A企業(yè)水泵交流電機定子生產(chǎn)線設(shè)計及自動化研究

　　隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，生產(chǎn)自動化、數(shù)字化進程不斷加快，當(dāng)下水泵制造行業(yè)交流電機定子生產(chǎn)中，存在效率低下、成品率不高、工人勞動強度大等問題愈發(fā)凸顯，交流電機定子生產(chǎn)亟待提升裝備制造技術(shù)自動化，實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級。為此，本文提出了一系列的改善方案，以提高定子生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，對相關(guān)企業(yè)實現(xiàn)定子的自動化生產(chǎn)也具有重要的借鑒意義。

　　一、我國電機定子制造現(xiàn)狀與發(fā)展前景生產(chǎn)線自動化是未來制造業(yè)發(fā)展的一大趨勢，它不僅能有效改善企業(yè)的生產(chǎn)效率、管理水平，還能提升企業(yè)的競爭力，因此受到了世界各國的重視。美國是自動化生產(chǎn)線的誕生之地;日本擁有世界上最齊全的自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)業(yè)鏈，而且在自動化生產(chǎn)線以及關(guān)鍵零部件的研究上也處于全球領(lǐng)先地位;德國制造則全球聞名，在自動化生產(chǎn)線方面，其產(chǎn)品具有很好的耐久性和精度保持性，在人機交互以及機器互聯(lián)上也具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。所以，我們不僅要積極引進國外先進技術(shù)，還要在吸收這些先進技術(shù)的基礎(chǔ)上進行再創(chuàng)造，加大自主研發(fā)的投入，掌握工業(yè)自動化核心技術(shù)，真正邁入工業(yè)自動化大國的行列。事實上，從國家政策的宏觀和企業(yè)用工的微觀角度來看，加大自動化技術(shù)研發(fā)和推廣力度也是大勢所趨。

　　1.用工荒倒逼產(chǎn)業(yè)升級當(dāng)前中小企業(yè)所面臨最為突出的問題之一就是“用工荒”，其主要原因還在于新一代人員日新月異的就業(yè)觀與企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀不相適應(yīng)，加上人工成本上升、人口紅利消失的等原因致使招人難。據(jù)2020年4月6日教育部召開新聞發(fā)布會上公布數(shù)據(jù)顯示，2018年，我國受過高中及以上教育的年輕人比例已達(dá)85%。一方面，在就業(yè)市場中有大批受過高等教育的年輕人，其工作方式變得多元化，在工廠機械而重復(fù)性和工作時間長的生產(chǎn)模式已失去了吸引力;

　　另一方面，大部分的制造企業(yè)仍然停留在粗放型的生產(chǎn)加工模式，沒有提供適合新一代就業(yè)人員的崗位。隨著知識經(jīng)濟的到來，制造企業(yè)應(yīng)該審時度勢，進一步做好技術(shù)與管理創(chuàng)新，使企業(yè)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與綜合集成化的目標(biāo)前行。

　　2.制造業(yè)政策分析

　　近年來，國家不斷出臺各項政策以鼓勵企業(yè)加大制造技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)工作。例如國務(wù)院2015年出臺的《中國制造2025》、全國人大2016年制定的《中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三五年規(guī)劃綱要》、國務(wù)院2017年制定的《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》、工信部制定的《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》、科技部制定的《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃的通知》等政策法規(guī)及規(guī)劃，大力支持高端裝備制造行業(yè)健康、良性發(fā)展，智能制造是大勢所趨。與此同時，各地也紛紛響應(yīng)國家號召，出臺相應(yīng)政策

　　鼓勵企業(yè)智能化改造。隨著“中國制造2025”計劃的逐步實施，國內(nèi)依靠廉價勞動力、粗放式發(fā)展的制造業(yè)逐漸進入定向轉(zhuǎn)型升級階段，多品種、小批量需求發(fā)展已成為一種趨勢。因此，對水泵電機定子自動化生產(chǎn)線進行研究，實現(xiàn)定子的自動化生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

　　3.自動化生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢

　　自動化生產(chǎn)線是由工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，將一組自動設(shè)備和輔助設(shè)備按照工藝順序聯(lián)合起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱自動線。根據(jù)《2020-2026年中國制造業(yè)行業(yè)產(chǎn)銷情況及投資趨勢分析報告》顯示，我國制造業(yè)應(yīng)用自動化的比例大約為30%，而歐美國家自動化比例超過90%。我國未來自動化生產(chǎn)線行業(yè)發(fā)展要開發(fā)新產(chǎn)品、新市場，擴大內(nèi)需，培育新的增長點，增強自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力。自動化行業(yè)的企業(yè)應(yīng)加強技術(shù)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品高新技術(shù)含量，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，打造行業(yè)名牌，這是自動化生產(chǎn)線行業(yè)的發(fā)展壯大之根本。

　　目前世界正迎來疫情沖擊下的重大革新：自動化、智能化和數(shù)字化。中國經(jīng)濟正在經(jīng)歷一場由自動化驅(qū)動的升級再造，大規(guī)模引入機器人技術(shù)，來降低商業(yè)運作中人與人的接觸。雖然這樣的轉(zhuǎn)變在此次疫情之前就已發(fā)端，但疫情確實起到了加速的作用。這一波后疫情時代的自動化浪潮將在中國如火如荼的展開，也將于世界各地的商業(yè)環(huán)境中開花結(jié)果。

　　二、電機定子自動化問題分析

　　電機是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中非常重要的部件，它被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及日常生活中。其中定子是交流電機重要組成部分，定子的主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中被磁力線切割進而產(chǎn)生(輸出)電流。定子成型主要工藝流程：上料及處理不良品→檢查鐵芯內(nèi)徑和高度→插槽絕緣→主相繞線嵌線/整形→副相繞線嵌線/整形→剪線→去漆皮→接好引出線/熱保護器線→剪線→焊接→挑線→插套管→理線→前整形→綁線→后整形→打結(jié)→熔線尾→檢外觀→性能檢測。由于A企業(yè)的定子制造成本過高，不良品率居高不下，因此，對其生產(chǎn)過程、生產(chǎn)現(xiàn)場、管理指標(biāo)、不良品原因等進行分析勢在必行，進而提出相應(yīng)的對策。

　　1.生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)查

　　由圖1發(fā)現(xiàn)，A企業(yè)屬于傳統(tǒng)水泵制造企業(yè)，對其生產(chǎn)過程分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行定子裝配操作程序存在以下幾個問題：

　　(1)嵌線時定子線圈穿過定子鐵芯過程中，定子線圈與鐵芯內(nèi)圓間隙小，容易造成定子線圈發(fā)生擦碰;

　　(2)電機定子的搬運、絕緣紙插入以及完成后的檢測，與前后工序沒有聯(lián)動，需人工參與;

　　(3)繞線工位距離下一工位較遠(yuǎn)。物料的搬運路線迂回交叉;

　　(4)作業(yè)程序及分工不合理。某些工序劃分過細(xì)，各工序的工人人數(shù)安排不合理，造成了加工過程中多次出現(xiàn)暫時放置，即等待;

　　(5)廢料隨意堆放，臟亂現(xiàn)象嚴(yán)重。工作臺上的裝配零件和工具混放;

　　(6)試驗臺(進行120V電壓實驗)缺少安全保護措施;

　　( 7 ) 工 序 復(fù) 雜 ， 生 產(chǎn) 線 用 人 多 ( 見 表 1 ) ， 站立作業(yè)而且勞動強度大，導(dǎo)致人員流動頻率高，超過3個月的員工不到20%，產(chǎn)品的一致性和可靠性很難保障?！?/p>

　　2.生產(chǎn)線管理指標(biāo)計算

　　目前各工位及人員情況如下：

　　(1) 生產(chǎn)線平衡率的計算公式如下：

　　上 述 的 這 三 個 指 標(biāo) 是 衡 量 生 產(chǎn) 線 效 率 的 關(guān) 鍵 指標(biāo) ， 通 過 生 產(chǎn) 線 管 理 指 標(biāo) 計 算 發(fā) 現(xiàn) ， 生 產(chǎn) 線 平 衡 低(平衡率標(biāo)準(zhǔn)至少到95%以上)，每班人數(shù)大于17個人，不能滿足客戶訂單的需求。

　　3.定子不良率原因分析

　　經(jīng)統(tǒng)計，定子生產(chǎn)不良類型集中在斷線、碰傷、匝間不良、耐壓不良等方面(見表2)，具體來說如下：

　　(1)斷線原因分析：①繞線杯導(dǎo)線柱有毛刺，導(dǎo)致繞線亂線。②繞線機亂線，嵌線時未整理好斷線。③漆包線來料不良，表面不光滑有漆瘤，嵌線時容易斷線。④一次整形時未理好線，漆包線被整形模具壓斷線。⑤扎線時未理好線，扎線機扎針把線勾斷;

　　(2)漆包線碰傷原因分析：①新員工作業(yè)速度慢，產(chǎn)線堆積，員工隨意推拉而碰傷漆包線。②生產(chǎn)線產(chǎn)品堆積，鐵芯碰到漆包線。③繞線時模具有毛刺導(dǎo)致漆包線砍傷。④整形機扎線機因理線不好，導(dǎo)致漆包線砍傷;

　　(3)匝間不良原因分析：插入機導(dǎo)條出現(xiàn)磨損、毛刺，導(dǎo)致下線時漆包線內(nèi)部砍傷;

　　(4)耐壓不良原因分析：下扎針變形扎破卷紙，漆包線外漏，致使絕緣包扎存在問題;上述的不良描述中，因為存在產(chǎn)品堆積、周轉(zhuǎn)防護、手工作業(yè)精度無法保證的情況，所以考慮通過自動化、防錯等設(shè)計來進行改進，因此才有了自動化線體改善的成果。

　　三、定子生產(chǎn)線設(shè)計

　　根據(jù)市場分析，A企業(yè)專業(yè)生產(chǎn)電機定子，2017年生產(chǎn)產(chǎn)量451000臺、2018年產(chǎn)量623729臺、2019年產(chǎn)量1177192臺，平均每年訂單穩(wěn)定增長30%以上，因此建議運用定子自動化生產(chǎn)線進行生產(chǎn)。

　　1.定子自動化生產(chǎn)線的總體布局思路

　　在進行定子自動化生產(chǎn)設(shè)計前，我們首先要做好生產(chǎn)線布局設(shè)計。為達(dá)到精益化布局，著重考慮到如下幾點：第一，減少物料傳輸?shù)木嚯x;第二，生產(chǎn)線設(shè)計需要具有一定的柔性，適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)模式;第三，合理利用車間內(nèi)部建筑空間，提高空間利用率;第四，實現(xiàn)制程的直線流動，使生產(chǎn)連續(xù)化，防止交錯重疊的問題發(fā)生;第五，對生產(chǎn)作業(yè)進行合理安排，避免物料流轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)堆積的現(xiàn)象。

　　我們在設(shè)計的過程中，綜合考慮，突出效率優(yōu)化，及時做好完善的跟蹤、調(diào)試工作，制定維護措施，避免因設(shè)計的問題產(chǎn)生系統(tǒng)故障，而且還要確保操作人員的安全。

　　2.定子自動化生產(chǎn)線布局

　　交流電機定子自動化生產(chǎn)線設(shè)備包括工業(yè)機器人、定子插紙機、繞線機、嵌線機、綁線機、整形機、工作臺和測試臺，集世界先進的電機定子生產(chǎn)技術(shù)于一身，繞線、下線采用多臺繞下線一體機，機器人上下料、整形機全伺服驅(qū)動、表 2 定子生產(chǎn)線不良率回轉(zhuǎn)工作臺、綁扎機四工位布置、帶自動打結(jié)功能、整線設(shè)備實現(xiàn)自動操作，可以真正做到不停機生產(chǎn)的全自動線，14秒/臺的生產(chǎn)節(jié)拍(表3)，先進的配置是性價比高的自動生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線方案《基于模塊化設(shè)計的電機定子柔性化自動化生產(chǎn)線》被認(rèn)定為裝備制造業(yè)重點領(lǐng)域國內(nèi)首臺(套)產(chǎn)品。

　　根據(jù)提供的電機生產(chǎn)工藝要求，可對生產(chǎn)線進行規(guī)劃、布局(詳見總裝線平面布局圖2)設(shè)計。設(shè)計是在確保質(zhì)量、安全、高效的前提下進行的，包括自動檢出品質(zhì)不良，過程異常檢測和缺生產(chǎn)物料時則自動報警，從而解決產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

　　工藝描述如下：

　　(1)人工將鐵芯逐個放入料庫，定子上線集成裝置采用無動力重力線，五條線并排;

　　(2)采用伺服移栽機，把五條重力線上的定子分別送入到插紙機插槽底絕緣紙;

　　(3)插完后的定子，由機器人抓取放置繞嵌一體機上進行嵌線;

　

　

　　(4)繞嵌一體機嵌好定子，由機器人抓取放置在重力線體上，此處有人工輔助整理引線;

　　(5)整理好引線的定子，由阻擋系統(tǒng)放行(手動按鈕);

　　(6)重力線體上的氣缸頂升，將定子托舉，方便中間整形機上的伺服移栽機械手抓取;

　　(7)進出工位中間整形機上的伺服移栽機械手完成抓取與放置，并完成整形工藝;

　　(8)中間整形機整完形后，放置在無動力重力線體上，方便人員去漆膜/接引線等;

　　(9)引線處理完后的定子，由阻擋系統(tǒng)放行(手動按鈕)，重力線體上的氣缸頂升，將定子托舉，方便綁線機上的伺服移栽機械手抓取;

　　(10)轉(zhuǎn)盤雙工位雙綁機上的伺服移栽機械手完成抓取與放置，并完成綁線、打結(jié)、線頭處理等;

　　(11)綁完線后的定子放置在重力線體上，氣缸頂升，將定子托舉，方便最終整形機上的伺服移栽機械手抓取;

　　(12)最終整形機將綁完線待整的定子抓取后完成最終尺寸的定形，整完后伺服移栽機械手抓取放置在自動皮帶線上，方便最終檢測人員拿取;

　　(13)人工在線檢測;

　　(14)此條生產(chǎn)線平衡率為95%。生產(chǎn)工人6人，從根本上降低了操作的復(fù)雜度，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。由于自動化產(chǎn)線進一步規(guī)范了操作流程和秩序，提高了工藝一致性，有效避免了人為差錯，在產(chǎn)量提升的同時，大大提升了定子生產(chǎn)過程良率(見表4)，由于自動化確保了產(chǎn)品一致性，每月平均不良率從2.5%下降至0.5%，下降了80%。

　　四、改善效果對比分析

　　改善前后的效果對比，如表5所示。通過平面布置的改善，避免了重復(fù)的往返路線，減少了從繞線到工作臺的搬運時間，增加了操作空間，使得操作更加方便。另外通過此改進，還增強了生產(chǎn)過程的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性，明顯提高了生產(chǎn)效率。自動化生產(chǎn)線產(chǎn)生的效果如下：

　　(1)工人人數(shù)從原來的17人減少為6人，生產(chǎn)工位從15個壓縮到7個，人員流失率下降了88%，大幅度降低了人工數(shù)量，節(jié)約了人工成本，降低了管理難度;

　　(2)換料時間從33min降低至12.5min;搬運距離從15m減少為2.5m，改善后搬運路線縮短了83%，而且換料的錯誤率降低，操作簡單，安全可靠性高;

　　(3)消除了暫時放置工序，單個產(chǎn)品從上線到下線的生產(chǎn)周期從180s減少為101.8s，縮短了43%;

　　(4)結(jié)果表明，新開發(fā)的自動化裝置實現(xiàn)了過程全自動控制，在制品下降了61%，周轉(zhuǎn)筐使用量下降了50%，錯誤率降低了95%，安全隱患下降了54%，故障時間下降了80%。

　　效益分析：經(jīng)過生產(chǎn)線平衡分析，滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。生產(chǎn)線改善后，取得效果：①一條定子自動化生產(chǎn)線節(jié)省11個人工，按工人平均年薪7.2萬元(按上海薪資計算，每天工作12個小時，每周工作6.5天)，企業(yè)每年可節(jié)省人工成本約為79.2萬元;②由于降低了定子不良導(dǎo)致返工報廢費用而提升良品率，企業(yè)每年可節(jié)省成本約101.5萬元;③平均每年維護成本大約3萬元。綜合效益節(jié)省成本①+②+③=183.7萬元，經(jīng)測算一條自動化生產(chǎn)線設(shè)備技術(shù)投資275萬元，預(yù)計1年5個月能收回投資成本，預(yù)計自動生產(chǎn)線使用時間14年。雖然改善方案需支出費用，但是減少了操作人員，能夠快速換模、換線，能更快適應(yīng)多品種少批量，生產(chǎn)的柔性提升了，實現(xiàn)了良好的收益，同時大幅度降低工人的勞動強度，關(guān)鍵是提高生產(chǎn)效率?！?/p>