机床数控化改造概述

作者：北京机床研究所 俞圣梅

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 1 前言 使用经验表明：数控机床中，一套数控系统的有效使用寿命在6～8年。由于电子技术迅速发展，世界上名牌的数控系统制造公司基本上都在3～5年内更换一代产品，所以数控系统使用到6～7年后，即使想修理也很难找到零备件。随着电子技术制造水平发展，数控系统及配套附件(伺服单元及电机等)的价格在整台机床中越来越低，例如在70年代时达到50%，80年代后逐步降至1/3到1/4以下，一些大型机床只占1/10左右，因此，只要化少量投入，就可使许多关键设备重新恢复“青春”。 我国近几年内需要数控化改造的普通设备在10万台以上，旧数控机床在4000台以上，如果改造资金能落实，这将是一个能提供几十亿到上百亿元的广阔市场。因此在机械制造业中，尤其在机床制造行业中，应该充分利用自己的技术特长，去迅速占领市场，为国民经济的迅速发展作出自己的行业贡献。 以下根据笔者参与北京机床研究所承接的多项数控化改造工程项目的经验，谈些体会供大家参考。 2 数控化改造项目的可行性评估 对一台具体设备是否需要进行数控改造、改造目的、希望能达到什么样应用指标、需要投入多少财力和人力、改造项目中有多少风险因素、最后能得到什么性能价格比？这些都是可行性评估时的重要内容。 一台旧设备使用到一定年头后，必然会故障频繁发生、维修困难、生产效率降低、加工精度不稳定、甚至完全停机。对这样的设备是采取彻底报废、还是经过中大修数控改造？做出这种决定之前，首先要对现有设备的剩余使用价值作出评估。例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①CNC系统及操作子系统；②伺服系统(包括电动机)；③机床电气；④机械本体(床身、立柱、导轨和丝杠等)；⑤刀库机械手系统；⑥自动工作台交换系统(APC)等。每一个子系统根据实际情况，都可以作出相应剩余使用价值评估。例如对20年以前的数控系统，现在不可能在找不到零备件的前题下去重新整修它，那它的剩余价值是零。根据伺服系统的磨损程度，如果继续留用，应考虑整修后还有50％以上剩余价值；但考虑到新更换数控系统的匹配及追求好的伺服特性，即使旧的伺服系统没有完全损坏，或预计继续使用寿命不会太长，也可考虑彻底更换。这样，伺服系统的剩余价值也就决定了。机械部件的剩余价值一般都占较高比例，多项工程实践表明，一台高质量机床的机械大件磨损是有限的。我们改造过两台美国卧式加工中心，都是70年代末的产品，X方向行程1台为1.5m、1台为2.5m，导轨的直线度和扭曲都能调整到0.008mm/1000mm，导轨本身没有进一步修磨。我所8年以前出品的两台立式加工中心，在用户厂经过6年以上两班制到三班24h的不停加工使用，最近拉回我所整修中实测：一米导轨直线性磨凹0.003mm。机械手刀库部件易损件集中在几个零件上(如手爪、插销等)，即使重新更换花费也不多，因此机械部件都占有较高剩余价值。 通常对一台设备来说，机械部分有60%以上剩余价值，电气部分有20%～50%以上剩余价值，这些都是值得改造的可考虑因素。 第二步就是对改造设备提出希望改造后能达到的目标期待值，即有什么样的机床精度和使用性能。有一些人认为，提出的改造指标应和同类新机床检验合格指标联系起来，甚至外观质量要求等，这里有合理的一面。但必须考虑它的基础是一台旧设备，是有缺陷的，要求提得太高投入的费用必然会大大增加。数控化改造和设备的中修、大修计划安排结合起来是比较合理的，可以达到较理想的使用效果。因此不从机、电、液以至外观质量整体上考虑改造后的目标值，而把它看成只要简单的换一个电气系统，改造后必然会留下一堆问题。 在确定改造目标值后，要进行投入财力和人力的估算，即投入资金的评估。投入资金多少与制订改造目标高低密切相关。投入的改造费用主要由下列项目构成：①数控系统及相关伺服系统；②机床电气及附件更换；③机床机械元部件精度修复和维修保养；④机床辅助系统(如液压系统、冷却系统等)维修保养；⑤机床外观质量的修复；⑥机床改造后的调试检测；⑦机床改造所需的技术劳务费。在受改造费用限制时，常去修改改造目标值，降低一些次要要求以减少投入费用。 经过上述三阶段工作，一台设备的改造方案基本已定，但必须对这方案进行风险评估。一台旧机床即使有再齐全的技术档案也不排斥存在隐患，存在一些不可预见因素影响，尤其技术含量高的设备。在做改造方案时，不可能对设备进行现状大解剖，不可能拿到机床现状精确测试数据，因此在以后实施改造工作中还会碰到意料之外的问题。对这类问题，就要求承包工程部门根据自己的技术经验，在现场调研的基础上，做出风险评估和制订相应对策。另一种做法是委托方和承包方双方都意识到风险客观存在，在工程项目费中，设置不可预见费用来共同承担风险。总之，多项改造工程经验表明：预先正视项目的风险因素，尽管在工程实施中有许多问题，但是可以化险为夷的。事先重视，一旦出现问题有对策，是工程成功的基本要素之一。 第五个内容是性能价格比评估。这实际上是上述第二项和第三项的综合评估。为了在经济上有定量分析的依据，常选一台现在市场上性能相似的商品价格作为标准进行比较。例如有1台15年以前出品的卧式加工中心，电控部分已严重损坏无法维修，机械精度已丧失20％左右，估算其剩余价值在30万元左右，要改造时电控部分需投入2.5万元，机械部分整修需投入10万元，整机还要投入10万元技术劳务费，共计投入75万元。现在再买一台类似的机床需180万元。改造后机床使用性能和效率估计能达到新设备的70%～80%，使用寿命在6～8年以上(一个大修周期以上)，即这项改造方案的性能价格比是可取的。 在评估中要注意：剩余价值过低的设备是不值得花大力气改造的；剩余价值偏低、投入价值太高的改造方案也是不可取的。因此旧设备数控化改造中，首要的对象是剩余价值较高的旧数控机床。这些设备机械结构和功能与新的电控系统容易实现匹配，综合效果较好。其次是普通机床中重、大型设备，这些设备原值都较高，至今还往往都是部门关键设备，值得花大力气为它改造。对一些原价值不高的设备，觉得马上报废又可惜！还想改造后再利用一阶段的设备，在确定改造应用指标时就应慎重。即从实用出发提出投入不要太大的应用指标。电控部分尽量采用廉价的简易系统，改造工作量压缩在一定范围内，用减少投入来争取实用的经济效果。 3 数控化改造的基本步骤 设备的数控化改造工作一般有三种运作方式：即，设备拥有厂家自己进行，这要求这些厂家自身拥有较强技改力量；第二种方式是设备拥有厂家根据自己的技术薄弱环节，聘请技术可信的兄弟单位参加，合作承担工程；第三种方式是完全委托一家单位承包工程。选择承包单位必须注意考察其技术能力和商业信誉。数控化改造工作是技术含量大、技术领域较宽广的工作，选择对象必须有坚实技术能力、有机电综合能力，甲乙双方应有合作诚意，是可信任的合作伙伴；否则，光靠简单的合同关系很难相互约束住对方，使工程进展迟缓或收不了尾。 改造步骤基本如下：(1)旧设备基本评估；(2)确定改造方案；(3)落实改造投入资金；(4)寻找委托单位，签订有关改造合同协议；(5)整理消化机床现有资料、数据；(6)现场测绘旧设备电气、机械部件；(7)对CNC、PLC、机床电气、机械改造内容进行设计、订货、制造；(8)对机床其余机电系统、液压系统、辅件进行现场拆修、保养、更换；(9)对机床改造部分进行现场施工、安装和连接；(10)机床联调试验；(11)修调恢复机床几何精度、定位精度；(12)机床及控制系统各部分功能联动试验，工作可靠性运行；(13)机床交检查验收；(14)机床试生产切削运行。 当然，对某项具体工程要做的内容可能会有增减，但基本内容大致都包括了。 4 改造工作经常遇到的难点 1) 评估困难 对一台使用了多年的旧设备要作出确切评估是有一定困难的，尤其许多设备常缺乏必要、系统的技术档案。有的二手设备原始资料已丢失，有的设备已损坏不能进行再测试等，所以要确切了解各部件磨损的程度，定量地评估各部件的剩余价值是很困难的。过高或过低评估，对确定改造方案及改造后性能价格比都带来很多影响。因此做这项工作时，聘请有丰富经验的专家、做必要的测绘、测试试验、作必要的行情调研等工作都是必要的，尤其是定量分析。 2) 最佳方案的选择 在做每台机床改造方案时，往往都有多种方案，总的说来改造投入资金与取得效果应成正比。盲目追求高指标和高投入是不必要的，客观地说花再大的价钱也不能算一台新设备。因此恰当的投入，争取实用的使用指标是选择最佳方案的基本原则。在做方案时，应根据机床现有实际水平，做出几种可供选择的方案，由委托方和承制方协商，在满足使用单位实际使用寿命的前题下，采取最少的投入，这样的改造方案就可以认为是比较好的方案。 3) 改造系统和替换零部件的选择 改造一台机床必然要更换许多零部件及电控系统。作为机床用户，总是希望还能使用的元器件尽量保留，如保留原设备的伺服电机、液压系统、辅助部件等，这样改造后的一台设备中，必然新旧零部件混合使用，效果会如何呢？我们曾改造过一台五轴五联动卧式加工中心，数控系统使用了较好的日本FANUC公司16M，在总调试车时数控系统工作情况很好，但液压油管由于严重老化，不断出现破裂漏油，在一个多月调试阶段内，光换油管就占用了几个工作日。所以在确定选择零部件时，要考虑等效、等使用时间的匹配。即全功能的机床才配用全功能数控系统，新的部件有多年以上使用有效期时，保留的老部件使用寿命也要求与它相匹配，或者有相应措施。例如机床改造时考虑机械大件的精度修复、滚珠丝杠精度修复和重调预载、液压油管和密封圈的更换、新的数控系统数字式控制和老机床上模拟量控制的伺服电机不匹配时就要考虑更换伺服电机，或者采用较老的模拟量控制数控系统。对一些各种来路的国外旧机床，还必须考虑公制和英制的标准化问题，英制的标准件、螺纹、管接头、轴承都会给更换带来一些新的问题，甚至还要准备英制通用工具。 4) 验收技术条件的确定 验收条件是每个改造项目必须考虑的，这往往在执行改造项目时，委托方和承接方最容易出现分歧的地方。这反映在委托方对设备有较高希望值、承接方对原设备估计不足出现漏洞、而验收条件又没有统一标准可依等情况下，到项目后期验收时最容易出现各说各的理的局面。所以在制订验收条件时，可以参考同类新机床的行业标准和该机床的出厂合格单原始记录，分析该机床目前精度保持情况，必要时做机床实际精度测试，依据这些原始数据双方针对改造部分提出合理的验收技术条件。例如一台机床改造只更换了数控系统，那在验收条件中对功能和工作可靠性应有详细规定，但对机床几何精度提要求就欠缺考虑。总之旧设备改造工作是综合性的高技术工作，不可预见的因素较多，所以在验收时总会出现一些反复，这时双方能够以合作伙伴的精神来友好协商，绝大部分问题都是能妥善解决的。 5) 项目施工计划的掌握 项目改造周期根据设备复杂程度约在1～6个月以上，在保证质量的前题下周期越短越好。对一台较复杂的中大型设备施工周期如下。 a. 旧设备技术资料消化、电气测绘、机械测绘、机床原始性能测试需20～40天； b. 机械、电气、CNC设计订货和制造需90～150天(主要用于进口元部件订货周期和大型复杂零件制造周期)； c. 机床改造部分安装连接需30～60天； d. 机床联调和验收需30～40天。 上述周期仅供参考。承接方技术能力强，准备工作做得齐全，施工周期可以大大缩短。最糟糕的是在现场调试中才发现缺少零部件或损坏零部件，重新再去订货或设计制造，这样就使施工周期遥遥无期，甲乙双方都会受到很大经济损失。(end)

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