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现代化改造,创造最优商业价值

两台来自斯达拉格杜普莱恩产品系列、行程达 16 米的五轴龙门加工中心,在航空航天领域连续稳定运行超过 15 年后,经过现代化升级改造,现已具备再服务二十年的高效加工能力。斯达拉格在保留高度成熟的验证工 艺基础上,引入最新的控制、驱动与监控技术,帮助全球领先航空航天制造商延长现有资产价值,同时将对 生产的影响降至最低。

“ 直观来说,它们长 16 米、宽 6 米、高 2.5 米,专为超大型 飞机机身零部件的超高精度加工而设计。”

斯蒂芬·巴克利 (Stephen Barclay), 斯达拉格服务经理,美国

该分阶段现代化改造项目由斯达 拉格实施,服务对象是一家生 产核心零部件的领先航空航天 制造商。两台机床交替施工:一台保持生 产,另一台拆机重建。首台机床验证通过 后,随即切换施工另一台;最终两台杜普 莱恩 FOGS 机床均按时、按预算交付。对 该客户而言,改造方案的经济性显著更优: 机床机械结构状态完好,且已完全融入高 度优化的生产单元。项目不仅成本可控, 还避免了新增大规模机床所需的漫长交付 与调试周期。“采购新机床大约需要两年, 而改造的停机时间仅 7 个月。成本节约 十分可观。”斯达拉格美国服务经理斯蒂 芬·巴克利 (Stephen Barclay) 表示。客户 获得的远不止是“原样延续”。改造后的 两台机床配备了全新电气架构、最新一代 西门子数控系统、全新驱动与电机,并在 整个加工范围内实现了体积误差补偿,同 时具备基于传感器级数据采集的预测性维 护能力。改造在保留客户依赖的原有工艺 基础上,全面提升了可靠性、加工性能、 功能性与运行可视化水平。两台杜普莱恩 FOGS 高架龙门五轴机床分别于 2004 年 和 2011 年投入使用。“直观来说,它们 长 16 米、宽 6 米、高 2.5 米,专为超大 型飞机机身零部件的超高精度加工而设 计。”斯蒂芬·巴克利介绍道。他全程负 责该项目,并与斯达拉格德国工程团队协 同推进。这种规格的机床,精度以体积精 度而非线性精度衡量。“我们的目标是: 在五轴加工环境中,无论刀具位于整个工 作空间的任何位置,都能够将刀尖定位在 一个直径为 55 微米的球体范围内。”斯 蒂芬·巴克利解释道。在持续超过 15 年、 全天候(24/7)连续生产运行的情况下, 这两台机床始终保持着这一精度水平,甚 至表现得更为出色。

新机采购 vs 现代化改造:方案评估

两台机床在一个温度控制精度达到 ±1° C 的恒温车间内运行,属于一套集成式托盘 加工单元:加工单元内配有专用三坐标测 量机、清洗干燥站点与上下料站点,14 米 长托盘在各加工区间流转。在这一级别的 航空航天制造中,稳定、可追溯的批量生 产环境至关重要。斯蒂芬·巴克利表示: “这类机床的易损耗部件通常是线缆、电 气元件,而本次项目的核心动因是原数控 系统已停止技术支持。”这就像一台电脑, 即便运行状态完好,一旦到了产品生命周 期终点,就无法再获得技术支持。当客户 仍需使用设备时,现代化改造往往是极具 商业价值的选择。考虑到地基与大型结构 件的巨额投入,我更愿意称之为‘价值重 焕’。”斯达拉格对每个项目均进行独立 评估。若客户需要提升产能、扩大加工行 程、新增加工能力或实现显著的效率跃升, 采购新机床往往是长期收益最优的方案。 但本项目中,现有机床结构性能依然优异, 客户的首要诉求是保留机床久经验证的航 空航天制造工艺。因此,现代化改造是实 现目标的最优路径。双方的沟通始于 2018 年,远早于正式订单;改造与换新两种方 案均经过了审慎评估。客户工程师曾专程 前往欧洲,在另一家用户工厂实地观摩了 一台全新 FOGS 机床的验收过程。“我认 为这是决定性的一步,最终所有人都同意 选择改造而非采购新机。”斯蒂芬·巴克 利说。

Protecting the process

The most demanding requirement was continuity, not speed or accuracy. ”The customer wanted to minimize disruption and internal requalification effort,“ says Stephen Barclay. ”Any significant change to the production platform would have required extensive process validation, programming, and qualification work. A key requirement was that the machine had to run all existing code, use all existing tooling, and integrate seamlessly into the established production environment. By maintaining the proven machine architecture while upgrading the technology platform, we were able to preserve validated manufacturing processes and minimize operational disruption.“

In aerospace, that is not merely a convenience. It is a compliance requirement. ”Aircraft parts are like medical parts. You can’t just randomly decide to build them differently. Every component is serialized. The manufacturing process is proven and carefully controlled,“ Stephen Barclay says.

That principle shaped the technical scope. A completely new electrical cabinet was installed, along with all cables, sensors, and drive modules. Drive motors were replaced with the latest-generation Siemens units, physically smaller, equal in power, and significantly more energy efficient, across two 16 m machines operating around the clock.

The CNC was upgraded to the latest Siemens platform, resolving the obsolescence issue that triggered the project while introducing the latest Sinumerik motion-control packages, including MDynamics and Engineered Motion Control. Spindles and other major mechanical components were deliberately left unchanged. ”It was their decision not to replace the spindles with a different design,“ Stephen Barclay explains. ”They preferred to exchange them for refurbished and repaired versions. This ensured that the critical mechanical components remained in good condition, while avoiding changes that could have affected their process.“ One upgrade went beyond the original project scope. Both machines moved from Starrag’s standard Kinematic Management System (KMS) to Starrag’s upgraded Volumetric Compensation System (VCS), which corrects geometric deviations throughout the machine’s working volume from within the CNC rather than relying solely on mechanical accuracy. The benefits include improved tool-tip positioning during fully interpolated 5-axis movement and enhanced surface quality, exceeding the equal-to-or-better performance standard Starrag was contracted to achieve.

守护原有工艺

项目最严苛的要求并非速度或精度,而是 工艺连续性。“客户希望最大限度减少生 产中断,降低内部重新验证的工作量。” 斯蒂芬·巴克利表示。“生产平台一旦发 生重大变更,就需要开展大量工艺验证、 编程与资质认定工作。核心要求是:机床 必须兼容所有原有程序、沿用全部现有刀 具,并无缝融入既有生产环境。通过在保 留成熟可靠的机床架构基础上,对技术平 台进行升级,我们得以延续已通过验证的 制造工艺,同时将对生产运营的影响降到 最低。”

在航空航天领域,这绝非“锦上添花”的 便利,而是合规性的硬性要求。“航空零 部件就像医疗器件,绝不能随意更改生产 方式。每个零件都有可追溯的批次号,制 造工艺均经过验证并处于严格管控之下。” 斯蒂芬·巴克利说道。

这一原则决定了项目的技术边界。项目更 换了全新电气柜,以及全部线缆、传感器 与驱动模块。两台全天候运行的 16 米机 床,全部驱动电机升级为西门子最新一代 产品:体积更小、功率相当,能效大幅提升。

数控系统升级至西门子最新平台,既解 决了触发本次项目的系统停服问题,也 引入了最新西门子运动控制套件,包括 MDynamics 与 Engineered Motion Control。 主轴及其他主要机械部件则刻意保留原 样。“客户决定不更换为其他设计的主轴。” 斯蒂芬·巴克利解释道。“他们更倾向于 将原有主轴翻新修复后继续使用。这样既 能保证核心机械部件状态良好,又避免了 可能影响原有工艺的变更。”有一项升级 超出了原定项目范围。两台机床均从斯达 拉格标准运动管理系统 (KMS) 升级为体 积误差补偿系统 (VCS)。该系统通过数控 系统内部算法修正全加工空间内的几何偏 差,而非单纯依赖机械精度。其优势包括: 五轴全联动下刀尖定位更精准、工件表面 质量更优异,整体表现优于合同约定的“不 低于原有水平”标准。

” We guaranteed that every feature and every performance parameter would be as accurate and productive as before, or better.“ Stephen Barclay, Starrag Service Manager, USA

7 个月停机期的高效压缩

停机时长是项目所有环节的核心约束。单 台停机期间,制造商通过提高核心零部件 库存、内部消化产能缺口,未将生产任务 外迁。这意味着工期没有任何延误空间。 “如果机床停机超出约定期限,将严重影 响客户的产能交付。”斯蒂芬·巴克利表示。

为尽可能缩短现场停机时间,项目团队决 定将能够在场外完成的工作尽量前移。早 在首台机床改造启动之前,就已经完成了 超过 18 个月的采购与准备工作。“所有 子组件均在我们德国工厂预制并打包,整 台电气柜完成组装与预测试,随时可进场 安装。”斯蒂芬·巴克利介绍。贯穿 16 米全行程的拖链(含信号线、液压管路与 气动软管)均在工厂预制并完成测试。“我 们在现场的工作就是拆旧装新。”20 余年 完整留存的工程数据,为项目提供了有力 支撑。

“FOGS 系列机床均为适配客户现场定制 化生产。我们完整保留原始制造规格,即 便 20 年后也能随时调取。这些数据对改 造项目至关重要。”斯蒂芬·巴克利说道。

项目进度通过每两周一次的联合评审会议 追踪管控,计划包含数百项子任务;两台 机床之间为期 12 周的验证期也顺利完成。 在操作人员适应新的人机界面期间,斯达 拉格还派驻了应用支持工程师提供现场 协助。

从被动响应到预测维护

本次改造带来的最大功能提升,不在于精 度,而在于运行可视化。“全新的数控 系统大幅简化了客户从机床获取数据的过 程。我们所说的数据涵盖了设备上的每一 个开关和传感器。例如,现在单个传感器 即可同时采集温度以及压力/ 真空数据。 传感器甚至能够监测制冷系统中的气体压 力,而这些信息在过去是无法获取的。客 户可获取的数据点远超以往,能更清晰地 洞察运行趋势与潜在故障点,这在 20 多 年前是完全无法实现的。”这一能力为客 户内部专属的数据分析部门提供了数据支 撑。“核心目标是识别运行趋势,提升机 床正常运行时间,改善工厂整体生产表现。 通过采集过去不可见的数据,企业既能提 升生产效率,又能降低非计划停机风险。” 斯蒂芬·巴克利表示。该生产单元还保留 了斯达拉格自检认证系统 (SQS),每季度 运行一次。机床将铣削主轴归位后,自动 换装激光主轴,借助固定安装的光学反射 镜,对全行程范围内的体积精度进行自测, 并生成一份针对机床主要坐标轴状态的 “健康报告”。


前后验证,有据可依

所有结果均经过验证,绝非主观推定。项 目启动前与完工后,分别执行了完整机床 精度检测与客户指定样件加工测试,前后 数据逐一比对。“所有指标均不低于原有 水平,部分更优。这是双方约定的底线。 我们保证,所有功能与性能参数的精度、 效率均不低于改造前水平。”斯蒂芬·巴 克利确认道。

作为服务国防行业的制造商,客户同步开 展了网络安全审查。软件版本、发布日期 及配套基础设施均提前完成核验,确保符 合客户网络安全要求。本项目充分展现了 斯达拉格在机床全生命周期内的客户支持 能力。无论最优方案是采购新机、实施战 略性改造,还是双管齐下,斯达拉格都会 与客户共同研判,找出匹配其生产需求、 运营与经济效益最佳的路径。

该制造商的核心系统负责人用“连战连捷” 来形容斯达拉格的项目执行表现。作为项 目内部系统负责人兼设施首席工程师,他 评价道:“人生中有些时刻,‘眼见为实, 不吐不快’这句话格外贴切。在 FOGS 改 造项目中,斯达拉格团队展现出的专业水 准令人印象深刻――在当下充满挑战的商 业环境中,如此表现实属难得。百闻不如 一见。从全新的物料分装与现场备货,到 施工执行,再到德国端前期的工程设计与 打包发货,所有环节都印证了斯达拉格对 ‘充分规划,杜绝低效’理念的严谨践行。 这一点在整个项目中体现得淋漓尽致。

得益于贵团队出色的组织能力,两个项目 均推进得滴水不漏。坦率地说,斯达拉格 派驻到我们项目的现场团队极其优秀,是 双方合作成功的关键。在得克萨斯州开展 的改造工作中,斯达拉格团队全程保持一 流水准。坦白讲,这是我 49 年职业生涯 中见过最出色的项目执行。你们连续取得 圆满成功,表现堪称完美。”

 

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