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东方汽轮机以智能制造为突破口，建成国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线，引领能源装备制造新潮流。依托5G全连接数字化工厂，融合MBD设计、柔性产线、数字孪生等技术，实现叶片加工全流程自动化，效率大幅提升，质量合格率达99%。项目突破传统制造瓶颈，助力“双碳”目标，推动高质量发展。

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企业简介

东方电气集团东方汽轮机有限公司（简称：东方汽轮机）隶属于中国东方电气集团有限公司，是我国研究、设计、制造大型发电设备的高新技术国有企业，是全国机械工业100强企业和我国三大汽轮机制造基地之一。

公司员工达4200余人，近三年年营业额持续走高，2022年营业额超百亿。产品涵盖气电、清洁高效煤电核电、工业透平、电站服务、新能源工程、储能业务、特种装备、新兴产业等多个领域。主要产品产量累计超过5亿千瓦，产品遍布全国31个省、市、自治区，国内市场占有率超过30%。同时积极响应国家“一带一路”倡议，产品远销南亚、东南亚、非洲、南美、中东、欧洲等29个国家和地区，累计出口发电设备产量超过5000万千瓦。

公司拥有行业一流的多层次研发平台，联合清华大学、上海交通大学、西北工业大学3所高校共建了清洁高效透平动力装备全国重点实验室，拥有加工设备2600余台。坚持以“数字转型、绿色发展”为驱动力，近两年先后建成行业首个5G全连接数字化工厂，实现全领域数据互联互通，建成国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线、国内首个绿色低碳高效焊接数字化车间、总装数字化车间与隔板数字化车间，依托新一代信息技术与先进制造技术深度融合，实现生产效率大幅提升、产品质量持续改善。

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企业在智能制造方面的现状

在当前全球“ 退煤” 及国家“双碳”背景下，能源体系面临着变革求发展的困境，作为国家支柱产业的能源动力装备制造基地，东方汽轮机以数字转型为驱动力，致力于打造国内清洁高效能源动力装备制造高地，实现公司迈向世界一流的高端能源装备之路，助力公司高质量发展。

围绕工厂建设、产品设计、工艺设计、计划调度、生产作业、质量管控、设备管理、能源管理、仓储物流、售后服务等多个方面开展自动化改造及数字化升级，建成了多个自动化产线，开展PLM、ERP、APS、MES、SCADA、QIS等多个系统的数据全面贯通及业务集成应用，构建各车间作业自动化及智能协同、平台管控、设备层到协同层全量全要素数据互通及数据治理、生产制造集成控制，打造设计数字化、生产透明化、作业自动化及系统持续优化的智能制造工厂。公司于 2022 年底率先成为四川省首家通过智能制造能力成熟度 3.0 级评估认证的企业。

2023年8月，东方汽轮机建成5G全连接数字化工厂。以27个宏基站和240个微基站构建5G专属网络，在园区部署30余万个数字测点，打造自主研制的工业互联网平台底座，搭建9个生产制造系统、5个研发设计系统、3个管理决策系统等63个工业应用系统，建设9个数字化车间共计21条数字化产线，建立供应商、企业、客户相互协同的数字化供应链，开展产品远程监测和智能运维服务，实时监控园区安全、能源、环境数据，赋能数字党建，每日并行处理超500G数据，实现人员、技术、资源、制造、产品全领域数据互联互通，使生产效率大幅提升、制造成本不断降低、产品质量持续改善。

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参评智能制造项目详细情况介绍

1. 项目背景介绍

叶片是汽轮机、燃气轮机等能源及透平动力装备的关键零件，又是最精细、最重要的零件之一，尤其作为燃气轮机的核心热端运动部件，其研发和制造是一个国家工业的发展规模和技术水平的重要体现。叶片在极苛刻的条件下承受高温、高压及巨大离心力、蒸汽激振力等复杂交变应力的共同作用；其空气动力学性能、加工几何形状、表面粗糙度、等因素均影响整体装备的效率。因此叶片的研制不仅需要严苛的选材、缜密的设计，还需复杂、精细的工艺制造。

叶片的制造在航空发动机、能源及透平动力装备等行业，前期大多仍采用传统的数控五轴加工单元、人工上下料、下机检测及人工过程管控等方式，存在整体制造效率低、质量不稳定、核心设备利用率不足等问题。作为国内三大能源及透平动力装备制造企业之一的东方汽轮机，同样面临着上述问题及市场的竞争压力，公司主动求变，以智能制造为突破口，开展自动化改造、数字化升级，打造国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线，推动提质增效及制造能力提升，实现公司的高质量可持续发展。

2. 项目实施与应用情况详细介绍

项目以重型燃气轮机叶片加工制造为对象，从产品结构及工艺设计、工厂及车间布局、产线建设、过程管控、仓储物流、质量检测等贯穿产品制造的全过程开展自动化及数字化的升级建设，具体如下：

2.1 / 基于MBD的叶片数字化设计

采用数字化软件工具，对产品进行分类设计，建立不同型号系列的产品模型库、材料选型库，建立基于核心产品复杂型线的参数化模型库，通过参数化驱动表实现三维模型的快速创建与更新。搭建三维数字化设计标准体系，保证三维模型可完整表达产品设计、工艺设计边界条件等信息，同时设计三维模型作为单一数据源，将数据传递给工艺端，并开发工艺自动化设计工具，实现设计、工艺一体化。采用CFD、CAE数值仿真分析手段，开展产品设计阶段的性能、可靠性迭代优化及加工仿真、自动编程、三维装配仿真分析，实现新产品的快速研发。

图1 叶片产品参数化设计

图2 叶片参数化结构工艺

2.2 / 基于产能最大化的工厂优化设计

针对透平动力装备叶片制造车间的复杂离散场景，采用了三维设计工具和仿真软件对车间的系统建设效果以及生产节拍情况进行建模仿真分析，支撑车间整体规划布局方案。搭建的车间系统逻辑仿真模型，以产能最大化为目标详细测算立库库位数量，确定立库位置、线边货位的缓存数量等。开展车间全尺寸三维模型的建立，基于工厂三维模型完成了布局空间的干涉分析和物流优化布置。

图3 叶片制造车间系统逻辑仿真模型与仿真

同时以重型燃气轮机核心产品叶片为实施对象，构建以法拉利、德玛吉、哈米勒车铣复合中心和多关节工业机器人等关键设备的黑灯产线数字孪生模型，探索全场景数字孪生在叶片柔性加工产线的应用。

图4 基于数字孪生的叶片黑灯产线

2.3 / 离散制造混线生产的叶片柔性产线

将叶片加工制造现有的15台C.B.Ferrari五轴加工中心、6台DMG车铣复合中心、2台HAMUEL车铣复合中心进行自动化改造，建设成自动化加工产线群，主要进行中小叶片型面、装配面的综合铣削加工。该产线群是一个全数字化、自动化的生产单元，能够在无人干预的情况下，精准完成叶片的加工，实现刀具几何参数机床内测量并自动更新至机床刀具参数表，在线测量工件并自动补偿再加工至产品合格的整套自动化生产流程，与MES系统和物流、AGV系统集成，实现订单下发至加工完成入库全流程无人干预。同时针对叶片不同结构，统一装夹夹具，根据任务负荷和产出节拍自动匹配设备任务，建成行业首个叶片自动化柔性加工产线。

图5 15台法拉利加工中心组线

图6 叶片黑灯产线生产现场

2.4 / 复合作业模式下的精准动态管控

搭建多系统集成的数字化生产管控系统，以MES为主线，通过其承接APS的生产计划任务并下达执行，同时与三维设计工艺一体化平台（PLM）集成，实现基于工序级的精确作业计划与人员绩效管理，将生产信息反馈至APS及ERP，并对质量数据进行实时记录，同时通过对异常流程的相关的数据和规则进行配置化建模，以便于进行作业计划优化和调整。基于工艺的结构化数据，实现开工物料需求与工具动态需求反馈和齐套性检查。依托MES系统，基于大数据、动态调度、知识库建模等技术，实现了复杂工艺条件下生产流程无人化、动态调度实时化，有效提升了车间生产的效率和资源利用率，最终实现计划排程、生产执行、质量反馈、人员管理一体化。

图7 多系统集成的数据交互

图8 MES管控下的任务动态监测

2.5 / 多系统集成的立体仓储及物料精准配送

通过智能仓储物流系统建设，建立统一物料箱、智能立体库、AGV小车，应用二维码标识和导航技术，与WMS系统和WCS、RCS、FSS系统集成，实现物料从MES订单-立库-机床工位间的自动化精准高效流转，同时将物流数据、信息系统数据、实物采集数据通过信息化系统进行汇聚，解决信息传递流转不畅问题，大幅提升仓储管理人员工作效率。

图9 叶片车间智能立体仓储

图10 5G+AGV物料配送生产应用

2.6 / 基于数字模型的叶片在线检测

搭建实时在线自动化检测系统，围绕三坐标测量机配置了环形自动上下料系统、测量夹具、开发专用自动化检测软件等。自动化检测方案采用环形输送线进行工件自动传输，人工对托盘进行扫码再对工件进行二维码扫码获取产品信息后人工装夹至工装夹具，实现工件与托盘信息绑定。针对二维码信息未能直接获取的工件，通过手动选择工件类型进行托盘信息绑定，检测完毕自动关联工件二维码信息和检测时间等信息生成定制测量报告及检测数据，自动生成检测报告。针对型线测量，通过开发的型线分析软件进行型线尺寸参数匹配，软件计算后给出测量分析结果。

图11 叶片三坐标自动检测平台

3. 效益分析

针对重型燃气轮机制造建成国内首个叶片加工无人车间及首条黑灯产线，首次实现叶片加工设备大规模集群控制。集成19台五轴加工中心、8台高精度双驱五轴数控加工中心以及4台六轴机器人的黑灯产线，在产线柔性控制系统的指令下，机器人自动抓取物料、柔性装夹，加工中心协同运转，实现全自动加工。黑灯产线、立体仓库、三坐标检测平台等构成的叶片加工无人车间通过MES与WMS、AGV、自动化立库的协同，实现原材料按需自动配送到机台、成品自动入库。该无人车间突破了叶片加工设备单元式控制局限，减少物料在工序间的流转次数和频繁的上下料，取消线边库存、减少空间占用，实现了无人化作业，大幅降低管理成本。

项目基于离散型超高精度叶片加工，在产品及工艺设计一体化、多品种小批量混线控制、自动化物料管理配送、数字化生产运营管控等方面取得重要突破，实现重型燃气轮机叶片 24 小时无人干预连续加工，质量合格率达 99%，项目成果达到同类制造技术国际先进水平。

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