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”部門（SHT）的主要業(yè)務是加工和維修流體力學方面的零件。其中包括了渦輪頭、葉輪、整體葉盤、風洞模型、增壓器以及測試臺部件（圖1）。他們并非為基礎研究進行單件加工，而是主要為了試生產(chǎn)而進行加工，比如大量的用于測量傳感器的安裝空間和布線管道。出于熱傳導方面的考慮主要采用了雙腔式的結構。為了避免Aussagekraft損壞流體力學方面的試生產(chǎn)，必需保證很高的精度要求。在進行配合安裝時的最高公差不能超過通常要求的1/200——即使是加工直徑遠遠超過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，是進行大型車削零件加工和維修不可或缺的設備。該工廠生產(chǎn)主管Frank Goerdel先生認為這臺服役期超過32年的堅固的老式設備仍然能夠滿足目前DIN德國工業(yè)標準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構的機床了，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”部門的車間主要為流體
力學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構非常優(yōu)秀，足以應對控制系統(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尺。“以前每次開啟限位開關或者急停按鈕時都需要進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)時的標準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行。



圖3自動化系統(tǒng)方面使用了一套“Sinumerik 840D Solution
Line”CNC軟件結合“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、交互式圖形以及預先設定的模板上進行設置并支持不同的加工順序。

進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程序員因此能夠應用他們積累的寶貴的知識，而無需再學習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)絡接口，能夠?qū)F(xiàn)有的程序直接導入新系統(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。”而裝夾和零點設置等步驟也比以前更加簡便（圖4）。“劃字和零點設置可以一次完成”，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小的線段進行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)有的設計幾何元素進行修正”，Haake先生對現(xiàn)在的流程方法進行描述。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)輸入設備：ShopTurn軟件中包含了DIN德國工業(yè)標準刀具管理系統(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構穩(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)進行重新測量。

西門子能夠提供一攬子的服務，包括咨詢、全部零部件、安裝及調(diào)試、培訓軟件和現(xiàn)場培訓。“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，老式車床結合全新的自動化系統(tǒng)能夠達到更好的穩(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)濟性意義。正如DLR中心其他的設備一樣，這個車間必須將預算至少降低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對堅固機床進行翻新，能夠使其繼續(xù)使用相當長的一段時間，到下一次翻新還需要很久。