何兆榮，何曉娥,吳 洋

(1.重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶 402283； 2.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引 言

依托“一帶一路”、“中國制造2025”、《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等國家戰(zhàn)略，針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組核心零部件離散型單件多品種定制化的生產(chǎn)組織特點(diǎn)，以及水輪發(fā)電機(jī)核心零部件[1]在強(qiáng)度、疲勞壽命、精度和安全性等方面的特殊性能要求，突破各類大型數(shù)控設(shè)備必須要一人或者多人值守操作的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。實(shí)施工藝三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬加工系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集與可視化監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)，完成水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件制造的智能化建設(shè)工作。該文研究設(shè)備加工制造的一人多機(jī)、無人值守，形成一種大型零部件智能制造新模式，為新形勢(shì)下水輪發(fā)電機(jī)組制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供支撐。

1 發(fā)電機(jī)組零部件傳統(tǒng)生產(chǎn)模式

水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造，基于新建水電站的水頭、落差、流量、地質(zhì)條件等因素，通過初步選型設(shè)計(jì)，確定機(jī)組型號(hào)尺寸。設(shè)計(jì)開發(fā)水力機(jī)械模型，機(jī)組布置的各部套、組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入生產(chǎn)制造階段。

從生產(chǎn)模式的管理變革、數(shù)字化設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)等方面入手，改變生產(chǎn)組織模式、利用數(shù)字化管理工具進(jìn)行生產(chǎn)策劃和過程控制并回歸統(tǒng)計(jì)，達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。

2 構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)作業(yè)模式

通過對(duì)車間進(jìn)行數(shù)字化改造，人機(jī)結(jié)合模式將變得更為高效，通過信息化、可視化、在線監(jiān)控等技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)加工信息實(shí)時(shí)反饋，集中監(jiān)視，實(shí)時(shí)操控，從而使得一人可具備同時(shí)監(jiān)控、操作數(shù)臺(tái)設(shè)備的能力，原來一人一機(jī)甚至數(shù)人一機(jī)的操作模式將呈現(xiàn)出明顯的勞動(dòng)力空閑和剩余現(xiàn)象。故此車間原有圍繞專人專機(jī)操作設(shè)立的生產(chǎn)組織模式將不再適應(yīng)，必須向一人多機(jī)、巡檢操作模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，形成可觀的人力資源降本。表1為構(gòu)建數(shù)字化車間生產(chǎn)組織模式人力資源結(jié)構(gòu)對(duì)比。

表1 作業(yè)模式對(duì)比表Table 1 Operation mode comparison table

從表1可看出，通過數(shù)字化車間改造，組建新的生產(chǎn)組織模式，能達(dá)到機(jī)器換人目的，減少設(shè)備操作人員10人，按目前平均人力資源成本10萬元/年計(jì)算，人力資源降本可實(shí)現(xiàn)100萬元/年。確定實(shí)施方案，并在試點(diǎn)班組(立車組、鏜銑一組)開展。

立車組：采取就近原則，在4月中旬第一周選擇新8 m立車、新6.3 m立車、老8 m立車組成一個(gè)巡檢單元，作為第一個(gè)試點(diǎn)開始推行1人巡檢作業(yè)，裝夾服務(wù)小組人員由立車組其他成員承擔(dān)，車間管理人員全程跟蹤記錄試推行情況，工藝部門派人負(fù)責(zé)數(shù)控編程，設(shè)置合適加工參數(shù)等服務(wù)；裝備車間派人對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤維護(hù)。

該試點(diǎn)推行可行后，對(duì)立車組明確巡檢單元數(shù)量及對(duì)應(yīng)的人員配備，明確裝夾服務(wù)組成員和巡檢作業(yè)人員，全面推行一人多機(jī)巡檢作業(yè)模式。

鏜銑一組：同樣采取就近原則，與立車組同時(shí)開展試推行，選取動(dòng)龍門、多棱、小龍門組成一個(gè)巡檢單位，試推行1人巡檢作業(yè)。相關(guān)部門人員的配合和試點(diǎn)情況跟蹤記錄與立車組并行。

該兩個(gè)班組在單獨(dú)推行試點(diǎn)成功后，可對(duì)裝夾服務(wù)組進(jìn)行合并，試點(diǎn)跨組裝夾，擴(kuò)大輪流裝夾范圍。

試推行期間，由專人對(duì)出現(xiàn)的問題、結(jié)論、經(jīng)驗(yàn)等作統(tǒng)計(jì)記錄，作為推行信息化技術(shù)改進(jìn)的依據(jù)。

為切實(shí)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作，各縣市區(qū)均建立健全了一系列的制度，如年度地質(zhì)災(zāi)害防治方案編制與發(fā)布、“兩卡一預(yù)案”填制發(fā)放、汛期值班值守、宣傳培訓(xùn)與演練、災(zāi)險(xiǎn)情速報(bào)月報(bào)年報(bào)、建設(shè)有用地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、地質(zhì)災(zāi)害防治項(xiàng)目管理等制度，地質(zhì)災(zāi)害防治管理工作不斷規(guī)范化、制度化和常態(tài)化。

立車組與鏜銑一組作為試點(diǎn)推行完成后，逐步推行臥車組和鏜銑二組，復(fù)制運(yùn)用推行方法，因鏜床設(shè)備操作需進(jìn)操作室方可實(shí)現(xiàn)的特殊性以及臥車多數(shù)為非數(shù)控設(shè)備，需聯(lián)合工藝、裝備等部門充分討論研究，確定巡檢單元及人員配置。

在推行巡檢作業(yè)模式時(shí)，需要進(jìn)行局部改造、信息顯示、報(bào)警停機(jī)、在線控制等技術(shù)支持，要由數(shù)字化改造廠家駐點(diǎn)服務(wù)。

確定各級(jí)人員職能職責(zé)：車間副主任及主管：負(fù)責(zé)組建推行團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)組織人員編制推行方案及具體細(xì)節(jié)，每日試點(diǎn)推行開始、中途及結(jié)束了解情況，負(fù)責(zé)總體進(jìn)度把控，負(fù)責(zé)定期召開專題會(huì)議，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，形成相關(guān)規(guī)定文件。

計(jì)劃管理員:負(fù)責(zé)提前安排工件、開具工票，圖紙工藝及所需配合件、質(zhì)量交底[3]的準(zhǔn)備工作；負(fù)責(zé)監(jiān)督推行試點(diǎn)是否按期推進(jìn)，負(fù)責(zé)記錄推行過程，負(fù)責(zé)對(duì)試點(diǎn)的加工任務(wù)與生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)調(diào)。

班組長：負(fù)責(zé)選擇合適的組員進(jìn)行試點(diǎn)推行，負(fù)責(zé)組內(nèi)人員的分工調(diào)配，負(fù)責(zé)確定裝夾服務(wù)順序，負(fù)責(zé)保障試點(diǎn)現(xiàn)場安全，對(duì)組員反饋的問題負(fù)責(zé)處理(技術(shù)聯(lián)絡(luò)、事故上報(bào)等)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場緊急情況進(jìn)行處置，指揮人員行動(dòng)；負(fù)責(zé)定期反饋試推行情況。

試點(diǎn)巡檢人員：負(fù)責(zé)按照工票準(zhǔn)備相應(yīng)工裝工具、量具等，負(fù)責(zé)指揮裝夾服務(wù)人員對(duì)工件正確裝夾、起重吊裝方案[4]，負(fù)責(zé)檢查裝夾工作是否安全合格，負(fù)責(zé)根據(jù)圖紙工藝等技術(shù)文件正確設(shè)置加工參數(shù)，對(duì)工序加工全過程質(zhì)量負(fù)責(zé)，負(fù)責(zé)安排裝夾服務(wù)人員配合測(cè)量、協(xié)助等工作。

試點(diǎn)裝夾服務(wù)人員：負(fù)責(zé)按照巡檢人員的要求進(jìn)行裝夾，保證裝夾的質(zhì)量，負(fù)責(zé)按巡檢人員指令協(xié)調(diào)起吊轉(zhuǎn)運(yùn)，負(fù)責(zé)配合巡檢人員測(cè)量、對(duì)刀等配合工作；負(fù)責(zé)按順序要求進(jìn)行裝夾服務(wù)。

3 構(gòu)建數(shù)字化智能制造系統(tǒng)

3.1 智能制造整體系統(tǒng)模型

通過打造生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)用5G技術(shù)，構(gòu)建智能制造整體系統(tǒng)模型。結(jié)合設(shè)備機(jī)群，形成全閉環(huán)的智能制造工具模型和軟件、硬件資源，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目整體情況Fig.1 Overall situation of the project

3.2 數(shù)字化車間基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行模型

數(shù)字化車間基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行模型的建設(shè)圍繞生產(chǎn)物流、車間的生產(chǎn)組織方式、零件工藝流程、零件設(shè)計(jì)等方面的因素展開分析，借助主流三維軟件(SolidWorks、Pro/E、UG)以及Flexsim軟件得到運(yùn)行仿真模型。

利用Flexsim軟件構(gòu)建機(jī)床設(shè)備的三維模型，建立車間機(jī)床的物理模型，為車間的后面建模仿真奠定基礎(chǔ)。圖2～5為一些車床的三維模型圖。

圖2 8 m臥車圖Fig.2 The 8 m sleeper diagram

圖3 15 m臥車圖Fig.3 The 15 m sleeper diagram

圖4 6.3 m立車圖Fig.4 The 6.3 m vertical train diagram

圖5 25 m立車圖Fig.5 The 25 m vertical train diagram

結(jié)合相關(guān)資料的收集分析與車間設(shè)施的建模，最終建立的車間設(shè)施布局仿真模型，如圖6所示。

圖6 車間設(shè)施布局仿真運(yùn)行模型Fig.6 Simulation operation model of workshop facility layout

3.3 5G網(wǎng)絡(luò)

通過5G網(wǎng)絡(luò)，無需改變機(jī)床原有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方式，即可讓機(jī)床設(shè)備擺脫有線連接束縛，實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)采集加工過程的工業(yè)數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線多種設(shè)備互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)通信，解決了車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)和上層信息系統(tǒng)的“斷層”問題，提高生產(chǎn)過程的可視化、可控性，降低生產(chǎn)過程的不確定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本。

視頻傳輸：鑒于視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬及實(shí)時(shí)性要求，在車間兩側(cè)架設(shè)了2臺(tái)5G一體化基站(見圖7)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場33臺(tái)高清攝像頭的視頻實(shí)時(shí)上傳及攝像頭的遠(yuǎn)程控制，然后通過光纖傳輸與業(yè)務(wù)中心進(jìn)行交互；車間現(xiàn)場只需要對(duì)攝像頭供電進(jìn)行布線作業(yè)，減少了整體施工難度；整體視頻傳輸效果如下，基本滿足工業(yè)互聯(lián)領(lǐng)域?qū)Υ髱拏鬏數(shù)募夹g(shù)要求。

圖7 5G基站Fig.7 The 5G base station

實(shí)施5G終端的安裝運(yùn)行和5G終端與監(jiān)控設(shè)施的連接(見圖8 、圖9)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件和硬件的協(xié)同。

圖8 5G終端Fig.8 The 5G terminal

圖9 終端連接Fig.9 The terminal connection

3.4 面向車間物聯(lián)的編碼系統(tǒng)

針對(duì)車間加工設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、物流設(shè)備、工裝輔具等方面的管理要求，在原有PDM和ERP系統(tǒng)編碼規(guī)則的基礎(chǔ)上，在人員、工序、工裝夾具、物流設(shè)備、工件等方面進(jìn)一步完善編碼系統(tǒng)，制定人員、產(chǎn)品物料、設(shè)備資源的編碼規(guī)則(見圖10～12)，對(duì)車間內(nèi)的加工設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、物流設(shè)備、工裝輔具進(jìn)行統(tǒng)一編碼，為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件在關(guān)鍵工序上的全程跟蹤提供技術(shù)支撐。

圖10 員工編碼規(guī)則圖Fig.10 Employee coding rule diagram

圖11 產(chǎn)品物料編碼規(guī)則圖Fig.11 Product material code rule diagram

圖12 資源編碼規(guī)則Fig.12 Resource coding rules

3.5 改造和升級(jí)傳統(tǒng)制造裝備

項(xiàng)目范圍有一批服役數(shù)十年的關(guān)鍵、重點(diǎn)裝備，如斯柯達(dá)10 m、12 m普通重型臥式車床、W250G鏜銑床等。機(jī)床經(jīng)數(shù)十年使用，機(jī)械部分磨損嚴(yán)重，幾何精度超差，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)和線纜嚴(yán)重老化，難以滿足數(shù)字化車間的建設(shè)需要，但這些設(shè)備基礎(chǔ)還是很好的，特別是機(jī)床剛性和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性是很多現(xiàn)在新的機(jī)床設(shè)備無法達(dá)到的。鑒于此，針對(duì)這些傳統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行再制造和數(shù)控化改造，解決設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊功能，結(jié)合DNC/MDC及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸采集。

工藝三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及虛擬加工系統(tǒng)的建設(shè)主要針對(duì)超高水頭沖擊式水輪機(jī)關(guān)鍵零部件，例如，轉(zhuǎn)輪、主軸、噴管等進(jìn)行，基于數(shù)字化三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪水力模型設(shè)計(jì)及多相流數(shù)值仿真分析系統(tǒng)[5]等，搭建工藝三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬加工系統(tǒng)，形成水輪機(jī)關(guān)鍵零部件正向設(shè)計(jì)能力，如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)輪三維設(shè)計(jì)Fig.13 Three-dimensional design of Wheel

應(yīng)用CAD/CAM軟件對(duì)沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗[6]、混流式轉(zhuǎn)輪葉片、槳葉和導(dǎo)葉等復(fù)雜零件的型線進(jìn)行高級(jí)曲面建模，形成三維實(shí)體模型；通過該軟件對(duì)轉(zhuǎn)輪水斗、轉(zhuǎn)輪葉片(槳葉)、噴管、主軸和導(dǎo)葉等零件毛坯點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)造三維毛坯實(shí)體，然后應(yīng)用UG NX加工模塊對(duì)零件復(fù)曲面進(jìn)行數(shù)控程序編制(見圖14)；針對(duì)不同機(jī)床，構(gòu)造不同的后處理器，根據(jù)工藝要求，對(duì)數(shù)控編程軌跡選用對(duì)應(yīng)機(jī)床后處理器，處理成數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的NC代碼。

圖14 轉(zhuǎn)輪數(shù)控編程Fig.14 Wheel NC programming

運(yùn)用NX-Nastran CAE分析軟件，開展了核心零部件建模和靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、疲勞分析工作。對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造提供了強(qiáng)大的支持。采用該軟件在設(shè)計(jì)階段分析核心零部件在各種工況下的應(yīng)力、變形分布，評(píng)估其動(dòng)力學(xué)特性和疲勞應(yīng)力，為優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性方面提供了技術(shù)保障(見圖15、圖16)。

圖15 強(qiáng)度計(jì)算機(jī)優(yōu)化Fig.15 Strength computer optimization

圖16 剛度計(jì)算機(jī)優(yōu)化Fig.16 Stiffness computer optimization

將機(jī)床加工信息通過決策支持系統(tǒng)展示給客戶使用人員，DSS采用B/S架構(gòu)，支持ORACLE/SQL Server數(shù)據(jù)庫，方便用戶瀏覽。具有權(quán)限的管理人員通過網(wǎng)絡(luò)上的任意計(jì)算機(jī)登錄本系統(tǒng)即可監(jiān)視、查看所有設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和過去歷史狀態(tài)，并可對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行快速統(tǒng)計(jì)和分析。裝備可視化監(jiān)控系統(tǒng)分為三個(gè)部分：視頻監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制[7]。

4 結(jié) 語

水輪發(fā)電機(jī)組的智能制造應(yīng)用，通過生產(chǎn)組織模式的優(yōu)化，采用數(shù)字化智能制造終端設(shè)備，建設(shè)并試點(diǎn)MES和DNC系統(tǒng)，以“機(jī)器換人”，明顯提高生產(chǎn)效率，減少單位用工數(shù)量，打破水電裝備制造用工難的瓶頸，并解決生產(chǎn)制造對(duì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴。部分加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人值守，為推廣大型裝備制造業(yè)的智能化新模式，降本增效，提供應(yīng)用參考。