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“黑灯工厂”大揭秘 ——实现精密铝合金结构件无人化制造 日夜不停转的机器，无数机械臂上下飞舞，带有ID的物料以稳定速率前进，流水线有条不紊运行，当工序依次走完，成品由自动化小车分拣送至无人仓库.....生产车间热火朝天，却见不到几个工人。这就是现代“黑灯工厂”的真实场景。
“黑灯工厂”直译自英文Dark Factory，即智慧工厂，亦即从原材料到最终成品，所有的加工、运输、检测过程均在空无一人的工厂内完成，无需人工操作，把工厂交给机器，所以可以关灯运行。故得名“黑灯工厂”。 2021年年初，由武汉华中数控股份有限公司、沈阳华飞智能科技有限公司、沈阳精锐数控机床有限公司等企业与某重点电子通讯企业联合，针对电子行业铝合金复杂精密结构件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工易变形、六面特征装夹频繁等工艺难点，以及由此造成的加工设备利用率低、加工周期长、应急响应迟缓、自动化水平低的瓶颈问题，研发出国产高档数控机床和智能柔性加工生产线，实现了对铝合金复杂精密结构件的高效、多品种、变批量、多工艺融合的柔性化、规模化、自动化、智能化、无人化加工生产，达到了“黑灯工厂”的运行效果。经过了一年的运行试生产，加工制造出数千件各类铝合金精密结构件，加工质量完全满足生产需求，加工效率大幅提升。 该工厂由两条数控柔性智能加工生产线组成，每条生产线由配置华中8型数控系统的4台五轴卧式加工中心、1套生产线中央刀库及刀具机械手、1套生产线物料库及物料机械手和生产线管控系统组成。
现场实景图
那么， 这些铝合金精密结构件应用于在哪些领域？ 有什么工艺特点和市场需求？ 对数控系统关键技术有什么要求？ 该“黑灯工厂”在加工这些铝合金精密结构件上又有哪些优势？ 黑灯工厂如何实现自动化和智能化加工生产？ 下面为您一一揭晓！ 一、精密铝合金组件的市场需求 随着我国经济结构的转型，即渐渐由制造大国向制造强国转型的，精密结构件产业面临着新的发展机遇，我国铝合金精密结构件的产量在金属精密结构件中的占比已经大幅度提升。随着航空航天、汽车、通讯等技术的飞速发展，航空结构件、消费类电子精密结构件及模组、新能源汽车结构件及模组等产品市场爆发，我国铝合金精密结构制造行业迎来前所未有的发展机遇。
1．航空航天领域的铝合金、钛合金和辅材的复杂结构件市场需求 航空复杂结构件的梁、框、肋、壁板、接头、长桁等主要以铝合金、钛合金和复合材料组成，航天复杂结构件的壳体类、复杂筒类、功能关键部件等主要以铝合金和复合材料组成。
2. 通讯、电子领域精密铝合金组件市场需求 在通讯领域，随着5G的发展，以手机、智能手表、笔记本电脑等为代表的5G智能终端的需求也越来越大，所需的铝合金结构件需求量增长较多。
而5G基站的快速建设，5G散热壳体、5G通讯腔体滤波器、天线底板、5G接插件等结构件的需求加大。
3．汽车领域精密铝合金组件市场需求 随着汽车产业的快速发展，轻量化技术、材料、工艺的研究和开发已经成为世界各大汽车生产厂家提高竞争能力的关键之一。铝合金作为关键的轻量化材料，被各大汽车企业用于替换原有的钢制件。目前，铝合金主要用于制造发动机的缸体、缸盖、轴承座、离合器壳、变速箱壳、活塞、汽车轮毂等。
此外，随着中国新能源汽车的高速发展，用于新能源汽车铝合金组件的加工需求将越来越大。这其中，以电驱、电池、电控为代表的“三电”产品，对铝合金组件的需求最为明显，主要包括电机壳、电机端盖，电池箱体、电池箱上盖、电池箱底壳，高压盒PEU壳体，减速箱壳体等。
二、精密铝合金组件的加工工艺特点 由于铝合金材料去除量大、刚性低、强度弱，容易产生较大变形，加工后难以保证零件的加工精度和表面质量，精密铝合金结构件制造加工工艺要求较高，具有以下技术特点： 1. 钻攻、攻丝加工多 通讯类精密铝合金组件，由于需要安装各种电子元器件，所以零件上的孔位多，钻孔攻丝占比大。 2．同一个工件需完成多个面多道工序加工，对效率要求高 铝合金精密组件一般有多个面经过多道工序加工，有的零件6个面都需要加工，工件在工艺编排不好时，重复装拆频率较高。 3. 材料去除率大，对精度要求高 由于铝合金组件小型化、轻量化、高精度需求，一般零件都是从一整块铝件直接加工，材料去除率高，有的零件甚至达到95%以上的去除率。同时，有很多薄壁、小圆柱等造型，对精度的要求非常高。 三、精密铝合金组件的加工对数控机床和系统的要求 针对铝合金复杂精密结构件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工易变形、六面特征装夹频繁的工序复杂等工艺难点问题，数控加工工艺方法发生了根本性的变化，对数控机床和数控系统提出了新的要求，数控机床从传统的低转速、大扭矩切削加工向高转速、高进给、轻负荷切削加工、高效五轴联动方向发展。同时，由于高速五轴卧式加工中心具有高效、高精度、高复合化等特点，高速五轴卧式加工中心的需求越来越大。因此，高加速度（﹥1G）、高速高精控制、多轴虚拟轴的RTCP控制、同步轴（水平/垂直）全闭环控制、主从消隙控制、大功率伺服驱动、高速主轴控制等成为数控系统的必备技术。 1. 黑灯工厂如何实现精密铝合金零件的高效、高精加工？ 黑灯工厂中，华中数控与沈阳精锐合作研发的JW5040a5、JW5080a5五轴卧式加工中心，针对铝合金组件需要高效率、高精度加工的特点，采用3+2的结构布局，装夹一次最多可以完成6个面的加工，1次装夹就可以完成整个零件的加工，1台卧式五轴加工中心的效率相当于传统的6台三轴加工中心，由此确保大部分特征在一次装夹中完成精加工。
机床配置华中数控HNC-848D数控系统，该系统为全数字总线式高档数控装置，支持自主开发的NCUC总线协议及EtherCAT总线协议，支持总线式全数字伺服驱动单元和绝对式伺服电机、总线式远程I/O单元、集成手持单元接口。系统采用双IPC单元的上下位机结构，具有高速高精加工控制、五轴联动控制、多轴多通道控制、双轴同步控制及误差补偿等高档数控系统功能。
针对铝合金组件的多面加工技术特点，机床应用了华中8型系统的诸多典型五轴功能：RTCP功能、直角头双向刀长补、摆头分度、动态精度测定、数显手摇、斜面对刀、全闭环模式下零位保护功能、刀轴方向长度补偿、五轴倾斜面加工、法向进退刀、线性插补、大圆插补等。
五轴RTCP技术 针对铝合金组件的钻孔攻丝多、快速定位多、精度要求高等技术特点，机床应用的华中8型系统典型高速高精技术有：攻丝同步补偿、倍速回退、空行程叠加、伺服抑震滤波器功能、优速铣、恒进给控制、象限突跳补偿、前馈补偿等。
攻丝同步补偿技术
优速铣技术
象限突跳补偿技术 2. 黑灯工厂如何实现多品种、变批量、无人化混流加工？ 在劳动力愈发昂贵的今天，制造业已渐渐进入无人工厂时代。车间里那张巨大的万物联通的网，连接着指挥总控系统和数控机床、数控系统、机械手、刀库、物料仓等各类设备。 电子通讯类产品因其更新迭代快而一般具有小批量、多品种等特征，此类产品行业，往往又存在着生产周期长、换型频次高、紧急插单情况频发、生产计划变更频繁、标准作业不易制定等问题。如何解决这些问题，实现高效加工？如果只是在生产现场进行临时调整的话，并不能很好地消除生产管理过程中的全部浪费，无法从根本上解决企业的痛点。 华中数控针对此类零件加工需求，开发了一套柔性加工生产线管控系统。
生产线管控系统构架图 该系统具有无人化生产管控、混流并行柔性化加工生产管控、生产过程故障容错并联管控、生产线大数据互联互通、生产线内的排产规划、生产线自动化生产管理、生产线智能化等功能，整条产线的主轴利用率达到85%以上。 3. 黑灯工厂产线如何实现中央刀库与机床刀库的融合 谍战电影中不乏擅长多种武器的高手，对付不同的对手选择不同的阵型，配备不同型号的枪或炮，精准打击，数控加工亦如此。在小批量多品种的产品加工过程中，由于零件的多品种特性，会导致加工中需要使用到的刀具种类多，但是由于受到加工中心物理刀库容量的限制，一台数控机床刀库的刀具一般在20-32把，无法满足多品种小批量多工艺加工的刀具需求。
拥有最多1000把刀的生产线中央刀具库设计，是华中数控参与建设的智能柔性加工生产线的最大亮点。生产线的中央刀具库建立在机床上方，不占地面空间。生产线管控系统的刀具管理系统统一控制生产线中央刀库和各个加工中心的本地刀库，根据排产计划对各个加工中心的刀具进行统一调配和管理，同时自动修改数控系统的刀具参数，实现柔性化加工生产。 例如，智能产线上的中央刀库有216把刀，每台数控机床的刀库有20把刀，中央刀库和机床刀库加起来的总刀库容量最多可达1000把。生产线的总刀库可被视为各个加工中心的虚拟刀库，不受机床物理刀库容量的限制。所有刀具的刀柄采用RFID电子标签，生产线管控系统根据加工工艺的要求，通过生产线的中央刀库对数控机床的刀库自动配置刀具、自动设置数控系统的刀具参数和进行刀具的寿命管理。
中央刀库和刀具搬运机械手
带有RFID的刀柄及读写装置
刀具管理系统 四、结语 精密铝合金结构件在高精尖领域应用广泛，华中数控用潜心磨砺20余年的数控系统技术给这座智能工厂赋能，实现“黑”科技工厂的降本增效。未来，随着产品迭代的加快，以5G滤波器、新能源汽车等为代表的精密铝合金类零件加工越来越多，这种智能产线模式还将在汽车、通讯、航空航天等领域得以批量推广应用。 智，本义是聪明，智力强。引申义有智慧、智谋、计谋、策略、有智慧的人。科技发展到“智能”阶段，人可以将很多聪明能力移植给芯片、加载于一个虚拟的大脑。数控系统是数控机床的大脑，未来，数控系统的智能将为制造插上怎样的腾飞翅膀？ 展会基本信息： 名称：第十二届中国数控机床展览会（CCMT2022） 展期：2022年4月11-15日 地点：上海浦东 上海新国际博览中心 主办：中国机床工具工业协会 承办：中国机床工具工业协会 上海市国际展览有限公司 （供稿：武汉华中数控股份有限公司 责编：张芳丽） |
