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“黑燈工廠”大揭秘——實現精密鋁合金結構件無人化製（zhì）造

2022-1-20 來源：機床協會作者：-

日夜不（bú）停轉的（de）機器，無數機械臂上下飛舞，帶有ID的物料以穩（wěn）定速率前進，流水線（xiàn）有條不紊（wěn）運行，當工序依次走完（wán），成（chéng）品由自動（dòng）化小車分揀送至無人倉庫.....生產車間（jiān）熱火朝（cháo）天，卻（què）見不到幾個工人。這就是現代“黑（hēi）燈工廠”的真實場景。

“黑燈工廠”直譯自英文Dark Factory，即智慧工廠，亦即從（cóng）原材料到最（zuì）終成品，所（suǒ）有的加工、運輸、檢測過程均在空無一人的工廠內完成，無需人工操作，把工廠交給機器，所以可以關燈運行。故得名（míng）“黑燈工廠”。

2021年年初，由武漢華中數控股份（fèn）有（yǒu）限公司（sī）、沈（shěn）陽華飛智能科技有限公司、沈陽精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）對電子行業鋁合金（jīn）複（fù）雜精密結構件加工材料的切削去除率高、薄（báo）壁深腔加工易變形、六麵特征裝夾頻繁等（děng）工藝難點，以及由此造成（chéng）的加工設備利用率低、加工周期長、應（yīng）急響應遲緩（huǎn）、自動化水平低的瓶頸問題，研發出（chū）國產高檔數控機床和智能柔性（xìng）加工生產線（xiàn），實現了（le）對鋁合金複雜精密結構件的高效（xiào）、多（duō）品種、變批量、多工藝融合的柔性化、規模化、自動化、智能化、無人化加工生產，達到了“黑燈工廠”的運（yùn）行效果。經過了一年的（de）運行試生產，加工製造出數千件各類鋁合（hé）金精密結構件，加（jiā）工質量完全滿足生產需求，加（jiā）工（gōng）效率大幅提升（shēng）。

該（gāi）工廠由兩條數控柔性智能加（jiā）工生產線組成，每條生產線由配置華中8型數控係統的4台五軸臥式加工中（zhōng）心、1套生產線中央刀（dāo）庫（kù）及刀具機（jī）械手（shǒu）、1套生產線物料庫及物料機械手和生產線管控係統組成。

現場實景圖

那麽，

這些鋁合金精密結構件應用於在哪些領域？

有（yǒu）什麽工藝特點和市場需求？

對（duì）數控係統關（guān）鍵技術有什麽要（yào）求？

該“黑燈工廠”在加工這些鋁合金精密結構件上又有哪些優勢？

黑燈（dēng）工廠（chǎng）如何實現自動化和智能化加工（gōng）生產？

下麵為您一一揭曉！

一、精密（mì）鋁合金組件的市場需求

隨著我國經濟結構的轉型，即漸漸由（yóu）製造大（dà）國向製造強國轉型的，精密（mì）結構件產業麵臨著新的發展機遇，我國鋁合金精密結構件（jiàn）的產量（liàng）在金屬精密結構件中的占比（bǐ）已經大（dà）幅度提升。隨著航空航天、汽車、通訊等技術的飛速發展，航空結構件、消費類（lèi）電（diàn）子精（jīng）密結構件及模組、新（xīn）能源汽車結構（gòu）件（jiàn）及模組等產品市（shì）場爆發，我國鋁（lǚ）合金精密結（jié）構製（zhì）造（zào）行（háng）業迎來前所未有的發展機（jī）遇（yù）。

1．航空航天領域（yù）的鋁合金、鈦合金和輔材的複雜結（jié）構件市場需求

航空複雜結構件的梁（liáng）、框、肋（lèi）、壁板、接頭、長桁等主要以鋁合金、鈦合金和複合材（cái）料組成，航天複雜（zá）結構件的殼體類、複雜筒類、功能關鍵部件等主要以鋁（lǚ）合金和複合（hé）材料組（zǔ）成。

2. 通訊、電子領域精密鋁（lǚ）合金組件市場需求

在通訊領域（yù），隨著5G的發展，以手機、智能手表、筆（bǐ）記本電腦等為代表的5G智能終端的需求也越來越（yuè）大，所需（xū）的鋁（lǚ）合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通訊腔體濾波器、天線底板、5G接插件等結（jié）構件的需求加大。

3．汽車領域精密鋁（lǚ）合金組件市場需求

隨著汽車產業的快速發展，輕量化技術、材料（liào）、工（gōng）藝的研究和開發已經成為世界各（gè）大汽車（chē）生產廠家提高競爭（zhēng）能力的關（guān）鍵之（zhī）一。鋁合金作為關（guān）鍵的輕量化材料，被各大汽車（chē）企業用於替換（huàn）原有的鋼製件。目前，鋁合金主（zhǔ）要用於製造發動機的缸體、缸蓋、軸承座、離合器殼（ké）、變速箱殼、活塞、汽車（chē）輪轂等。

此外，隨著中國新能源汽車的高速發展，用於新（xīn）能源汽（qì）車鋁合金組件的加工需求將越來越大。這其中，以電驅、電池、電控為代表的“三電”產（chǎn）品，對鋁合金組件的需求最為（wéi）明顯，主要包括電機殼、電機端蓋，電池箱體、電池箱上蓋、電池箱底殼，高壓（yā）盒PEU殼體，減速箱殼體等（děng）。

二、精密鋁合金組件的加工工藝特點

由於鋁（lǚ）合金材（cái）料去（qù）除量大、剛性低、強度弱，容易產生較大變形，加工後難以保證零件的加工精度和表麵質量，精密鋁合金（jīn）結構件製造加（jiā）工工藝要求較高，具有以下（xià）技術特點：

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（qì）件，所以零件上的孔位多，鑽孔攻絲占比大。

2．同一個工件需完成多個麵多道工序加工，對效率（lǜ）要求高

鋁合金精密組件一般有多個麵經過（guò）多道工序加工，有的零件6個（gè）麵都需要加（jiā）工，工件在工藝編排不好時（shí），重複（fù）裝拆頻率較高。

3. 材料去除率大，對精度要（yào）求高

由於鋁合金組件小型化（huà）、輕量化、高精（jīng）度需求，一般零件都是從一整塊鋁件直接加工（gōng），材料去除率高，有的零（líng）件甚（shèn）至達到95%以上（shàng）的去除率。同時，有很多薄壁、小圓柱等造型，對精度的要求非常高。

三、精密鋁合金組件的加工對數（shù）控機床和（hé）係統的要求

針對鋁合金複雜精密結構件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工易變形、六麵特征裝夾頻繁的工序複雜等工藝難點問題，數控加工工藝方法發（fā）生了根本性的變化，對（duì）數控機床（chuáng）和數控係統提出了新的要求，數控機床從（cóng）傳統的低轉速、大扭矩（jǔ）切削加（jiā）工向高轉速、高進給、輕負荷切削加工、高效五軸聯（lián）動方向發展。同時，由於高速五軸臥式（shì）加工中心具有高效、高精度、高複（fù）合化等特點，高速（sù）五軸臥式加工中心的需求越來越大。因此，高加速度（﹥1G）、高（gāo）速高（gāo）精控製、多軸虛擬軸的RTCP控（kòng）製、同步軸（水平/垂直）全閉環控製、主從消隙控製、大功（gōng）率伺服驅動、高速主軸控製等（děng）成為數控係統的必（bì）備技（jì）術。

1. 黑（hēi）燈（dēng）工廠（chǎng）如何實現精密鋁合金零件的高效、高精加工？

黑燈工廠中，華中數控與沈陽（yáng）精銳合作研發（fā）的JW5040a5、JW5080a5五（wǔ）軸臥式加工中心，針對鋁合（hé）金組件需要高效率、高精度加工的特點，采（cǎi）用3+2的（de）結（jié）構布局，裝夾一次最多可以完成（chéng）6個麵的加工，1次裝夾就可以完成整個零件的加工，1台（tái）臥式五軸加工中心的效率相當（dāng）於傳統的6台（tái）三軸加工中心，由此確保（bǎo）大部分特征在一次裝（zhuāng）夾中（zhōng）完成（chéng）精加工。

機床配置華中數控HNC-848D數控係（xì）統，該係統為（wéi）全數字總（zǒng）線式高檔數控裝置，支持自主開發的NCUC總線協議及EtherCAT總線協議，支持總線式全數字伺服驅動單元和絕對式伺服電機、總線式遠程I/O單元、集成手持單元接口。係統（tǒng）采用雙IPC單元的上下位機結構，具有高（gāo）速高精加工控製（zhì）、五軸聯動控（kòng）製、多軸多通道控製、雙軸同步控製及誤差補償等高檔數控（kòng）係統（tǒng）功能。

針對鋁（lǚ）合金組件的（de）多麵加工技術特點，機床應用了華中8型係統的諸（zhū）多典型五軸功能：RTCP功能、直角頭雙向刀長補、擺頭分度、動（dòng）態精度測定、數（shù）顯手搖、斜麵對刀、全閉環模（mó）式下零位保護功能、刀軸方向（xiàng）長度補償、五軸傾斜麵加工、法向進退刀、線（xiàn）性插補、大圓插補等。

五軸RTCP技（jì）術

針對鋁合金組（zǔ）件的鑽孔攻絲多（duō）、快速定位多、精度要求高等技術特點，機床應用的華中8型（xíng）係統（tǒng）典型高速高精技術有：攻絲同步補（bǔ）償（cháng）、倍速（sù）回退、空行程疊加、伺服抑震濾波器功能、優速銑、恒（héng）進給控製、象限突跳補償、前饋補償等。

攻絲同步補償（cháng）技術

優速（sù）銑技術

象限（xiàn）突跳補償技術

2. 黑燈工廠如何實現多品種、變批量、無人化混流加工？

在勞動力愈發昂貴的今天，製造業已漸漸進入無人（rén）工廠時代。車間裏那（nà）張巨大的萬（wàn）物聯通的（de）網，連接著指揮總控係統和數控機床、數控（kòng）係統、機械手、刀庫、物料倉（cāng）等各類設備。

電（diàn）子通訊類產（chǎn）品因其更新迭代（dài）快而一（yī）般具有小批量、多品種等特征，此類（lèi）產（chǎn）品行（háng）業，往往又存在著生產周期長、換型頻次高、緊急插單情況頻發（fā）、生（shēng）產（chǎn）計劃變更頻繁、標準作（zuò）業不易製定等問題。如何解決這些問（wèn）題（tí），實現高（gāo）效加工（gōng）？如果隻是在生產現場進行臨時調整（zhěng）的話，並不能很好地消（xiāo）除生產管理過程中的全部浪費，無（wú）法從根本上解決企業的痛點。

華中數控針對此類零件加（jiā）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（xì）統具有無人化生產（chǎn）管控、混流並（bìng）行柔性化加工生（shēng）產管控、生產過程故障容錯並聯管控、生產線大數據互聯互通、生產線內的排（pái）產規劃、生產線自動化生產管理、生產線智能化等功能，整條產線（xiàn）的主（zhǔ）軸利用率達到85%以上。

3. 黑燈工廠產線如何實現（xiàn）中央刀庫（kù）與機（jī）床刀庫的融合

諜戰電影中不乏（fá）擅長多種武器的高手（shǒu），對付（fù）不（bú）同的對手選擇不同的陣型，配備不同型號的槍或炮，精準打擊，數控加工亦如此。在小批量多品種的產品加（jiā）工過程中，由於零件的多品種特（tè）性，會導致加工中需要使用到的刀具種類多，但是由於受到（dào）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（dāo）具庫設計，是華中數控參與建設的智能柔性加工生產線的最大亮點（diǎn）。生產（chǎn）線的中央刀具庫建立在機床上方，不占地麵空間。生產線管控（kòng）係統的刀具管理係（xì）統統一控製生產線（xiàn）中央刀庫（kù）和各個加工中心（xīn）的本地（dì）刀庫，根據排產計劃對各個（gè）加工（gōng）中心的刀具進行統（tǒng）一調配和管理，同時自動修改數控係統的刀具參數，實現柔性（xìng）化（huà）加工生產。

例如，智能（néng）產線上的中央刀庫有216把（bǎ）刀，每台數控（kòng）機床的刀庫有20把刀，中央刀庫和機床刀庫加起來的總刀庫容量最多可達1000把（bǎ）。生產線的總刀（dāo）庫（kù）可（kě）被視為各個（gè）加工中心的虛擬（nǐ）刀庫，不受機（jī）床物理刀庫容量的限製。所有刀具的刀柄采用RFID電子標簽，生產線管控係統根據加工工藝的要求，通過生產線的中央刀庫（kù）對數控機（jī）床（chuáng）的刀庫自動配置（zhì）刀具、自動設（shè）置數控係統（tǒng）的刀具參數和進行刀具的壽命管理。

中央刀庫和刀具搬運機械手

帶有RFID的刀柄及讀（dú）寫裝置

刀具管理係統

四、結語

精密（mì）鋁（lǚ）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餘年的數控係統技術給這（zhè）座智能工廠賦能，實現“黑”科技工（gōng）廠的（de）降本增效。未來，隨著產品迭代的加快，以5G濾（lǜ）波器、新能源汽車等為（wéi）代表的精密鋁合金類零件加工越（yuè）來越多，這種智能產線模式還將在汽車、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（rén）。科技發展到“智能”階段，人可以將很多聰明能力移植（zhí）給芯片、加載於一個虛擬的大腦。數（shù）控係統是數控機床的（de）大腦（nǎo），未來，數（shù）控（kòng）係統的智能將為製造插（chā）上怎樣（yàng）的騰飛翅膀？

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