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TopSolid與Pfalz-Flugzeugwerke

跟汽車制造行業一樣，越來越多的大型飛機制造商，比如空客，正將更多的開發任務分配給他們的供應商。這些供應商通常會被強制使用跟他們上游客戶一致的CAD/CAM系統。往往這樣的系統是相當復雜的?；谶@個原因，即使車間的員工都有必要的加工經驗，直觀的CNC編程也變得更難了，因為通常他們的電腦技能都比較缺乏。Pfalz-Flugzeugwerke GmbH (PFW)找到了這個問題的解決方案：將他們設計的CATIA模型轉化為TopSolid的幾何模型，TopSolid是他們將要用來編程的CAM軟件。

今天，Pfalz-Flugzeugwerke GmbH公司使用的是1913時Speyer當地的軍用飛機制造商相同的名字。盡管如此，所不同的是公司實際始建的是二戰后的Ernst Heinkel-Fahrzeugbau GmbH公司。其后公司多次易手，也多次更換名字。從1964年到1983年，公司名字叫Vereinigte Flugtechnische Werke VFW，在1969年到1980年期間，公司也被叫做Vereinigte Flugtechnische Werke – Fokker GmbH。在那以后的1991年，公司成Deutsche Airbus GmbH接手的 Messerschmidt-Bölkow-Blohm GmbH公司的一部分。
在Deutsche Airbus GmbH旗下，也就是后來的Deutsche Aerospace Airbus，隨后的Daimler-Benz Aerospace Airbus GmbH旗下，法爾茨飛機制造公司生產機殼、結構裝配和設備組件。在1997年，當空客Speyer分廠處于關閉危險的時候，公司的管理層和員工接管了公司。今天，PFW雇傭了800名員工，年銷售額超過1億3千萬歐元（2000財年數據）。隨著PFW美國分公司的設立，作為空客的單個組件供應商，打開了美國飛機制造業的大門。

航空工業的供應商有著巨大的時間壓力，因為飛機制造商不斷的加快了飛機裝配工藝。同時，飛機制造商往往只在交貨的幾個星期前才決定他們的飛機將要使用的最終設備。因此，某系系統供應商必須在非常短的時間內交貨。9-11襲擊后帶來的航空運輸行業的不景氣，進一步加重了這樣的時間壓力。一些資不抵債的空客用戶，比如瑞士航空，取消了已經準備交付的飛機訂單。這些飛機現在必須要在幾乎沒有時間的情況下修改，以便能賣給其他的客戶。

“在9-11以后，物流業已經爆炸了”PFW的貨物裝載系統及結構組件裝配控制中心主管Peter Hammann表示說。PFW供應給空客管道和其他附屬系統、結構裝配和貨物裝卸系統。所有的這些產品都需要適合不同的飛機類型和客戶需求。比如說，瑞士航空喜歡全自動的解決方案。其他的一些勞動力廉價國家的航空公司，則更喜歡手動裝卸系統。“如果用戶改變了，我就必須能夠跟蹤這些我們已經裝配的組件，以便能夠盡快的提供替換的零部件”Hammann先生解釋說。

相對管道系統來說，貨物裝卸系統的制造工藝有著更高的制造深度。PFW從其他的供應商采購電子傳動系統和移動部件，比如制動滾軸或者設置與滾軸傳送系統中的止動銷，但是這些部件是需要在Speyer的工廠完成或者預裝配的。結果，如果某些部件必須替換，大量的工作步驟都必須PFW重新來做。

更多責任的PFW

以前，貨物裝卸系統是由空客公司自己設計的，然后交到Speyer來生產制造。但是今天，新的系統的研發已經交給供應商來做了。比如全新的寬體客機空客A380，PFW將不僅僅是設計和制造貨物裝卸系統，也將負責文檔、德國民航管理局(Luftfahrt-Bundesamt, LBA)對系統的批準，以及合同授權前空客工廠下，系統在空客漢堡工廠的裝配。

對供應商來說，作為開發合作伙伴這樣的新角色，以為這大量的投資。為了滿足空客的高要求，PFW已經投資了100,000歐元用于概念設計和新的貨物裝卸系統樣機。由于其自身的重量，A380將在機身兩側配置額外的起落架，這樣就會減少飛機中部的貨物裝載空間。要不考慮約束的利用裝載空間，容器需要在入口區域轉過來，然后沿長軸移動到A380機身中。

最近幾年，PFW建立了自己的設計研發部門，以應付產品研發中的新的挑戰。在空客決定整個3D建模過程使用CATIA軟件以后，重新選擇系統成為了多余。PFW不得不順應這個決定。但是在其后的生產制造和模具設計部門，PFW使用了Missler公司的TopSolid和TopSolid'Cam解決方案。

“最初，我們也想設計和制造都用一個CAD/CAM解決方案，但是當空客經過很長時間才決定一個解決方案是，我們已經在之前的1999年就走在了前面，并使用了TopSolid'Cam”在CATIA介入之后依然堅持他的選擇的Hammann先生解釋說，“我想要CNC編程在制造部門完成。這不僅是基于幾何外形創建銑削刀路。這一步還要求專業的技術知識。對于這個工作，我須要知道如何操作機床的人，已經接受過額外培訓的人，但是CATIA對他們來說并不是適合的工具。”

從實體塊銑削加工

在Speyer最常見的加工方法是銑、鉆和鉚。鋁制零件，除了型材，由于航空安全規范禁止使用壓力鑄造，都是由實體鋁塊銑削加工出來。即使沒有這樣的規范規定，絕大多數情況下，對于僅僅只需要很少數量的零件，模具制造也是不符合經濟效益需要的。“超過100件的訂單就是非常稀罕的了，”Hammann先生說：“我們通過銑削加工得到零件。我們的零件通常都要95%的材料去除，也就是說從12Kg的毛坯上面，加工以后最終只會留下600g左右。”

以前，銑削刀路的編程都是直接在機床或者簡單的編輯器上來做的。這兩種方式的局限性都非常明顯，因為零件已經變得越來越復雜了，以便盡可能的減輕重量，同時還不影響零件的功能性和耐久性。“在飛機設計中，重量是所有零部件的一個重要指標。”Hammann先生說：“對于A380，零件被計劃得更輕了，同時他們還得能夠承受更重的載荷。滾軸傳送系統的邊緣必須配置數百個減重孔，這樣就能減少20Kg的總重量。通常，任何多余的材料都將會被去除以減輕重量，這樣一來有時就會得到一些奇特的形狀。”

盡管如此，安全是比減重更加重要的指標——特別是對于航空工業來說。在飛機起飛或者降落的過程中，如果一個貨物集裝箱或者甚至只是一個附屬部件松動，都非常有可能導致飛機墜毀?；谶@個原因，設備有關的材料和加工工藝要求都是非常嚴格的，正如Hammann先生所說：“一般來說，車間工頭決定哪種冷卻潤滑劑可以用于機床。而對于我們來說，LBA告訴我們使用哪種冷卻潤滑劑。”

零件變得越來越復雜，就要求采購新的銑床和加工中心。為了高效的使用這些新的機床，PFW也需要一個強大的CAM系統。兩個系統最終入圍，其一就是Hammann曾經在另一家公司已經成功實施項目的TopSolid軟件。功能范圍和性價比更好的TopSolid和TopSolid'Cam最終獲得了肯定。

“軟件得簡單易學，”Hammann說：“最重要的是圖形化的模擬功能，因為的新的銑床使用了大量的冷卻液，操作者根本看不見東西。他只能聽到碰撞，但那已經太遲了?，F在他們所操作的機床遠比他們10年前操作的機床快多了。操作者根本沒有反應的時間。因此，我們必須保證沒有任何錯誤。”隨著PFW的短交貨周期，停機已經是不可能的了。一些機床必須得24小時運轉。

尋找稱職的合作伙伴

嘗試避免巨大的系統集成，Hammann正在附近尋找一個小的但是稱職的，能夠以合理的價格定制后置處理的合作伙伴。這些年來，PFW購置了許多不同控制驅動單元的機床，一些甚至是相當不常見的，比如用于加工底座或者滾軸傳動系統的機床。“一個大型的軟件系統通常不會為一臺機床定制后置處理，即使有，價格也會是我們難以接收的，”Hammann說。

West，設在Saarbrücken的系統集成商，成為了PFW適合的合作伙伴。TopSolid公司的銷售合作伙伴West公司不僅是提供軟件，培訓員工和提供支持，這個公司還可以定制后處理程序，這一般來說是不簡單的。“我們的輪廓銑床是根據我們的需求定制的，”Hammann解釋說：“主軸上附加了一個連接臂，執行反向的鉆孔操作。這樣一來，旋轉方向和進給速度就都改變了。此外，零點也偏移了200mm。但是我該怎么給電腦解釋這些呢？” 目前，有時5軸加工機床的控制還有些困難，但是Hammann相信隨著與West的合作，這些都能得到解決。

TopSolid'Cam加工軟件已經在兩個車間安裝運用，如果PFW贏得了A380合同的話，還將擴展到第三個車間也安裝使用。軟件安裝在構建了基礎的局域網中的Windows 2000操作系統的PC機上。這些PC機能夠從設計部門訪問CAD數據，也或者是從服務器上得到他們自己的數據。兩臺電腦的額外控制，盡管如此，也不再可能像Outlook和Office的自動更新那樣經常造成問題。另外，Microsoft程序減慢了計算機的速度，使得軟件不得不安裝在單獨的工作站上面。 

完美的CATIA接口

PFW的制造專家使用TopSolid的CAD/CAM軟件來來做絕大部分的銑削編程。從設計部門來的CAD數據，已經被CNC編程員工用完美的CATIA數據接口轉換為了TopSolid幾何模型。“我定位零件模型，以便需要銑削加工操作的特征可以盡可能的加工到。然后定義銑削加工策略，提供要求的概念設計，”PFW的兩個CAM專家之一Dirk Martens解釋說。通常，機床操作者也會提出一些問題和建議。

為了更好的理解零件，避免后續更改，CNC編程人員會和設計者討論。有時，編程者會建議做一些更改以適合銑削工藝。通常情況下，零件的幾何模型不或者很少在TopSolid中修改，除非是很細小的改變，并且零件的編程已經完成了。由于兩個模塊完全關聯，只是簡單的點擊鼠標，兩個程序就都會更新。

零件的TopSolid模型不僅是用于銑削加工編程，也用于質量管理。不僅前，PFW安裝了一臺新的Zeiss測量機用來快速檢測原始3D模型。如果是可以接收的質量，測量結果可以讓車間員工立即磨去多余的部分。由于測量機不能讀入CATIA數據，TopSolid模型創建的STL文件就可以用來物理測量數據做比較。

強大的模擬仿真功能

在經過一周的培訓之后，加工員工就能用CAM軟件工作了，雖然效率上還比較有限。“熟練掌握這樣一個工具不是意見容易的事情。因此我們樂意投資與使用者的培訓，”Hammann說：“幾百萬的新機床都已經投入了，也不會再去節省幾千歐元的培訓費用。”根據Dirk Martens的經驗，掌握TopSolid'Cam是比較容易的，但是不需要培訓也是不可能的，特別是每一個版本都會添加新的功能。

TopSolid公司的CAM軟件覆蓋了PFW所需要的所有功能。“這個軟件包含了自動的功能支持用戶定義銑削加工策略,”Martens說：“當然也有時候，可能手動添加一個輪廓作為加工邊界，并告訴程序你這是要做什么，這樣還會更快。你需要權衡一下是使用自動功能，還是不使用。”

Martens認為非常直觀可靠的加工仿真模擬功能是TopSolid'Cam的一個關鍵特點。“直觀預覽的機床、刀具和夾具都集成在了一起，后置處理器又能準確的生成跟我們電腦上模擬加工仿真看到的一致的程序。”PFW的CAM專家首先要在TopSolid中創建模擬機床主軸結構，因為機床生產商不會給他們的客戶提供3D模型。West調整了軟件，從而能夠使用修改的刀具，比如銑削刀路會自動的修正。

通過程序對比零件幾何的計算，TopSolid還能讓用戶看到每一步材料去除以后的剩余坯料。Martens找出的一個缺點是程序需要用來計算處理一些加工步驟的時間。“一個小的不足就是，即使你只是修改第一把刀的加工的轉速和進給，你也必須重新計算每一個加工步驟。”

更快，也更精確

在Hammann看來，使用TopSolid的CAD/CAM軟件的結果是縮短了交貨時間，即使不能準確的計算出到底節省了多少時間。復雜零件的CAM編程加工毫無疑問比手工編程更快。即便如此，軟件與新的機床一起使用也只會帶來好處。Hammann用下面的例子來驗證他的觀點：“和新的機床一起來使用CAM軟件加工一個貨柜門，我們能夠節省60%的加工時間。一個原因是這次加工只須更少的加工裝夾次數。與此同時，加工的精度也提高了，因為每次裝夾的二次定位誤差都會導致精度的降低。”

文/ Michael Wendenburg, Sevilla
照片/ BG Concept Marketing Communication