機(jī)床數(shù)控化改造概述
/ 2021/6/5 10:44:25
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摘要：文章針對國內(nèi)廣闊的機(jī)床設(shè)備數(shù)控化改造和老舊數(shù)控機(jī)床更新改造市場，講述了數(shù)控化改造項(xiàng)目的可行性評估、實(shí)施步驟和經(jīng)常會遇到的一些難點(diǎn)等問題。
1 前言
使用經(jīng)驗(yàn)表明：數(shù)控機(jī)床中，一套數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)制造公司基本上都在3～5年內(nèi)更換一代產(chǎn)品，所以數(shù)控系統(tǒng)使用到6～7年后，即使想修理也很難找到零備件。隨著電子技術(shù)制造水平發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)及配套附件(伺服單元及電機(jī)等)的價(jià)格在整臺機(jī)床中越來越低，例如在70年代時(shí)達(dá)到50%，80年代后逐步降至1/3到1/4以下，一些大型機(jī)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(shè)備重新恢復(fù)“青春”。
我國近幾年內(nèi)需要數(shù)控化改造的普通設(shè)備在10萬臺以上，舊數(shù)控機(jī)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。因此在機(jī)械制造業(yè)中，尤其在機(jī)床制造行業(yè)中，應(yīng)該充分利用自己的技術(shù)特長，去迅速占領(lǐng)市場，為國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展作出自己的行業(yè)貢獻(xiàn)。
以下根據(jù)筆者參與北京機(jī)床研究所承接的多項(xiàng)數(shù)控化改造工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，談些體會供大家參考。
2 數(shù)控化改造項(xiàng)目的可行性評估
對一臺具體設(shè)備是否需要進(jìn)行數(shù)控改造、改造目的、希望能達(dá)到什么樣應(yīng)用指標(biāo)、需要投入多少財(cái)力和人力、改造項(xiàng)目中有多少風(fēng)險(xiǎn)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(nèi)容。
一臺舊設(shè)備使用到一定年頭后，必然會故障頻繁發(fā)生、維修困難、生產(chǎn)效率降低、加工精度不穩(wěn)定、甚至完全停機(jī)。對這樣的設(shè)備是采取徹底報(bào)廢、還是經(jīng)過中大修數(shù)控改造？做出這種決定之前，首先要對現(xiàn)有設(shè)備的剩余使用價(jià)值作出評估。例如一臺加工中心，主要構(gòu)成的機(jī)電部件有：①CNC系統(tǒng)及操作子系統(tǒng)；②伺服系統(tǒng)(包括電動機(jī))；③機(jī)床電氣；④機(jī)械本體(床身、立柱、導(dǎo)軌和絲杠等)；⑤刀庫機(jī)械手系統(tǒng)；⑥自動工作臺交換系統(tǒng)(APC)等。每一個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況，都可以作出相應(yīng)剩余使用價(jià)值評估。例如對20年以前的數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)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(jù)伺服系統(tǒng)的磨損程度，如果繼續(xù)留用，應(yīng)考慮整修后還有50％以上剩余價(jià)值；但考慮到新更換數(shù)控系統(tǒng)的匹配及追求好的伺服特性，即使舊的伺服系統(tǒng)沒有完全損壞，或預(yù)計(jì)繼續(xù)使用壽命不會太長，也可考慮徹底更換。這樣，伺服系統(tǒng)的剩余價(jià)值也就決定了。機(jī)械部件的剩余價(jià)值一般都占較高比例，多項(xiàng)工程實(shí)踐表明，一臺高質(zhì)量機(jī)床的機(jī)械大件磨損是有限的。我們改造過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(dǎo)軌的直線度和扭曲都能調(diào)整到0.008mm/1000mm，導(dǎo)軌本身沒有進(jìn)一步修磨。我所8年以前出品的兩臺立式加工中心，在用戶廠經(jīng)過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(dǎo)軌直線性磨凹0.003mm。機(jī)械手刀庫部件易損件集中在幾個(gè)零件上(如手爪、插銷等)，即使重新更換花費(fèi)也不多，因此機(jī)械部件都占有較高剩余價(jià)值。
通常對一臺設(shè)備來說，機(jī)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(shè)備提出希望改造后能達(dá)到的目標(biāo)期待值，即有什么樣的機(jī)床精度和使用性能。有一些人認(rèn)為，提出的改造指標(biāo)應(yīng)和同類新機(jī)床檢驗(yàn)合格指標(biāo)聯(lián)系起來，甚至外觀質(zhì)量要求等，這里有合理的一面。但必須考慮它的基礎(chǔ)是一臺舊設(shè)備，是有缺陷的，要求提得太高投入的費(fèi)用必然會大大增加。數(shù)控化改造和設(shè)備的中修、大修計(jì)劃安排結(jié)合起來是比較合理的，可以達(dá)到較理想的使用效果。因此不從機(jī)、電、液以至外觀質(zhì)量整體上考慮改造后的目標(biāo)值，而把它看成只要簡單的換一個(gè)電氣系統(tǒng)，改造后必然會留下一堆問題。
在確定改造目標(biāo)值后，要進(jìn)行投入財(cái)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(biāo)高低密切相關(guān)。投入的改造費(fèi)用主要由下列項(xiàng)目構(gòu)成：①數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)伺服系統(tǒng)；②機(jī)床電氣及附件更換；③機(jī)床機(jī)械元部件精度修復(fù)和維修保養(yǎng)；④機(jī)床輔助系統(tǒng)(如液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等)維修保養(yǎng)；⑤機(jī)床外觀質(zhì)量的修復(fù)；⑥機(jī)床改造后的調(diào)試檢測；⑦機(jī)床改造所需的技術(shù)勞務(wù)費(fèi)。在受改造費(fèi)用限制時(shí)，常去修改改造目標(biāo)值，降低一些次要要求以減少投入費(fèi)用。
經(jīng)過上述三階段工作，一臺設(shè)備的改造方案基本已定，但必須對這方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。一臺舊機(jī)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(yù)見因素影響，尤其技術(shù)含量高的設(shè)備。在做改造方案時(shí)，不可能對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)狀大解剖，不可能拿到機(jī)床現(xiàn)狀精確測試數(shù)據(jù)，因此在以后實(shí)施改造工作中還會碰到意料之外的問題。對這類問題，就要求承包工程部門根據(jù)自己的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，做出風(fēng)險(xiǎn)評估和制訂相應(yīng)對策。另一種做法是委托方和承包方雙方都意識到風(fēng)險(xiǎn)客觀存在，在工程項(xiàng)目費(fèi)中，設(shè)置不可預(yù)見費(fèi)用來共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)?？傊囗?xiàng)改造工程經(jīng)驗(yàn)表明：預(yù)先正視項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素，盡管在工程實(shí)施中有許多問題，但是可以化險(xiǎn)為夷的。事先重視，一旦出現(xiàn)問題有對策，是工程成功的基本要素之一。
第五個(gè)內(nèi)容是性能價(jià)格比評估。這實(shí)際上是上述第二項(xiàng)和第三項(xiàng)的綜合評估。為了在經(jīng)濟(jì)上有定量分析的依據(jù)，常選一臺現(xiàn)在市場上性能相似的商品價(jià)格作為標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重?fù)p壞無法維修，機(jī)械精度已喪失20％左右，估算其剩余價(jià)值在30萬元左右，要改造時(shí)電控部分需投入2.5萬元，機(jī)械部分整修需投入10萬元，整機(jī)還要投入10萬元技術(shù)勞務(wù)費(fèi)，共計(jì)投入75萬元?，F(xiàn)在再買一臺類似的機(jī)床需180萬元。改造后機(jī)床使用性能和效率估計(jì)能達(dá)到新設(shè)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(xiàng)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)值過低的設(shè)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(shè)備數(shù)控化改造中，首要的對象是剩余價(jià)值較高的舊數(shù)控機(jī)床。這些設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能與新的電控系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)匹配，綜合效果較好。其次是普通機(jī)床中重、大型設(shè)備，這些設(shè)備原值都較高，至今還往往都是部門關(guān)鍵設(shè)備，值得花大力氣為它改造。對一些原價(jià)值不高的設(shè)備，覺得馬上報(bào)廢又可惜！還想改造后再利用一階段的設(shè)備，在確定改造應(yīng)用指標(biāo)時(shí)就應(yīng)慎重。即從實(shí)用出發(fā)提出投入不要太大的應(yīng)用指標(biāo)。電控部分盡量采用廉價(jià)的簡易系統(tǒng)，改造工作量壓縮在一定范圍內(nèi)，用減少投入來爭取實(shí)用的經(jīng)濟(jì)效果。
3 數(shù)控化改造的基本步驟
設(shè)備的數(shù)控化改造工作一般有三種運(yùn)作方式：即，設(shè)備擁有廠家自己進(jìn)行，這要求這些廠家自身擁有較強(qiáng)技改力量；第二種方式是設(shè)備擁有廠家根據(jù)自己的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，聘請技術(shù)可信的兄弟單位參加，合作承擔(dān)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(shù)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(jiān)實(shí)技術(shù)能力、有機(jī)電綜合能力，甲乙雙方應(yīng)有合作誠意，是可信任的合作伙伴；否則，光靠簡單的合同關(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(shè)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(jī)床現(xiàn)有資料、數(shù)據(jù)；(6)現(xiàn)場測繪舊設(shè)備電氣、機(jī)械部件；(7)對CNC、PLC、機(jī)床電氣、機(jī)械改造內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、訂貨、制造；(8)對機(jī)床其余機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、輔件進(jìn)行現(xiàn)場拆修、保養(yǎng)、更換；(9)對機(jī)床改造部分進(jìn)行現(xiàn)場施工、安裝和連接；(10)機(jī)床聯(lián)調(diào)試驗(yàn)；(11)修調(diào)恢復(fù)機(jī)床幾何精度、定位精度；(12)機(jī)床及控制系統(tǒng)各部分功能聯(lián)動試驗(yàn)，工作可靠性運(yùn)行；(13)機(jī)床交檢查驗(yàn)收；(14)機(jī)床試生產(chǎn)切削運(yùn)行。當(dāng)然，對某項(xiàng)具體工程要做的內(nèi)容可能會有增減，但基本內(nèi)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(shè)備要作出確切評估是有一定困難的，尤其許多設(shè)備常缺乏必要、系統(tǒng)的技術(shù)檔案。有的二手設(shè)備原始資料已丟失，有的設(shè)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。過高或過低評估，對確定改造方案及改造后性能價(jià)格比都帶來很多影響。因此做這項(xiàng)工作時(shí)，聘請有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家、做必要的測繪、測試試驗(yàn)、作必要的行情調(diào)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(jī)床改造方案時(shí)，往往都有多種方案，總的說來改造投入資金與取得效果應(yīng)成正比。盲目追求高指標(biāo)和高投入是不必要的，客觀地說花再大的價(jià)錢也不能算一臺新設(shè)備。因此恰當(dāng)?shù)耐度?，爭取?shí)用的使用指標(biāo)是選擇最佳方案的基本原則。在做方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)床現(xiàn)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(rèn)為是比較好的方案。
- 改造系統(tǒng)和替換零部件的選擇
- 改造一臺機(jī)床必然要更換許多零部件及電控系統(tǒng)。作為機(jī)床用戶，總是希望還能使用的元器件盡量保留，如保留原設(shè)備的伺服電機(jī)、液壓系統(tǒng)、輔助部件等，這樣改造后的一臺設(shè)備中，必然新舊零部件混合使用，效果會如何呢？我們曾改造過一臺五軸五聯(lián)動臥式加工中心，數(shù)控系統(tǒng)使用了較好的日本FANUC公司16M，在總調(diào)試車時(shí)數(shù)控系統(tǒng)工作情況很好，但液壓油管由于嚴(yán)重老化，不斷出現(xiàn)破裂漏油，在一個(gè)多月調(diào)試階段內(nèi)，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(jī)床才配用全功能數(shù)控系統(tǒng)，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(yīng)措施。例如機(jī)床改造時(shí)考慮機(jī)械大件的精度修復(fù)、滾珠絲杠精度修復(fù)和重調(diào)預(yù)載、液壓油管和密封圈的更換、新的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字式控制和老機(jī)床上模擬量控制的伺服電機(jī)不匹配時(shí)就要考慮更換伺服電機(jī)，或者采用較老的模擬量控制數(shù)控系統(tǒng)。對一些各種來路的國外舊機(jī)床，還必須考慮公制和英制的標(biāo)準(zhǔn)化問題，英制的標(biāo)準(zhǔn)件、螺紋、管接頭、軸承都會給更換帶來一些新的問題，甚至還要準(zhǔn)備英制通用工具。
- 驗(yàn)收技術(shù)條件的確定
- 驗(yàn)收條件是每個(gè)改造項(xiàng)目必須考慮的，這往往在執(zhí)行改造項(xiàng)目時(shí)，委托方和承接方最容易出現(xiàn)分歧的地方。這反映在委托方對設(shè)備有較高希望值、承接方對原設(shè)備估計(jì)不足出現(xiàn)漏洞、而驗(yàn)收條件又沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可依等情況下，到項(xiàng)目后期驗(yàn)收時(shí)最容易出現(xiàn)各說各的理的局面。所以在制訂驗(yàn)收條件時(shí)，可以參考同類新機(jī)床的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和該機(jī)床的出廠合格單原始記錄，分析該機(jī)床目前精度保持情況，必要時(shí)做機(jī)床實(shí)際精度測試，依據(jù)這些原始數(shù)據(jù)雙方針對改造部分提出合理的驗(yàn)收技術(shù)條件。例如一臺機(jī)床改造只更換了數(shù)控系統(tǒng)，那在驗(yàn)收條件中對功能和工作可靠性應(yīng)有詳細(xì)規(guī)定，但對機(jī)床幾何精度提要求就欠缺考慮?？傊f設(shè)備改造工作是綜合性的高技術(shù)工作，不可預(yù)見的因素較多，所以在驗(yàn)收時(shí)總會出現(xiàn)一些反復(fù)，這時(shí)雙方能夠以合作伙伴的精神來友好協(xié)商，絕大部分問題都是能妥善解決的。
- 項(xiàng)目施工計(jì)劃的掌握
- 項(xiàng)目改造周期根據(jù)設(shè)備復(fù)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(fù)雜的中大型設(shè)備施工周期如下。
- 舊設(shè)備技術(shù)資料消化、電氣測繪、機(jī)械測繪、機(jī)床原始性能測試需20～40天；
- 機(jī)械、電氣、CNC設(shè)計(jì)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(fù)雜零件制造周期)；
- 機(jī)床改造部分安裝連接需30～60天；
- 機(jī)床聯(lián)調(diào)和驗(yàn)收需30～40天。
上述周期僅供參考。承接方技術(shù)能力強(qiáng)，準(zhǔn)備工作做得齊全，施工周期可以大大縮短。最糟糕的是在現(xiàn)場調(diào)試中才發(fā)現(xiàn)缺少零部件或損壞零部件，重新再去訂貨或設(shè)計(jì)制造，這樣就使施工周期遙遙無期，甲乙雙方都會受到很大經(jīng)濟(jì)損失。
