機床數控化改造概述
/ 2021/6/5 10:44:25
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摘要：文章針對國內廣闊的機床設備數控化改造和老舊數控機床更新改造市場(chǎng)，講述了數控化改造項目的可行性評估、實(shí)施步驟和經(jīng)常會(huì )遇到的一些難點(diǎn)等問(wèn)題。
1 前言
使用經(jīng)驗表明：數控機床中，一套數控系統的有效使用壽命在6～8年。由于電子技術(shù)迅速發(fā)展，世界上名牌的數控系統制造公司基本上都在3～5年內更換一代產(chǎn)品，所以數控系統使用到6～7年后，即使想修理也很難找到零備件。隨著(zhù)電子技術(shù)制造水平發(fā)展，數控系統及配套附件(伺服單元及電機等)的價(jià)格在整臺機床中越來(lái)越低，例如在70年代時(shí)達到50%，80年代后逐步降至1/3到1/4以下，一些大型機床只占1/10左右，因此，只要化少量投入，就可使許多關(guān)鍵設備重新恢復“青春”。
我國近幾年內需要數控化改造的普通設備在10萬(wàn)臺以上，舊數控機床在4000臺以上，如果改造資金能落實(shí)，這將是一個(gè)能提供幾十億到上百億元的廣闊市場(chǎng)。因此在機械制造業(yè)中，尤其在機床制造行業(yè)中，應該充分利用自己的技術(shù)特長(cháng)，去迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，為國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展作出自己的行業(yè)貢獻。
以下根據筆者參與北京機床研究所承接的多項數控化改造工程項目的經(jīng)驗，談些體會(huì )供大家參考。
2 數控化改造項目的可行性評估
對一臺具體設備是否需要進(jìn)行數控改造、改造目的、希望能達到什么樣應用指標、需要投入多少財力和人力、改造項目中有多少風(fēng)險因素、最后能得到什么性能價(jià)格比？這些都是可行性評估時(shí)的重要內容。
一臺舊設備使用到一定年頭后，必然會(huì )故障頻繁發(fā)生、維修困難、生產(chǎn)效率降低、加工精度不穩定、甚至完全停機。對這樣的設備是采取徹底報廢、還是經(jīng)過(guò)中大修數控改造？做出這種決定之前，首先要對現有設備的剩余使用價(jià)值作出評估。例如一臺加工中心，主要構成的機電部件有：①CNC系統及操作子系統；②伺服系統(包括電動(dòng)機)；③機床電氣；④機械本體(床身、立柱、導軌和絲杠等)；⑤刀庫機械手系統；⑥自動(dòng)工作臺交換系統(APC)等。每一個(gè)子系統根據實(shí)際情況，都可以作出相應剩余使用價(jià)值評估。例如對20年以前的數控系統，現在不可能在找不到零備件的前題下去重新整修它，那它的剩余價(jià)值是零。根據伺服系統的磨損程度，如果繼續留用，應考慮整修后還有50％以上剩余價(jià)值；但考慮到新更換數控系統的匹配及追求好的伺服特性，即使舊的伺服系統沒(méi)有完全損壞，或預計繼續使用壽命不會(huì )太長(cháng)，也可考慮徹底更換。這樣，伺服系統的剩余價(jià)值也就決定了。機械部件的剩余價(jià)值一般都占較高比例，多項工程實(shí)踐表明，一臺高質(zhì)量機床的機械大件磨損是有限的。我們改造過(guò)兩臺美國臥式加工中心，都是70年代末的產(chǎn)品，X方向行程1臺為1.5m、1臺為2.5m，導軌的直線(xiàn)度和扭曲都能調整到0.008mm/1000mm，導軌本身沒(méi)有進(jìn)一步修磨。我所8年以前出品的兩臺立式加工中心，在用戶(hù)廠(chǎng)經(jīng)過(guò)6年以上兩班制到三班24h的不停加工使用，最近拉回我所整修中實(shí)測：一米導軌直線(xiàn)性磨凹0.003mm。機械手刀庫部件易損件集中在幾個(gè)零件上(如手爪、插銷(xiāo)等)，即使重新更換花費也不多，因此機械部件都占有較高剩余價(jià)值。
通常對一臺設備來(lái)說(shuō)，機械部分有60%以上剩余價(jià)值，電氣部分有20%～50%以上剩余價(jià)值，這些都是值得改造的可考慮因素。
第二步就是對改造設備提出希望改造后能達到的目標期待值，即有什么樣的機床精度和使用性能。有一些人認為，提出的改造指標應和同類(lèi)新機床檢驗合格指標聯(lián)系起來(lái)，甚至外觀(guān)質(zhì)量要求等，這里有合理的一面。但必須考慮它的基礎是一臺舊設備，是有缺陷的，要求提得太高投入的費用必然會(huì )大大增加。數控化改造和設備的中修、大修計劃安排結合起來(lái)是比較合理的，可以達到較理想的使用效果。因此不從機、電、液以至外觀(guān)質(zhì)量整體上考慮改造后的目標值，而把它看成只要簡(jiǎn)單的換一個(gè)電氣系統，改造后必然會(huì )留下一堆問(wèn)題。
在確定改造目標值后，要進(jìn)行投入財力和人力的估算，即投入資金的評估。投入資金多少與制訂改造目標高低密切相關(guān)。投入的改造費用主要由下列項目構成：①數控系統及相關(guān)伺服系統；②機床電氣及附件更換；③機床機械元部件精度修復和維修保養；④機床輔助系統(如液壓系統、冷卻系統等)維修保養；⑤機床外觀(guān)質(zhì)量的修復；⑥機床改造后的調試檢測；⑦機床改造所需的技術(shù)勞務(wù)費。在受改造費用限制時(shí)，常去修改改造目標值，降低一些次要要求以減少投入費用。
經(jīng)過(guò)上述三階段工作，一臺設備的改造方案基本已定，但必須對這方案進(jìn)行風(fēng)險評估。一臺舊機床即使有再齊全的技術(shù)檔案也不排斥存在隱患，存在一些不可預見(jiàn)因素影響，尤其技術(shù)含量高的設備。在做改造方案時(shí)，不可能對設備進(jìn)行現狀大解剖，不可能拿到機床現狀精確測試數據，因此在以后實(shí)施改造工作中還會(huì )碰到意料之外的問(wèn)題。對這類(lèi)問(wèn)題，就要求承包工程部門(mén)根據自己的技術(shù)經(jīng)驗，在現場(chǎng)調研的基礎上，做出風(fēng)險評估和制訂相應對策。另一種做法是委托方和承包方雙方都意識到風(fēng)險客觀(guān)存在，在工程項目費中，設置不可預見(jiàn)費用來(lái)共同承擔風(fēng)險。總之，多項改造工程經(jīng)驗表明：預先正視項目的風(fēng)險因素，盡管在工程實(shí)施中有許多問(wèn)題，但是可以化險為夷的。事先重視，一旦出現問(wèn)題有對策，是工程成功的基本要素之一。
第五個(gè)內容是性能價(jià)格比評估。這實(shí)際上是上述第二項和第三項的綜合評估。為了在經(jīng)濟上有定量分析的依據，常選一臺現在市場(chǎng)上性能相似的商品價(jià)格作為標準進(jìn)行比較。例如有1臺15年以前出品的臥式加工中心，電控部分已嚴重損壞無(wú)法維修，機械精度已喪失20％左右，估算其剩余價(jià)值在30萬(wàn)元左右，要改造時(shí)電控部分需投入2.5萬(wàn)元，機械部分整修需投入10萬(wàn)元，整機還要投入10萬(wàn)元技術(shù)勞務(wù)費，共計投入75萬(wàn)元。現在再買(mǎi)一臺類(lèi)似的機床需180萬(wàn)元。改造后機床使用性能和效率估計能達到新設備的70%～80%，使用壽命在6～8年以上(一個(gè)大修周期以上)，即這項改造方案的性能價(jià)格比是可取的。
在評估中要注意：剩余價(jià)值過(guò)低的設備是不值得花大力氣改造的；剩余價(jià)值偏低、投入價(jià)值太高的改造方案也是不可取的。因此舊設備數控化改造中，首要的對象是剩余價(jià)值較高的舊數控機床。這些設備機械結構和功能與新的電控系統容易實(shí)現匹配，綜合效果較好。其次是普通機床中重、大型設備，這些設備原值都較高，至今還往往都是部門(mén)關(guān)鍵設備，值得花大力氣為它改造。對一些原價(jià)值不高的設備，覺(jué)得馬上報廢又可惜！還想改造后再利用一階段的設備，在確定改造應用指標時(shí)就應慎重。即從實(shí)用出發(fā)提出投入不要太大的應用指標。電控部分盡量采用廉價(jià)的簡(jiǎn)易系統，改造工作量壓縮在一定范圍內，用減少投入來(lái)爭取實(shí)用的經(jīng)濟效果。
3 數控化改造的基本步驟
設備的數控化改造工作一般有三種運作方式：即，設備擁有廠(chǎng)家自己進(jìn)行，這要求這些廠(chǎng)家自身?yè)碛休^強技改力量；第二種方式是設備擁有廠(chǎng)家根據自己的技術(shù)薄弱環(huán)節，聘請技術(shù)可信的兄弟單位參加，合作承擔工程；第三種方式是完全委托一家單位承包工程。選擇承包單位必須注意考察其技術(shù)能力和商業(yè)信譽(yù)。數控化改造工作是技術(shù)含量大、技術(shù)領(lǐng)域較寬廣的工作，選擇對象必須有堅實(shí)技術(shù)能力、有機電綜合能力，甲乙雙方應有合作誠意，是可信任的合作伙伴；否則，光靠簡(jiǎn)單的合同關(guān)系很難相互約束住對方，使工程進(jìn)展遲緩或收不了尾。
改造步驟基本如下：(1)舊設備基本評估；(2)確定改造方案；(3)落實(shí)改造投入資金；(4)尋找委托單位，簽訂有關(guān)改造合同協(xié)議；(5)整理消化機床現有資料、數據；(6)現場(chǎng)測繪舊設備電氣、機械部件；(7)對CNC、PLC、機床電氣、機械改造內容進(jìn)行設計、訂貨、制造；(8)對機床其余機電系統、液壓系統、輔件進(jìn)行現場(chǎng)拆修、保養、更換；(9)對機床改造部分進(jìn)行現場(chǎng)施工、安裝和連接；(10)機床聯(lián)調試驗；(11)修調恢復機床幾何精度、定位精度；(12)機床及控制系統各部分功能聯(lián)動(dòng)試驗，工作可靠性運行；(13)機床交檢查驗收；(14)機床試生產(chǎn)切削運行。當然，對某項具體工程要做的內容可能會(huì )有增減，但基本內容大致都包括了。
4 改造工作經(jīng)常遇到的難點(diǎn)
- 評估困難
- 對一臺使用了多年的舊設備要作出確切評估是有一定困難的，尤其許多設備常缺乏必要、系統的技術(shù)檔案。有的二手設備原始資料已丟失，有的設備已損壞不能進(jìn)行再測試等，所以要確切了解各部件磨損的程度，定量地評估各部件的剩余價(jià)值是很困難的。過(guò)高或過(guò)低評估，對確定改造方案及改造后性能價(jià)格比都帶來(lái)很多影響。因此做這項工作時(shí)，聘請有豐富經(jīng)驗的專(zhuān)家、做必要的測繪、測試試驗、作必要的行情調研等工作都是必要的，尤其是定量分析。
- 最佳方案的選擇
- 在做每臺機床改造方案時(shí)，往往都有多種方案，總的說(shuō)來(lái)改造投入資金與取得效果應成正比。盲目追求高指標和高投入是不必要的，客觀(guān)地說(shuō)花再大的價(jià)錢(qián)也不能算一臺新設備。因此恰當的投入，爭取實(shí)用的使用指標是選擇最佳方案的基本原則。在做方案時(shí)，應根據機床現有實(shí)際水平，做出幾種可供選擇的方案，由委托方和承制方協(xié)商，在滿(mǎn)足使用單位實(shí)際使用壽命的前題下，采取最少的投入，這樣的改造方案就可以認為是比較好的方案。
- 改造系統和替換零部件的選擇
- 改造一臺機床必然要更換許多零部件及電控系統。作為機床用戶(hù)，總是希望還能使用的元器件盡量保留，如保留原設備的伺服電機、液壓系統、輔助部件等，這樣改造后的一臺設備中，必然新舊零部件混合使用，效果會(huì )如何呢？我們曾改造過(guò)一臺五軸五聯(lián)動(dòng)臥式加工中心，數控系統使用了較好的日本FANUC公司16M，在總調試車(chē)時(shí)數控系統工作情況很好，但液壓油管由于嚴重老化，不斷出現破裂漏油，在一個(gè)多月調試階段內，光換油管就占用了幾個(gè)工作日。所以在確定選擇零部件時(shí)，要考慮等效、等使用時(shí)間的匹配。即全功能的機床才配用全功能數控系統，新的部件有多年以上使用有效期時(shí)，保留的老部件使用壽命也要求與它相匹配，或者有相應措施。例如機床改造時(shí)考慮機械大件的精度修復、滾珠絲杠精度修復和重調預載、液壓油管和密封圈的更換、新的數控系統數字式控制和老機床上模擬量控制的伺服電機不匹配時(shí)就要考慮更換伺服電機，或者采用較老的模擬量控制數控系統。對一些各種來(lái)路的國外舊機床，還必須考慮公制和英制的標準化問(wèn)題，英制的標準件、螺紋、管接頭、軸承都會(huì )給更換帶來(lái)一些新的問(wèn)題，甚至還要準備英制通用工具。
- 驗收技術(shù)條件的確定
- 驗收條件是每個(gè)改造項目必須考慮的，這往往在執行改造項目時(shí)，委托方和承接方最容易出現分歧的地方。這反映在委托方對設備有較高希望值、承接方對原設備估計不足出現漏洞、而驗收條件又沒(méi)有統一標準可依等情況下，到項目后期驗收時(shí)最容易出現各說(shuō)各的理的局面。所以在制訂驗收條件時(shí)，可以參考同類(lèi)新機床的行業(yè)標準和該機床的出廠(chǎng)合格單原始記錄，分析該機床目前精度保持情況，必要時(shí)做機床實(shí)際精度測試，依據這些原始數據雙方針對改造部分提出合理的驗收技術(shù)條件。例如一臺機床改造只更換了數控系統，那在驗收條件中對功能和工作可靠性應有詳細規定，但對機床幾何精度提要求就欠缺考慮。總之舊設備改造工作是綜合性的高技術(shù)工作，不可預見(jiàn)的因素較多，所以在驗收時(shí)總會(huì )出現一些反復，這時(shí)雙方能夠以合作伙伴的精神來(lái)友好協(xié)商，絕大部分問(wèn)題都是能妥善解決的。
- 項目施工計劃的掌握
- 項目改造周期根據設備復雜程度約在1～6個(gè)月以上，在保證質(zhì)量的前題下周期越短越好。對一臺較復雜的中大型設備施工周期如下。
- 舊設備技術(shù)資料消化、電氣測繪、機械測繪、機床原始性能測試需20～40天；
- 機械、電氣、CNC設計訂貨和制造需90～150天(主要用于進(jìn)口元部件訂貨周期和大型復雜零件制造周期)；
- 機床改造部分安裝連接需30～60天；
- 機床聯(lián)調和驗收需30～40天。
上述周期僅供參考。承接方技術(shù)能力強，準備工作做得齊全，施工周期可以大大縮短。最糟糕的是在現場(chǎng)調試中才發(fā)現缺少零部件或損壞零部件，重新再去訂貨或設計制造，這樣就使施工周期遙遙無(wú)期，甲乙雙方都會(huì )受到很大經(jīng)濟損失。
