综述
SUMMARY

国内电机定子生产制造现状及趋势

 国内电机定子生产制造现状及趋势
 
 
  随着经济快速发展,生产自动化、数字化进程不断加快,当下制造行业交流电机定子生产存在的效率低下、成品率不高、工人劳动强度大等问题愈发凸显,交流电机定子生产亟待提升装备制造技术自动化,实现智能化转型升级。为此,本文提出了一系列的改善方案,以提高定子生产效率与生产质量,对相关企业实现定子的自动化生产也具有重要的借鉴意义。
  文/董鹏  吴仲礼  褚磊  陈玉杰
 
 
  前言
  目前我国正处于产业优化调整阶段,传统的劳动密集型企业已无法跟上社会经济发展的节奏。为了降低人工成本,提升生产效率和质量,应改变设计思路,充分利用现代数字化工艺、物联网、大数据及工业机器人等现代化工业4.0技术,实现数字化生产,完成电机定子的自动搬运、生产及检测工作[1],从而有效提高电机定子生产的效率与质量,同时也节省成本和降低在制品转存。
 
  一、我国电机定子制造现状与发展前景
  生产线自动化是未来制造业发展的一大趋势,它不仅能有效改善企业的生产效率、管理水平,还能提升企业的竞争力,因此受到了世界各国的重视。美国是自动化生产线的诞生之地[2];日本拥有世界上最齐全的自动化生产线的产业链,而且在自动化生产线以及关键零部件的研究上也处于全球领先地位[3];德国制造则全球闻名,在自动化生产线方面,其产品具有很好的耐久性和精度保持性,在人机交互以及机器互联上也具有很大的技术优势[4]。所以,我们不仅要积极引进国外先进技术,还要在吸收这些先进技术的基础上进行再创造,加大自主研发的投入,掌握工业自动化核心技术,真正迈入工业自动化大国的行列[5]。事实上,从国家政策的宏观和企业用工的微观角度来看,加大自动化技术研发和推广力度也是大势所趋。具体理由如下:
  1.用工荒倒逼产业升级
  当前中小企业所面临最为突出的问题之一就是“用工荒”,其主要原因还在于新一代人员日新月异的就业观与企业发展现状不相适应,加上人工成本上升、人口红利消失的等原因致使招人难。据2020年4月6日教育部召开新闻发布会上公布数据显示,2018年,我国受过高中及以上教育的年轻人比例已达85%。一方面,在就业市场中有大批受过高等教育的年轻人,其工作方式变得多元化,在工厂机械而重复性和工作时间长的生产模式已失去了吸引力[6];另一方面,大部分的制造企业仍然停留在粗放型的生产加工模式,没有提供适合新一代就业人员的岗位。随着知识经济的到来,制造企业应该审时度势,进一步做好技术与管理创新,使企业向数字化、智能化、网络化与综合集成化的目标前行。
  2.制造业政策分析
  近年来,国家不断出台各项政策以鼓励企业加大制造技术领域的创新研发工作。例如国务院2015年出台的《中国制造2025》、全国人大2016年制定的《中国国民经济和社会发展第十三五年规划纲要》、国务院2017年制定的《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》、工信部制定的《智能制造发展规划(2016-2020年)》、科技部制定的《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划的通知》等政策法规及规划,大力支持高端装备制造行业健康、良性发展,智能制造是大势所趋[7]。与此同时,各地也纷纷响应国家号召,出台相应政策鼓励企业智能化改造。随着“中国制造2025”计划的逐步实施,国内依靠廉价劳动力、粗放式发展的制造业逐渐进入定向转型升级阶段,多品种、小批量需求发展已成为一种趋势[8]。因此,对水泵电机定子自动化生产线进行研究,实现定子的自动化生产具有重要的现实意义。
  3.自动化生产线的发展趋势
  自动化生产线是由工件传送系统和控制系统组成,将一组自动设备和辅助设备按照工艺顺序联合起来,自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统,简称自动线[9]。根据《2020-2026年中国制造业行业产销情况及投资趋势分析报告》显示,我国制造业应用自动化的比例大约为30%,而欧美国家自动化比例超过90%[10]。我国未来自动化生产线行业发展要开发新产品、新市场,扩大内需,培育新的增长点,增强自主创新能力和产业竞争力。自动化行业的企业应加强技术创新、提高产品高新技术含量,拥有自主知识产权,打造行业名牌,这是自动化生产线行业的发展壮大之根本。
  目前世界正迎来疫情冲击下的重大革新:自动化、智能化和数字化。中国经济正在经历一场由自动化驱动的升级再造,大规模引入机器人技术,来降低商业运作中人与人的接触。虽然这样的转变在此次疫情之前就已发端,但疫情确实起到了加速的作用。这一波后疫情时代的自动化浪潮在将中国如火如荼,也将于世界各地的商业环境开花结果。
 
  二、电机定子自动化问题分析
  电机是我们的日常生产生活中非常重要的部件,它被广泛应用于工农业生产、国防、科技及日常生活中。其中定子是交流电机重要组成部分,定子的主要作用是产生旋转磁场,而转子在旋转磁场中被磁力线切割进而产生(输出)电流[11]。定子成型主要工艺流程:上料及处理不良品→检查铁芯内径和高度→插槽绝缘→主相绕线嵌线/整形→副相绕线嵌线/整形→剪线→去漆皮→接好引出线/热保护器线→剪线→焊接→挑线→插套管→理线→前整形→绑线→后整形→打结→熔线尾→检外观→性能检测。由于A企业的定子制造成本过高,不良品率居高不下,因此,对其生产过程、生产现场、管理指标、不良品原因等进行分析势在必行,进而提出相应的对策。
  1.生产现场调查
  由图1发现,A企业属于传统水泵制造企业,对其生产过程分析发现,现行定子装配操作程序存在以下几个问题:
  1)嵌线时定子线圈穿过定子铁芯过程中,定子线圈与铁芯内圆间隙小,容易造成定子线圈发生擦碰。
  2)电机定子的搬运、绝缘纸插入以及完成后的检测,与前后工序没有联动,需人工参与。
  3)绕线工位距离下一工位较远。物料的搬运路线迂回交叉。
  4)作业程序及分工不合理。某些工序划分过细,各工序的工人人数安排不合理,造成了加工过程中多次出现暂时放置,即等待。
  5)废料随意堆放,脏乱现象严重。工作台上的装配零件和工具混放。
  6)试验台(进行120V电压实验)缺少安全保护措施。
  7)工序复杂,生产线用人多(见表1),站立作业而且劳动强度大,导致人员流动频率高,超过3个月的员工不到20%,产品的一致性和可靠性很难保障。
国内电机定子生产制造现状及趋势
 
国内电机定子生产制造现状及趋势
 
  2.生产线管理指标计算
  目前各工位及人员情况如下:
  1)生产线平衡率的计算公式如下:
国内电机定子生产制造现状及趋势
 
  式中:   国内电机定子生产制造现状及趋势表示生产线平衡率; 国内电机定子生产制造现状及趋势表示各工位的时间,单位:秒;国内电机定子生产制造现状及趋势 表示员工数; 国内电机定子生产制造现状及趋势表示瓶颈工位时间,单位:秒;
 
  国内电机定子生产制造现状及趋势=(12+12+13+11+13+13+13+13+14+9+10+13+12+11+11)/(17*14)×100%=76%;
  2)节拍时间(Takt Time,TT)的计算,TT=净操作时间(s)/客户日总需求(台),21900/2180=10.04s/台。当然,生产线平衡率的改善,最理想的状态是,各工序的Cycle Time相等,而且与TT相等,即TT=CT,这个时候生产线的平衡率是最高的,这是生产线平衡率改善所追求的目标。
  3)人员的计算,人员=工序时间之和/TT,(12+12+13+11+13+13+13+13+14+ 9+10+13+12+11+11)/(10.4)≈18人/班。
  上述的这三个指标是衡量生产线效率的关键指标,通过生产线管理指标计算发现,生产线平衡低(平衡率标准至少到95%以上),每班人数大于17个人,不能满足客户订单的需求。
  3.定子不良率原因分析
  经统计,定子生产不良类型集中在断线、碰伤、匝间不良、耐压不良等方面(见表2),具体来说如下:
  1)断线原因分析:①绕线杯导线柱有毛刺,导致绕线乱线。②绕线机乱线,嵌线时未整理好断线。③漆包线来料不良,表面不光滑有漆瘤,嵌线时容易断线。④一次整形时未理好线,漆包线被整形模具压断线。⑤扎线时未理好线,扎线机扎针把线勾断。
 
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  2)漆包线碰伤原因分析:①新员工作业速度慢,产线堆积,员工随意推拉而碰伤漆包线。②生产线产品堆积,铁芯碰到漆包线。③绕线时模具有毛刺导致漆包线砍伤。④整形机扎线机因理线不好,导致漆包线砍伤。
  3)匝间不良原因分析:插入机导条出现磨损、毛刺,导致下线时漆包线内部砍伤。
  4)耐压不良原因分析:下扎针变形扎破卷纸,漆包线外漏,致使绝缘包扎存在问题。
  上述的不良描述中,因为产品堆积、周转防护、手工作业精度无法保证的情况,所以考虑通过自动化、防错等设计来进行改进,因此才有了自动化线体改善的成果。
 
  三、定子生产线设计
  根据市场分析,A企业专业生产电机定子,2017年生产产量451000台、2018年产量623729台、2019年产量1177192台,平均每年订单稳定增长30%以上,因此建议运用定子自动化生产线进行生产。
  1.定子自动化生产线的总体布局思路
  在进行定子自动化生产设计前,我们首先要做好生产线布局设计。为达到精益化布局,着重考虑到如下几点:第一,减少物料传输的距离;第二,生产线设计需要具有一定的柔性,适应多品种小批量的生产模式;第三,合理利用车间内部建筑空间,提高空间利用率;第四,实现制程的直线流动,使生产连续化,防止交错重叠的问题发生;第五,对生产作业进行合理安排,避免物料流转过程中出现堆积的现象。
  我们在设计的过程中,综合考虑,突出效率优化,及时做好完善的跟踪、调试工作,制定维护措施,避免因设计的问题产生系统故障,而且还要确保操作人员的安全。
  2.定子自动化生产线布局
  交流电机定子自动化生产线设备包括工业机器人、定子插纸机、绕线机、嵌线机、绑线机、整形机、工作台和测试台,集世界先进的电机定子生产技术于一身,绕线、下线采用多台绕下线一体机,机器人上下料、整形机全伺服驱动、回转工作台、绑扎机四工位布置、带自动打结功能、整线设备实现自动操作,可以真正做到不停机生产的全自动线,14秒/台的生产节拍(表3),先进的配置是性价比高的自动生产线,该生产线方案《基于模块化设计的电机定子柔性化自动化生产线》被认定为装备制造业重点领域国内首台(套)产品。
  根据提供的电机生产工艺要求,我们对生产线进行规划、布局(详见总装线平面布局,图2)设计。设计是在确保质量、安全、高效的前提下进行的,包括自动检出品质不良,过程异常检测和缺生产物料时则自动报警,从而解决产量和质量的稳定性。
国内电机定子生产制造现状及趋势
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  工艺描述:
  1)人工将铁芯逐个放入料库,定子上线集成装置采用无动力重力线,五条线并排;
  2)采用伺服移栽机,把五条重力线上的定子分别送入到插纸机插槽底绝缘纸;
  3)插完后的定子,由机器人抓取放置绕嵌一体机上进行嵌线;
  4)绕嵌一体机嵌好定子,由机器人抓取放置在重力线体上,此处有人工辅助整理引线;
  5)整理好引线的定子,由阻挡系统放行(手动按钮);
  6)重力线体上的气缸顶升,将定子托举,方便中间整形机上的伺服移栽机械手抓取;
  7)进出工位中间整形机上的伺服移栽机械手完成抓取与放置,并完成整形工艺;
  8)中间整形机整完形后,放置在无动力重力线体上,方便人员去漆膜/接引线等;
  9)引线处理完后的定子,由阻挡系统放行(手动按钮),重力线体上的气缸顶升,将定子托举,方便绑线机上的伺服移栽机械手抓取;
  10)转盘双工位双绑机上的伺服移栽机械手完成抓取与放置,并完成绑线、打结、线头处理等;
  11)绑完线后的定子放置在重力线体上,气缸顶升,将定子托举,方便最终整形机上的伺服移栽机械手抓取;
  12)最终整形机将绑完线待整的定子抓取后完成最终尺寸的定形,整完后伺服移栽机械手抓取放置在自动皮带线上,方便最终检测人员拿取;
  13)人工在线检测;
  14)此条生产线平衡率为95%。生产工人6人,从根本上降低了操作的复杂度,确保了产品质量的一致性。
  由于自动化产线进一步规范了操作流程和秩序,提高了工艺一致性,有效避免了人为差错,在产量提升的同时,大大提升了定子生产过程不良率(见表4),由于自动化确保了产品一致性,每月平均不良率从2.5%下降至0.5%,下降了80%。
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  四、改善效果对比分析
  改善前后的效果对比,如表5所示。通过平面布置的改善,避免了重复的往返路线,减少了从绕线到工作台的搬运时间,增加了操作空间,使得操作更加方便。另外通过此改进,还增强了生产过程的连续性和协调性,明显提高了生产效率。自动化生产线产生的效果如下:
  1)工人人数从原来的17人减少为6人,生产工位从15个压缩到7个,人员流失率下降了88%,大幅度降低了人工数量,节约了人工成本,降低了管理难度。
  2)换料时间从33min降低至12.5min;搬运距离从15m减少为2.5m,改善后搬运路线缩短了83%,而且换料的错误率降低,操作简单,安全可靠性高。
  3)消除了暂时放置工序,单个产品从上线到下线的生产周期从180s减少为101.8s,缩短了43%。
  4)结果表明,新开发的自动化装置实现了过程全自动控制,在制品下降了61%,周转筐使用量下降了50%,错误率降低了95%,安全隐患下降了54%,故障时间下降了80%。
  效益分析:经过生产线平衡分析,满足预先设定的目标。生产线改善后,取得效果:①一条定子自动化生产线节省11个人工,按工人平均年薪7.2万元(按上海薪资计算,每天工作12个小时,每周工作6.5天),企业每年可节省人工成本约为79.2万元;②由于降低了定子不良导致返工报废费用而提升良品率,企业每年可节省成本约101.5万元;③平均每年维护成本大约3万元。综合效益节省成本①+②+③=183.7万元,经测算一条自动化生产线设备技术投资275万元,预计1年5个月能收回投资成本,预计自动生产线使用时间14年。虽然改善方案需支出费用,但是减少了操作人员,能够快速换模、换线,能更快适应多品种少批量,生产的柔性提升了,实现了良好的收益,同时大幅度降低工人的劳动强度,关键是提高生产效率。
 
  结束语
  针对自动化生产线在定子生产中应用的效果分析,我们可以看到,其相比于传统的生产线,定子自动化生产线大幅度提高了生产线的工作效率,对于现代制造企业的发展具有重要的意义。通过对定子自动化生产线的总体设计方案进行分析与研究,我们得到的结论是:在实际定子自动化生产线改造设计的时,采用合理的设计方案,就能够更好地提高企业生产线的生产效率。如果能在定子生产制造领域当中实现广泛有效的应用,将极大的提升生产制造效率及成品质量,显著降低生产成本,帮助企业建立更强的综合实力。而在产业转型升级发展目标的要求下,制造行业实现自动化发展是大势所趋。在节约人工成本增加企业利润的同时,也能为实现我国水泵行业转型升级的战略目标贡献智慧和力量。
 
  参考文献
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  作者简介
  1.董鹏(1980—),男,汉族,陕西西安人,硕士,教授级高级工程师,主要研究方向:高端制造业。
  2.吴仲礼(1983—),男,汉族,四川成都人,硕士, 高级工程师,主要研究方向:大数据智能制造。
  4.褚磊(1982—),男,汉族,河南商丘人,工学博士,主要研究方向:精益生产,精益管理。
  3.陈玉杰(1979—),男,汉族,河北定州人,工学博士,高级工程师,主要研究方向:自动化生产线设计。
 国内电机定子生产制造现状及趋势
 
 

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