“黑燈工廠”大揭秘——實現(xiàn)精密鋁合金結構件無人化制造
2022-1-20 來源：機床協(xié)會 作者：-
日夜不停轉的機器，無數(shù)機械臂上下飛舞，帶有ID的物料以穩(wěn)定速率前進，流水線有條不紊運行，當工序依次走完，成品由自動化小車分揀送至無人倉庫.....生產(chǎn)車間熱火朝天，卻見不到幾個工人。這就是現(xiàn)代“黑燈工廠”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“黑燈工廠”。
2021年年初，由武漢華中數(shù)控股份有限公司、沈陽華飛智能科技有限公司、沈陽精銳數(shù)控機床有限公司等企業(yè)與某重點電子通訊企業(yè)聯(lián)合，針對電子行業(yè)鋁合金復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、六面特征裝夾頻繁等工藝難點，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，研發(fā)出國產(chǎn)高檔數(shù)控機床和智能柔性加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)了對鋁合金復雜精密結構件的高效、多品種、變批量、多工藝融合的柔性化、規(guī)模化、自動化、智能化、無人化加工生產(chǎn)，達到了“黑燈工廠”的運行效果。經(jīng)過了一年的運行試生產(chǎn)，加工制造出數(shù)千件各類鋁合金精密結構件，加工質量完全滿足生產(chǎn)需求，加工效率大幅提升。
該工廠由兩條數(shù)控柔性智能加工生產(chǎn)線組成，每條生產(chǎn)線由配置華中8型數(shù)控系統(tǒng)的4臺五軸臥式加工中心、1套生產(chǎn)線中央刀庫及刀具機械手、1套生產(chǎn)線物料庫及物料機械手和生產(chǎn)線管控系統(tǒng)組成。
現(xiàn)場實景圖
那么，
這些鋁合金精密結構件應用于在哪些領域？
有什么工藝特點和市場需求？
對數(shù)控系統(tǒng)關鍵技術有什么要求？
該“黑燈工廠”在加工這些鋁合金精密結構件上又有哪些優(yōu)勢？
黑燈工廠如何實現(xiàn)自動化和智能化加工生產(chǎn)？
下面為您一一揭曉！
一、精密鋁合金組件的市場需求
隨著我國經(jīng)濟結構的轉型，即漸漸由制造大國向制造強國轉型的，精密結構件產(chǎn)業(yè)面臨著新的發(fā)展機遇，我國鋁合金精密結構件的產(chǎn)量在金屬精密結構件中的占比已經(jīng)大幅度提升。隨著航空航天、汽車、通訊等技術的飛速發(fā)展，航空結構件、消費類電子精密結構件及模組、新能源汽車結構件及模組等產(chǎn)品市場爆發(fā)，我國鋁合金精密結構制造行業(yè)迎來前所未有的發(fā)展機遇。
1．航空航天領域的鋁合金、鈦合金和輔材的復雜結構件市場需求
航空復雜結構件的梁、框、肋、壁板、接頭、長桁等主要以鋁合金、鈦合金和復合材料組成，航天復雜結構件的殼體類、復雜筒類、功能關鍵部件等主要以鋁合金和復合材料組成。
2. 通訊、電子領域精密鋁合金組件市場需求
在通訊領域，隨著5G的發(fā)展，以手機、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接插件等結構件的需求加大。
3．汽車領域精密鋁合金組件市場需求
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，輕量化技術、材料、工藝的研究和開發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車生產(chǎn)廠家提高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(yè)用于替換原有的鋼制件。目前，鋁合金主要用于制造發(fā)動機的缸體、缸蓋、軸承座、離合器殼、變速箱殼、活塞、汽車輪轂等。
此外，隨著中國新能源汽車的高速發(fā)展，用于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
由于鋁合金材料去除量大、剛性低、強度弱，容易產(chǎn)生較大變形，加工后難以保證零件的加工精度和表面質量，精密鋁合金結構件制造加工工藝要求較高，具有以下技術特點：
1. 鉆攻、攻絲加工多
通訊類精密鋁合金組件，由于需要安裝各種電子元器件，所以零件上的孔位多，鉆孔攻絲占比大。
2．同一個工件需完成多個面多道工序加工，對效率要求高
鋁合金精密組件一般有多個面經(jīng)過多道工序加工，有的零件6個面都需要加工，工件在工藝編排不好時，重復裝拆頻率較高。
3. 材料去除率大，對精度要求高
由于鋁合金組件小型化、輕量化、高精度需求，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)控機床和系統(tǒng)的要求
針對鋁合金復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、六面特征裝夾頻繁的工序復雜等工藝難點問題，數(shù)控加工工藝方法發(fā)生了根本性的變化，對數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求，數(shù)控機床從傳統(tǒng)的低轉速、大扭矩切削加工向高轉速、高進給、輕負荷切削加工、高效五軸聯(lián)動方向發(fā)展。同時，由于高速五軸臥式加工中心具有高效、高精度、高復合化等特點，高速五軸臥式加工中心的需求越來越大。因此，高加速度（﹥1G）、高速高精控制、多軸虛擬軸的RTCP控制、同步軸（水平/垂直）全閉環(huán)控制、主從消隙控制、大功率伺服驅動、高速主軸控制等成為數(shù)控系統(tǒng)的必備技術。
1. 黑燈工廠如何實現(xiàn)精密鋁合金零件的高效、高精加工？
黑燈工廠中，華中數(shù)控與沈陽精銳合作研發(fā)的JW5040a5、JW5080a5五軸臥式加工中心，針對鋁合金組件需要高效率、高精度加工的特點，采用3+2的結構布局，裝夾一次最多可以完成6個面的加工，1次裝夾就可以完成整個零件的加工，1臺臥式五軸加工中心的效率相當于傳統(tǒng)的6臺三軸加工中心，由此確保大部分特征在一次裝夾中完成精加工。
機床配置華中數(shù)控HNC-848D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)為全數(shù)字總線式高檔數(shù)控裝置，支持自主開發(fā)的NCUC總線協(xié)議及EtherCAT總線協(xié)議，支持總線式全數(shù)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。系統(tǒng)采用雙IPC單元的上下位機結構，具有高速高精加工控制、五軸聯(lián)動控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補償?shù)雀邫n數(shù)控系統(tǒng)功能。
針對鋁合金組件的多面加工技術特點，機床應用了華中8型系統(tǒng)的諸多典型五軸功能：RTCP功能、直角頭雙向刀長補、擺頭分度、動態(tài)精度測定、數(shù)顯手搖、斜面對刀、全閉環(huán)模式下零位保護功能、刀軸方向長度補償、五軸傾斜面加工、法向進退刀、線性插補、大圓插補等。
五軸RTCP技術
針對鋁合金組件的鉆孔攻絲多、快速定位多、精度要求高等技術特點，機床應用的華中8型系統(tǒng)典型高速高精技術有：攻絲同步補償、倍速回退、空行程疊加、伺服抑震濾波器功能、優(yōu)速銑、恒進給控制、象限突跳補償、前饋補償?shù)取?/font>
攻絲同步補償技術
優(yōu)速銑技術
象限突跳補償技術
2. 黑燈工廠如何實現(xiàn)多品種、變批量、無人化混流加工？
在勞動力愈發(fā)昂貴的今天，制造業(yè)已漸漸進入無人工廠時代。車間里那張巨大的萬物聯(lián)通的網(wǎng)，連接著指揮總控系統(tǒng)和數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)、機械手、刀庫、物料倉等各類設備。
電子通訊類產(chǎn)品因其更新迭代快而一般具有小批量、多品種等特征，此類產(chǎn)品行業(yè)，往往又存在著生產(chǎn)周期長、換型頻次高、緊急插單情況頻發(fā)、生產(chǎn)計劃變更頻繁、標準作業(yè)不易制定等問題。如何解決這些問題，實現(xiàn)高效加工？如果只是在生產(chǎn)現(xiàn)場進行臨時調整的話，并不能很好地消除生產(chǎn)管理過程中的全部浪費，無法從根本上解決企業(yè)的痛點。
華中數(shù)控針對此類零件加工需求，開發(fā)了一套柔性加工生產(chǎn)線管控系統(tǒng)。
生產(chǎn)線管控系統(tǒng)構架圖
該系統(tǒng)具有無人化生產(chǎn)管控、混流并行柔性化加工生產(chǎn)管控、生產(chǎn)過程故障容錯并聯(lián)管控、生產(chǎn)線大數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、生產(chǎn)線內的排產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)管理、生產(chǎn)線智能化等功能，整條產(chǎn)線的主軸利用率達到85%以上。
3. 黑燈工廠產(chǎn)線如何實現(xiàn)中央刀庫與機床刀庫的融合
諜戰(zhàn)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，配備不同型號的槍或炮，精準打擊，數(shù)控加工亦如此。在小批量多品種的產(chǎn)品加工過程中，由于零件的多品種特性，會導致加工中需要使用到的刀具種類多，但是由于受到加工中心物理刀庫容量的限制，一臺數(shù)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(chǎn)線中央刀具庫設計，是華中數(shù)控參與建設的智能柔性加工生產(chǎn)線的最大亮點。生產(chǎn)線的中央刀具庫建立在機床上方，不占地面空間。生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的刀具管理系統(tǒng)統(tǒng)一控制生產(chǎn)線中央刀庫和各個加工中心的本地刀庫，根據(jù)排產(chǎn)計劃對各個加工中心的刀具進行統(tǒng)一調配和管理，同時自動修改數(shù)控系統(tǒng)的刀具參數(shù)，實現(xiàn)柔性化加工生產(chǎn)。
例如，智能產(chǎn)線上的中央刀庫有216把刀，每臺數(shù)控機床的刀庫有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。生產(chǎn)線的總刀庫可被視為各個加工中心的虛擬刀庫，不受機床物理刀庫容量的限制。所有刀具的刀柄采用RFID電子標簽，生產(chǎn)線管控系統(tǒng)根據(jù)加工工藝的要求，通過生產(chǎn)線的中央刀庫對數(shù)控機床的刀庫自動配置刀具、自動設置數(shù)控系統(tǒng)的刀具參數(shù)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的刀柄及讀寫裝置
刀具管理系統(tǒng)
四、結語
精密鋁合金結構件在高精尖領域應用廣泛，華中數(shù)控用潛心磨礪20余年的數(shù)控系統(tǒng)技術給這座智能工廠賦能，實現(xiàn)“黑”科技工廠的降本增效。未來，隨著產(chǎn)品迭代的加快，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，這種智能產(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。科技發(fā)展到“智能”階段，人可以將很多聰明能力移植給芯片、加載于一個虛擬的大腦。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的大腦，未來，數(shù)控系統(tǒng)的智能將為制造插上怎樣的騰飛翅膀？
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