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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造

2022-1-20 來源：機床協（xié）會作（zuò）者：-

日夜不停轉的機（jī）器，無數機械臂上下飛舞，帶有ID的物料以穩定速率前進（jìn），流水線有（yǒu）條不紊運行，當工序依次走（zǒu）完，成品由自動（dòng）化小車分揀送至無人倉庫.....生產車間熱火（huǒ）朝天（tiān），卻見不到幾個工人。這就是現代“黑燈工廠”的（de）真實場景。

“黑（hēi）燈工（gōng）廠”直譯（yì）自（zì）英文Dark Factory，即智慧工廠，亦即從原材料到最終成品，所有的加工、運輸、檢測過程均在空無一人的工廠內（nèi）完成（chéng），無需人工操作，把工（gōng）廠交給機器，所以可以關燈運行。故得名“黑燈工廠”。

2021年年初（chū），由武漢華中（zhōng）數控股份有限公司、沈（shěn）陽華飛智能科技（jì）有限公司、沈陽精銳數控（kòng）機（jī）床有限公司等企業與某重點電子通訊企業聯合，針對電子行（háng）業鋁合金複（fù）雜精密結構件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工（gōng）易變形、六麵特征裝夾頻繁等工藝（yì）難點，以及由此造（zào）成的加工設備利用率低、加（jiā）工周期長、應急響應遲緩、自動化水平低的瓶頸問題，研發出國（guó）產高檔數控機（jī）床和智能柔性加工生產線，實現了對鋁合金（jīn）複雜精密結構件的高效、多品種、變批量、多工（gōng）藝融合的柔性化、規模（mó）化、自動化、智能化、無人化（huà）加工生產，達到了“黑燈工廠”的運（yùn）行效果（guǒ）。經過了一年的運行試生產，加工製造出數千件各類鋁（lǚ）合金精密結構件，加工（gōng）質量完全滿足生產需求，加工效率大幅提升。

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

現場實景圖

那麽，

這些（xiē）鋁合金精（jīng）密結構件應（yīng）用（yòng）於在哪些領域？

有什麽工藝特點和市場需求（qiú）？

對數控係統關鍵技術有什麽要求？

該“黑燈工廠”在（zài）加工這些（xiē）鋁合金（jīn）精密結構件上又有哪些優勢？

黑燈工廠如何實現自動化（huà）和智（zhì）能化加工生產？

下麵為您一一揭曉！

一、精密鋁合金組件的市場需求

隨著我國經濟（jì）結構的轉型，即漸漸由製造大（dà）國向（xiàng）製造強國轉型的，精密結構件產業麵（miàn）臨著新的發展機遇，我國鋁合金（jīn）精密結構件的產量在金屬精密結構件中的占比已經大幅度提升。隨著航空航天、汽車（chē）、通訊等技術的飛速發展，航（háng）空結構（gòu）件、消費類電子精密結構件及模（mó）組、新能源汽車（chē）結構件及模組（zǔ）等產品市場爆發，我國鋁（lǚ）合金精密結構製造行業迎（yíng）來前所未有的發展機遇。

1．航空航（háng）天領域的鋁合金、鈦合金和輔材的複雜（zá）結構件市場需求

航空複雜結（jié）構件的梁、框、肋、壁（bì）板、接頭、長桁等主要以鋁合金（jīn）、鈦合金和複合（hé）材料組成，航天複雜結構件的殼體類、複雜筒類、功（gōng）能關鍵部件等主要以鋁（lǚ）合金和複合材料組成。

2. 通（tōng）訊（xùn）、電子領域精密鋁合金組件（jiàn）市場（chǎng）需求

在通訊領域，隨著5G的發展，以手（shǒu）機、智能手表、筆記本電腦等為代表的5G智能終端的需求也越來越大，所需的鋁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接插件等結構件的（de）需求加大。

3．汽車領域精（jīng）密鋁合金組件市場需求

隨著汽車產業的快（kuài）速發展（zhǎn），輕（qīng）量化技（jì）術、材料、工藝的研究和開發已經（jīng）成（chéng）為世界各大汽車生（shēng）產廠家提高競爭能力的關（guān）鍵之（zhī）一。鋁（lǚ）合金作為關鍵的輕量化材料，被各大汽車企業用於替換原有的（de）鋼製件。目前，鋁合金主要用於製造發（fā）動機的缸體、缸蓋、軸承座（zuò）、離合器殼、變速箱殼、活塞、汽車輪轂（gū）等（děng）。

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將越來越大。這其中，以電（diàn）驅、電池（chí）、電控為（wéi）代表的“三電”產品，對鋁合金組件的需求最（zuì）為明顯，主要（yào）包括電機殼、電機端蓋，電池箱體、電池箱上蓋、電池箱底殼，高壓盒PEU殼體，減速箱殼體等。

二、精密鋁合金組件的加工工藝特點

由於鋁合金材料去除量大、剛性低、強度弱，容易產生較大變形，加工後難以（yǐ）保證（zhèng）零件的加工精度和表麵質量，精密鋁（lǚ）合金結構件製造加工工藝要求較高，具（jù）有以下技術特點：

1. 鑽攻、攻絲加工多（duō）

通訊類精密鋁（lǚ）合金組件，由（yóu）於需要（yào）安裝各種電子元器件（jiàn），所以零件上的孔位多，鑽孔攻（gōng）絲（sī）占比大。

2．同一個工件需完成多個麵多道工（gōng）序加工，對效率要求高

鋁合金精密組件一般有（yǒu）多個麵經過多道工序加工，有（yǒu）的零（líng）件6個麵都（dōu）需要加（jiā）工，工件在工（gōng）藝編排不好時（shí），重複裝拆頻率（lǜ）較高。

3. 材料去除率大，對精度要求高

由於鋁（lǚ）合金組件小型化、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，材料去除率高，有的零件甚至達到95%以上的去除率。同時，有很多（duō）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控機床和係統的要求

針對鋁合金（jīn）複雜精密結構件（jiàn）加工材料的（de）切削去除（chú）率高、薄壁深腔加工易（yì）變（biàn）形、六（liù）麵特征裝夾頻繁的工序複（fù）雜等工（gōng）藝難點問題，數控加工（gōng）工藝方法發生了根本（běn）性的（de）變化，對數控機床和數控係統提出了新的要求，數控機床從傳統的低（dī）轉（zhuǎn）速、大扭矩切削加工向高轉速、高進給、輕負荷切（qiē）削加（jiā）工、高效五軸聯動方向發展。同時，由於高速五軸臥式加（jiā）工中心具有高效、高（gāo）精度、高複合化（huà）等特點，高速五軸臥式加工（gōng）中（zhōng）心的（de）需求越來越（yuè）大。因此，高加速度（﹥1G）、高速高精控製、多軸虛擬軸的RTCP控製、同步軸（水平/垂直）全閉環控製、主從消隙（xì）控製、大功率（lǜ）伺服驅動、高速主軸控製等成為數控係統的必備技術。

1. 黑燈工廠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（zhōng）數控與沈陽（yáng）精銳合作研發的JW5040a5、JW5080a5五軸臥式加工（gōng）中心，針（zhēn）對鋁合金組件需要高效率、高精度加工的特（tè）點，采用3+2的結構布局，裝夾一次最多可以完成6個麵的（de）加工（gōng），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（dāng）於傳統（tǒng）的6台三軸加工中心，由此確保大（dà）部（bù）分特征在一（yī）次裝夾中完成精加工。

機床配置華（huá）中數控HNC-848D數控係統，該係統為（wéi）全數字總線式高（gāo）檔數控裝（zhuāng）置，支持自主開發的NCUC總線協議及EtherCAT總（zǒng）線協議（yì），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（shǒu）持單元接口。係統（tǒng）采用雙IPC單元的上（shàng）下（xià）位機結構，具有高速高精加工控製、五軸聯動控製、多軸多通道控製、雙軸同（tóng）步控製（zhì）及誤差補償等高（gāo）檔（dàng）數控（kòng）係統功能（néng）。

針對（duì）鋁（lǚ）合金組件的多麵（miàn）加工技術特點，機床應用了（le）華（huá）中8型係統的諸多典型五軸功能：RTCP功能、直角頭雙（shuāng）向刀長補、擺頭分度、動態精度測定、數顯手搖、斜麵對刀、全閉環模式下零位保護功能、刀軸方向長度補償、五軸傾斜麵加工、法（fǎ）向進退刀、線性（xìng）插補、大圓插補等。

五軸（zhóu）RTCP技術

針對鋁合金組件的鑽孔（kǒng）攻絲多、快速定位多、精度要求高等技術特點，機床應用的（de）華中8型係統典型高速高精技（jì）術有：攻絲同步補償、倍速回退、空（kōng）行程疊加、伺服抑震濾波（bō）器功能、優速銑、恒進給控製、象限突跳補償、前饋補償等。

攻絲同步補償技術

優速銑技術

象限突跳補（bǔ）償（cháng）技術

2. 黑燈工（gōng）廠（chǎng）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（guì）的今（jīn）天，製造業已（yǐ）漸漸進入無人工廠時代。車間裏那張巨（jù）大的（de）萬物聯通（tōng）的網，連接著指揮總控係統和數控機床（chuáng）、數控係統、機械手、刀庫、物料倉（cāng）等各（gè）類設備。

電子通訊類產品（pǐn）因其更新迭代快而一般具有（yǒu）小批量、多品種等特征，此類產品行業，往往（wǎng）又存在著生產周期長、換型頻次高、緊（jǐn）急插單（dān）情況頻發、生產計劃（huá）變更（gèng）頻繁、標（biāo）準作業不易製定等問題。如（rú）何解決這些問題，實現高效加工？如果隻是在（zài）生產現場進行臨時調整的話，並不能很好地（dì）消除生產管理過程中的全部浪費，無法從根本上解決企業的（de）痛點。

華中（zhōng）數（shù）控針對此類零件加（jiā）工需（xū）求，開發了一套（tào）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（guǎn）控、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（kòng）、生產線大數（shù）據互聯互通、生產線（xiàn）內的排產規劃、生產線自動化生產管理（lǐ）、生產線智能化等功（gōng）能，整條產線（xiàn）的主軸利用率達到85%以上。

3. 黑燈工廠（chǎng）產（chǎn）線如何實現中央刀庫與機（jī）床刀（dāo）庫的（de）融合（hé）

諜戰電影中（zhōng）不乏擅（shàn）長多種（zhǒng）武器的高手（shǒu），對付不同的（de）對手選（xuǎn）擇不同的陣型，配備不同型號的槍或炮，精準打擊，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（jiàn）的多品種特性，會導致加（jiā）工中需要使用到的刀具種類多，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（zhōng）央（yāng）刀具庫設計（jì），是華中數控參與建設的智能柔性（xìng）加工（gōng）生產線的最大亮點。生產線的（de）中央刀具庫建立在機床上（shàng）方，不占地麵（miàn）空間。生產線管控（kòng）係統的刀具管理係統統一（yī）控製生（shēng）產線（xiàn）中央刀庫和各個（gè）加工（gōng）中心的本地刀庫，根據排產計劃對各個加工（gōng）中（zhōng）心的刀具進行統一調配和管理，同時自動修改（gǎi）數控係（xì）統的刀具參數，實（shí）現柔（róu）性化加工生產。

例如，智能產線上的中央刀庫有（yǒu）216把刀，每台數控（kòng）機床的（de）刀庫（kù）有20把刀，中央刀庫和機床刀庫加（jiā）起來的總刀庫（kù）容量最多可（kě）達1000把。生產線的總刀庫（kù）可被視為各個加工中心的虛（xū）擬（nǐ）刀庫，不受機床物理刀庫容（róng）量的限製（zhì）。所有刀（dāo）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（duì）數（shù）控機床的刀庫自動配置刀具、自（zì）動設置數控係統的刀具參數和進行刀具的壽（shòu）命管理。

中（zhōng）央刀庫和刀具搬運機械手

帶有（yǒu）RFID的刀柄及讀寫裝置

刀具管理係（xì）統

四、結語

精密鋁合金結構（gòu）件在高精尖領（lǐng）域應用廣泛，華中（zhōng）數控（kòng）用潛心磨礪20餘（yú）年的（de）數控係統技術給這座智能（néng）工廠賦能，實現（xiàn）“黑”科技（jì）工廠的降本（běn）增效（xiào）。未來（lái），隨（suí）著產品迭代的加快（kuài），以5G濾波器、新能源汽車等為代（dài）表的精密鋁合金類零件加工越來越多，這種智能產線模式還將在汽（qì）車、通訊、航空航天等領域得以批（pī）量推廣應用。

智，本（běn）義是聰（cōng）明，智力強。引申義有智（zhì）慧、智謀、計謀、策略、有智慧的人（rén）。科技發展到“智（zhì）能（néng）”階段，人可以將很多聰明能力移植（zhí）給芯片、加載於（yú）一個虛擬的大（dà）腦。數控係統是數控機床的大（dà）腦，未來，數控係統（tǒng）的智能將為製造（zào）插上怎樣的騰飛（fēi）翅膀？

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