在位于科隆/波恩機場附近的德國航空航天中心（DLR）下屬“系統(tǒng)技術(shù)”部門（SHT）的主要業(yè)務(wù)是加工和維修流體力學(xué)方面的零件。其中包括了渦輪頭、葉輪、整體葉盤、風(fēng)洞模型、增壓器以及測試臺部件（圖1）。他們并非為基礎(chǔ)研究進(jìn)行單件加工，而是主要為了試生產(chǎn)而進(jìn)行加工，比如大量的用于測量傳感器的安裝空間和布線管道。出于熱傳導(dǎo)方面的考慮主要采用了雙腔式的結(jié)構(gòu)。為了避免Aussagekraft損壞流體力學(xué)方面的試生產(chǎn)，必需保證很高的精度要求。在進(jìn)行配合安裝時的最高公差不能超過通常要求的1/200——即使是加工直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1米的厚壁車削零件。而加工批量通常為1件。SHT的工廠除了使用現(xiàn)代化的加工中心，還在使用一臺具有32年歷史的、由Ravensburg公司生產(chǎn)的K55型CNC車床。這臺車床最大能夠加工4500公斤重的毛胚，裝夾長度最大為3500毫米，是進(jìn)行大型車削零件加工和維修不可或缺的設(shè)備。該工廠生產(chǎn)主管Frank Goerdel先生認(rèn)為這臺服役期超過32年的堅固的老式設(shè)備仍然能夠滿足目前DIN德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對機床精度的要求：“如今人們很難再找到具有如此堅固機械結(jié)構(gòu)的機床了，至少不可能以如此誘人的價格找到。”



圖1 德國航空航天中心的“系統(tǒng)技術(shù)”部門的車間主要為流體
力學(xué)研究部門加工樣件和零部件。其中包括如圖所示的渦輪頭，
以及葉輪、整體葉盤、風(fēng)洞模型、增壓器以及測試臺部件。

但是在生產(chǎn)過程中遇到了控制系統(tǒng)老化的瓶頸，導(dǎo)致操作人員不能夠完全徹底地掌握。這臺車床沒有配備微型計算機，而且還在使用卡片箱進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，甚至沒有提供必要的“人機界面”（圖2）。



圖2 將被更換的部分：老化的控制系統(tǒng)，帶
有微型計算機和用于記錄刀具數(shù)據(jù)的磁帶箱

自動化技術(shù)助快速翻新

2007年底，這臺老式車床得到了一次翻新。按照Goerdel先生的說法，這臺老式車床的機械結(jié)構(gòu)非常優(yōu)秀，足以應(yīng)對控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的更新。最終，位于科隆的西門子公司獲得了這份訂單。德國航空航天中心對于這位即將著手進(jìn)行控制系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)更新的自動化伙伴提出的要求是：更短的停機時間、價廉物美的解決方案、簡便快捷的編程和操作。西門子的專家們與德國航空航天中心的工作人員一道合作，致力于制定優(yōu)化方案、接口兼容性以及快速的翻新方案。西門子公司根據(jù)SHT工廠的法蘭接頭定制了專門的兼容電動機。這樣就無需更改機床上的部件，僅需要簡單更換電動機電纜即可，因為采用伺服電機代替老式的直流電機。

西門子計劃用線性絕對值傳感器代替目前尚在使用的玻璃標(biāo)尺。“以前每次開啟限位開關(guān)或者急停按鈕時都需要進(jìn)行參考行程并松開刀具”，Stefan Haake先生回憶說，他幾乎成為了該工廠唯一一位能夠操作這臺車床的工人。而如今，借助與絕對值傳感器就無需再進(jìn)行耗時很長的參考行程工作。

自動化系統(tǒng)方面使用了一套名為“Sinumerik 840D Solution Line”的CNC軟件結(jié)合“Sinamics S120”系列驅(qū)動主軸（圖3）。而操作界面使用的是“ShopTurn”系列的工廠編程系統(tǒng)。借助這些軟件，接口兼容方面的解決方案就顯得非常緊湊并易于實現(xiàn)——甚至還省下了兩臺以前一直使用的控制柜。通過使用車間自動化軟件，使得使用Solution Line系列CNC系統(tǒng)時的標(biāo)準(zhǔn)化操作界面也變得尤其簡單：系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)集成了所有的工藝步驟，從而節(jié)省了PLC功能性開展方面的費用。因此，車間自動化軟件的安裝非常簡單，而且能夠在機床運行期間進(jìn)行。



圖3自動化系統(tǒng)方面使用了一套“Sinumerik 840D Solution
Line”CNC軟件結(jié)合“Sinamics S120”系列驅(qū)動主軸，而
操作界面使用的是“ShopTurn”系列的工廠編程系統(tǒng)。

車間自動化軟件能夠創(chuàng)造更大的剩余價值

ShopTurn軟件集成了操作界面和編程界面，并且能夠按照專業(yè)人員的角度進(jìn)行反饋。諸如安裝、編程、粗車或者精車的步驟可以在CNC程序、交互式圖形以及預(yù)先設(shè)定的模板上進(jìn)行設(shè)置并支持不同的加工順序。

進(jìn)行編程時可以自由選擇ShopTurn工作步驟G編碼，并且可以在程序中自由組合。ISO程序能夠在任意位置和ShopTurn程序捆綁、編輯或者覆蓋。有經(jīng)驗的ISO程序員因此能夠應(yīng)用他們積累的寶貴的知識，而無需再學(xué)習(xí)就可以馬上使用清新的控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)還配備了USB接口和網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)F(xiàn)有的程序直接導(dǎo)入新系統(tǒng)而無需任何修改。這也意味著，目前配備ShopTurn軟件的機床能夠無需改造就可以直接與SHT所用CAD系統(tǒng)的后處理器相連并協(xié)同工作。

大幅度簡化加工流程

ShopTurn軟件能夠大幅度簡化車間的加工流程，這里舉一個實例：粗車-退火-精車。Stefan Haake先生對此解釋說：“以前我們必須首先為粗車過程編制程序，然后根據(jù)退火后所要求的最終輪廓尺寸進(jìn)行修正。如今只需要一段程序就可以適用于粗車和精車，而且能夠兼顧粗車過程中的加工余量。”而裝夾和零點設(shè)置等步驟也比以前更加簡便（圖4）。“劃字和零點設(shè)置可以一次完成”，Haake先生解釋說。



圖4 德國航空航天中心的操作人員與翻新后的Ravensburg
K55車床。利用新的操作界面能夠加快編程并簡化操作。

加工流體力學(xué)組件所需要的自由輪廓程序在以前是一項費時的工作。需要將輪廓劃分為許多細(xì)小的線段進(jìn)行X、Y軸控制和插補。“現(xiàn)在我們從CAD系統(tǒng)中獲取DXF格式文件及自由輪廓的投影，然后在ShopTurn-Kontur程序中的CAD-Reader工具軟件中讀取這些數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換后輸入到控制系統(tǒng)。隨后，我們在機床上根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計幾何元素進(jìn)行修正”，Haake先生對現(xiàn)在的流程方法進(jìn)行描述。并行計算的konturzug編輯器能夠自動為下一步的輪廓元素設(shè)置連接點——如果在圖紙上無法直接讀取這些位置數(shù)據(jù)。此外，在程序中每一個數(shù)據(jù)輸入點都集成了微型計算機功能。因此，復(fù)雜的公式也能夠得以快速輸入，就像手寫一樣便捷。這套系統(tǒng)還取消了手工的刀具輪廓數(shù)據(jù)輸入設(shè)備：ShopTurn軟件中包含了DIN德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)刀具管理系統(tǒng)。有了這個刀具管理系統(tǒng)，可以非常有效地避免錯誤輸入的風(fēng)險。Haake先生僅僅在幾個小時后就完全接受了這臺“新式”機床：“依靠全新的用戶界面，現(xiàn)在的編程和操作與以前相比明顯加快。”

更好的穩(wěn)定性和更高的質(zhì)量

Ravensburg生產(chǎn)的K55型車床配備最新的自動化系統(tǒng)之后依然能夠保持出眾的機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于采用了最新科技，到下一次翻新的時間間隔會更長。從投資時間角度來計算，由于采用了創(chuàng)新科技，整個系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)得到了凸顯。

該公司所選方案能夠帶來的剩余價值提升也顯而易見:在改造過程的同時工作人員就能夠著手開始進(jìn)行ShopTurn軟件的安裝，因此可以對編程和操作非常熟悉。SHT工廠的合作伙伴也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自動化系統(tǒng)和車床本身彼此能夠很好地合作。Goerdel說：“整套系統(tǒng)僅用了3天就運轉(zhuǎn)正常。”整個調(diào)試過程一共只用了1個半星期——包括對整套機床幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測量。

西門子能夠提供一攬子的服務(wù)，包括咨詢、全部零部件、安裝及調(diào)試、培訓(xùn)軟件和現(xiàn)場培訓(xùn)。“我們利用ShopTurn軟件能夠非常直觀地開展工作。”

到目前為止的工作表明，老式車床結(jié)合全新的自動化系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的穩(wěn)定性和更高的表面質(zhì)量。良好的規(guī)則特性使得機床能夠在沒有通風(fēng)裝置的情況下也能夠非常安靜地運行。由于現(xiàn)場可以更容易地聽到切削噪音，靈敏的流程控制也能夠得到簡化。

由于這臺大車床具有了更高的生產(chǎn)效率和更高的設(shè)備開動率，德國航空航天中心的科研活動也就具備了更高的經(jīng)濟(jì)性意義。正如DLR中心其他的設(shè)備一樣，這個車間必須將預(yù)算至少降低1/3。經(jīng)過自動化翻新的Ravensburg K55機床也證明了自身的價值。最后，這種能夠以較高精度加工大型車削零件的機床已經(jīng)非常少見。因此，利用目前最新的自動化技術(shù)對堅固機床進(jìn)行翻新，能夠使其繼續(xù)使用相當(dāng)長的一段時間，到下一次翻新還需要很久。