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為了觀測到更遙遠(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)計了一臺重達(dá)86噸的機(jī)器。來自西門子的工業(yè)軟件和控制及自動化技術(shù)，為打造這臺機(jī)器助了一臂之力。

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

太陽與地球相距約1.5億公里。但在天文學(xué)家看來，太陽其實就在家門外，因為陽光從太陽照射到地球只需要8.3分鐘。天文學(xué)家希望能看得更遠(yuǎn)。事實上，未來，他們希望能觀測距離地球130億光年之遙的星系——從而穿越時空，回望大爆炸之時的宇宙。

新一代大型望遠(yuǎn)鏡有望實現(xiàn)這一點。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，每一個鏡片元件的尺寸精度都必須達(dá)到納米級。

在巴伐利亞小鎮(zhèn)Teisnach，工程師正在奮力解決這個問題。2012年，歷經(jīng)三年的精心準(zhǔn)備，世界上最大、最現(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（計算機(jī)數(shù)控）具備最高精密度。這臺機(jī)器的設(shè)計、制造者是OptoTech Optikmaschinen股份有限公司。OptoTech公司是供應(yīng)光學(xué)機(jī)器的全球市場*，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。

在地處德國法蘭克福以北一小時車程的Wettenberg，OptoTech公司設(shè)計部主管Jochen Franz表示，“我們開發(fā)的這款通用機(jī)器，專門用于生產(chǎn)直徑最長可達(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，旨在實現(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)無法正確工作；不能有任何差錯妨礙運(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間內(nèi)就完成了這臺機(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，及時滿足對天文光學(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。德國西門子PLM軟件公司的NX營銷主管Peter Scheller指出，“除產(chǎn)品設(shè)計、三維建模和文件匯編之外，這個軟件還允許用戶執(zhí)行多學(xué)科計算。這些計算將剛度和流量計算、熱傳遞，以及運(yùn)動過程等各個不同方面聯(lián)系起來，根據(jù)計算結(jié)果，可以對現(xiàn)實進(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)計和生產(chǎn)流程，從而大大縮短了將產(chǎn)品推向市場的時間。”

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

虛擬原型機(jī)。得益于這種虛擬設(shè)計流程，成本不菲的實物原型機(jī)退出了歷史舞臺。同樣地，不再需要耗費(fèi)大量時間進(jìn)行并行計算，以便確定某個設(shè)計在轉(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鏡片的生產(chǎn)流程。虛擬機(jī)軟件能夠以合乎實際的方式，移動這臺數(shù)字化設(shè)計的機(jī)器。因此，可以在設(shè)計流程的早期階段，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)計和開發(fā)流程，從而大大縮短了將產(chǎn)品推向市場的時間。”

當(dāng)這臺機(jī)器實際啟動之后，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。NX比任何其他解決方案都更加深入地融入了這個平臺。可以保存并隨時提供來自設(shè)計階段、客戶驗收階段，以及隨后的維護(hù)階段的所有數(shù)據(jù)。在對機(jī)器進(jìn)行維護(hù)或當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時，這一點具有巨大優(yōu)勢。”

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，只有借助一臺全新的、復(fù)雜的組合機(jī)床，才有可能實現(xiàn)市場所要求的制造質(zhì)量。OptoTech公司創(chuàng)始人暨總經(jīng)理Roland Mandler說：“在將加工件從一臺機(jī)床轉(zhuǎn)移到另一臺機(jī)床并重新定位的過程中，總是會喪失寶貴的時間和精密度。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。”

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

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。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，再到常規(guī)運(yùn)行期間的檢修，無所不包。

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)計主管Jochen Franz表示，“對此，我們與西門子長期以來的良好關(guān)系，起到了一定作用；同時，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CNC系統(tǒng)。”

計算機(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)點包括：它們允許針對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，專門從事這臺新機(jī)器的銷售。預(yù)計，，其在全球市場的銷售將迅猛增長。中國、俄羅斯和印度等開展了太空計劃的國家，已紛紛前來詢問。OptoTech公司總經(jīng)理Roland Mandler堅信，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)實靠近

西門子是全球*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900萬裝機(jī)量。西門子的NX軟件套件，是一個可用于靈活、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全面整合了計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造和計算機(jī)輔助工程設(shè)計（CAD/ CAM/CAE）。從三維建模、文件匯編，到結(jié)構(gòu)、運(yùn)動、熱、流動力學(xué)和多物理等過程的多學(xué)科計算等，這種組合的優(yōu)勢可見一斑。