老式车床的数控翻新

在位于科隆/波恩机场附近的德国航空航天中心（DLR）下属“系统技术”部门（SHT）的主要业务是加工和维修流体力学方面的零件。其中包括了涡轮头、叶轮、整体叶盘、风洞模型、增压器以及测试台部件（图1）。他们并非为基础研究进行单件加工，而是主要为了试生产而进行加工，比如大量的用于测量传感器的安装空间和布线管道。出于热传导方面的考虑主要采用了双腔式的结构。为了避免Aussagekraft损坏流体力学方面的试生产，必需保证很高的精度要求。在进行配合安装时的最高公差不能超过通常要求的1/200——即使是加工直径远远超过1米的厚壁车削零件。而加工批量通常为1件。SHT的工厂除了使用现代化的加工中心，还在使用一台具有32年历史的、由Ravensburg公司生产的K55型CNC车床。这台车床最大能够加工4500公斤重的毛胚，装夹长度最大为3500毫米，是进行大型车削零件加工和维修不可或缺的设备。该工厂生产主管FrankGoerdel先生认为这台服役期超过32年的坚固的老式设备仍然能够满足目前DIN德国工业标准中对机床精度的要求：“如今人们很难再找到具有如此坚固机械结构的机床了，至少不可能以如此诱人的价格找到。”
图1 德国航空航天中心的“系统技术”部门的车间主要为流体力学研究部门加工样件和零部件。
其中包括如图所示的涡轮头，以及叶轮、整体叶盘、风洞模型、增压器以及测试台部件。但是在生产过程中遇到了控制系统老化的瓶颈，导致操作人员不能够完全彻底地掌握。这台车床没有配备微型计算机，而且还在使用卡片箱进行数据记录，甚至没有提供必要的“人机界面”（图2）。
图2 将被更换的部分：老化的控制系统，带有微型计算机和用于记录刀具数据的磁带箱自动化技术助快速翻新

2007年底，这台老式车床得到了一次翻新。按照Goerdel先生的说法，这台老式车床的机械结构非常优秀，足以应对控制系统和驱动系统的更新。最终，位于科隆的西门子公司获得了这份订单。德国航空航天中心对于这位即将着手进行控制系统及驱动系统更新的自动化伙伴提出的要求是：更短的停机时间、价廉物美的解决方案、简便快捷的编程和操作。西门子的专家们与德国航空航天中心的工作人员一道合作，致力于制定优化方案、接口兼容性以及快速的翻新方案。西门子公司根据SHT工厂的法兰接头定制了专门的兼容电动机。这样就无需更改机床上的部件，仅需要简单更换电动机电缆即可，因为采用伺服电机代替老式的直流电机。

西门子计划用线性绝对值传感器代替目前尚在使用的玻璃标尺。“以前每次开启限位开关或者急停按钮时都需要进行参考行程并松开刀具”，Stefan Haake先生回忆说，他几乎成为了该工厂唯一一位能够操作这台车床的工人。而如今，借助与绝对值传感器就无需再进行耗时很长的参考行程工作。

自动化系统方面使用了一套名为“Sinumerik840D Solution Line”的CNC软件结合“SinamicsS120”系列驱动主轴（图3）。而操作界面使用的是“ShopTurn”系列的工厂编程系统。借助这些软件，接口兼容方面的解决方案就显得非常紧凑并易于实现——甚至还省下了两台以前一直使用的控制柜。通过使用车间自动化软件，使得使用Solution Line系列CNC系统时的标准化操作界面也变得尤其简单：系统内部已经集成了所有的工艺步骤，从而节省了PLC功能性开展方面的费用。因此，车间自动化软件的安装非常简单，而且能够在机床运行期间进行。
图3自动化系统方面使用了一套“Sinumerik 840D SolutionLine”CNC软件
结合“SinamicsS120”系列驱动主轴，而操作界面使用的是“ShopTurn”系列的工厂编程系统。车间自动化软件能够创造更大的剩余价值

ShopTurn软件集成了操作界面和编程界面，并且能够按照专业人员的角度进行反馈。诸如安装、编程、粗车或者精车的步骤可以在CNC程序、交互式图形以及预先设定的模板上进行设置并支持不同的加工顺序。

进行编程时可以自由选择ShopTurn工作步骤G编码，并且可以在程序中自由组合。ISO程序能够在任意位置和ShopTurn程序捆绑、编辑或者覆盖。有经验的ISO程序员因此能够应用他们积累的宝贵的知识，而无需再学习就可以马上使用清新的控制系统。这套系统还配备了USB接口和网络接口，能够将现有的程序直接导入新系统而无需任何修改。这也意味着，目前配备ShopTurn软件的机床能够无需改造就可以直接与SHT所用CAD系统的后处理器相连并协同工作。

大幅度简化加工流程

ShopTurn软件能够大幅度简化车间的加工流程，这里举一个实例：粗车-退火-精车。Stefan Haake先生对此解释说：“以前我们必须首先为粗车过程编制程序，然后根据退火后所要求的最终轮廓尺寸进行修正。如今只需要一段程序就可以适用于粗车和精车，而且能够兼顾粗车过程中的加工余量。”而装夹和零点设置等步骤也比以前更加简便（图4）。“划字和零点设置可以一次完成”，Haake先生解释说。
图4 德国航空航天中心的操作人员与翻新后的Ravensburg K55车床。
利用新的操作界面能够加快编程并简化操作。加工流体力学组件所需要的自由轮廓程序在以前是一项费时的工作。需要将轮廓划分为许多细小的线段进行X、Y轴控制和插补。“现在我们从CAD系统中获取DXF格式文件及自由轮廓的投影，然后在ShopTurn-Kontur程序中的CAD-Reader工具软件中读取这些数据并将其转换后输入到控制系统。随后，我们在机床上根据现有的设计几何元素进行修正”，Haake先生对现在的流程方法进行描述。并行计算的konturzug编辑器能够自动为下一步的轮廓元素设置连接点——如果在图纸上无法直接读取这些位置数据。此外，在程序中每一个数据输入点都集成了微型计算机功能。因此，复杂的公式也能够得以快速输入，就像手写一样便捷。这套系统还取消了手工的刀具轮廓数据输入设备：ShopTurn软件中包含了DIN德国工业标准刀具管理系统。有了这个刀具管理系统，可以非常有效地避免错误输入的风险。Haake先生仅仅在几个小时后就完全接受了这台“新式”机床：“依靠全新的用户界面，现在的编程和操作与以前相比明显加快。”

更好的稳定性和更高的质量

Ravensburg生产的K55型车床配备最新的自动化系统之后依然能够保持出众的机械结构稳定性。由于采用了最新科技，到下一次翻新的时间间隔会更长。从投资时间角度来计算，由于采用了创新科技，整个系统的协同效应得到了凸显。

该公司所选方案能够带来的剩余价值提升也显而易见:在改造过程的同时工作人员就能够着手开始进行ShopTurn软件的安装，因此可以对编程和操作非常熟悉。SHT工厂的合作伙伴也已经发现自动化系统和车床本身彼此能够很好地合作。Goerdel说：“整套系统仅用了3天就运转正常。”整个调试过程一共只用了1个半星期——包括对整套机床几何数据进行重新测量。

西门子能够提供一揽子的服务，包括咨询、全部零部件、安装及调试、培训软件和现场培训。“我们利用ShopTurn软件能够非常直观地开展工作。”

到目前为止的工作表明，老式车床结合全新的自动化系统能够达到更好的稳定性和更高的表面质量。良好的规则特性使得机床能够在没有通风装置的情况下也能够非常安静地运行。由于现场可以更容易地听到切削噪音，灵敏的流程控制也能够得到简化。

由于这台大车床具有了更高的生产效率和更高的设备开动率，德国航空航天中心的科研活动也就具备了更高的经济性意义。正如DLR中心其他的设备一样，这个车间必须将预算至少降低1/3。经过自动化翻新的RavensburgK55机床也证明了自身的价值。最后，这种能够以较高精度加工大型车削零件的机床已经非常少见。因此，利用目前最新的自动化技术对坚固机床进行翻新，能够使其继续使用相当长的一段时间，到下一次翻新还需要很久。