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卷铁芯变压器制造系统及遗传算法的车间调度研究 上海科委科学技术研究重点项目( 0 4 2 11 2 0 6 2 ) 资助 摘要 本硕士学位论文受上海科委科学技术研究重点项目节能型三相输 配电变压器关键技术研究( 0 4 2 11 2 0 6 2 ) 资助，是该重点项目研究的关 键技术之一。 目前，我国大多数输配电变压器生产厂仍采用叠积式铁芯制作变压 器。对称三角形结构的圆截面卷铁芯三相输配电变压器，是近几年才开 发出来的新型节能配电变压器，它的卷铁芯设计与制造技术需要进一步 的研究开发和完善。本论文主要对节能型卷铁芯变压器制造系统及车间 调度问题进行研究。 论文针对节能型三角形输配电变压器的圆截面卷铁芯设计与生产 制造中存在的问题，结合计算机控制技术以及遗传算法等，从智能化算 法和智能化控制、硬件和软件等几方面，对卷铁芯设计与制造系统进行 研究开发，并根据生产实际要求，设计了圆截面卷铁芯展开带裁剪计算 机控制系统和圆截面卷铁芯成型卷绕计算机控制系统，研究开发了基于 遗传算法的卷铁芯变压器制造车间调度技术。 本文首先分析了节能型卷铁芯输配电变压器的制造工艺，构思了节 能型卷铁芯输配电变压器制造系统架构，研究了变压器圆形截面卷铁 芯成型卷绕的卷绕方法，并针对当前变压器卷铁芯展开带裁剪存在带材 韵浪费的现况，引出了圆形截面卷铁芯节材剪裁设计方案。将开发的剪 裁控制软件，变压器卷铁芯成型卷绕软硬件控制系统投入合作企业中试 t 用，达到了预期的效果。 接着针对节能型三相输配电变压器制造系统的实际需求，提出了节 能型卷铁芯输配电变压器的制造系统两层调度体系：上层调度体系负责 由控制中心下达到各车间生产任务的部署，下层车间级的调度为各具体 生产环节的执行。本文重点是针对下层的车间调度展开研究，并以剪裁 车间的生产加工为例，提出了一种基于改进遗传算法的调度模型，在基 于作业的编码方法上融入了基于机器分配的编码方法，结合此二维编码 方法设计了相应的交叉变异操作，兼顾了生产成本和生产时间两个目 标，有效地解决了多目标优化问题，具有一定的创新性。最后，本文又 对遗传算法进行了较深入的理论探讨，为将来车间优化调度系统的建立 奠定了基础。 本论文研究开发的基于遗传算法的车间调度技术的节能变压器制 造系统，既是对传统制造方式改革的大胆尝试，也对提高变压器制造产 业的经济效益、提高我国制造业竞争能力，起到了一定的推动作用。 关键字：卷铁芯变压器，制造系统，遗传算法，车间调度 r e s e a r c ho nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mo fi r o n r o l l c o r e t r a n s f o r m e ra n d j o bs h o ps c h e d u l i n gb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t hm a b s t r a c t t h e r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yo ft h en e wt y p ee c o n o m yt r a n s f o r m e r w i t ht r i a n g l ec o n f i g u r a t i o nr o u n ds e c t i o ni r o nr o l l c o r e i sa ni m p o r t a n t p r o j e c to fs h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ，w h i c hs p o n s o r st h i s t h e s i s t h et h e s i si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h e si nt h i si m p o r t a n t p r o j e c t c u r r e n t l y , m o s tt r a n s f o r m e rp r o d u c e r sa d o p tt e r r a c ei r o nc o r et om a k e t r a n s f o r m e r t h en e wt y p ee c o n o m yt r a n s f o r m e rw i t hs y m m e t r i c a lt r i a n g l e c o n f i g u r a t i o nr o u n ds e c t i o ni r o nr o l l c o r et h a tw a sd e s i g n e dr e c e n t l y i t si r o n r o l l c o r ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yn e e ds o m em o r er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nad e e pr e s e a r c ho fm a n u f a c t u r i n g s y s t e mo fe c o n o m yi r o nr o l l c o r et r a n s f o r m e ra n dt e c h n o l o g yi njo bs h o p s c h e d u l i n g a i m i n ga tr e s o l v i n gp r o b l e m se x i s t i n gi nd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g p a r t s o fn e wt y p e e c o n o m yt r a n s f o r m e r w i t h s y m m e t r i c a l t r ia n g l e c o n f i g u r a t i o nr o u n ds e c t i o ni r o nr o l l c o r e ，t h ep a p e ra d o p t sc o m p u t e r 1 1 1 c o n t r o lt e c h n o l o g ya sw e l la sg e n e t i ca l g o r i t h mt os e ta b o u tr e s e a r c ho n d e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m f r o ms e v e r a l r e s p e c t s s u c ha s i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep a p e r a l s od e s i g n sc o m p u t e rc u t t i n gc o n t r o ls y s t e mf o rf e e d i n g b e l t ，c o m p u t e r w i n d i n gc o n t r o ls y s t e mf o ri r o nr o l l c o r ea n dd e v e l o pjo bs h o ps c h e d u l i n g t e c h n o l o g yb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m i ni r o nr o l l c o r et r a n s f o r m e r m a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e st h e m a n u f a c t u r i n ga r to fn e wt y p ee c o n o m y t r a n s f o r m e rw i t hs y m m e t r i c a lt r i a n g l e c o n f i g u r a t i o nr o u n ds e c t i o n i r o n r o l l c o r e ，a n dm a k e sap r e l i m i n a r ys k e t c ho ft h es t r u c t u r eo fm a n u f a c t u r i n g s y s t e mo fe c o n o m yi r o nr o l l c o r et r a n s f o r m e r o nb a s eo ft h a t ，t h ep a p e r d o e sar e s e a r c ho nt h ew i n d i n gm e t h o da n d p u t sf o r w a r d sas a v i n gm a t e r i a l s s c h e m e t h ed e v e l o p e dc u t t i n gc o n t r o ls o f t w a r ea n dw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r et e s t e di nc o o p e r a t ee n t e r p r i s e s ，t h e r e s u l ti se x p e c t a b l e i no r d e rt om e e tr e q u i r e m e n t si n0 1 1 1 t r a n s f o r m e rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， t h ep a p e rp r o p o s e st w o - l e v e ls c h e d u l i n gs y s t e m t h eu p p e rs c h e d u l i n gl e v e l t a k e sc h a r g eo fw h o l et a s kd i s t r i b u t i o nf r o mc o n t r o lc e n t e rt oa l ls h o p s ；t h e l o w e rs c h e d u l i n gl e v e la r r a n g e sd e t a i l e dt a s k si nd i f f e r e n ts h o p s t h i sp a p e r , t a k i n gp r o d u c i n gi nc u t t i n gs h o pf o re x a m p l e ，p r o v i d e sas c h e d u l i n gm o d e l b a s e do ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mw h i c ha d d st h ec o d i n gm e t h o db a s e d o nm a c h i n ea s s i g n m e n tt ot h eg e n e r a lc o d i n gm e t h o db a s e do nt a s ko r d e r 、a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gc r o s s o v e r , m u t a t i o no p e r a t i o n st or e s o l v et h e p r o b l e m o fm u l t i g o a lo p t i m i z a t i o na n db a l a n c et h er e l a t i o nb e t w e e n p r o d u c i n gc o s ta n dw o r k i n gt i m e a b o v ew o r kh a sac e r t a i ni n n o v a t i o n a t l a s t ，t h ep a p e rh o l d sad e e pt h e o r e t i cr e s e a r c ho nt h eg e n e t i ca l g o r i t h ma n d p o i n t san e wd i r e c t i o nf o rf u r t h e rj o bs h o ps c h e d u l i n gr e s e a r c h t h es h o p s c h e d u l i n gt e c h n o l o g yb a s e d o nt h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mi n o u re c o n o m yt r a n s f o r m e rm a n u f a c t u r i n gs y s t e mn o to n l y i m p r o v e st h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o da sab o l dt r y , b u ta l s oh e l p s t oe n h a n c et h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h et r a n s f o r m e rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n dt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o na b i l i t yo ft h en a t i o n a lm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yi no n ew a y k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rw i t hi r o nr o l l c o r e ，n e t w o r km a n u f a c t u r i n g ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，j o bs h o ps c h e d u l i n g v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：加d 7 年j 月 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文储虢辫磁 日期：加1 年j 月 日 指导教师签名： 日期：年 1 1 课题提出的意义和背景 第一章绪论 在变压器问世的一百多年的历史中，变压器的基本理论没有改变，但变压器铁 芯的结构进行了几次大的改进。八十年代以前，世界上普遍使用的变压器，其铁芯 结构为e 形或c 形截面的矩形，采用插片式或中间切割工艺制造，铁芯的质量和一 致性都很差。八十年代以后，变压器研发人员一直探索如何解决铁芯不切割并在铁 芯上进行直接绕线问题。八十年代中期开始，研究开发的圆截面卷铁芯变压器已经 面向市场。( 本课题的有关研究人员从1 9 8 8 年开始研究与丌发单相、三相圆截面 卷铁芯变压器的生产制造系统，并成功地应用到多种变压器的生产制造中，弥补了 国内空白) 。目前，我国大多数输配电变压器生产厂仍采用叠积式铁芯制作变压器。 铁芯选用冷轧有取向硅钢带料，将其纵向剪成一定宽度的料带后，再横向切成一定 长度的条料，其中用作铁轭的条料还需冲裁缺口，然后拼装出三相铁芯。这种结构 的铁芯，横截面不易夹紧，在每相磁路中气隙个数较多，铁芯加工和组装后不退火， 造成空载损耗大，运行时噪声也较大。 为了提高铁芯的性能，采用另一种分级卷绕成不切割的、横截面为阶梯形的铁 芯，通称阶梯形卷铁芯，并进行退火处理。采用这种阶梯形卷铁芯制成的变压器，。 空载损耗、负载损耗及噪声等指标比叠积式铁芯变压器有所提高，但它的横截面占 空系数也只有9 0 左右，不但用铜量大，负载损耗也增大。 对称三角形结构的圆截面三相卷铁芯输配电变压器，由于此种新型变压器特 殊的结构使三相铁芯磁路完全对称，铁轭缩短，磁阻大大减小；并且铁芯无接缝， 芯柱填充系数高，性能显著提高，是目前最理想的高效、节能、环保型变压器。 新型节能卷铁芯变压器制造关键技术研究是上海科委科学技术重点项目，通过 了中国科学院上海科技查新咨询中心的立项查新，查新结论表明本课题研究的内容 具有独创性和实际意义【l 】。 为了进一步提升科学技术在能源与城市建设领域的推广应用能力和研究丌发水 平；为了最大限度地节约能源，最大限度地节约生产制造卷铁芯的原材料，降低成 鲞迭荃变压墨剑造丕统丛遗佳簋洼曲士回圃廛班究 本，为了提高城市建设与农村电网建设改造的科技内涵和能源利用质量；为了运用 高新技术改造传统的变压器生产制造产业，利用现代计算机技术，以信息化带动工 业化，推动经济结构的优化升级，提高我国变压器生产制造产业的经济效益和竞争 能力，本项目被正式立项提出，本项目所研究的成果中，部分已经运用在卷铁芯变 压器的生产制造系统中，结果表明其能很好地解决生产技术上面存在的难点与盲 点，为国家电力变压器的发展做出贡献。 本课题是该项目下的个研究分支，主要是为实现卷铁芯变压器制造过程中的 最优制造，提高生产效率，节约生产成本，能够符合敏捷制造模式。敏捷制造作为 2 l 世纪企业的先进制造模式，综合了j i t 、并行工程、精益生产等多种先进制造模 式的哲理，其目的是要以最低成本制造出顾客满意的产品，即是完全面向顾客的。 在这种模式下如何进行制造加工，组织管理，包括如何组织动态联盟、如何重构车 间和单元、如何安排生产计划、如何进行调度都是我们面临的主要问题。其中车间 作业调度与控制技术是实现生产高效率、高柔性和高可靠性的关键，有关资料表明， 制造过程中9 5 之间的消耗是在非切削过程中【2 i 。因此，在设计好合理的制造控制 等技术的条件下，有效的调度方法与优化技术的研究和应用，己成为先进制造技术 ( a m t - a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 实践的基础和关键。 我们的车间调度主要是针对卷铁芯变压器的制造，探讨在尽可能满足约束条件 ( 如交货期、工艺路线、资源情况) 的前提下，通过下达生产指令，安排其组成部分( 操 作) ，使用哪些资源、其加工时间及加工的先后顺序，以获得产品制造时间和成本的 最优化 3 1 。在理论研究中，车间作业调度问题常被称为排序问题或资源分配问题或 组合优化问题。在过去的几十年里，基于实际的及理论上的考虑，不断地激励着人 们寻找新的调度算法，其中一个重要的原因是产品制造界的市场竞争在不断提高， 好的生产调度能提高资源的利用率和操作管理水平，生产出具有竞争力的产品。先 进的制造技术，有效的控制手段，良好的车间调度，无不是提高车间生产效率，降 低生产成本的重要因素，这些也是本课题的研究意义所在。 2 1 2 研究现状 1 2 1 制造行业现状 由于现代科学技术的飞速进步而使竞争日趋激烈。因为科学技术的进步，缩短 了产品的生命周期，从而迫使企业必须不断更新产品和发展品种。事实上，企业在 市场上赖以竞争致胜最根本的法宝，便是能否在现代科学技术最新成就的基础上， 以最快的速度开发出满足买主要求的新产品，并以最短的时间将所丌发的新产品推 向市场。一个企业如果具有上述这种能力，那么在激烈的市场竞争中，便能克敌制 胜而立于不败之地。否则，企业将难以生存和发展。在这种严峻的坏境下，传统的 制造模式以不能适应当代快节奏的社会。 车间层的生产管理与信息资源集成是企业生产系统和c i m s 中的重要一环，车 间作为制造企业的物化中心，产品最终要通过车间制造出来，车间生产计划、制造 资源的状态等最终决定了一个企业的实际生产能力、产品质量状况，车问生产及管 理自动化是实施企业c i m s 整体解决方案的共性核心关键技术，车间生产管理及其 信息系统的敏捷性在很大程度上决定着整个企业的敏捷性【3 】。为适应敏捷化的车问 制造环境，制造执行系统( m e s ：m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) 的概念近十年来逐 步形成并得到迅速发展【3 j 。m e s 是位于企业上层生产计划( m r p i i e r p ) ；乖n 底层工业 控制之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。m e s 的任务是根据上级下 达的生产计划，充分利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息， 快速、低成本地制造出高质量的产品。 以产品生产为主线，车间不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈 者，更是大量实时制造信息的集散地，对车问制造资源及制造过程的优化管理是提 高企业核心竞争力的关键问题之一。在现有的制造环境下，根据中国目前制造业( 特 别是中小企业) 的现状，不大可能对企业的现有制造资源进行大规模更新，因此充 分利用现有资源和现代信息技术，对车间的各类系统进行信息采集和资源集成，并 通过计算机、单片机来控制生产过程，可以充分提升车间信息化程度、实现企业各 层的信息互通、给企业带来极大的经济效益，提高中国制造业核心企业竞争力。 1 2 2 车间调度研究现状 调度问题的研究始于2 0 世纪5 0 年代，j o h n s o n 提出了解决n 2 f c m a x 和部分 特殊的r d 3 f c m a x 问题的优化算法，代表调度理论研究的丌始：6 0 7 0 年代建立了调 度理论的主体( 经典调度理论) 并重视调度复杂性的研究。随着7 0 年代后期调度理论 研究的深入及各种交叉学科的发展，又涌现出了许多新的车间调度理论与方法【4 儿5 1 ， 如神经网络、模拟退火法、遗传算法等。由于j s s p 问题的复杂性和困难性，从那 时丌始直到今日，人们为了得到一个理想解决这一问题的方法，就一直在不断地对 该问题进行研究，从而产生了各种各样的用于求解该问题的方法，图1 1 归纳了应 用于求解这一问题的主要的技术和分类。 图1 1 求解j s s p 问题的技术和方法分类 从图1 1 可看出，用于求解j s s p 的技术与方法主要分为两类，一类是近似求解 4 方法，一类是最优化求解方法。用近似方法求解时，可以很快地得到问题的解，但 它们不能保证所得到的解是最优的；用最优化方法求解这一问题时，它们可以得到全 局最优解，但它们只能解决小规模的，而且速度很慢。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简写g a ) 在最优化、特别是组合优化问题中的应 用是近些年来的一个热点课题。遗传算法模仿生物遗传和进化的过程。它把类似于 遗传基因的一些行为，例如交叉重组、变异、选择和淘汰等机制引入到求解过程。 与基于解的近邻n ( s ) 内的搜索不同，遗传算法同时保留若干个局部最优解，通过两 个或多个解的交叉重组和单个解的变异来寻找整体最优解。虽然遗传算法存在集中 搜索能力较弱的缺点，但它提供了一个框架，具体的内容可根据需要进行调整。在 其中可以加入局部搜索的运算来改善g a 的集中搜索能力较弱的缺点。y a m a d a 在 这方面做出了许多的研究工作，将局部搜索融入了交叉之中。另外，在解的淘汰和 选择中，应该注意在选择好的解的同时，还应该保持解的多样性。在遗传算法的交 叉重组，要由两个( 或多个) 候选解生成一个新的解。交叉重组方法的适当与否直接 影响遗传算法的性能。在组合优化的实际问题中，可以不必拘泥于上述类似生物基 因重组的方法。关键的问题是如何把解的好的部分传给新生成的解，同时要保持新 生成解的多样性。c h e n g 等【6 】对用g a 方法求解j s s p 的方法进行了总结。过去十年 来，如何运用遗传算法解决工业工程中的各类问题己成为管理科学、运筹学、工业 与系统工程领域许多学者和工程实践人员的研究课题，其原因在于遗传算法是一种 强有力的、应用范围十分广泛的随机搜索优化技术，它对许多传统方法难以解决的 问题是非常有效的。在大多数工程优化问题中，常常都带有复杂的约束条件，简单 的遗传算法往往不能很好地解决这类工程优化问题。因此，如何结合问题的特性就 成为面向工业工程遗传算法的研究焦点。 d a v i s 7 】在1 9 8 5 最早将遗传算法用于求解调度问题。他所用的间接编码方法被 f a l k e n a u e r 【8 】等人所采用并进行了改进。n a k a n o 和y 锄a d a 【9 】在析取图上运用了一种 间接的表示方法，将染色体表示成一个二进制串的形式。后来y a m a d a 和n a k a n o i l 叫 在g t 算法【l l 】的基础上设计出了一种只产生活动调度的g t 交叉算子，在很大程度 上提高了算法的性能。 但是这些工作并没有能使算法的性能得到很大提高，相关的文献也很少。 d o m d o 吒p e s c h 1 2 】和b i e r w i r t h 1 3 】等表示在算法接近最优解时，g a 并不太适合精细 搜索，因为交叉算子通常为了产生可行调度而失去了其有效性。为了克服这些问题 5 而引入了遗传局部搜索( g e n e t i cl o c a ls e a r c h ，简称g l s ) 技术。d e l l ac r o c e 等【1 4 1 将 不同的邻域结构结合到遗传算法中并改进某些问题的结果。d o m d o r fa n dp e s c h 眩1 将多种优先规则概率地组合在一起，还给出了结合移动瓶颈的遗传算法。 对于j s s p 的若干研究方法大量研究表明【巧】- 1 ) 枚举方法，如分支定界方法，计算量大，难以应用于大规模问题。 2 ) 基于优先规则的构造方法和启发式方法，能够快速构造解，但优化质量一般 较差。 3 ) l a r g r a n g i a n 松弛法可以通过松弛和分解的策略降低问题的求解复杂性，但需 要合适选取或调整相应的算法参数。同时大多数情况下需要对所得到的问题进行再 加工，才能得到可行的满意调度。 4 ) 移动瓶颈方法能够取得较好的质量，但求解过程和算法实施很复杂，且难以 移植到其它方法中去，同时相对其它方法而言比较难以理解。 5 ) 神经网络与蚁群系统方法优化时间性能较差，而且优化质量严重依赖于网络 参数，甚至产生非法调度。 6 ) 模拟退火、遗传算法、禁忌搜索能够取得较满意的优化质量，但其性能对算 法参数有较强依赖性，且优化时间相对较长，且简单地将它们与优先规则相结合的 混合方法对优化质量的改善比较有限。 1 3 论文主要研究内容 本论文研究的对象为节能型卷铁芯变压器的生产制造系统，研究的内容主要集 中在卷铁芯变压器的制造方案设计，上位机软件开发，车间生产制造及车| 日j 调度等 方面的难点。本论文主要研究内容如下： 第二章是基于项目设计的节能型变压器制造系统，构思了制造系统的整体部署 架构，深入研究了制造系统中重要生产环节的设计原理，并丌发了剪裁卷绕的加工 控制系统，这是实现先进制造的基础。在整个节能型变压器制造系统中，本人参与 开发了节材辅助设计软件模块，裁剪控制软件模块，并独立开发了成型卷绕上位机 控制软件和硬件及电路板等。 第三章是车间调度模型。从我们的变压器制造系统制造特点出发，设计了基于 车问层的体系结构，并对车间调度问题进行建模。 6 第四章为遗传算法。本章结合本文的具体情况，对所需用到的算法进行了深入 地分析。 第五章是基于遗传算法的车间生产调度。设计了改进的遗传算法，并对第二章 提出的多目标调度模型进行运算求解，并编程实现了该调度算法。 第六章为遗传算法多目标优化的理论研究，本章对车间调度模型中多目标优化 的问题进行了进一步的理论探索，提出了对遗传算法在车间调度问题求解新的思 想，为将来车间优化调度系统在节能型卷铁芯变压器制造系统中的全面实现奠定了 基础。 第七章为总结和展望。 以上研究内容就是本课题研究中的重点，同时也是上海科委立项的重点项目中 所要研究的技术难题的一个分支。本论文所研究的算法与技术，部分已经通过实际 试用表明效果良好。事实证明了本论文所提出的算法和观点的正确、实用，并具有 创新性。为本上海科委重点项目的完成打下了基础。 7 第二章节能型卷铁芯变压器制造系统 21 节能型卷铁芯变压器的制造工艺 圆截面卷铁芯的输配电变压器是当前世界上的新一代变压器产品。它的铁芯为卷 绕不切割型。铁芯由宽窄变化的矽钢长带卷绕而成。芯柱截面接近纯圆形，磁路中没 有空隙 】“。这种变压器具有损耗低、噪声低、空载电流小等优点。目前圆截面卷铁芯 有三种，如图21 所示。 三角形三相卷铁芯三相“日”字形眷铁芯单相卷铁芯 、r 。毫， 羔? 豳一 目l 图21 圆截面卷铁芯的三种类科示意图 变压器铁芯的生产制造工艺是变压器制造厂的一项重要的基本技术，它贯穿于 从原材料进厂直到产品出厂的整个生产活动中。变压器铁芯制造工艺是实现产品设 计、保证产品质量、节约能源、降低消耗的重要手段，是工厂进行生产准备、计划 调度、加工操作、安全生产、技术检查、优化劳动组织的技术依据 1 q 。 由于三角形结构圆截面卷铁芯是一种新型的铁芯产品，具有独特的结构，因此 在实际的生产中，我们无法在原有普通变压器铁芯生产工艺的设备上生产这种新型 变压器的铁芯。因此基本上所有的生产设备都要重新设计与研究。基于以上原因， 本论文针对三角形结构三相圆截面卷铁芯的节能输配电变压器独有的特点，专门的 设计了这种变压器的生产制造系统工艺流程，如图22 所示。 倡包包舀舀包 图2 2 节能变压器生产制造二r ：艺流程示意图 三角形结构圆截面变压器卷铁芯的制造工艺，主要集中在设计、裁剪、卷绕三 部分。针对此卷铁芯的结构特点，需要设计矽钢带材的裁剪形状，根据此形状计算 裁剪数据，计算机通过此裁剪数据控制裁剪装置裁剪矽钢带，裁剪后的矽钢带经过 卷绕系统卷绕成为卷铁芯。然后在经过一系列的退火、绕线、装配、试验等工艺完 成三角形结构变压器的制造。图2 3 展示了节能型卷铁芯变压器制造系统的整体构 架。 9 j 王王王 一 王王工 王 o r 柏：网信息 管理控制中心 w in s e r v e r w i n x p c j 变压器生产专家系 、c i 统 l 产品配送 其他管理系统 目2 3 节能性卷铁芯变压器制造系统 2 2 卷铁芯变压器展开带裁剪系统 22 卷铁芯变压器展开带裁剪方法”7 1 变压器生产制造展开带裁剪工艺中，如何去裁剪块规则形状的展丌带使卷绕 后的铁甚符台生产的要求，如何去合理的裁剪展丌带使带村的利用率达到最佳，本 课题提出了一种比较理想的带材裁剪设计方法，这种算法能高效率的提高带村的利 用率，太大地节省了生产成本。基于这种算法还研制出一种基于v c + 4 的计算机辅 助设计系统，此辅助系统高效快捷，只要输入相关的参数就可以得出带材相若的裁 剪数据和带材的利用率，它在应用中取得了良好的效果。 铁芯裁剪系统并不是想象中的简单的切割带材，它需要剪切刀具按着人们设汁 的垂裁算法自动的完成对展丌带的裁剪。此外，并不是所有变压器铁芯的裁剪系统 都是通用的，拿三角形结构的圆截面卷铁芯来说，就需要设计专门的裁剪系统。 变压器的铁芯是由矽钢带一圈圈卷出来的，显然，铁芯的截面是由每一圈矽钢 片的截面组成的。如果矽钢片宽度随着圈数按一定规律变化那么一定数量的矽钢片 截面就可以组合成不同形状的铁芯截面。图2 4 是截面的放大图，所谓圆形截面的 铁芯截面并不是一个真正的圆，而是由一个个小矩形组成的近似的圆。当矽钢片很 薄，圈数很多的时候，铁芯的截面就会十分逼近圆形，达到所制定的要求。 图2 4 展开带卷绕成型后圆形截面放人示意图 在本节中，我们主要研究三相圆截面卷铁芯的设计制作方法。同样，为了说明 问题，还是采用图片的方式进行说明。请看图2 5 。此三相铁芯的形状是同字形的， 单独一根矽钢片不能缠绕出这种形状的铁芯，这里我们采用嵌套的方法。 首先，我们裁剪出如下形状的矽钢片，将其卷成铁芯内圈。 图2 5 铁芯内圈的展开带示意图 图2 6 指出内圈在铁芯截面中的位置，和内圈曲料和内圈直料缠绕成为铁芯后 在铁芯中的位置。 直科 一i 自# 内固 闰2 6 内周曲料和直料在铁芯中的位置示意幽 卷出来的内圈铁芯形状如图27 所示，我们称之为内圈 图27 内圈铁芯形状示意图 用相同的方法制作出同样的另一个内圈。然后再裁剪出如图28 所示形状的带 材，将其卷绕成型。 g 三二 二亘二二二) 创2 8 铁芯外圈的展开带材示意幽 1 2 k川掣卜m 旒川川川川川必 耋鐾垂至生量型蕴蚕垄蠡垄堇墼董些至墼塑垄堑堑 卷绕成型后的形状如图2 9 所示，我们称之为外圈。 幽2 9 内圈铁芯形状示意幽 将两个内圈放到外圈里面，合并起来就足一个完整的圆形截血】= 相铁芯了。如 图2 1 0 所示： 圈21 0 日字型三相铁芯形状示意例 从图2l o 我们可以清楚的看到，此三相铁芯是有两个内圈和一个外圈组成的 ( 一个内圈为蓝色，一个为黄色，外圈为灰色) 。图21 1 所示为铁芯正面示意图。 日1 自蕊2 图21 1 日字型三相铁芯正面形状示意幽 ，缀 咽 黔 图21 3 三角形结构变压器卷铁芯的佣视图 如图2 1 4 所示的是变压器其中一相铁芯的横截面示意图，它是由内圈和外幽两 部分组成，当然在实际的卷铁芯生产中处于节材的考虑，一相铁芯的卷绕成型可能 由很多的部分组合而成，并不是简单的内圈矛n # l - 圈。在这里为了说明清楚起见，我 们采用最简单的设计方法来说明三角形结构卷铁芯套裁的原理。 k 矽钢带厚度 图2 1 4 近似圆形截面的卷铁芯示意图 图2 1 4 所示的铁芯的截面是由一个个的小矩形组成，矩形的长度就是矽钢片 的宽度，矩形的宽度就是矽钢片的厚度。当矽钢片很薄，圈数很多的时候，只要适 当地裁剪矽钢片，就可得到其宽度按一定规律随长度变化的曲料，从而使铁芯的截 面达到预期的形状，符合制造的要求。内外圈曲料矽钢带的形状如图2 1 5 所示，当 然我们在实际的设计中裁剪好了的展开带形状远远比图2 1 5 要复杂的多。 h 图2 1 5 卷铁芯展开带裁剪后的形状示意图 矽钢带宽度 在上面分析我们知道，内圈和外圈的硅钢带都分成曲料和直料两部分。曲料的 形状两面都是弧形。在实际的圆形截面三相铁芯生产过程中，如果不加于任何措施， 裁剪曲料时会造成材料的浪费。如图2 1 6 所示： 灰色部分为废料 图2 1 6 近似圆形截面的卷铁芯裁剪示意图 大量的硅钢片被当作废料浪费掉了。所以，节材的设计是必须的，为了能够很 好的节省材料，需要做一些处理。我们在设计的时候把曲料按中轴线叠加。如图2 1 7 所示： 阴影部分为叠加后的曲料形状 中轴线 - - - - - + 曲料的下半部分 图2 1 7 曲料示意图 这样，料带的一边就变成直的边了，方便我们在矩形的料带中安排丌料。内圈 和外圈曲料经过处理后形状如图2 1 8 所示。同一铁芯的内圈曲料和外圈曲料起始宽 度和最宽宽度是相同的，唯一不一样的是它们的长度。那是因为，内圉和外圈卷起 来后的形状是完全对称的，不一样的是它们的周长。 1 6 起始宽度一 1 j 起始宽度 f 内圈曲料 i 最宽宽度 # 1 - 圈曲料 图2 1 8 内外圈曲料示意图 i 最宽宽度 经过计算比较，我们设计如下剪裁方案，如图2 1 9 ，这样的套裁方法的废料面 积很少，可以节省材料。外圈曲料和内圈曲料的套裁是分丌的，并且在套裁的方法 上是一致的。我们就用曲料来统称外圈曲料和内圈曲料。 灰色吉；分为废j f ： 图2 1 9 节材方案 套裁的料带宽度就是生产时的进料宽度，我们如果己知曲料的形状就要知道经 过套裁处理后的进料宽度。从上图分析，料带的宽度可以由曲料的接触点位置求出， 将接触点两边的曲料宽度相加即可得出，下面我们证明这点。 曲料实际上是由一个个对应于圈数的梯形组成的，宽度对应于圈数。设圈数为 行，目前处于第f 圈，铁芯直径为d ，层叠厚度f ，叠片系数口，材料厚度d 。那么： 曲料1 第f 圈的宽度：h 1 ：2 、i 五万炉二丽万j 万万再而( 2 - 1 ) 曲料2第f圈的宽度：h2，：2aj(d2)2-(t2)-(da)(n-i+i)2 ( 2 2 ) 1 7 我们改变i ，计算总宽度：h = h l ，+ 办2 ，( 2 - 3 ) 通过计算相加，我们知道最宽的宽度之和出现在正中间圈数上。结果很明显， 接触点就出现在组成曲料的正中间圈上，而不是出现在曲料的中点。把裁好的曲料 以底线为中轴线，将设计时叠加上去的部分用机器拉回来，这样曲料就恢复正常了。 2 2 2 卷铁芯展开带剪裁加工控制系统n 町 变压器卷铁芯展开带裁剪控制系统由上位机软件和裁剪硬件装置组成。上位机 软件用于将节材辅助设计软件计算出的变压器铁芯数据生成控制数据，并通过p c i i 0 系统输出到步进电机，控制曲线型矽钢带剪切机的裁剪。本论文设计的三角形 结构变压器卷铁芯展开带裁剪控制系统工作示意图如图2 2 0 。 其中蓝色虚线部分是系统的软件即上位机部分，它主要利用“展开带裁剪控制 系统软件”把从“展开带节材辅助设计软件”生成的数据转化为控制数据来控制“剪切 加工”部分的动作。绿色虚线部分是系统的“基于p c i 总线的i o 接口”部分，它在上 下位机中起着桥梁的作用，上位机软件生成的控制数据通过该i 0 接口通道传输数 据来控制“剪切加工”部分的动作。红色虚线部分是“剪切加工”部分，它是和上位机 控制软件紧密相连的部分。它由两个刀架( 前刀架、后刀架) 构成，每个刀架由两 个步进电机控制，分别控制该刀架刀头的位移和角度。计算机将控制数据输出到步 进电机的驱动输入，就能控制两个刀头的位移和角度，从而控制益线剪切。 1 8 图2 2 0 圆截面卷铁芯展开带裁剪控制系统示意图 整个系统的工作流程如图2 2 1 所示。 图2 2 l 三角形变压器卷铁芯展开带裁剪控制i ：作流稃图 1 9 图2 2 2 是本论文所设计展开带裁剪控制方案示意图。 t g a = 每步 8 1 ( 4 2 3 2 ) 2 4 0 1 4 9 5 ( 1 5 。时) 每步 8 1 ( 4 2 3 2 ) 1 2 0 1 4 9 5 ( 3 9 时) 带宽位移 榆测传感器 ( 1 6 个齿) 5 m m 位移丝 废料 卜 动态宽度 0 0 2 0 8 r a m 每步( 1 5 。) 0 0 4 1 7 r a m 每步( 3 。) 带宽位移 检测传感器 ( 1 6 个齿) 角位移检测 传感器( 1 个齿) 旋转刀斤 由1 1 1 6 5 3 2 0 7 = 4 6 个甲位k 3 2 0 5 8 3 = 5 5 带长检测传感器 ( 6 0 p r ) 角位移检测 传感器( 1 个齿) 测长辊直径1 1 1 4 0 8 r a m 周长= 3 4 9 9 9 9 m m = 3 5 0 m m 5 8 3 m m 学位榆测长度( 6 0 p r ) 7 r a m 单位检测长度( 5 0 p r ) ( 测辊j 刀斤旋转为同步运行) 个学位k g 旨 o r q n 旋转j 片 由1 1 1 6 5 g g o 、寸 n 图2 2 2 卷铁芯展开带裁剪控制方案示意图 t 料带 通过对传统的变压器带材剪切加工系统的深入研究，针对本文研究的对象专门 2 0 童壁堑至匡堂! 童垂堑丝蛰垄墨鉴墼i ：型翌里坠蚤 设计了本套裁剪控制方案。系统工作时，展开带经过测长辊，带长检测传感器检测 带材的总长，剪切的主要部分由两个刀架( 前刀架、后7 j 架) 构成，每个刀架由两 个步进电机控制，分别控制该刀架月头的位移和角度。计算机将控制数据输出到步 迸电机的驱动输入，就能控制两个刀头的位移和角度，从而控制曲线剪切。 本方案中的参数设计是通过本课题组人员经过多次实验总结的基础上提出柬 的，由于参数的设计和装置的功能、位置的设计在方案图中目了然，在这旱不再 做过多介绍。 根据以上展j r 带裁剪控制方案示意图设计制作的三角形结构变压器卷铁芯展 丌带肝料机，如型22 3 所示。图中的控制计算机运行的是展开带节材辅助设计软件 利展开带裁剪控制软件，负责输出控制剪切机动作的数据，前后门架根据软件生成 的控制数据柬做相应的动作把规则形状的带材裁剪成指定形状的带利。 陶22 3 = 角形变压器卷铁芯展开带开料机 223 上位机软件的功能模块 本上位软件是变压器卷铁芯展开带裁