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為了觀測(cè)到更遙遠(yuǎn)的外太空，天文學(xué)家需要使用新一代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。為了生產(chǎn)出這些儀器所需的超精密大型鏡片，OptoTech設(shè)計(jì)了一臺(tái)重達(dá)86噸的機(jī)器。來自西門子的工業(yè)軟件和控制及自動(dòng)化技術(shù)，為打造這臺(tái)機(jī)器助了一臂之力。

西門子軟件模擬并開發(fā)了一臺(tái)為高性能望遠(yuǎn)鏡生產(chǎn)巨型鏡片的機(jī)器（左上圖）。

太陽(yáng)與地球相距約1.5億公里。但在天文學(xué)家看來，太陽(yáng)其實(shí)就在家門外，因?yàn)殛?yáng)光從太陽(yáng)照射到地球只需要8.3分鐘。天文學(xué)家希望能看得更遠(yuǎn)。事實(shí)上，未來，他們希望能觀測(cè)距離地球130億光年之遙的星系——從而穿越時(shí)空，回望大爆炸之時(shí)的宇宙。

新一代大型望遠(yuǎn)鏡有望實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。其主要挑戰(zhàn)，是生產(chǎn)所需的大量極其精密的鏡片。這種望遠(yuǎn)鏡的主鏡，包含約800個(gè)直徑約為1.5米、厚50毫米的六角反射鏡元件。為了能夠捕捉并聚焦來自太空的微弱光線，每一個(gè)鏡片元件的尺寸精度都必須達(dá)到納米級(jí)。

在巴伐利亞小鎮(zhèn)Teisnach，工程師正在奮力解決這個(gè)問題。2012年，歷經(jīng)三年的精心準(zhǔn)備，世界上大、現(xiàn)代的精密光學(xué)機(jī)器，在代根多夫應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的校園里開始了試運(yùn)行。

就磨削、研磨和拋光天文光學(xué)元件而言，集這些功能于一體的UPG 2000 CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）具備高精密度。這臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造者是OptoTech Optikmaschinen股份有限公司。OptoTech公司是供應(yīng)光學(xué)機(jī)器的市場(chǎng)*，這些機(jī)器可用于生產(chǎn)各式各樣的光學(xué)元件，從超微光學(xué)元件，到微型和大型光學(xué)元件，以及平面鏡片和眼鏡片，不一而足。

在地處德國(guó)法蘭克福以北一小時(shí)車程的Wettenberg，OptoTech公司設(shè)計(jì)部主管Jochen Franz表示，“我們開發(fā)的這款通用機(jī)器，專門用于生產(chǎn)直徑長(zhǎng)可達(dá)兩米的鏡片，以及其他大型光學(xué)元件。”在Teisnach進(jìn)行的試驗(yàn)，旨在實(shí)現(xiàn)30納米的制造精度，這相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的千分之一左右。

不容失誤。然而，UPG 2000 CNC本身就是一個(gè)龐然大物。它重達(dá)86公噸，其巨型底座重40噸，所生產(chǎn)的鏡片十分巨大，其制造過程所面臨的挑戰(zhàn)也同樣艱巨。簡(jiǎn)而言之，不容發(fā)生任何失誤——不能有任何成本高昂的原型機(jī)無(wú)法正確工作；不能有任何差錯(cuò)妨礙運(yùn)行；更不能有任何鏡片存在精度問題。盡管要求進(jìn)行這些開創(chuàng)性的工作，但通過與西門子的合作，OptoTech公司在短短一年半的時(shí)間內(nèi)就完成了這臺(tái)機(jī)器的開發(fā)。在此過程中，西門子為其提供了大量工業(yè)軟件和控制及自動(dòng)化技術(shù)。

銀河系中央?yún)^(qū)域的3.4億像素圖片。

為了縮短開發(fā)周期，及時(shí)滿足對(duì)天文光學(xué)元件的巨大需求，OptoTech公司的專家采用了創(chuàng)新工業(yè)軟件，在產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）框架內(nèi)，將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界聯(lián)系起來。

為此，OptoTech公司采用了西門子提供的一體化PLM軟件解決方案NX。德國(guó)西門子PLM軟件公司的NX營(yíng)銷主管Peter Scheller指出，“除產(chǎn)品設(shè)計(jì)、三維建模和文件匯編之外，這個(gè)軟件還允許用戶執(zhí)行多學(xué)科計(jì)算。這些計(jì)算將剛度和流量計(jì)算、熱傳遞，以及運(yùn)動(dòng)過程等各個(gè)不同方面聯(lián)系起來，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行較為精確的模擬。”

他補(bǔ)充道，“NX和一體化開發(fā)環(huán)境加快了開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程，從而大大縮短了將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。”

首先，OptoTech公司的設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)建了其未來機(jī)器的虛擬三維設(shè)計(jì)。在此階段，軟件就已顯示其總體設(shè)計(jì)和將要使用的元件能否正常工作，因?yàn)槲鏖T子Sinumerik控制器和Sinamics傳動(dòng)裝置的所有實(shí)際屬性均已通過NX融入設(shè)計(jì)。然后，西門子機(jī)電一體化技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)將分析、模擬并優(yōu)化這臺(tái)虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)。

虛擬原型機(jī)。得益于這種虛擬設(shè)計(jì)流程，成本不菲的實(shí)物原型機(jī)退出了歷史舞臺(tái)。同樣地，不再需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行并行計(jì)算，以便確定某個(gè)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品之后其結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)固。Scheller解釋道，“歸功于面向生產(chǎn)模擬的CAM模塊，OptoTech公司甚至可以精確模擬單個(gè)鏡片的生產(chǎn)流程。虛擬機(jī)軟件能夠以合乎實(shí)際的方式，移動(dòng)這臺(tái)數(shù)字化設(shè)計(jì)的機(jī)器。因此，可以在設(shè)計(jì)流程的早期階段，在虛擬世界里將之投入運(yùn)行，OptoTech公司正是這樣做的。”

“NX加快了設(shè)計(jì)和開發(fā)流程，從而大大縮短了將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。”

當(dāng)這臺(tái)機(jī)器實(shí)際啟動(dòng)之后，基于NX的開發(fā)過程的益處也顯而易見。Scheller說：“Teamcenter是當(dāng)前的PLM平臺(tái)。NX比任何其他解決方案都更加深入地融入了這個(gè)平臺(tái)?？梢员４娌㈦S時(shí)提供來自設(shè)計(jì)階段、客戶驗(yàn)收階段，以及隨后的維護(hù)階段的所有數(shù)據(jù)。在對(duì)機(jī)器進(jìn)行維護(hù)或當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，這一點(diǎn)具有巨大優(yōu)勢(shì)。”

像UPG 2000 CNC這樣的新型解決方案，特別突出地表明了這款工業(yè)軟件的*性。OptoTech公司的專家認(rèn)為，顯然，只有借助一臺(tái)全新的、復(fù)雜的組合機(jī)床，才有可能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)所要求的制造質(zhì)量。OptoTech公司創(chuàng)始人暨總經(jīng)理Roland Mandler說：“在將加工件從一臺(tái)機(jī)床轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)床并重新定位的過程中，總是會(huì)喪失寶貴的時(shí)間和精密度。而這種情況必須避免，因此，我們將所有必要的工序，整合到我們配備了Sinumerik控制器的超精密研磨和拋光機(jī)中。”

一體化傳動(dòng)系統(tǒng)。OptoTech公司還采用了西門子提供的傳動(dòng)系統(tǒng)。西門子運(yùn)動(dòng)控制業(yè)務(wù)部*執(zhí)行官Robert Neuhauser透露，其選擇原因在于西門子所實(shí)行的一體化方案。他說：“在像這樣的復(fù)雜項(xiàng)目中，一體化傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)顯著。”

從轉(zhuǎn)換器，到電機(jī)和齒輪聯(lián)軸器，這種一體化系統(tǒng)保證了所有子系統(tǒng)和組件之間的平穩(wěn)交互及尺寸設(shè)計(jì)。這種一體化系統(tǒng)也保證了從組件到控制系統(tǒng)，以及機(jī)器的整個(gè)生命周期內(nèi)的客戶支持的垂直整合，從模擬，到工程設(shè)計(jì)，再到常規(guī)運(yùn)行期間的檢修，無(wú)所不包。

正是考慮到其種種益處，OptoTech公司選擇了西門子的解決方案。OptoTech公司設(shè)計(jì)主管Jochen Franz表示，“對(duì)此，我們與西門子長(zhǎng)期以來的良好關(guān)系，起到了一定作用；同時(shí)，機(jī)電一體化支持專家給予的開發(fā)支持，也是重要的考慮因素之一。但技術(shù)因素才是起決定作用的：沒有任何其他控制系統(tǒng)供應(yīng)商，能夠提供像西門子產(chǎn)品這樣的可靈活擴(kuò)展的、開放式、模塊化的高級(jí)CNC系統(tǒng)。”

計(jì)算機(jī)數(shù)控，系指機(jī)床或CNC機(jī)器的電子控制和調(diào)節(jié)。歸功于其電子控制技術(shù)，CNC機(jī)器能夠自動(dòng)生產(chǎn)出較為復(fù)雜的工件，并且其速度和精密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械控制機(jī)器。Franz指出，西門子CNC系統(tǒng)的其他優(yōu)點(diǎn)包括：它們?cè)试S針對(duì)客戶特定用戶界面直接進(jìn)行調(diào)整，以及遠(yuǎn)程維護(hù)訪問。有了這些特性，OptoTech公司將能隨時(shí)迅速為世界各地的客戶提供所需產(chǎn)品。

目前，OptoTech公司與西門子合力打造的這臺(tái)機(jī)器，已屬Ifaso股份有限公司（Ifaso是“非球面鏡片的一體化生產(chǎn)”的首字母縮寫）所有。OptoTech公司與代根多夫應(yīng)用技術(shù)大學(xué)共同成立了Ifaso公司，專門從事這臺(tái)新機(jī)器的銷售。預(yù)計(jì)，這一無(wú)二的儀器，其在市場(chǎng)的銷售將迅猛增長(zhǎng)。中國(guó)、俄羅斯和印度等開展了太空計(jì)劃的國(guó)家，已紛紛前來詢問。OptoTech公司總經(jīng)理Roland Mandler堅(jiān)信，UPG 2000 CNC也將引起其他行業(yè)的興趣，如半導(dǎo)體平版印刷術(shù)。

Mirjam Müller

在虛擬世界里向現(xiàn)實(shí)靠近

西門子是的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件及相關(guān)服務(wù)的供應(yīng)商，擁有900萬(wàn)裝機(jī)量。西門子的NX軟件套件，是一個(gè)可用于靈活、高效、快速、高質(zhì)量地開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品的解決方案。NX全面整合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)（CAD/ CAM/CAE）。從三維建模、文件匯編，到結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、熱、流動(dòng)力學(xué)和多物理等過程的多學(xué)科計(jì)算等，這種組合的優(yōu)勢(shì)可見一斑。