建材机械制造业机床数控化改造刍议

马孝直，毕天祥，王友亮

建材机械制造业机床数控化改造刍议

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

马孝直，毕天祥，王友亮

1 建材机械企业现状

目前建材机械企业的生产、加工装备绝大多数还是上个世纪二三十年代水平的传统机床，役龄基本都在10年以上,且超过折旧期，靠经常性维修维持运转，用这种装备加工的产品普遍存在质量差、档次低、成本高、供货期长等问题，直接影响企业的产品市场、经济效益乃至生存和发展。

以有代表性的华东某建材机械企业为例，该企业有重点设备69台套，其中：

起重设备（起重量大于50t）5台；自制设备15台（基本是半自动埋弧焊、筒体车床、打孔机床等关键设备）。

各类通用加工设备49台套，其中数控设备仅4台（国产经济型气割设备3台，卷板机1台），金属切削机床则无一台是数控类型。使用10年以上设备约占76%，使用20年以上设备约占42%。随着高端产品技术的提高，这样的设备已不适应产品质量和产量的提高。

由于企业不具备加工手段和能力，许多关键件、重点件只有依靠外协加工，使最具技术含量加工项目的利润大量流失，甚至造成有些产品生产亏损。

即使企业自行承担的加工件，由于机床老化，精度低下，对尺寸精度、表面粗糙度、型位公差要求较高的零件也是勉为其难，往往造成下道工序大量返工，以致用户现场反馈质量问题，给用户和企业都造成损失。另外由于机床性能单一，有些零件加工只好大马拉小车，加大了制作成本。

外协加工还造成运输费用和加工费用大量消耗，仅此项每年大约耗资上千万之巨，而且不利于控制核心技术，不利于控制质量和生产周期，严重影响企业的技术竞争力、生产经营计划的执行和科学管理，不适应用户的交货要求，企业形象也受到损害，影响企业长远效益。

2 进行信息化、数控化改造的必要性

由于经济和技术的快速发展，机械行业市场竞争凸显。近几年我国机械行业进入一个装备数控化、信息化的快速换代提升期，因为这是解决产品加工品质、缩短生产周期、提高企业效益和市场竞争力的有效途径之一。

微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性正是企业解决上述生产瓶颈的有效途径之一。

（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

（2）可以实现加工的自动化，效率比传统机床提高3～7倍。数控机床可以将输入的程序记忆和存储下来，从而使单件和小批生产得以自动化，尤其适合建材机械的生产。

（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，互换性好，装配容易。

（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运和装卡。

（5）系统拥有自动监控报警、自动补偿等多种功能，可减少人为误差。

由此可降低工人的劳动强度，节省劳动力，减少工装数量，提升产品品质，缩短新产品试制周期和生产周期，对市场需求作出快速反应等。

目前，在国家节能减排等政策的推动下，国内水泥等建材生产装备技术不断提升，对国际建材机械市场出口量也在不断扩大，仅靠原有技术装备已不能完全满足市场发展要求，而数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，离开数控技术，先进制造技术就成了无本之木。此外，机床数控化也是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础，这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%，我国建材机械制造业机床的数控化率到目前仍处于起步阶段，所以有必要大力提高设备的数控化率，而且设备信息化的提升必然推动人力资源素质的提高，用较少投入换取企业长期全面的发展是值得的。

3 数控技术改造的范围、内容及相关的问题

根据建材机械生产特点，机械加工机床范围的数控化改造，大致可考虑如下范围：

对已没有改造价值较陈旧的设备可自然淘汰，少数较完好的大型、关键设备，可适当进行数显改造，提升效率，提高加工质量，缓解大件加工的瓶颈；较新的机床，尤其使用价值较大的设备可考虑进行经济型数控改造；有些机床的数控电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围，对影响生产进度和质量的环节要适当加大投入，争取以较少的投入达到效益最大化。另外，无论机床数控改造还是数控机床操作，人力资源的配套是不可忽视的，否则不会有一个完美的结果。

仅就机床的数控化改造来说，主要内容有以下几点：

其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是数字化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成数显机床、数控机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对不满足生产要求的控制系统以最新数控系统进行更新；其四是技术更新或技术创新，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高性能水平和档次。

数控化改造的优缺点：

（1）减少投资额、交货期短

同购置新机床相比，一般可以节省60%～80%的费用，改造费用低，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，而且交货期短。

改造成本与机床完好程度成正比，役龄较长的设备要投入较大改造费用用于恢复机床精度和性能，否则达不到预期改造目的，失去改造数控机床的意义。

（2）机械性能稳定可靠，但结构受限

所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

（3）熟悉了解设备、便于操作维修

购买新设备往往熟悉性能要有一定过程，改造则可以精确地计算出机床的加工能力；另外，操作者对机床的特性容易了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。

（4）可充分利用现有的条件

可以充分利用现有地基，购入新设备则需重新建造地基。

（5）可以采用最新的控制技术

可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今较高水平的机床。

4 改造的时机及时间

按市场经济的要求和企业目前状况，改造的时间应是越早越主动，但为保证基本的生产经营秩序，也只能是循序渐进，边生产边改造，急用先改，有闲置机会的伺机先改，并结合产品生产瓶颈适时增添新设备，不为改造而改造，以达到生产平衡为目标，可大致作如下安排：

4.1 确定改造方案

改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般应做到以下内容：

（1）先易后难、先局部后全局

（2）机械修理与电气改造相结合

（3）根据使用条件选择电气系统针对改造的机床，确定外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，以满足当前和今后若干年内的发展要求等。

（4）落实参与改造人员和责任

（5）改造周期的确定

目前企业除整机采购外，如果组织专门改造机构，在技术能力和人力资源条件都不具备的条件下，可采取外包工程形式;如果边生产边改造，改造周期估计要更长时间，不适应市场竞争局面;较集中的改造会对当前生产有一定影响，但长远看应该是比较有利的，在资金允许的情况下集中进行改造应该是较好的选择。

停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产平衡情况、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统复杂程度，甚至还包括天气情况等，切忌急于求成。

4.2 改造的技术准备

改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括：

（1）机械部分

为配合电气改造和翻新部分而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。

（2）新系统电气资料消化，新旧系统接口的转换设计

改造前应熟悉新系统的技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。

根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当余量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。

（3）操作、编程人员的技术培训

提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。

（4）确定调试步骤与验收标准

调试步骤可从简到繁、从小到大、从外到里进行，也可先局部后全局、先子系统后整系统进行。验收标准可参照国家或机械行业相关标准制定。

5 机床数控化改造的费用成本及效益评估分析

每台机床的数控化、信息化改造费用，根据机床类型、规格型号、改造项目和系统的不同大约在数千至数十万元不等，但国内外实践证明，机械行业数控等先进技术的应用，产生的效益是显而易见的，是提升产品品质和企业效益的必然选择，是增强企业市场竞争力的必由之路。

对一台具体设备是否需要进行数控改造、改造目的、希望能达到什么样的应用指标、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。

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）机床机械零、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、除屑系统等)维修改造；

（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；

（8）必要时可能需要的基础建造和搬迁费用。

如受改造费用限制时，可修改改造目标值，降低一些次要要求以减少投入费用。

一台机床数控化改造成功与否，不仅需要一套高质量的数控系统（包括驱动系统）、符合精度等要求的机床机械系统，以及较完善的施工，而且更需要一批高素质的应用人才。因为数控系统技术含量高，对应用和维护人员的技术水平要求更高。不仅应注重数控系统的质量，改造同期更应注重使用、维护数控系统的技术培训和引进合适的人才。

[1]罗永顺.机床数控化改造技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]李硕,栗新.机械制造工艺基础[M].北京：国防工业出版社，2006.

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吕 光