【壓縮機網】隨著經濟快速發展，生產自動化、數字化進程不斷加快，當下制造行業交流電機定子生產存在的效率低下、成品率不高、工人勞動強度大等問題愈發凸顯，交流電機定子生產亟待提升裝備制造技術自動化，實現智能化轉型升級。為此，本文提出了一系列的改善方案，以提高定子生產效率與生產質量，對相關企業實現定子的自動化生產也具有重要的借鑒意義。

　　文/董鵬  吳仲禮  褚磊  陳玉杰

 

　　前言

　　目前我國正處于產業優化調整階段，傳統的勞動密集型企業已無法跟上社會經濟發展的節奏。為了降低人工成本，提升生產效率和質量，應改變設計思路，充分利用現代數字化工藝、物聯網、大數據及工業機器人等現代化工業4.0技術，實現數字化生產，完成電機定子的自動搬運、生產及檢測工作^[1]，從而有效提高電機定子生產的效率與質量，同時也節省成本和降低在制品轉存。

 

　　一、我國電機定子制造現狀與發展前景

　　生產線自動化是未來制造業發展的一大趨勢，它不僅能有效改善企業的生產效率、管理水平，還能提升企業的競爭力，因此受到了世界各國的重視。美國是自動化生產線的誕生之地^[2]；日本擁有世界上最齊全的自動化生產線的產業鏈，而且在自動化生產線以及關鍵零部件的研究上也處于全球領先地位[3]；德國制造則全球聞名，在自動化生產線方面，其產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上也具有很大的技術優勢^[4]。所以，我們不僅要積極引進國外先進技術，還要在吸收這些先進技術的基礎上進行再創造，加大自主研發的投入，掌握工業自動化核心技術，真正邁入工業自動化大國的行列^[5]。事實上，從國家政策的宏觀和企業用工的微觀角度來看，加大自動化技術研發和推廣力度也是大勢所趨。具體理由如下：

　　1.用工荒倒逼產業升級

　　當前中小企業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觀與企業發展現狀不相適應，加上人工成本上升、人口紅利消失的等原因致使招人難。據2020年4月6日教育部召開新聞發布會上公布數據顯示，2018年，我國受過高中及以上教育的年輕人比例已達85%。一方面，在就業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，在工廠機械而重復性和工作時間長的生產模式已失去了吸引力^[6]；另一方面，大部分的制造企業仍然停留在粗放型的生產加工模式，沒有提供適合新一代就業人員的崗位。隨著知識經濟的到來，制造企業應該審時度勢，進一步做好技術與管理創新，使企業向數字化、智能化、網絡化與綜合集成化的目標前行。

　　2.制造業政策分析

　　近年來，國家不斷出臺各項政策以鼓勵企業加大制造技術領域的創新研發工作。例如國務院2015年出臺的《中國制造2025》、全國人大2016年制定的《中國國民經濟和社會發展第十三五年規劃綱要》、國務院2017年制定的《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》、工信部制定的《智能制造發展規劃（2016-2020年）》、科技部制定的《“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃的通知》等政策法規及規劃，大力支持高端裝備制造行業健康、良性發展，智能制造是大勢所趨^[7]。與此同時，各地也紛紛響應國家號召，出臺相應政策鼓勵企業智能化改造。隨著“中國制造2025”計劃的逐步實施，國內依靠廉價勞動力、粗放式發展的制造業逐漸進入定向轉型升級階段，多品種、小批量需求發展已成為一種趨勢^[8]。因此，對水泵電機定子自動化生產線進行研究，實現定子的自動化生產具有重要的現實意義。

　　3.自動化生產線的發展趨勢

　　自動化生產線是由工件傳送系統和控制系統組成，將一組自動設備和輔助設備按照工藝順序聯合起來，自動完成產品全部或部分制造過程的生產系統，簡稱自動線^[9]。根據《2020-2026年中國制造業行業產銷情況及投資趨勢分析報告》顯示，我國制造業應用自動化的比例大約為30%，而歐美國家自動化比例超過90%^[10]。我國未來自動化生產線行業發展要開發新產品、新市場，擴大內需，培育新的增長點，增強自主創新能力和產業競爭力。自動化行業的企業應加強技術創新、提高產品高新技術含量，擁有自主知識產權，打造行業名牌，這是自動化生產線行業的發展壯大之根本。

　　目前世界正迎來疫情沖擊下的重大革新：自動化、智能化和數字化。中國經濟正在經歷一場由自動化驅動的升級再造，大規模引入機器人技術，來降低商業運作中人與人的接觸。雖然這樣的轉變在此次疫情之前就已發端，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在將中國如火如荼，也將于世界各地的商業環境開花結果。

 

　　二、電機定子自動化問題分析

　　電機是我們的日常生產生活中非常重要的部件，它被廣泛應用于工農業生產、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生旋轉磁場，而轉子在旋轉磁場中被磁力線切割進而產生（輸出）電流^[11]。定子成型主要工藝流程：上料及處理不良品→檢查鐵芯內徑和高度→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→熔線尾→檢外觀→性能檢測。由于A企業的定子制造成本過高，不良品率居高不下，因此，對其生產過程、生產現場、管理指標、不良品原因等進行分析勢在必行，進而提出相應的對策。

　　1.生產現場調查

　　由圖1發現，A企業屬于傳統水泵制造企業，對其生產過程分析發現，現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，定子線圈與鐵芯內圓間隙小，容易造成定子線圈發生擦碰。

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

　　3)繞線工位距離下一工位較遠。物料的搬運路線迂回交叉。

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

　　5)廢料隨意堆放，臟亂現象嚴重。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)工序復雜，生產線用人多（見表1），站立作業而且勞動強度大，導致人員流動頻率高，超過3個月的員工不到20%，產品的一致性和可靠性很難保障。

 

 

　　2.生產線管理指標計算

　　目前各工位及人員情況如下：

　　1)生產線平衡率的計算公式如下：

 

　　式中：   表示生產線平衡率； 表示各工位的時間，單位：秒； 表示員工數； 表示瓶頸工位時間，單位：秒；
 

　　=(12+12+13+11+13+13+13+13+14+9+10+13+12+11+11)/(17*14)×100％=76%；

　　2)節拍時間（Takt Time，TT）的計算，TT＝凈操作時間(s)／客戶日總需求(臺)，21900/2180=10.04s/臺。當然，生產線平衡率的改善，最理想的狀態是，各工序的Cycle Time相等，而且與TT相等，即TT=CT，這個時候生產線的平衡率是最高的，這是生產線平衡率改善所追求的目標。

　　3)人員的計算，人員=工序時間之和/TT，(12+12+13+11+13+13+13+13+14+ 9+10+13+12+11+11)/(10.4)≈18人/班。

　　上述的這三個指標是衡量生產線效率的關鍵指標，通過生產線管理指標計算發現，生產線平衡低（平衡率標準至少到95％以上），每班人數大于17個人，不能滿足客戶訂單的需求。

　　3.定子不良率原因分析

　　經統計，定子生產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繞線杯導線柱有毛刺，導致繞線亂線。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新員工作業速度慢，產線堆積，員工隨意推拉而碰傷漆包線。②生產線產品堆積，鐵芯碰到漆包線。③繞線時模具有毛刺導致漆包線砍傷。④整形機扎線機因理線不好，導致漆包線砍傷。

　　3）匝間不良原因分析：插入機導條出現磨損、毛刺，導致下線時漆包線內部砍傷。

　　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，因為產品堆積、周轉防護、手工作業精度無法保證的情況，所以考慮通過自動化、防錯等設計來進行改進，因此才有了自動化線體改善的成果。

 

　　三、定子生產線設計

　　根據市場分析，A企業專業生產電機定子，2017年生產產量451000臺、2018年產量623729臺、2019年產量1177192臺，平均每年訂單穩定增長30%以上，因此建議運用定子自動化生產線進行生產。

　　1.定子自動化生產線的總體布局思路

　　在進行定子自動化生產設計前，我們首先要做好生產線布局設計。為達到精益化布局，著重考慮到如下幾點：第一，減少物料傳輸的距離；第二，生產線設計需要具有一定的柔性，適應多品種小批量的生產模式；第三，合理利用車間內部建筑空間，提高空間利用率；第四，實現制程的直線流動，使生產連續化，防止交錯重疊的問題發生；第五，對生產作業進行合理安排，避免物料流轉過程中出現堆積的現象。

　　我們在設計的過程中，綜合考慮，突出效率優化，及時做好完善的跟蹤、調試工作，制定維護措施，避免因設計的問題產生系統故障，而且還要確保操作人員的安全。

　　2.定子自動化生產線布局

　　交流電機定子自動化生產線設備包括工業機器人、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技術于一身，繞線、下線采用多臺繞下線一體機，機器人上下料、整形機全伺服驅動、回轉工作臺、綁扎機四工位布置、帶自動打結功能、整線設備實現自動操作，可以真正做到不停機生產的全自動線，14秒/臺的生產節拍（表3），先進的配置是性價比高的自動生產線，該生產線方案《基于模塊化設計的電機定子柔性化自動化生產線》被認定為裝備制造業重點領域國內首臺（套）產品。

　　根據提供的電機生產工藝要求，我們對生產線進行規劃、布局（詳見總裝線平面布局，圖2）設計。設計是在確保質量、安全、高效的前提下進行的，包括自動檢出品質不良，過程異常檢測和缺生產物料時則自動報警，從而解決產量和質量的穩定性。

 

　　工藝描述：

　　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?。?/div>

　　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??；

　　10）轉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、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??；

　　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??；

　　13）人工在線檢測；

　　14）此條生產線平衡率為95%。生產工人6人，從根本上降低了操作的復雜度，確保了產品質量的一致性。

　　由于自動化產線進一步規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，在產量提升的同時，大大提升了定子生產過程不良率（見表4），由于自動化確保了產品一致性，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，還增強了生產過程的連續性和協調性，明顯提高了生產效率。自動化生產線產生的效果如下：

　　1)工人人數從原來的17人減少為6人，生產工位從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量，節約了人工成本，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，單個產品從上線到下線的生產周期從180s減少為101.8s，縮短了43%。

　　4）結果表明，新開發的自動化裝置實現了過程全自動控制，在制品下降了61%，周轉筐使用量下降了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：經過生產線平衡分析，滿足預先設定的目標。生產線改善后，取得效果：①一條定子自動化生產線節省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），企業每年可節省人工成本約為79.2萬元；②由于降低了定子不良導致返工報廢費用而提升良品率，企業每年可節省成本約101.5萬元；③平均每年維護成本大約3萬元。綜合效益節省成本①+②+③=183.7萬元，經測算一條自動化生產線設備技術投資275萬元，預計1年5個月能收回投資成本，預計自動生產線使用時間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，能更快適應多品種少批量，生產的柔性提升了，實現了良好的收益，同時大幅度降低工人的勞動強度，關鍵是提高生產效率。

 

　　結束語

　　針對自動化生產線在定子生產中應用的效果分析，我們可以看到，其相比于傳統的生產線，定子自動化生產線大幅度提高了生產線的工作效率，對于現代制造企業的發展具有重要的意義。通過對定子自動化生產線的總體設計方案進行分析與研究，我們得到的結論是：在實際定子自動化生產線改造設計的時，采用合理的設計方案，就能夠更好地提高企業生產線的生產效率。如果能在定子生產制造領域當中實現廣泛有效的應用，將極大的提升生產制造效率及成品質量，顯著降低生產成本，幫助企業建立更強的綜合實力。而在產業轉型升級發展目標的要求下，制造行業實現自動化發展是大勢所趨。在節約人工成本增加企業利潤的同時，也能為實現我國水泵行業轉型升級的戰略目標貢獻智慧和力量。

 

　　參考文獻

　　[1] 蘭爽,李丹婷.工作研究在定子裝配線優化中的應用[J].工業工程,2019,19(3):126-129.

　　[2] 郝曉東.電機定子插紙生產線設計研究[D].成都.西南交通大學,2018.

　　[3] 董鵬,丁文捷.精益生產讓企業輕裝上陣[J].CAD/CAM與制造業信息化,2019,21(7):27-31.

　　[4] 邱太進.250MW空冷發電機定子線圈裝配工藝開發[J].電機技術,2020,23(3):58-62.

　　[5] 劉海濤,劉卓.定子鐵芯自動化生產線的設計探究[J].科技創新與應用,2016,18(7):105.

　　[6] 常一帆.工業自動化控制的現狀及未來發展趨勢[J].中國管理信息化,2016,27(12)：177.

　　[7] 許楠.淺談我國工業自動化控制的現狀及發展趨勢[J].中國高新技術企業,2017,31(6),73-74.

　　[8] 許曉偉.基于PLC的無刷電機定子生產線控制系統研究[D].合肥.合肥工業大學,2018.

　　[9] 劉都.智能機械設計制造自動化特點與發展趨勢研究[J].內燃機與配件,2020,16(11):206-207.

　　[10] 徐東鎮.電動機定子繞組漆包線與鐵芯分離裝置設計[J].機床與液壓,2019,26(20)66-69.

　　[11] 高云霞.D公司交流電機定子線圈自動化生產線建設研究[D].成都.西南交通大學,2015.

 

　　作者簡介

　　1.董鵬(1980—)，男，漢族，陜西西安人，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向：高端制造業。

　　2.吳仲禮(1983—)，男，漢族，四川成都人，碩士， 高級工程師，主要研究方向：大數據智能制造。

　　4.褚磊(1982—)，男，漢族，河南商丘人，工學博士，主要研究方向：精益生產，精益管理。

　　3.陳玉杰(1979—)，男，漢族，河北定州人，工學博士，高級工程師，主要研究方向：自動化生產線設計。

 

 

 

來源：本站原創

展開更多