建材機(jī)械制造業(yè)機(jī)床數(shù)控化改造芻議

馬孝直，畢天祥，王友亮

建材機(jī)械制造業(yè)機(jī)床數(shù)控化改造芻議

Discussion on the Transforming Machining Tool into CNC in the Building-material Mechanical Manufacturing Industry

馬孝直，畢天祥，王友亮

1 建材機(jī)械企業(yè)現(xiàn)狀

目前建材機(jī)械企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)還是上個(gè)世紀(jì)二三十年代水平的傳統(tǒng)機(jī)床，役齡基本都在10年以上,且超過折舊期，靠經(jīng)常性維修維持運(yùn)轉(zhuǎn)，用這種裝備加工的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、檔次低、成本高、供貨期長等問題，直接影響企業(yè)的產(chǎn)品市場、經(jīng)濟(jì)效益乃至生存和發(fā)展。

以有代表性的華東某建材機(jī)械企業(yè)為例，該企業(yè)有重點(diǎn)設(shè)備69臺(tái)套，其中：

起重設(shè)備（起重量大于50t）5臺(tái)；自制設(shè)備15臺(tái)（基本是半自動(dòng)埋弧焊、筒體車床、打孔機(jī)床等關(guān)鍵設(shè)備）。

各類通用加工設(shè)備49臺(tái)套，其中數(shù)控設(shè)備僅4臺(tái)（國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型氣割設(shè)備3臺(tái)，卷板機(jī)1臺(tái)），金屬切削機(jī)床則無一臺(tái)是數(shù)控類型。使用10年以上設(shè)備約占76%，使用20年以上設(shè)備約占42%。隨著高端產(chǎn)品技術(shù)的提高，這樣的設(shè)備已不適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。

由于企業(yè)不具備加工手段和能力，許多關(guān)鍵件、重點(diǎn)件只有依靠外協(xié)加工，使最具技術(shù)含量加工項(xiàng)目的利潤大量流失，甚至造成有些產(chǎn)品生產(chǎn)虧損。

即使企業(yè)自行承擔(dān)的加工件，由于機(jī)床老化，精度低下，對(duì)尺寸精度、表面粗糙度、型位公差要求較高的零件也是勉為其難，往往造成下道工序大量返工，以致用戶現(xiàn)場反饋質(zhì)量問題，給用戶和企業(yè)都造成損失。另外由于機(jī)床性能單一，有些零件加工只好大馬拉小車，加大了制作成本。

外協(xié)加工還造成運(yùn)輸費(fèi)用和加工費(fèi)用大量消耗，僅此項(xiàng)每年大約耗資上千萬之巨，而且不利于控制核心技術(shù)，不利于控制質(zhì)量和生產(chǎn)周期，嚴(yán)重影響企業(yè)的技術(shù)競爭力、生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃的執(zhí)行和科學(xué)管理，不適應(yīng)用戶的交貨要求，企業(yè)形象也受到損害，影響企業(yè)長遠(yuǎn)效益。

2 進(jìn)行信息化、數(shù)控化改造的必要性

由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)市場競爭凸顯。近幾年我國機(jī)械行業(yè)進(jìn)入一個(gè)裝備數(shù)控化、信息化的快速換代提升期，因?yàn)檫@是解決產(chǎn)品加工品質(zhì)、縮短生產(chǎn)周期、提高企業(yè)效益和市場競爭力的有效途徑之一。

微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性正是企業(yè)解決上述生產(chǎn)瓶頸的有效途徑之一。

（1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。

（2）可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。數(shù)控機(jī)床可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)下來，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，尤其適合建材機(jī)械的生產(chǎn)。

（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，互換性好，裝配容易。

（4）可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)和裝卡。

（5）系統(tǒng)擁有自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，可減少人為誤差。

由此可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力，減少工裝數(shù)量，提升產(chǎn)品品質(zhì)，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對(duì)市場需求作出快速反應(yīng)等。

目前，在國家節(jié)能減排等政策的推動(dòng)下，國內(nèi)水泥等建材生產(chǎn)裝備技術(shù)不斷提升，對(duì)國際建材機(jī)械市場出口量也在不斷擴(kuò)大，僅靠原有技術(shù)裝備已不能完全滿足市場發(fā)展要求，而數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，離開數(shù)控技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)就成了無本之木。此外，機(jī)床數(shù)控化也是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)，這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達(dá)20.8%，我國建材機(jī)械制造業(yè)機(jī)床的數(shù)控化率到目前仍處于起步階段，所以有必要大力提高設(shè)備的數(shù)控化率，而且設(shè)備信息化的提升必然推動(dòng)人力資源素質(zhì)的提高，用較少投入換取企業(yè)長期全面的發(fā)展是值得的。

3 數(shù)控技術(shù)改造的范圍、內(nèi)容及相關(guān)的問題

根據(jù)建材機(jī)械生產(chǎn)特點(diǎn)，機(jī)械加工機(jī)床范圍的數(shù)控化改造，大致可考慮如下范圍：

對(duì)已沒有改造價(jià)值較陳舊的設(shè)備可自然淘汰，少數(shù)較完好的大型、關(guān)鍵設(shè)備，可適當(dāng)進(jìn)行數(shù)顯改造，提升效率，提高加工質(zhì)量，緩解大件加工的瓶頸；較新的機(jī)床，尤其使用價(jià)值較大的設(shè)備可考慮進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造；有些機(jī)床的數(shù)控電氣系統(tǒng)改造，并不一定包含該機(jī)床全部電氣系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)科學(xué)的測定和分析決定其改造范圍，對(duì)影響生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量的環(huán)節(jié)要適當(dāng)加大投入，爭取以較少的投入達(dá)到效益最大化。另外，無論機(jī)床數(shù)控改造還是數(shù)控機(jī)床操作，人力資源的配套是不可忽視的，否則不會(huì)有一個(gè)完美的結(jié)果。

僅就機(jī)床的數(shù)控化改造來說，主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

其一是恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是數(shù)字化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成數(shù)顯機(jī)床、數(shù)控機(jī)床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)不滿足生產(chǎn)要求的控制系統(tǒng)以最新數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高性能水平和檔次。

數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）減少投資額、交貨期短

同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低，特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，而且交貨期短。

改造成本與機(jī)床完好程度成正比，役齡較長的設(shè)備要投入較大改造費(fèi)用用于恢復(fù)機(jī)床精度和性能，否則達(dá)不到預(yù)期改造目的，失去改造數(shù)控機(jī)床的意義。

（2）機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，但結(jié)構(gòu)受限

所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。

（3）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修

購買新設(shè)備往往熟悉性能要有一定過程，改造則可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，操作者對(duì)機(jī)床的特性容易了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。

（4）可充分利用現(xiàn)有的條件

可以充分利用現(xiàn)有地基，購入新設(shè)備則需重新建造地基。

（5）可以采用最新的控制技術(shù)

可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今較高水平的機(jī)床。

4 改造的時(shí)機(jī)及時(shí)間

按市場經(jīng)濟(jì)的要求和企業(yè)目前狀況，改造的時(shí)間應(yīng)是越早越主動(dòng)，但為保證基本的生產(chǎn)經(jīng)營秩序，也只能是循序漸進(jìn)，邊生產(chǎn)邊改造，急用先改，有閑置機(jī)會(huì)的伺機(jī)先改，并結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)瓶頸適時(shí)增添新設(shè)備，不為改造而改造，以達(dá)到生產(chǎn)平衡為目標(biāo)，可大致作如下安排：

4.1 確定改造方案

改造的可行性分析通過以后，就可以針對(duì)某臺(tái)或某幾臺(tái)機(jī)床的現(xiàn)況確定改造方案，一般應(yīng)做到以下內(nèi)容：

（1）先易后難、先局部后全局

（2）機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合

（3）根據(jù)使用條件選擇電氣系統(tǒng)針對(duì)改造的機(jī)床，確定外界使用條件，這對(duì)選擇電氣系統(tǒng)的防護(hù)性能、抗干擾性能、自冷卻性能、空氣過濾性能等可提供正確的依據(jù)，使改造后的電氣系統(tǒng)有了可靠的使用保證。當(dāng)然，電氣系統(tǒng)的選擇必須考慮成熟產(chǎn)品，以滿足當(dāng)前和今后若干年內(nèi)的發(fā)展要求等。

（4）落實(shí)參與改造人員和責(zé)任

（5）改造周期的確定

目前企業(yè)除整機(jī)采購?fù)猓绻M織專門改造機(jī)構(gòu)，在技術(shù)能力和人力資源條件都不具備的條件下，可采取外包工程形式;如果邊生產(chǎn)邊改造，改造周期估計(jì)要更長時(shí)間，不適應(yīng)市場競爭局面;較集中的改造會(huì)對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)有一定影響，但長遠(yuǎn)看應(yīng)該是比較有利的，在資金允許的情況下集中進(jìn)行改造應(yīng)該是較好的選擇。

停機(jī)改造的周期，根據(jù)各企業(yè)的實(shí)際情況確定，考慮因素有生產(chǎn)平衡情況、人員技術(shù)水平、準(zhǔn)備工作充分程度、新系統(tǒng)復(fù)雜程度，甚至還包括天氣情況等，切忌急于求成。

4.2 改造的技術(shù)準(zhǔn)備

改造前的技術(shù)準(zhǔn)備充分與否，很大程度上決定著改造能否取得成功。技術(shù)準(zhǔn)備包括：

（1）機(jī)械部分

為配合電氣改造和翻新部分而需進(jìn)行的機(jī)械大修改造的測量、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。

（2）新系統(tǒng)電氣資料消化，新舊系統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

改造前應(yīng)熟悉新系統(tǒng)的技術(shù)資料，包括系統(tǒng)原理說明、線路圖、PLC梯形圖及文本、安裝調(diào)試說明、使用手冊、編程手冊等。

根據(jù)每臺(tái)設(shè)備改造范圍不同，需事先設(shè)計(jì)接口部分轉(zhuǎn)換，若全部改造，應(yīng)設(shè)計(jì)機(jī)電轉(zhuǎn)換接口、操作面板控制與配置、互聯(lián)部分接點(diǎn)、參數(shù)測量點(diǎn)、維修位置等，要求操作與維修方便、合理，線路走向通順、中小連接點(diǎn)少，強(qiáng)弱電干擾最小，備有適當(dāng)余量等。局部改造的，還需要考慮新舊系統(tǒng)的性能匹配、電壓極性與大小變換、安裝位置、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，必要時(shí)需自行制作轉(zhuǎn)換接口。

（3）操作、編程人員的技術(shù)培訓(xùn)

提前對(duì)操作人員和編程人員進(jìn)行新系統(tǒng)知識(shí)培訓(xùn)十分重要，否則將影響改造后的機(jī)床迅速投入生產(chǎn)。

（4）確定調(diào)試步驟與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)試步驟可從簡到繁、從小到大、從外到里進(jìn)行，也可先局部后全局、先子系統(tǒng)后整系統(tǒng)進(jìn)行。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可參照國家或機(jī)械行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。

5 機(jī)床數(shù)控化改造的費(fèi)用成本及效益評(píng)估分析

每臺(tái)機(jī)床的數(shù)控化、信息化改造費(fèi)用，根據(jù)機(jī)床類型、規(guī)格型號(hào)、改造項(xiàng)目和系統(tǒng)的不同大約在數(shù)千至數(shù)十萬元不等，但國內(nèi)外實(shí)踐證明，機(jī)械行業(yè)數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生的效益是顯而易見的，是提升產(chǎn)品品質(zhì)和企業(yè)效益的必然選擇，是增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力的必由之路。

對(duì)一臺(tái)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)到什么樣的應(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(píng)估時(shí)的重要內(nèi)容。

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(píng)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)械零、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)、除屑系統(tǒng)等)維修改造；

（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)；

（8）必要時(shí)可能需要的基礎(chǔ)建造和搬遷費(fèi)用。

如受改造費(fèi)用限制時(shí)，可修改改造目標(biāo)值，降低一些次要要求以減少投入費(fèi)用。

一臺(tái)機(jī)床數(shù)控化改造成功與否，不僅需要一套高質(zhì)量的數(shù)控系統(tǒng)（包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）、符合精度等要求的機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)，以及較完善的施工，而且更需要一批高素質(zhì)的應(yīng)用人才。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)技術(shù)含量高，對(duì)應(yīng)用和維護(hù)人員的技術(shù)水平要求更高。不僅應(yīng)注重?cái)?shù)控系統(tǒng)的質(zhì)量，改造同期更應(yīng)注重使用、維護(hù)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)和引進(jìn)合適的人才。

[1]羅永順.機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]李碩,栗新.機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

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