图1  在一台Niles ZP 40磨床上执行的内齿轮研磨作业是ITAMCO公司精密研磨车间的关键作业之一

多年以来，这家位于印第安纳州的加工厂/合同制造商培养出了齿轮制造方面的专长。目前这家制造商正在扩大这一专长的规模。而2台用于高精密内齿轮研磨作业的大型机床正是该公司新建的精密研磨车间的主力支柱设备ITAMCO公司新建的精密研磨车间占地33000ft2，天花板高度达30ft并配备了2台高架起重机。

此生产设施专门用于制造齿轮以及装配或修理风力涡轮机、野外施工车辆、采矿设备和石油钻塔的动力传动系统。高精密内齿轮研磨正是这家公司的专长。

ITAMCO公司的新建精密研磨车间占地庞大。其地板面积达33000ft2，天花板高度为30ft。车间安装了2台高架起重机，1台起重能力为40t，另1台为10t。

这些数字让您可以对这个车间所要开展的研磨作业的规模有一个大概的了解。这些作业都与大型齿轮的制造或（例如风力涡轮机、野外工程机械、采矿设备和石油钻塔中所能见到的）传动系统的修理息息相关。

图2  这条托盘化加工中心生产线位于该公司设在印第安纳州Argos的主生产设施内

目前已有2台Niles牌齿廓磨床安装到位（Niles公司从属于一家德国公司Kapp Niles，Kapp Niles在美国的代理商是位于科罗拉多州Boulder的Kapp Sales & Service公司）。其中一台ZP 40型磨床是世界上同类磨床中最大型的磨床之一并且是美国境内唯一的一台同级磨床。这台磨床可以在直径大至160in的工件上执行外齿轮研磨并且直径大至120in的工件上执行内齿轮研磨作业。在可拓宽的通道对面安装的是一台ZPI 25磨床，这台磨床体积稍小，专门设计用于直径大至100in部件的内齿轮研磨。车间内还就位了8个CBN齿轮磨床。这些磨床是从10英里以外的ITAMCO原车间和总部搬迁至这个研磨车间的。

这个精密研磨车间的设计和创建一直是这家公司的头等大事。这个项目的各个细节都表明了制造非常大型和非常精密部件的复杂度和挑战度有多么的高。幸运的是，ITAMCO非常良好的市场地位有助于他们实施这一项目。这家公司在齿轮制造领域拥有一直延续下来的优良传统；一种愿意从大局着想和做前瞻性思考的意愿；一种对关注细节之重要性的现实理解。所有这些传统都得到了努力应用最新技术这一习惯的支持，诸如3D设施规划软件和先进的网络通信标准。

图3  3D建模方式将这座新研磨生产设施的生产计划工作变成一个更加迅速、更加有效的过程

逐步走入顺境

Indiana Technology and Manufacturing Companies（ITAMCO）公司由Donald和Noble Neidig在1955年于Plymouth创建，Plymouth是一个位于印第安纳州北部的社区，距芝加哥约90英里。最初的工厂建筑经过了多次扩建，目前提供了约100000平方英尺的车间。但是这家公司仍然是一家由家族拥有和运营的企业，Neidig家族的第三代正活跃于企业的管理工作之中。

多年以来，ITAMCO稳步地转向加工越来越大型的工件。这类部件当中有许多种都存在各种齿条、齿环和其它类似于齿轮形状的外形。随着这座工厂的扩建，制造大型齿轮已经变成一个不断增长的副业。

一个让ITAMCO能够延续这一事业的齿轮制造的具体领域是内齿轮研磨工艺，这是一个要求采用特殊机床、检验设备和技术诀窍的工艺。极少有加工厂具备与这家公司相匹敌的从原材料至成品的制造大型高精密度齿轮的能力。

这家公司采取这种符合情理的发展途径看起来很明显，特别是在可再生能源、油田和施工领域的市场强烈要求采用大型传动系统、齿轮箱和动力输送组件的的情况下。2005年，公司开始查看一家位于Plymouth以南走美国31号公路15分钟车程的空闲工厂。这座生产设施原先属于一家为汽车行业服务的冲压厂，其规模是公司原有生产设施的4倍大。这家工厂拥有多个大型且很高的隔间，充足的装载台和铁路联络线。由于空闲了5年，这家工厂还有一个吸引人的特色，即非常合理的报价。ITAMCO于当年下半年购买了这家工厂。

图4  为这台磨床的冷却液冷冻和过滤系统安装管道系统和外壳是事先就已规划好的。仔细的规划工作帮助公司建立起大规模高精密度齿轮研磨作业的理想环境

尽管如此，翻建这家工厂并将其改造为ITAMCO合并后的齿轮制造中心的决策仍然是一个大胆的步骤。这家翻建生产设施的中心点就是这个精密研磨车间。以下就是这个项目成功启动的关键原因。

设施规划

参观ITAMCO最早且仍然运营的位于Plymouth的车间后，参观者会确信这家公司已经习惯于加工如此大型的工件，诸如风力涡轮机的齿轮箱以及油田的钻进联轴器。即使已将绝大多数的齿轮制造和齿轮研磨设备搬迁到Argos，但这个车间仍然布满了大型卧式加工中心（全部配备托盘更换器）和车床（许多用转台上实现实时刀具更换）以及电火花线切割机床和一座冶金学实验室。“我们在这座工厂学到了大量加工大型工件和大型齿轮的经验，”工厂经理Dave Hinderlider这样说。“其中一个教训是即使很小的失误也会导致付出高昂的代价。我们根本没有犯错的空间。”

这一点当然会在规划新工厂的精密研磨车间时牢记在心。Joel Neidig是创建者的孙辈之一并且是一位信息系统工程师，他引用这个教训来证明公司依靠3D设施规划和布局软件的合理性，ITAMCO为这套软件的开发商Autodesk执行了Beta测试工作。作为一位自称的技术迷，Neidig先生使用这一软件创建了Argos工厂的高度详细的3D模型，包括将成为新研磨车间的隔间。

“这个模型帮助我们决定每一台新机床的最佳位置以及必须将架空起重机布置在什么位置，”他表示,“我们可以建模确定必须以什么方式设置公用工程以及大型研磨机的基础必须在哪个位置浇筑。我们甚至可以看到工作台和附属设备的样子，从而确保它们方便操作者的使用而且不会在大型工件必须移动时造成干扰。”

图5  ZPI 25的主要特色是一个完全专为研磨内齿轮齿廓而设计的横臂式研磨头。上面的照片所示为安装在外壳壁上用于实现远程观察工作区内作业情况的摄像头之一

大型磨床的基础特别重要。Neidig先生解释说，这些磨床设计用于按照DIN和ANSI/AGMA标准的最顶级质量水平制造齿轮产品，所以必须能够隔离振动。每台磨床都要占据40x40英尺的基础坑并且座落于4英尺厚的混凝土垫上。吸震型底座将用于把机床固定到下方的混凝土板上。基础与周围地板之间将安装减震材料以隔离磨床免受地动影响。

温度控制

在安装这些机床时的另一个重要问题是控制热量。Neidig先生表示，保持工件、磨轮和机床构造处于恒定温度之下是实现持续稳定、高精确度研磨作业的基础。他强调：“这两台磨床都配备了冷却液冷冻和过滤系统，用于实现大量冷却液的循环流动，但是从冷却液中吸收的热量必须排到其它地方去。”另外，每台冷冻机配备的25吨级压缩机也会产生更多的热量。

其解决方案是将冷却液冷冻和过滤系统包围在一个外壳内，从而使得热空气可以在非冬季月份通过风道导出至建筑物之外，以降低热负荷和节省空调成本。这套系统能够吸入外界空气作为冷冻机组的供气，从而减轻对会增加能源成本的成本高昂的补充空气系统的需要。在冬季，从压缩机排出的热量将泵入至房间内而非房外。因此就会有足够的热量以保持车间处于舒适的暖和温度之下，同时也有助于加热建筑物内部的其它部件。

车间内的所有磨床均采用全封闭外壳，通过风道排气并进行过滤处理以防止研磨尘雾或碎屑影响空气质量。尽管将冷冻机和磨床封闭起来会增加安装成本，但这部分支出可以通过提高能效以及保持车间内空气洁净、干燥和温度适当所带来的节约效果所抵消。

高能力磨床

为Niles齿轮磨床创造理想作业空间是建立这个精密研磨车间的主要目标之一。选择这些机床产品的原因是基于其内齿轮研磨能力。较大的ZP 40型磨床采用了特殊的横臂式附件来执行内齿轮研磨作业，而ZPI 25采用了完全专为加工内齿轮轮廓而设计的横臂式研磨头。在这些磨床上加工的许多内齿轮都为可能高达38in的圆筒形，因此要求采用横臂来充分发挥其全长24in的行程，这两台磨床的行程相同。ZP 40型磨床可加工重量高达88000lb的工件；ZPI 25型为66000lb。

图6  ITAMCO针对例行内齿轮齿廓的粗磨设计产制造了专门铣削头。与相近的齿轮形加工工艺相比，铣削工艺的速度快出3倍

据Niles公司表示，内齿轮磨头采用了增强刚性的设计并配备了25kW磨轮主轴。1台CNC修整机布置在磨轮的正上方，从而可以在原位执行磨轮修整。”

这两台磨床都配备了机载检验系统，一个设置在研磨主轴下方的探头能够向上摆出执行测量作业。这种设置方案使得磨床能够在任意时刻检验工件。在研磨作业开始之前，这个探头可以确认工件已经按照齿轮节径进行了对中以执行精确研磨。与此类似，这个探头能够在研磨作业后立刻测量研磨过的表面。

“机载检验功能对我们来说是一项非常有价值的特色，”Neidig先生表示。“它验证了研磨结果的精确度并简化了部件加工过程，因为工件不再需要转移至独立的检验站了。”

这两台磨床还安装了两个摄像头以便可以远程目视监视其工作情况。任何拥有互联网访问能力的设备都能够“拨号进入”这台磨床的控制系统并打开摄像头查看器。实际上，Neidig先生已经编写了多个iPhone应用程序进行远程磨床监视。

还有离线检验功能

尽管加工车间对于磨床上的机载检验系统有信心，但有些时候也要求进行离线检验。例如，一些特定客户要求提供由CMM测量机生成的检验报告。公司还会定期离线测量一些部件以校验检验系统。在以上情况之下，公司将会使用一台于2007年安装在Argos工厂的Zeiss MMZ B CMM测量机。

这台龙门式设备能够测量大至诸如风力涡轮机旋翼毂这样的部件。但是，它主要用于检查环齿轮的质量。这家公司采用Zeiss的Calypso软件执行大型棱柱部件的检验。但是，公司使用也来自于Zeiss的GearPro软件来精简齿轮检验工作，因为这套软件系统内含专门针对采集那些对于齿轮性能具有关键意义的尺寸数据和几何关系而定制的编程例行程序。

图7  这台CMM让这家位于Argos的工厂可用目视观察方式检验这里生产的任何部件

Argos工厂经理John Deitl强调这台大型CMM对于这个生产设施面对大型部件的发展目标有着十分重要的作用。“CMM的生产率影响至所有其它机床或工作站的工作流程，所以我们必须像对待其它会产生价值的资产一样对它进行照料，”Deitl先生这样表示。

这台CMM安装在一个空调房间内。车间安装了一台重载起重机用于装卸工件。

成功支持力量

尽管精密研磨车间严格专门于对齿轮的精磨加工，但Argos厂房内的其它隔间也布置了一些为研磨作业提供原材料和支持的种类多样化的机床设备。大型工件通常会第一站来到工厂这一部分当中的立式车床（VTL）、镗床或卧式加工中心（HMC）中的一台处，然后搬运至第一道齿轮切削作业步骤。这些部件中的绝大多数都将最后在新磨床上完成加工流程。

工厂这一部分的齿轮制造工艺的多样性十分惊人。现存最大的3台Fellows刨齿机就安装在这里。这些刨齿机的特色是15in的行程。数量众多的其它齿轮切削机床占满了一条通道。这些机床值得注意的特色是每一台都配备了ITAMCO为了执行内齿轮轮廓高效粗磨而设计和制造的齿轮研磨机头。旋转式铣削刀具能够在很少几次经过就切削出很深的齿轮轮廓。一个转位工作台帮助实现了此项操作的全自动化。卧式齿轮拉削加工步骤更丰富了齿轮制造工艺的集合。

尽管在齿轮相关作业上存在不小的多样性，Deitl先生指出精密研磨车间的存在成为了一种具有统合作用的影响力。他解释说，精密研磨并不是一个纠错的加工过程。它是前面各项作业所达到的精密度的顶点。“精密研磨机的成功取决于我们在工厂所执行的其它所有工作的成功。这个道理让我们能够保持警觉，”他表示。

战略性重大意义

精密研磨车间在ITAMCO的成长规划中起着关键性的作用。销售和客户服务经理Gary West将成长定义为，既要与现有客户开展更多的业务，又要通过争取新客户来开创新的业务。这两个战略方面都极为重要，而且都得到了精密研磨车间的支持。

对于现有客户来说，扩大的研磨能力使得ITAMCO能够承接更多工作并能够处理更大型的部件，从而跟上风力涡轮机功率尺寸越来越大、功能越来越强大的发展趋势。与此类似，精密研磨也成为了代表公司加工能力的王冠，它使得公司能够承接整套传动系统组件的全部制造和修理业务，而这正在公司急待开发的新业务领域。从加工齿轮箱体至车削轴部件以及生产成品齿轮部件，ITAMCO拥有全部的加工工艺。

图8  Joel Neidig（左）和Argos工厂经理 John Deitl站在目前仍在工作的ITAMCO公司的第一台机床旁边。这台经修复并在Argos工厂展示的磨床一直让他们记得这家公司全力投入技术和客户服务的优良传统

公司还开发了一些传动系技术领域的专有创新技术，这些技术可以变成特色鲜明的产品。这些开发成果充分发挥了公司在制造资源方面及其设计和工程设计专业经验方面的能力。West先生表示，精密内齿轮研磨正是在这些计划当中不可或缺且极为重要的组成要素。

“加快这方面发展的工作是在2008年和2009年的经济衰退期积极主动地启动的。我们在其它人变得非常谨慎的时候选择了大胆进取。当时的决策是十分正确的，”West先生表示。

他说，从现在回顾来看，这在当时是公司着眼于长远的意愿促进他们做出这样先人一步的决策。

手机远程磨床监测

ITAMCO的MTConnect iPhone应用程序使得远程磨床监测工作变得十分方便。

作为ITAMCO的2台最新磨床，Niles磨床是这家公司首先采用MTConnect作为远程监视通信协议的设备。这些设备将作为实施全公司机床监视能力的原型方案。Joel Neidig表示，根据计划要求，这家公司的数控加工中心都将安装MTConnect适配器，对内部生成数据和代码进行格式化以符合MTConnect规格。

这些格式转换过程可以在车间网络内形成一个MTConnect“代理”，用于取得数据、组织数据并向各种软件应用程序提供数据，诸如公司自行开发的车间数据采集系统和作业编排程序。尽管目前在ITAMCO的2个生产地点正在使用着30种不同类型的数控加工中心，但MTConnect使得它们全部能够以共通的“语言”输出数据。

作为MTConnect的早期拥护者和支持者，Neidig先生一直是MTConnect技术顾问小组的活跃成员之一。

他还通过为诸如iPhone和Android这类能够访问网络的手持设备编制了多个应用程序，从而将这个标准的应用向前更推进了一步。“这些应用程序可以用于拨号进入机床CNC的网络地址并访问通过MTConnect适配器可以获得数据，”他解释道。例如，有一个应用程序让他可以利用各种各样的屏幕，诸如他的iPhone，来查看机床的状态和性能数据。

他还可以使用这台iPhone来打开CNC的实时摄像头查看器，查看机床内部发生的情况。“只要我能够用自己的iPhone访问全球电话网络，我就能从世界任何角落在手上监视我们兼容MTConnect的机床。”他说。

Neidig先生2011年9月8~11日在俄亥俄州辛辛那提市的MC2（MTConnect.org/MC2）会议上展示自己公司在MTConnect领域的经验。他计划在会上研讨自己的iPhone应用程序并解释这个应用程序如何提供了高度移动性的机床监测能力。