3  加工单元主要设备导入

生产线主要包括工件粗加工1、粗加工2、精加工1、精加工2等基本加工单元构成。根据工艺流程可规划不同的加工路径，利用机器人将待加工件分配到预订的加工单元处，各单元可独立完成相应工序的加工作业，加工后的工件存储到中转站;根据加工工序和各个加工单元的作业情况，系统可动态调整工艺路线，将不同加工单元组成全自动柔性生产线，实现混线柔性生产。主要设备包括：

3.1 上下料手推车、3R夹具、中转料架

上下料手推车为定制设备，主要实现集中上料，单个取料的功能，工件一次上料50只。并配有定位锁死机构，在手推车到位后将其锁死，用于保证机器人抓取的重复定位精度要求。

3R夹具用于机器人夹持的台阶为100mm，夹具能夹持的工件端面尺寸范围为35×60mm，长度小于260mm。

中转料架与上下料手推车结构相同，仅固定在原地使用。

3.2 刀具、夹具RFID系统

工业RFID系统主要由数据载体、读/写磁头、分析单元和各种附件组成。用工业RFID系统进行刀具编码，保存所有相关的刀具数据，如编号、尺寸和使用寿命，并随时调用，简化了数据管理，提高生产过程质量，最终提升经济效益。在上线前的预处理过程中，人工录入工件型号，与夹具ID进行绑定，利用RFID系统对3R夹具进行追溯和管理，从而实现对工件的加工和流转过程进行追溯和管理。

3.3 立式加工中心

针对汽轮机叶片产品的工艺特点，本生产线导入应用4台5轴联动立式加工中心。立式加工中心，具有整机结构刚性强、精度稳定、故障率低、可靠性好的优点;工作台采用滚动导轨，有效地避免了低速爬行现象。立式加工中心的基本结构包括数控系统、机械本体和辅助系统。

数控系统：由CNC装置、伺服趋动装置、可编程序控制器等组成，是加工中心执行顺序动作和完成加工过程的控制中心。

机械本体：包括基础部件、主轴部件、自动换刀装置等。基础部件由床身立柱和工作台组成，是加工中心的结构基础;主轴部件由主轴箱、电机、主轴和轴承等组成，是加工中心的关键部件。

辅助系统：包括润滑、冷却、排屑、防护、液压等，对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 工业机器人

采用六轴机器人，机器人手爪主要由气缸分别安装在连接板上，当手爪工作时候，先从取料位置抓取一件待加工工件，移动到机床位置后，放入好相应的工位中。手爪配备检测开关，实现闭环管理，防止因为手爪夹持不到位引起的工件脱落。

轨道采用优质型钢焊接而成，优化设计而成，满足设备的强度要求。经去应力处理，保证设备经过长期使用不会发生变形，采用伺服电机配合高精度的齿轮齿条实现机器人行走的驱动，保证驱动平稳、位置可靠。轨道两端设置位置检测开关和机械挡块，防止因为设备故障或人员误操作而导致的设备损坏。

3.5 刀具预调仪

刀具预调仪是在新刀具进入柔性生产系统时进行刀具参数测量和补偿的仪器。检测数据直接反馈到控制系统以及MES系统，实现刀具在加工过程中质量可控制，可追溯功能，最终保证加工产品的质量。

3.6 备用刀库

备用刀库的放置区域和机器人上下料的活动区域设置有1米以上的距离，确保安全。刀库由优质钢材焊接而成，层与层之间呈阶梯状错路放置，方便机器人取放刀具。钢架上加工刀柄放置孔，孔上放置非金属刀托，刀柄直接放于刀托上。刀库由信息化系统对刀具信息进行管理。

3.7 总控系统

总控系统是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统，是实现自动化的主要手段。系统设有操作权限，权限分为一般操作者、高级操作者、维修人员等，不同的权限只能操作相应按钮或修改相应的数据，从而增加系统的安全性。所有设备设有红（设备报警或故障）、黄（设备暂停）、绿（设备正在运行）三种故障报警指示，并安装在设备明显位置，在紧急的情况下能立即停止设备的任何工作。

4  信息化系统设计与集成应用

4.1 信息系统整体框架

该柔性生产线的信息化系统方案设计包括系统架构、各系统功能模块、硬件配置、车间布局以及总体实施解决方案，主要建设并集成应用四大系统：生产执行系统（MES）、工位系统、分布式数控系统（DNC）、视频监视系统。MES系统针对生产过程提供排产、设备监控、生产控制、过程监控;工位系统针对现场生产操作，现场数据与MES系统数据交互;DNC系统完成设备运行及加工数据采集;视频监控系统对机床实时加工过程监控。

MES系统通过数据库与工位系统进行数据共享和数据传输，为保证MES操作实时性，增加MES系统信息推送至工位系统;视频监控系统可与现有视频系统集成，同时上传实时视频至MES系统，MES系统进行视频信息加载;工位系统与DNC系统通过访问工位系统接口进行采集数据上传，工位系统通过访问DNC系统接口进行程序号下发;工位系统与PLC控制系統通过TCP/IP通信，进行信息交互。

4.2 MES系统方案设计

MES系统采用Service-Oriented Architecture（SOA）技术B/S架构，应用服务端和数据库部署在企业内部，并可与企业其他系统通过接口实现系据集成，用户通过局域网登录系统，在各自授权的范围内操作。MES系统主要分为六大功能模块：用户管理、生产管理、刀具管理、库存管理、设备管理、报表管理，功能模块之间的交叉共用组成完整生产过程控制系统。

4.3 工位系统方案设计

该系统采用C/S架构，在整个项目中作为承上启下，完成MES系统与PLC控制系统数据和控制对接。MES配置工艺模型在该系统得到完美展现，同时也作为现场工人与MES系统交互桥梁，进而实现车间现场与办公室零距离办公。该工位拥有以下功能：随机抽检产品，根据MES设置自动抽检，检查结果录入，不合格返修处理，设备对刀具固定刀补量更改，消息推送、工单提示，备用刀具与刀库位置绑定。

4.4 DNC系统方案设计

DNC系统的主要组成部分有：中央计算机及外围存储设备、通信接口、机床及机床控制器。首先，由计算机进行数据管理，从大容量的存储器中取回零件程序并把它传递给机床;然后在这两个方向上控制信息的流动，在多台计算机间分配信息，使各机床控制器能完成各自的操作;最后由计算机监视并处理机床反馈。分布式数控系统可以通过计算机网络实现NC（数控）程序的直接装载和灵活存储，因此能实现：消除程序读入装置维护所需的费用;减少程序输入的错误;简化NC程序的管理;便于进行生产调度和监控，提高数控设备生产效率。

5  结束语

叶片作为汽轮机的核心部件，是决定汽轮机生产效率、生产成本以及性能的重要因素。本文通过建设应用汽轮机叶片的数字化柔性生产线，提高了产品生产效率和质量、降低了成本、改善了人工作业环境，满足了汽轮机叶片的多品种小批量定制化生产需求，为同行业提供了可参考的数字化柔性生产线解决方案和应用示范。

参考文献：

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