风电叶片制造机械化及自动化

李 奎，程 朗，印厚飞

（国电联合动力技术（连云港）有限公司， 江苏 连云港 222000）

引言

当前风电叶片的制造属于劳动密集型作业，其制造加工全部依靠人工操作，人工作业产生的各种成本占到整个叶片制造成本的1/3，同时随着国家“中国制造2025”战略的深入，在风电叶片制造行业引入机械自动化制造装备和方法，降低成本提升质量愈显重要。本文结合目前风电叶片制造形势，和国内外其它制造行业在机械化和自动化方面已有技术，对风电叶片制造如何实现自动化进行了系统性论述。

1 风电叶片制造现状

风电叶片的制造从大的工序上可分为模铸成型和修型涂装，其制造过程配套的设备诸如模具、行车叉车、加热器、真空泵、翻转锁模、树脂混胶机和喷涂机等多为辅助生产，而直接用于叶片生产作业的自动化机械装备基本没有。其中叶片涂装在汽车制造行业已实现自动化可以借鉴，自动层铺、自动灌注、自动倒运流转等在飞行器制造行业也有应用，这些成熟的技术结合叶片生产的工艺技术特点，进行二次开发后可用于叶片的自动化生产[1]。和其它自动化生产线一样，叶片的自动化生产线也需要硬件设备和网络信息系统的深度融合才能实现。叶片的硬件部分：产品的自动流转倒运贯穿于叶片制造从投料到成品产出全过程；分布于各模具和工位中具有不同功能的自动化机械装备是制造执行终端。叶片的软件方面：中央智能控制系统是整个自动化工厂的大脑，通过MES等专业的生产管理系统实现对车间所有人、机、料、法、环、测的统筹、调度和监控，收集和汇总各设备的运行数据和生产线的生产工艺数据；系统具有数据分析、存储、人机交互展示、设备及产品档案记录和各种报表打印等功能；智能化水平更高的控制系统，还能通过大数据实现对设备和工艺参数的最优化自动调整，从而实现生产效益的最大化和产品工艺的最优化。

2 叶片生产自动流转倒运

风电叶片的生产属于T型生产线布局，大梁和腹板提前生产作为部件在壳体生产时使用，壳体成型至型修涂装可按照流水线形式布局。叶片在加工过程中的流转是线性的，原材料、部件、半成品及成品的流转倒运贯穿于叶片制造全过程，是叶片自动化生产线不可缺少的部分。鉴于风电叶片尺寸巨大，可通过自动化流转倒运工装载动叶片和部件在布置好的车间轨道上受控输送，实现生产过程中产品的自动倒运流转。同时该系统内置整个工厂的物理模型数据，输送和运行轨道上布置位移、速度和定位传感器，通过流转倒运工装本身的控制程序和与轨道传感器进行通讯，实现流转倒运的启停和精确定位，其轨道可以是具有传感器的物理轨道也可以是磁感应的AGV轨道或者差分卫星定位系统路径[2]。

2.1 工位和模具端装备作业运行轨道系统

在成型车间，每套模具两侧均布置有该模具叶片生产所需自动化装备运行的轨道，自动胶衣涂刷、自动铺布、自动灌注合模等装备安装在该轨道上围绕模具进行作业，实现胶衣自动喷涂、自动铺层、自动灌注、自动涂胶合模；在叶片型修阶段，每个型修工位两侧布置供叶片型修喷漆机器人运行的轨道，围绕半成品叶片进行叶片切边、打磨、喷漆的设备在此轨道上来回运行实现叶片型修。

2.2 产品和部件流转的自动倒运系统

在大梁至壳体、腹板至壳体、壳体至型修不同工位间，布置用于大梁腹板和叶片周转倒运的自动倒运系统，该系统根据大梁、腹板与壳体以及壳体与型修作业的作业顺序，自动将对应部件和成品输送至下一个工序或工位，实现各生产线间部件产品的自动流转。

2.3 原材料自动配送系统

在仓库至每条生产线和工位设有用于物料自动配送的轨道系统，该系统将各工序所需物料根据生产计划，自动配送至对应工位的自动化生产设备端，实现物料配送的自动化。

3 壳体成型自动化生产线

该自动化生产线主要是以模具和工位为中心，在模具或工位周边布置自动化设备作业轨道，胶衣自动喷涂设备、自动铺布设备、自动铺设芯材设备、在线自动灌注设备、在线自动涂胶设备、自动切边打磨喷漆设备等在该轨道上运行，完成相应模具生产工序生产作业，实现叶片生产加工的机械自动化。

3.1 胶衣喷涂和铺布自动化

在叶片和大梁腹板层铺灌注阶段，胶衣喷涂、玻纤布铺设、芯材铺放和辅材铺放集成在一个设备上，该设备通过内置的叶片模具型面数据和布置在模具上的定位传感器实现胶衣自动化混合、喷涂。玻纤布的自动铺设实现方式有两种：第一种为所使用玻纤布为标准布带，自动铺布机通过系统内置的叶型、模具型面数据、铺布工艺数据，结合布置在模具上的定位传感器将玻纤布带精准的铺设在模具，往复作业完成整个叶片的铺设；第二种为所使用的玻纤布为提前按叶片的结构和铺设工艺裁切好的裁片，自动铺布机通过自动识别将每块裁片铺放到对应的位置，最终完成整个铺布过程。同时该铺布机具备芯材和导注辅材铺放的功能，根据不同的材料更换对应的作业手臂和程序，完成整个叶片壳体的自动铺设，过程中与材料的自动配送系统结合，可以实现作业过程自动上料和材料自动识别更换。

3.2 在线灌注与在线涂胶

在叶片成型的真空导注阶段，通过集成了树脂自动上料、自动脱泡、降温和混配等功能的在线灌注机与预埋在模具上的树脂输送管路连接，实现叶片成型的自动化导注。导注开始时在线灌注机流转倒运系统开至待灌注的模具，在线灌注机的混合树脂出口有带快速接口的连接软管，与模具上的树脂输送主管路实现快速连接，树脂输送主管路在叶片每个导注口位置的支管上布有带传感器的电磁阀门，电磁阀门的传感器可以通过树脂流速、压力等感应真空灌注进行程度，传感器将这些信号传输给在线灌注机，在线灌注机通过内置的灌注程序，检测到模具上对应区域树脂浇注完成后给出指令自动关闭对应浇注口的电磁阀门，最终完成整个叶片的真空灌注。在叶片合模阶段，通过合模专用的在线涂胶合模机完成叶片合模涂胶的自动化，在线涂胶机运行轨道从模具叶根向叶尖移动，根据系统内预制的叶型数据和涂胶区域定位数据，完成粘接剂的自动上料、自动配混和自动涂胶，涂胶时机器根据布置在模具上的定位传感器，对不同的涂胶区域进行识别，根据每个区域粘接剂涂抹尺寸数据自动切换不同的刮胶头，最终完成整个叶片的合模涂胶。涂胶结束后模具根据智能控制系统自动启动模具翻转、锁模，最终实现叶片合模的自动化。

3.3 大梁腹板的吊装与定位自动化

大梁腹板生产完毕后通过一体化的吊具准确的完成大梁腹板的吊装，吊装至对应壳体主模具上后，通过吊具和主模具上定位传感器实现大梁腹板的精确定位和安放，该吊具为模块化重复结构，可根据产品的长度通过增加重复单元数量的方式增加长度，吊具可实现对产品的自动抓放，通过吊具内置的识别系统自动识别产品型号和产品上预制的吊点标记，自动完成吊点的自动调节和复核，确保吊装安全，同时吊具本身具备智能控制系统，可实时显示吊具的运行状态和工作轨迹，从而实现大梁腹板吊装与定位的自动化。

3.4 叶片表面型修和涂装自动化

从成型车间生产线下来的半成品叶片，通过自动流转倒运系统输送至型修涂装工位，使用多轴工业机器人手臂实现型修涂装的自动化作业[3]。在此工序叶片的处理方式有两种，一种为叶片固定，在工位两侧铺设工业机器人作业的导轨，机器人在导轨上按照程序设定从叶根向叶尖移动完成叶片的切边、打磨和涂装作业；另一种为通过式，叶片在自动流转倒运系统上逐步通过固定点机器人的方式，完成叶片的切边、打磨和涂装作业。切边、打磨和涂装使用同一个工业机器人，该机器人内置切边、打磨和喷涂三种作业模式，不同的模式下自动切换不同的末端作业头和程序。机器人的内置程序中有不同叶型的三维数据，结合作业工位的各种定位传感器实现叶片型修和涂装的自动化。

4 分布式和中央自动控制系统

为确保各模具和工位所有自动化设备的协同运行、互不影响和安全高效，需要有一套以模具和工位为单位的分布式智能控制系统，和以整个工厂为总体的中央控制系统，终端设备和模具的运行由设备和模具内置的自动化程序完成对应的自动化作业[4]。分布式控制系统根据内置的叶片生产工艺流程和参数，对一套模具及周边配套的设备按工艺流程进行排序、控制和切换。该系统自动化作业的具体实施方法为在每个设备和模具以及产品流转系统上加装数据采集装置和控制装置，数据采集线路和控制线路集成到该模具配套的分布式就地控制柜，该控制柜负责控制和收集该模具周边所有设备的工艺和运行数据，同时将数据进行整理打包后进行传输至更高一级的中央智能监控系统，该分布式就地控制柜在更换生产线后可实现模块化快速拆装和换模；中央监控系统根据生产计划和节拍，在整个工厂层面统筹控制共用部分叶片自动流转倒运系统和各分布式就地控制柜的运行，确保整个工厂多条并行生产线的有序运行。中央控制系统通过工业化、信息化和智能化代替了人工化的生产作业管控，准时化地完成各生产线及其设备集群的自动操作和关停，同时作为一个大数据终端完整的记录所有设备和叶片生产过程中的各种数据，再通过大数据分析改进程序优化叶片制造工艺，进而不断提升产品质量，达到提质增效的目的，从而提升产品的市场竞争力。

5 网络化和信息化

以上自动化生产线和控制系统离不开网络化和信息化，网络是信息的载体和高速公路，二者相辅相成是整个叶片自动化生产线的软体部分发挥着重要的作用。分布式就地控制柜对每个模具自动化设备的监控、中央监控系统对分布在各生产线就地控制柜和相应设备的监控、各种数据采集传输，都需要数据传输网络，因此需要在整个工厂内搭建以模具工位为三级、以车间为二级和以中央控制系统级为一级的工厂网络系统，实现对整个工厂各终端系统的网络化布局[5]。

信息化主要是通过网络实现对各级设备、控制柜、中央监控系统程序化的智能化专用软件平台，其中WMS电子仓库管理系统通过布置在仓库的物资收发和车间模具周边轨道系统实现物料的配送和上料，ERP实现对物料出入库的账务和公司级层面订单、项目和生产计划资源管理分配，基于MES制造执行系统的中央监控系统实现对各工序生产的制造执行和数据记录分析。信息化是整个叶片自动化生产线的中枢大脑，支配着整个叶片生产自动化系统的运行。

6 结语

通过以上机械化、自动化、网络化、数字化和信息化深度融合而打造的风电叶片自动化生产线，取代了风电叶片生产制造过程中人员直接作业的工序。自动化生产线建成以后工厂只需要保留少数人员用于设备管理、工厂管理和中央监控系统的运维，直接生产工序实现了机械化和自动化，大大降低了叶片制造成本，发挥出了机器作业对产品质量进一步提升的优势，而且人工的减少规避了企业面临的大部分劳资风险，是风电叶片制造优质安全高效的必由之路。