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“黑燈工廠”大揭秘——實現精密鋁（lǚ）合金結構件無人化製造

2022-1-20 來源：機床協會作者：-

日夜不停轉的機器，無數機械臂上（shàng）下飛舞，帶有ID的（de）物料以穩定速率前進（jìn），流水線有條不（bú）紊運行，當工序依次走完，成品由自動化小車分揀（jiǎn）送至（zhì）無人倉庫.....生產車間熱火朝天，卻見不到幾個工人。這就是現（xiàn）代（dài）“黑燈工（gōng）廠（chǎng）”的真實場景。

“黑燈工廠”直譯自英文（wén）Dark Factory，即（jí）智慧工廠（chǎng），亦即（jí）從原材（cái）料到（dào）最終成（chéng）品，所有（yǒu）的加工、運輸、檢測過程均在空無一人的工廠內完成，無需（xū）人工操作，把工廠（chǎng）交給機器，所以可以關燈運行。故得名“黑燈工廠”。

2021年年初，由武漢華中數（shù）控股份有（yǒu）限公司、沈陽華飛智能科技有限公司、沈陽精（jīng）銳數控機床有限公司等企業與某重點電子通訊企業聯合，針（zhēn）對電子行業鋁（lǚ）合金複雜精密結構件加工材（cái）料的切削去除率高、薄壁深腔加工易變形、六麵特征裝夾頻繁等工藝難（nán）點，以及由此造成的加工設備利用率低、加工周期長、應急響應遲緩、自動化水平低的瓶頸問題，研（yán）發出（chū）國產高檔數（shù）控機床和（hé）智能柔性加（jiā）工生產線，實現了對鋁合金複雜精密結構件的高（gāo）效、多品種、變批量、多工藝融合的柔性化、規模（mó）化、自動化、智能化、無人化加工生產，達到了“黑燈工廠”的運行效果。經過了一年（nián）的運行試生產，加工製造出數千件各（gè）類鋁合金精密結構件，加工質量完全滿（mǎn）足生產需求，加（jiā）工效率大幅提（tí）升。

該工（gōng）廠由（yóu）兩條數控（kòng）柔性智能加（jiā）工生產線組成，每條生（shēng）產線由配置（zhì）華中8型數控係統的4台五軸臥式加工中心、1套（tào）生產線中央刀庫及刀具（jù）機械手、1套生產線物（wù）料庫及物料機械（xiè）手和生產線管控係統組成（chéng）。

現（xiàn）場實（shí）景圖

那麽，

這（zhè）些鋁（lǚ）合金精密結構件（jiàn）應用於在哪些領域？

有什麽工藝特點和市（shì）場需求？

對數控係統關（guān）鍵技術有（yǒu）什（shí）麽要求？

該“黑燈工（gōng）廠”在加工這些鋁合金精密結構（gòu）件上又（yòu）有哪些優勢？

黑燈工廠如何（hé）實（shí）現自動化和智能化加工（gōng）生（shēng）產？

下麵為您一一揭曉！

一、精密鋁合（hé）金組件的市場需求

隨著我國經濟結構的轉型，即（jí）漸漸由製造大國向製造強（qiáng）國轉（zhuǎn）型的，精密結構件產業麵臨著新的發展機遇，我國鋁合金精密結構件的產量在金屬精密結構件中的占比（bǐ）已經大幅度提（tí）升。隨著航（háng）空航天、汽車、通訊等（děng）技術（shù）的飛速發展，航空結（jié）構件、消費類電子精密（mì）結構件及模組、新能源汽車（chē）結構件（jiàn）及模組等產品市場爆發，我國鋁（lǚ）合金（jīn）精密結構製造行業迎來前所未有的發展機（jī）遇。

1．航空航天（tiān）領域的鋁合金、鈦合（hé）金（jīn）和輔材的（de）複（fù）雜結（jié）構件市場（chǎng）需求

航空複雜結構件的（de）梁、框、肋、壁板、接頭、長（zhǎng）桁等主要以鋁合金、鈦合金和複合材料組成（chéng），航天（tiān）複雜（zá）結構件的殼體類、複雜筒類（lèi）、功能關鍵部件等主要以鋁合金和複合材料組成（chéng）。

2. 通訊、電子領（lǐng）域精密鋁合（hé）金組件市場需求

在通訊領（lǐng）域，隨著5G的發展，以手機、智能手表、筆記本電（diàn）腦等為代表的5G智能終端的需求也越來越大，所需的鋁合（hé）金結構件需求量增長較多。

而5G基站的快速建設，5G散熱殼體、5G通訊（xùn）腔體濾波器、天線（xiàn）底板、5G接插件等結構件的需求加大（dà）。

3．汽車領域精密鋁合金組件市場需求

隨著汽車產業的快速發展，輕（qīng）量（liàng）化技術、材料（liào）、工藝的研究和開發已經成（chéng）為世界各（gè）大汽車生產廠家提高（gāo）競爭能力的關鍵之一。鋁合金作為關鍵的輕量化材料，被各大汽車企業用於替（tì）換原有的鋼製件。目前，鋁（lǚ）合金主要用於製造發動機的缸（gāng）體、缸蓋、軸承座、離合器殼、變（biàn）速箱殼、活塞、汽車（chē）輪轂等。

此外，隨（suí）著中國新能源汽車的高速發展，用於新能源汽車鋁合金組件的加工需求（qiú）將越來越大。這其中（zhōng），以電驅、電池、電控為代表的“三電”產品（pǐn），對鋁合金組件的需求最為明顯，主要包括電機殼、電機（jī）端蓋，電池箱體、電池箱上蓋、電池箱底殼，高壓盒PEU殼體，減速箱（xiāng）殼（ké）體等。

二、精密鋁（lǚ）合金組件的加工工藝特點

由於鋁（lǚ）合金材（cái）料去除量大、剛性低、強度弱，容（róng）易產生較大變形，加工後難（nán）以保證零件的加工精度和表（biǎo）麵質量，精密鋁合金結構件製造加工工藝（yì）要求較高，具有以下技術特點（diǎn）：

1. 鑽攻、攻絲加工多

通訊類精密鋁合（hé）金組件，由於需要安裝各種電子元器件，所以零件上的孔位多，鑽孔攻絲占比大。

2．同一個工件需完成（chéng）多個麵多道工序加工，對效率要求高

鋁合（hé）金精密組件一般有（yǒu）多（duō）個麵經過多道工序加工，有的零件6個麵都需要加（jiā）工，工件在工藝編排（pái）不（bú）好時，重複裝拆頻率較高（gāo）。

3. 材料去除率大，對精（jīng）度要求高

由於鋁合金組件小型化、輕量化、高精度需（xū）求，一般零件都是從一整塊鋁件直接加工，材料去除率高，有的零件甚至達到95%以上的去（qù）除率。同時，有很多薄（báo）壁、小圓柱等造（zào）型，對精度的要求非常高。

三、精密鋁合金組件的加工對（duì）數控機床和係統的要求

針對鋁合金複雜精密（mì）結構件加工材料的切削去除率高（gāo）、薄壁深腔加工易變形、六（liù）麵特征裝夾頻繁的工序複雜等工藝難（nán）點問題，數控加工（gōng）工藝方（fāng）法發生了根（gēn）本（běn）性的（de）變化，對數控機床和數控係統提出了新的要求（qiú），數控機床從傳統（tǒng）的低（dī）轉速、大扭（niǔ）矩切削加工向（xiàng）高轉速、高進給、輕負荷切削加工、高（gāo）效五軸聯動方向發展。同（tóng）時，由（yóu）於高速五軸（zhóu）臥式加工中心具有高效、高精（jīng）度、高複合化（huà）等特點，高速五軸臥式加（jiā）工中心（xīn）的需求越來越（yuè）大。因（yīn）此，高加速度（﹥1G）、高速高精控製、多軸虛（xū）擬軸的RTCP控（kòng）製、同步軸（水平/垂直）全閉環控製、主從消隙控製（zhì）、大功率伺服驅動（dòng）、高速主軸控（kòng）製等成（chéng）為數控係（xì）統的必備技術。

1. 黑燈工廠如何實現（xiàn）精密鋁（lǚ）合（hé）金零件的高效、高精加工？

黑燈工廠中，華中數控（kòng）與沈陽精銳合作研發的JW5040a5、JW5080a5五軸（zhóu）臥（wò）式加工中心，針對（duì）鋁合金組件需要高（gāo）效率、高精度加工（gōng）的特點，采用3+2的結構（gòu）布（bù）局，裝夾一次最多（duō）可以完成6個麵的加工，1次裝夾就可以完成整個零件的加工，1台臥式五軸加工中心的效率相當於傳統的6台三軸加工中心，由此確保（bǎo）大部分特征在一次裝（zhuāng）夾中完成精加工。

機（jī）床配置華中數控HNC-848D數控係統，該係統為全數字總線式高檔數控裝置，支持自主開發的NCUC總線（xiàn）協議及（jí）EtherCAT總（zǒng）線協議，支持總（zǒng）線式全數字伺服驅動單元和絕對式伺服電（diàn）機、總線式（shì）遠程I/O單元、集成手持單元接口。係統采用雙IPC單元的上下位機結構，具有高速高精（jīng）加工控（kòng）製、五（wǔ）軸聯動控製、多軸多通道控製、雙軸同步控（kòng）製及誤差補償等高檔數控係（xì）統功能。

針對鋁（lǚ）合金組件的多麵加工技術特點，機床應用（yòng）了（le）華（huá）中8型係統的諸多典型五軸功能（néng）：RTCP功能（néng）、直角頭雙向刀長補、擺頭分度、動態精度測定、數顯手搖、斜麵對刀、全閉環（huán）模式下零位保護功（gōng）能、刀軸方（fāng）向長度補償、五軸傾斜（xié）麵（miàn）加工、法向進退刀（dāo）、線性插補、大圓插補等。

五軸RTCP技術

針（zhēn）對鋁合金（jīn）組件的鑽孔攻絲多（duō）、快速定位多、精度要求高等技術特點，機床應（yīng）用的華（huá）中8型係統典型高（gāo）速（sù）高（gāo）精（jīng）技術有（yǒu）：攻（gōng）絲同步（bù）補償、倍速回退、空行程疊加、伺服抑震濾波器功能、優（yōu）速銑、恒（héng）進給控製、象限突跳補（bǔ）償、前饋補償等。

攻（gōng）絲同步補償技術

優速銑技術

象限突跳（tiào）補償技術

2. 黑燈工廠如何實現多品（pǐn）種、變批量、無人化混流加（jiā）工？

在勞動力愈發昂（áng）貴的今天，製造業已漸（jiàn）漸進入無人工（gōng）廠時代。車間裏那張巨（jù）大的（de）萬物（wù）聯通的網，連接著指揮總控係統和數控機（jī）床、數控係統、機械手、刀庫、物料倉等各類設備。

電子通訊類產品因其更新迭代快（kuài）而一（yī）般具有小批量、多品種等特征，此類（lèi）產品行業，往（wǎng）往又存在著生產周期（qī）長、換型頻次高、緊（jǐn）急插單（dān）情況頻發、生產計劃變更頻繁、標準作業不易製定等問（wèn）題。如何解決這些問題，實現高效加工（gōng）？如果隻是在生產現場進行臨時調整的話，並不能很好地消（xiāo）除生產管理過程中的（de）全部浪費，無法（fǎ）從根本上解（jiě）決企業的痛（tòng）點（diǎn）。

華中數控針對此類零件加工需求，開發了一套柔性加工生產線管控係統。

生產線管控係統構架圖

該係統具有無人化生產管控（kòng）、混流並行柔性化加工生產管控、生產過程故障容錯並聯管控、生產線大數據互聯（lián）互通（tōng）、生產線內的排產（chǎn）規劃、生產線自動化生產管理、生（shēng）產線智能化等功能，整條產（chǎn）線的主軸利用率達（dá）到85%以上。

3. 黑燈工廠產線如何實（shí）現（xiàn）中央刀庫與機床刀庫的融（róng）合

諜戰電影中不乏擅長多種武器的高手，對付不同的對手選擇不同的陣型，配備不同型號的（de）槍或炮，精準打擊（jī），數控加（jiā）工亦如此。在小批量多品種的產品加工過程中，由於零件的多（duō）品種特性，會導致加工中需要使用到的（de）刀具種類多（duō），但是由於受到加工中心物理刀庫容量的限製，一台數控機床刀庫的刀具一般在20-32把，無法滿足多品（pǐn）種小批量多工藝加工的刀具需求。

擁有最多1000把刀的生產線中央刀具庫設計，是華中（zhōng）數控參與建設的智能柔性加工生產線的最大（dà）亮點。生產線的中央刀具庫建（jiàn）立（lì）在機床上方，不占地麵空間。生產線管控係統的（de）刀具管理（lǐ）係統（tǒng）統（tǒng）一控製生產線（xiàn）中央（yāng）刀庫和各個加工中心的本地刀庫，根據排產計劃（huá）對各個加工（gōng）中心的刀具進行統一調配和管理，同時自動修改（gǎi）數控係統的刀具參數，實現（xiàn）柔性化（huà）加工生（shēng）產。

例如（rú），智能產線上的中央刀庫（kù）有（yǒu）216把刀，每（měi）台數控機床（chuáng）的刀庫有20把（bǎ）刀，中央刀（dāo）庫和機床刀庫（kù）加起來的總刀庫容量最多可達1000把。生產（chǎn）線的總（zǒng）刀庫可被視為各個加工中心的虛擬刀庫，不受機床物（wù）理刀庫（kù）容量的限製。所（suǒ）有刀具（jù）的刀柄采用RFID電（diàn）子標（biāo）簽，生（shēng）產線管控（kòng）係統根據加工工藝的要求，通過生（shēng）產線的中央刀庫對數控機床的刀（dāo）庫自動（dòng）配置刀具、自動設置數控（kòng）係統的刀具參（cān）數和進行刀具的壽命管理（lǐ）。

中央刀庫和刀具搬運機械手

帶有RFID的刀（dāo）柄及讀寫（xiě）裝置

刀具管理係統

四、結語

精密鋁合金結構件在高精尖領域應用廣泛，華中數控用潛心磨礪20餘年的數控係（xì）統技術給這座智能工廠賦（fù）能，實（shí）現“黑”科技工廠的降（jiàng）本增（zēng）效。未來，隨著產品迭代（dài）的加快，以5G濾波器、新能源汽車等為代表的精密鋁合金類零件加工越來越多，這（zhè）種智能（néng）產（chǎn）線模式還將在汽車、通訊、航空航天等領域得以批量推廣應用。

智，本義是聰明，智力強。引申義有智慧、智謀、計謀、策略、有智慧的人。科（kē）技發展（zhǎn）到“智能（néng）”階段，人可以將很多聰（cōng）明能力移植給芯片（piàn）、加載於一個（gè）虛擬的大腦。數控係統是數控機床的大腦，未來，數控（kòng）係統的智能將為（wéi）製造插上怎樣的騰飛（fēi）翅膀？

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