渦輪制造中的專用夾具

西門子能源在柏林工廠開發并制造用于燃氣輪機、蒸汽輪機以及其他能源技術應用的部件。在大型壓氣機導向環的制造過程中，高部件重量、嚴格公差和不斷變化的幾何形狀交織在一起——在這些條件下，夾具技術對過程穩定性和自動化起著核心作用。

羅姆多年來一直為該工廠提供各種夾具，支持西門子能源的工作。為了實現大型壓氣機導向環加工的自動化，這家夾具技術供應商首次直接參與定制化解決方案的開發。

固定在夾具解決方案中的發電站渦輪機壓氣機導向環

“就這一應用而言，它是我們渦輪制造中仍相對少見的機器人輔助應用之一，”設備、工裝與工藝團隊負責人 Markus Zapke介紹道，“這里加工的是用于發電站渦輪機的壓氣機導向環。當時的需求是找到一種通用、自動化且靈活的夾具解決方案。”

在改造之前，該加工是在一個手動工位上進行的。由于噪音排放高，該工位被安置在一個隔音罩內，操作人員還必須佩戴聽力保護裝置。工作本身對體力要求高，且伴隨著高強度負荷。在此背景下，職業安全也要求對現有流程進行改變。

靈活且保護工件的裝夾

因此，對新夾具方案的要求相當廣泛。除了安全且保護性地裝夾工件外，還必須確保高重復精度和定心定位。此外，還需應對導向環不斷變化的直徑和不同的內環高度，以及分體式部件的加工。必須排除由夾緊力或過程力引起的變形。

西門子能源柏林工廠為大型渦輪導向環的自動化加工定制的夾具解決方案，使用鉸接式機器人

此外，系統應能防止位置變化，如扭轉、移動或抬升，能夠利用現有的機床工作臺（包括基座），并能與現有的加工系統進行通信。其他標準涉及從上方裝載、為起重設備提供足夠的空間、從內環側能夠良好地接觸到外徑，以及遵守職業安全和環境、健康、安全要求。

羅姆的銷售工程師和技術聯系人Matthias Barth特別指出了人體工程學方面的改進：“之前的手動夾緊解決方案主要依賴于操作者的感覺。現在，他主要負責放入工件，其余工作由技術完成。”

從概念到定制

該項目始于2022年底，源于生產計劃部門的一個咨詢。隨后，討論并評估了各種解決方案，包括外部專用機械設備制造商的方案。與此同時，西門子能源借鑒了在其他制造領域長期使用羅姆夾具的經驗。Zapke表示：“我們使用羅姆的夾具已有幾十年歷史，其中包括直徑達2000mm的卡盤。”

因此，這家來自松特海姆安代布倫茨的夾具技術供應商很早就被作為合作伙伴，參與到這項技術要求高的特殊解決方案中。目標是開發一種液壓驅動的夾緊系統，既能適應不同的導向環幾何形狀，又適用于自動化操作。

從自動化的角度來看，負責引入機器人輔助制造解決方案的Dennis Wolf從一開始就陪伴著這個項目。他的重點在于將夾具技術可靠地集成到現有機器人系統中，以及其在后續操作中的實用性。

至此，基本框架已經確定。下一步是定義夾緊系統的具體技術要求。

對新夾具方案的要求通過生產計劃部門與項目參與方的多次電話會議和現場會議得以具體化。其中，西門子能源生產計劃部門的Tim Brückmann發揮了核心作用，他從用戶和設備的角度整合了要求，并將其融入到設計中。

Markus Zapke（左）和Matthias Barth（右）在大型渦輪部件前，這些部件的精密加工是柏林工廠
的一項核心競爭力

出發點是將導向環直接安全地夾緊在機床工作臺上，并結合高重復精度的定心定位。系統應能容納不同的直徑和變化的內環高度，即使是分體式部件，同時避免由夾緊力或過程力引起的變形。同樣重要的是防止扭轉、移動或抬升等位置變化。

此外，還有現有設備的邊界條件：應繼續使用現有工作臺（包括基座），并且要求加工系統和夾緊系統之間能夠協調通信。

裝載應從上方進行，并為導向環、起重裝置和吊索具提供足夠的空間。為了便于加工，必須能從內環側良好地接觸到外徑。除了滿足職業安全的EHS要求外，重點還在于操作簡便、運行堅固、維護需求低，以及夾緊元件的快速更換。

集成而非孤立的解決方案

夾緊裝置的設計是在生產部門、計劃部門和羅姆之間密切協調下完成的，他們設計并討論了幾種方案。
夾緊裝置的訂單于2024年夏季下達，2025年初交付。項目的一個要點是界定服務范圍。“在我們看來，起初對于集成的深度缺乏共識，”Zapke坦率地描述，“甚至一度考慮過不再繼續推進這個項目，直到得到管理層支持并明確了接口，才找到了共同的解決方案。”

從用戶角度來看，將夾緊裝置集成到包括調試在內的整個系統中至關重要，因為公司內部缺乏這方面的專業知識。在集成合作伙伴——Racontec公司的額外支持下，夾緊系統最終成功集成到現有設備中。

技術上，承載系統的現有基板需要承受夾具和工件的總質量，這也構成了一個挑戰。現場的安裝由一名羅姆服務技術人員陪同指導。由于操作人員從一開始就參與了項目，因此無需額外培訓。

機器人輔助加工過程

在當前流程中，工件通過起重機放置在夾緊裝置上，首先進行粗略定位，隨后進行液壓夾緊，接著是切削加工過程，加工完成后，工件被松開并運走。

“我們通過機器人引導的主流程實現了最大的效益。”Zapke 強調道。除了每個工件節省約10分鐘的時間外，現在還可以用一個系統夾緊不同的導向環型號。同時，人工干預顯著減少。

經驗與評估

與復雜項目的通常情況一樣，并非每個階段都一帆風順。回顧來看，盡早明確責任和接口被視為一個重要經驗教訓。因為在概念設計階段就已經發現，無法完全覆蓋所有潛在的工件型號。

“我們當然不可能考慮到我們產品未來可能出現的每一種設計變體，”Zapke確認道，“因此，不排除將來我們可能需要進行再次調整。”然而，夾具解決方案的模塊化結構為此提供了相應的切入點。

如今，該夾緊系統已投入常規運行，并正在持續優化。更高的過程可靠性、為操作者改善的人體工程學以及縮短的加工時間，被視為重大進步。

從生產計劃部門的角度來看，讓最終用戶盡早參與被證明是有利的。操作人員、維護人員和自動化技術人員能夠在概念階段就提出他們的要求，這簡化了調試過程并提高了在日常生產中的接受度。

同時，該項目表明，針對大型工件的定制化夾具技術應被理解為工藝鏈中不可或缺的一部分，并對效率、質量和職業安全做出決定性貢獻。

本文譯自德國Werkstatt und Betrieb雜志

來源：榮格-《國際金屬加工商情》

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