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“黑燈工廠”大揭秘——實(shí)現(xiàn)精密鋁合金結(jié)構(gòu)件無(wú)人化制造
2022-1-20 來(lái)源：機(jī)床協(xié)會(huì) 作者：-
日夜不停轉(zhuǎn)的機(jī)器，無(wú)數(shù)機(jī)械臂上下飛舞，帶有ID的物料以穩(wěn)定速率前進(jìn)，流水線有條不紊運(yùn)行，當(dāng)工序依次走完，成品由自動(dòng)化小車分揀送至無(wú)人倉(cāng)庫(kù).....生產(chǎn)車間熱火朝天，卻見(jiàn)不到幾個(gè)工人。這就是現(xiàn)代“黑燈工廠”的真實(shí)場(chǎng)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(yùn)輸、檢測(cè)過(guò)程均在空無(wú)一人的工廠內(nèi)完成，無(wú)需人工操作，把工廠交給機(jī)器，所以可以關(guān)燈運(yùn)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(yáng)華飛智能科技有限公司、沈陽(yáng)精銳數(shù)控機(jī)床有限公司等企業(yè)與某重點(diǎn)電子通訊企業(yè)聯(lián)合，針對(duì)電子行業(yè)鋁合金復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)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(diǎn)，以及由此造成的加工設(shè)備利用率低、加工周期長(zhǎng)、應(yīng)急響應(yīng)遲緩、自動(dòng)化水平低的瓶頸問(wèn)題，研發(fā)出國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床和智能柔性加工生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)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(dòng)化、智能化、無(wú)人化加工生產(chǎn)，達(dá)到了“黑燈工廠”的運(yùn)行效果。經(jīng)過(guò)了一年的運(yùn)行試生產(chǎn)，加工制造出數(shù)千件各類鋁合金精密結(jié)構(gòu)件，加工質(zhì)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(tái)五軸臥式加工中心、1套生產(chǎn)線中央刀庫(kù)及刀具機(jī)械手、1套生產(chǎn)線物料庫(kù)及物料機(jī)械手和生產(chǎn)線管控系統(tǒng)組成。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖
那么，
這些鋁合金精密結(jié)構(gòu)件應(yīng)用于在哪些領(lǐng)域？
有什么工藝特點(diǎn)和市場(chǎng)需求？
對(duì)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)有什么要求？
該“黑燈工廠”在加工這些鋁合金精密結(jié)構(gòu)件上又有哪些優(yōu)勢(shì)？
黑燈工廠如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)需求
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，即漸漸由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的，精密結(jié)構(gòu)件產(chǎn)業(yè)面臨著新的發(fā)展機(jī)遇，我國(guó)鋁合金精密結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)量在金屬精密結(jié)構(gòu)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(shù)的飛速發(fā)展，航空結(jié)構(gòu)件、消費(fèi)類電子精密結(jié)構(gòu)件及模組、新能源汽車結(jié)構(gòu)件及模組等產(chǎn)品市場(chǎng)爆發(fā)，我國(guó)鋁合金精密結(jié)構(gòu)制造行業(yè)迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。
1．航空航天領(lǐng)域的鋁合金、鈦合金和輔材的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)需求
航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的梁、框、肋、壁板、接頭、長(zhǎng)桁等主要以鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料組成，航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的殼體類、復(fù)雜筒類、功能關(guān)鍵部件等主要以鋁合金和復(fù)合材料組成。
2. 通訊、電子領(lǐng)域精密鋁合金組件市場(chǎng)需求
在通訊領(lǐng)域，隨著5G的發(fā)展，以手機(jī)、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(lái)越大，所需的鋁合金結(jié)構(gòu)件需求量增長(zhǎng)較多。
而5G基站的快速建設(shè)，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(gòu)件的需求加大。
3．汽車領(lǐng)域精密鋁合金組件市場(chǎng)需求
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，輕量化技術(shù)、材料、工藝的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車生產(chǎn)廠家提高競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵之一。鋁合金作為關(guān)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(dòng)機(jī)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(guó)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(lái)越大。這其中，以電驅(qū)、電池、電控為代表的“三電”產(chǎn)品，對(duì)鋁合金組件的需求最為明顯，主要包括電機(jī)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，減速箱殼體等。
二、精密鋁合金組件的加工工藝特點(diǎn)
由于鋁合金材料去除量大、剛性低、強(qiáng)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(zhì)量，精密鋁合金結(jié)構(gòu)件制造加工工藝要求較高，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
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(gè)工件需完成多個(gè)面多道工序加工，對(duì)效率要求高
鋁合金精密組件一般有多個(gè)面經(jīng)過(guò)多道工序加工，有的零件6個(gè)面都需要加工，工件在工藝編排不好時(shí)，重復(fù)裝拆頻率較高。
3. 材料去除率大，對(duì)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(dá)到95%以上的去除率。同時(shí)，有很多薄壁、小圓柱等造型，對(duì)精度的要求非常高。
三、精密鋁合金組件的加工對(duì)數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)的要求
針對(duì)鋁合金復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)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(fù)雜等工藝難點(diǎn)問(wèn)題，數(shù)控加工工藝方法發(fā)生了根本性的變化，對(duì)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求，數(shù)控機(jī)床從傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速、大扭矩切削加工向高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、輕負(fù)荷切削加工、高效五軸聯(lián)動(dòng)方向發(fā)展。同時(shí)，由于高速五軸臥式加工中心具有高效、高精度、高復(fù)合化等特點(diǎn)，高速五軸臥式加工中心的需求越來(lái)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(qū)動(dòng)、高速主軸控制等成為數(shù)控系統(tǒng)的必備技術(shù)。
1. 黑燈工廠如何實(shí)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(yáng)精銳合作研發(fā)的JW5040a5、JW5080a5五軸臥式加工中心，針對(duì)鋁合金組件需要高效率、高精度加工的特點(diǎn)，采用3+2的結(jié)構(gòu)布局，裝夾一次最多可以完成6個(gè)面的加工，1次裝夾就可以完成整個(gè)零件的加工，1臺(tái)臥式五軸加工中心的效率相當(dāng)于傳統(tǒng)的6臺(tái)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(jī)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(kāi)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(qū)動(dòng)單元和絕對(duì)式伺服電機(jī)、總線式遠(yuǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)，具有高速高精加工控制、五軸聯(lián)動(dòng)控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補(bǔ)償?shù)雀邫n數(shù)控系統(tǒng)功能。
針對(duì)鋁合金組件的多面加工技術(shù)特點(diǎn)，機(jī)床應(yīng)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(zhǎng)補(bǔ)、擺頭分度、動(dòng)態(tài)精度測(cè)定、數(shù)顯手搖、斜面對(duì)刀、全閉環(huán)模式下零位保護(hù)功能、刀軸方向長(zhǎng)度補(bǔ)償、五軸傾斜面加工、法向進(jìn)退刀、線性插補(bǔ)、大圓插補(bǔ)等。
五軸RTCP技術(shù)
針對(duì)鋁合金組件的鉆孔攻絲多、快速定位多、精度要求高等技術(shù)特點(diǎn)，機(jī)床應(yīng)用的華中8型系統(tǒng)典型高速高精技術(shù)有：攻絲同步補(bǔ)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(jìn)給控制、象限突跳補(bǔ)償、前饋補(bǔ)償?shù)取?/font>
攻絲同步補(bǔ)償技術(shù)
優(yōu)速銑技術(shù)
象限突跳補(bǔ)償技術(shù)
2. 黑燈工廠如何實(shí)現(xiàn)多品種、變批量、無(wú)人化混流加工？
在勞動(dòng)力愈發(fā)昂貴的今天，制造業(yè)已漸漸進(jìn)入無(wú)人工廠時(shí)代。車間里那張巨大的萬(wàn)物聯(lián)通的網(wǎng)，連接著指揮總控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械手、刀庫(kù)、物料倉(cāng)等各類設(shè)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(zhǎng)、換型頻次高、緊急插單情況頻發(fā)、生產(chǎn)計(jì)劃變更頻繁、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)不易制定等問(wèn)題。如何解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效加工？如果只是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整的話，并不能很好地消除生產(chǎn)管理過(guò)程中的全部浪費(fèi)，無(wú)法從根本上解決企業(yè)的痛點(diǎn)。
華中數(shù)控針對(duì)此類零件加工需求，開(kāi)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(gòu)架圖
該系統(tǒng)具有無(wú)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(guò)程故障容錯(cuò)并聯(lián)管控、生產(chǎn)線大數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、生產(chǎn)線內(nèi)的排產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)線自動(dòng)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(dá)到85%以上。
3. 黑燈工廠產(chǎn)線如何實(shí)現(xiàn)中央刀庫(kù)與機(jī)床刀庫(kù)的融合
諜戰(zhàn)電影中不乏擅長(zhǎng)多種武器的高手，對(duì)付不同的對(duì)手選擇不同的陣型，配備不同型號(hào)的槍或炮，精準(zhǔn)打擊，數(shù)控加工亦如此。在小批量多品種的產(chǎn)品加工過(guò)程中，由于零件的多品種特性，會(huì)導(dǎo)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(kù)容量的限制，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)的刀具一般在20-32把，無(wú)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(kù)設(shè)計(jì)，是華中數(shù)控參與建設(shè)的智能柔性加工生產(chǎn)線的最大亮點(diǎn)。生產(chǎn)線的中央刀具庫(kù)建立在機(jī)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(kù)和各個(gè)加工中心的本地刀庫(kù)，根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃對(duì)各個(gè)加工中心的刀具進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配和管理，同時(shí)自動(dòng)修改數(shù)控系統(tǒng)的刀具參數(shù)，實(shí)現(xiàn)柔性化加工生產(chǎn)。
例如，智能產(chǎn)線上的中央刀庫(kù)有216把刀，每臺(tái)數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)有20把刀，中央刀庫(kù)和機(jī)床刀庫(kù)加起來(lái)的總刀庫(kù)容量最多可達(dá)1000把。生產(chǎn)線的總刀庫(kù)可被視為各個(gè)加工中心的虛擬刀庫(kù)，不受機(jī)床物理刀庫(kù)容量的限制。所有刀具的刀柄采用RFID電子標(biāo)簽，生產(chǎn)線管控系統(tǒng)根據(jù)加工工藝的要求，通過(guò)生產(chǎn)線的中央刀庫(kù)對(duì)數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)自動(dòng)配置刀具、自動(dòng)設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)的刀具參數(shù)和進(jìn)行刀具的壽命管理。
中央刀庫(kù)和刀具搬運(yùn)機(jī)械手
帶有RFID的刀柄及讀寫(xiě)裝置
刀具管理系統(tǒng)
四、結(jié)語(yǔ)
精密鋁合金結(jié)構(gòu)件在高精尖領(lǐng)域應(yīng)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(shù)給這座智能工廠賦能，實(shí)現(xiàn)“黑”科技工廠的降本增效。未來(lái)，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(lái)越多，這種智能產(chǎn)線模式還將在汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域得以批量推廣應(yīng)用。
智，本義是聰明，智力強(qiáng)。引申義有智慧、智謀、計(jì)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(gè)虛擬的大腦。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大腦，未來(lái)，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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