推进机床数控化，提高军工制造水平

mejxw · 发表于 2016-11-13 22:39:00

推进机床数控化，提高军工制造水平

华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心

武汉华中数控股份有限公司

一、前言

数控技术是先进制造技术的核心技术，数控装备是保证国防和尖端工业发展的战略物资，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱。现代国防装备，舰艇、宇航、火箭、卫星装置等所用的材料非常特殊，其外形以及许多内部的零件（如发动机的叶片，导航系统中反射镜等）的形面，都是按一定理论的数学模型形成的。传统机床加工不可能达到理想的精度，非采用多轴联动具有高速、高精度的数控机床来加工不可。正因为高性能的数控机床对制造现代国防装备具有如此的重要性和必要性，西方国家对我们在先进数控机床及其重要配套技术装备的贸易中，仍然以多种方式实行限制和歧视。去年美国考克斯反华报告，就以我国进口了16台二手的四、五轴联动数控机床而叫嚷要对我国加强禁运，2000年10月14日美国参院又通过控制高技术机床出口法案，该法案将对美国出口能用于制造大规模杀伤性武器的机床的公司和个人给予严厉处罚。说明了数控机床的超越经济价值的战略物资地位。

我国机械制造业水平与发达国家相比差距很大，直接影响到产品质量与制造成本，无法参与市场竞争。为改变此落后现状，采用先进制造技术是必然趋势。由于零件的类型、形状、尺寸和用途差异很大，零件的加工批量相差悬殊，其质量和精度要求也有显著不同，因此制造业需要不同类型的数控机床，在同一类型数控机床中需要高中低档不同层次的数控机床。购买新的数控机床是提高数控化率的途径，对旧机床进行数控化改造，也是提高数控化率的重要途径。我国现有400多万台机床，数控机床占有量约占2%，这些机床的结构一般比较陈旧，操作部分复杂，控制系统落后，但如果把这些落后机床全部闲置或淘汰，全部靠购买新的数控机床去代替，必然要耗费巨额资金，显然不符合我国国情。因此，用数控这一高新技术对现有机床进行数控化改造，是一条符合国家急需与产业政策且又可行的途径，近几年，美、日、德国等先进工业国，在大量制造数控机床的同时，十分重视对机床进行数控化改造，并已形成一个新兴产业。

二、数控改造实例

武汉华中数控股份有限公司通过研究国家政策，分析国内数控市场现状与潜力，将设备数控化改造定为公司发展策略之一。“为用户着想，振兴国产数控品牌”是华中数控公司在旧机床数控改造的指导思想，长期以来，我们派出大量技术人员、销售人员深入到各类制造企业，向用户介绍华中数控系统结构、特点、可靠性情况，并主动对工厂情况进行了解、分析，提出设备改造方案，与工厂有关部门进行讨论，促进工厂对影响其产品加工关键设备进行数控化改造，多来我们先后承担近100家企业，近300台设备改造任务（主要用户见附表）。其中60%是由普通机床改为数控机床，40%原来就是数控机床，但因系统落后或运行不可靠，机床已无法正常进行运行，须重新配置新的系统，对于这类系统在改造过程中，我们不是简单的更换一套新系统，而是为用户着想，尽量满足用户要求，保留原来可用进给系统。通过进行设备改造为国家节省了逾亿元设备购置费，推进了工厂技术改造。下面是我公司在三个企业进行数控改造实例：

1、东方电机的“大型发电装备的重大关键加工设备数控化改造工程”

在东方电机公司应用华中数控系统改造机床共计15台，具体型号为：

齐一机φ2.5 m立车	2台
武重φ3.4m立车	2台
武重φ6.3 m立车	1台
C6140车床	1台
C6150车床	1台
俄罗斯15 m卧车	1台
俄罗斯10 m卧车	1台
捷克5 m卧车	1台
X5032铣床	4台（2台为4坐标）
φ160大型镗铣床	1台。

所改造的设备在东方电机公司的水轮机零件生产加工中应用良好，并成为了企业的主要生产设备，为该厂制造三峡电站机组及100MW核电机组打下了基础。此外，国产数控系统在大型设备中的应用，在国内引起了重大反响，许多企业由此树立起了对使用国产数控系统的信心，如常柴公司和南飞公司都是因为上述工作影响而成批选用华中I型系统，为国产数控系统的应用推广起到了很好的的示范作用。

2、常柴股份公司“柴油机零件生产线及模具数控加工应用示范工程”

在常柴股份公司应用华中数控系统改造机床18台，。具体型号为：

德国C630卧式加工中心	7台
德国Deckel柔性单元	4台
日本牧野仿形铣	1台
大河立式加工中心	1台
台湾龙门加工中心	1台
国产C630车床	1台
XH7640加工中心	2台
XH5660仿形铣	1台
德国Deckel DC40加工中心	1台

上述设备，用于柴油机缸体、缸盖及模具的加工，并已生产联线。此外，对模具加工的2台加工中心、2台仿形铣和龙门铣实现了网络化互接。在网络化联接中，除实现与总厂的CAD/CAM系统连接，实现加工程序的快速下载外，还可实现设备间的信息相互共享，可在加工中心上直接获得仿形铣的仿形结果，使得仿形铣数据可供多台设备使用，大大节约了昂贵的仿形铣设备购置费用。目前，这些设备运行状况良好，产生了重大经济效益，获得用户满意。

3、南昌飞机制造公司应用

在南昌飞机制造公司应用华中数控系统改造机床7台美国麦道公司二手设备进行了改造，此外配用2台国产铣床。具体型号为：

T250转塔铣	4台
数控下料铣床	1台
辛辛那提卧式加工中心	1台
德国4轴工具磨床	1台
国产300铣床	2台

该批设备有7台用于波音737-700飞机后缘肋、封闭肋，K8飞机的柜接头、墙接头、前仪表盘骨架、中（左、右）舱仪表板等结构零件加工及相关模具加工；2台小型铣床用于飞机模线样板加工及企业培训。

4、通过改造，解决的关键技术

机床改造涉及的机床设备种类多、大型设备及柔性单元控制复杂、可靠性要求高。此外，许多进口旧设备资料不全，特别是要求局部改造时，其改造复杂度大和工程工作量大。为此，针对各种设备的特点和原系统存在的不足之处，对华中I型进行了开放化和功能扩充，同时进行工程化开发，使系统功能得到发展，系统可靠性得到提高。此外，除完成数控改造工作外，还结合企业生产，进行了相应加工工艺研究，使数控设备能得到良好应用，受到了企业的欢迎。

在技术研究方面，主要解决了以下几方面的关键技术：

1）大型设备的数控系统技术

（1）大型设备控制中的抗干扰和信号长线传输技术

在伺服驱动方面，开发了RS－422数字伺服通讯，克服了交流伺服的长线干扰；在系统强电方面，开发了 RS－485远程接口，提高了传输可靠性，并使数控系统连线极大简化。此外，进一步将网络技术引入到控制中，对操作按钮站与电柜以局域网连接，简化系统的联线。

（2）大型设备的远程操作控制和图形显示跟踪技术

采用前后台双机结构，前台用于伺服控制，后台进行操作控制，避免了大型机床的软、硬盘操作及普通VGA传输距离过长问题；设计了以数字通讯方式的远程操作盒，避免了长距离的信号干扰问题；

（3）大型设备的机械传动间隙和传动误差补偿技术

考虑到大型机床的丝杆误差大，开发了双向补偿方式，并将补偿点扩展至1024点，较好地满足了大型设备的要求。

（4）大型设备的双立柱运动同步控制技术

龙门式大型设备的两个立柱需要同步运行。为此，开发了光栅尺接口和基于光栅尺全闭环的立柱双同步控制技术，通过软件技术对两个立柱运动进行比较控制，实现同步控制。

（5）大型零件的装夹找正和对刀调整补偿技术

为解决大型零件的装夹、找正困难的问题，减少加工辅助准备时间，在华中I型上扩充了测量功能，可配用触发式测头进行在线测量，方便零件的加工找正。

2）曲面加工数控加工技术

（1）复杂曲面多轴联动数控编程加工

针对复杂的水轮机模型叶片，结合改造的四坐标数控铣床，配套开发了其叶片加工数控编程系统，使东方电机原在进口五轴机床加工的叶片，可在四轴机床上进行。

此外，大型水轮机叶轮五坐标加工十分复杂，且效率不高，该厂的大型叶轮加工一件约需半年（使用的五坐标大型铣床为426万美元，且加工软件为引进）。为此，在前期合作的基础上，东方电机还进一步与项目组合作，研究大型叶片五轴加工的优化问题。

（2）数控机床和CAD/CAM的网络化集成

开发了数控系统的网络化技术。在常柴公司的模具加工车间中，利用Internet技术，使数控机床可以方便联网，使总厂CAD/CAM和分厂模具车间实现异地信息共享，可使CAD/CAM工作站的加工程序直接传送至数控机床。此外，由于是网络化连接，还实现了机床间的信息共享，可使仿形铣的数字化信息直接传于其它数控机床加工，充分发挥仿形铣的使用效率，从而减少昂贵的仿形机床的配备。

（3）数控系统海量程序的连续加工技术

模具加工特别是数字化仿形信息十分庞大，常规CNC无法容纳，需要分块加工或以DNC来进行程序储存和加工服务。为此，结合PC的大容量硬盘，开发了海量程序的连续执行技术，可对大至2Gb的零件程序实现直接加工，极大地方便了模具加工。

系统可靠性和工程化技术

3）柔性单元和数控生产线控制技术

通过对带托盘和上下料机构的4台Deckel柔性单元改造，了解了柔性单元的控制特点，并基本掌握了控制技术；

配合常柴公司，通过对柴油机典型零件工艺的分析，使用8台卧式加工中心，构成了柴油机缸体、缸盖零件的生产线；

通过成批改造机床，并在生产中运行，对系统暴露出来的不足问题进行了不断改进，特别是对伺服驱动部分进行了大的改型设计，使系统的软硬件不断完善，可靠性不断提高。目前，已基本掌握系统可靠性技术，实现了生产中的稳定运行，获得了用户满意，并认为：国产数控的可靠性有了很大进步，与国外产品相比差别已经不大，已经可以接受使用。

三、 数控化改造效益

1、设备的数控化改造，提高了机床性能和质量，为工厂产品创新创造加工条件，增强了企业的生产能力。

例如常柴股份公司1974年从日本牧野公司引进一台用于模具加工的仿型铣床，其控制系统是分立元件组成，X、Y、Z轴驱动采用的是液压脉冲马达，由于年代久远，分立电子元件均已严重老化，故障频繁，维修困难，没有被件，尤其是仿型测头更是难以“伺候”；经过我公司改造后，该机床可实现三种加工方式。1.数控加工；2.边仿形边加工；3. 边仿形，边加工，边记录数据，机床的性能和加工范围大大扩大，投入使用后，机床使用正常，性能稳定，效率大为提高，为工厂新产品开发、生产了很多磨具。又如东方电机股份公司2.5、3.4、6.3立式车床经过改造后，除满足普通端面和外径切削外，对于一些异形面，如锥面、圆弧面、内外球面和各种流线型回转面都可进行加工，大大扩大了机床应用范围。

据初步统计，东方电机公司所投产的15台设备，可形成年产值3800万元的数控加工能力；常柴股份公司的加工线，可形成缸体、缸盖零件6000件，年产值为3200万元的生产能力，由仿形铣和加工中心网络化后组成的模具加工系统，可实现年产柴油机零件模具30余套、产值1500万元；南飞公司所改造的二手数控设备，可形成年产值800余万的飞机零件加工能力。

2．设备的数控改造，可以有效提高工件加工精度和效率。

经过数控改造后的机床其加工精度和效率比原有都大为提高，大大提高了加工质量和效率，东方电机厂的大型设备改造，为其三峡电站机组、100MW核电机组制造、提高出口机组质量提供了良好加工手段。如大型水轮机的泄水锥原在普通立车上加工需60小时/件，型面误差达2mm。6.3立车改造后，加工球体轴承座零件S900，其直径偏差在0.03mm以内，远远满足原零件规定直径偏差0.09mm的要求，过去加工此零件需120小时（包括打磨处理），而机床改造后加工时间减少到20小时（不需打磨），仅此提高效率6倍。

在常柴公司的应用中，其改造的加工线在柴油机缸体、缸盖生产中，可大大提高生产效率和质量，可提高工效50-80%并降低废品率，且可减少产品换型的生产准备时间；所改造的日产仿形铣，2年来加工了柴油机模具几十套，还还加工了华宝空调的模具，共创产值3000多万。

3．设备的数控改造，产生显著效益。

机床的数控化改造，产生的经济效益从两个方面来看，一是节省购置同类数控设备资金，一是改造后机床能发挥作用，特别是重型、专用机床更为明显，如购买一台15m数控卧车价值2000万，一台φ6.3m数控立车价值1000多万，据在东电、常柴、南飞三个企业的初步统计，数控改造为企业节约了设备购置费用达9645万元。

（1）东方电机厂

东方电机厂共数控改造15台，其改造及节约费用如下表。

设备类型	新购费	改造费	节约购置费
5台大型设备(15 m和10m卧车、6.3m立车等)	5000万	450万	4550万
6台中型设备（5m卧车、2.5m立车等）	1700万	300万	1400万
4台普通设备（三、四坐标铣床）	240万	80万	160万
合计	6940万	830万	6110

注：上述费用不包括机床原值

（2）常柴股份公司

在常柴公司共改造设备15台，配新机床3台。改造及节约费用如下表：

设备类型	新购费	改造费	节约购置费
4台柔性单元	1200万	160万	1040万
7台进口加工中心	1400万	245万	1155万
4台仿形铣、龙门铣等	700万	100万	600万
合计	3300万	505万	2795万

注：上述费用不包括机床原值

（3）南昌飞机制造公司应用

在南昌飞机公司共改造7台，新机床2台。其改造的节约费用见下表：

设备类型	新购费	改造费	节约购置费
4台转塔铣	400万	80万	320万
卧式加工中心	160万	25万	135万
下料铣及工具磨	300万	50万	255万
合计	860万	145万	715万

注：上述费用不包括机床原值

4．设备的数控改造，树立起了对使用国产数控系统的信心

国产数控系统在大型设备中的应用，在国内引起了重大反响，许多企业由此树立起了对使用国产数控系统的信心，如常柴公司和南飞公司都是因为上述工作影响而成批选用华中I型系统，为国产数控系统的应用推广起到了很好的的示范作用。

四、体会

机床数控化是一个系统工程，为取得成效，我们有以下体会：

1、进行数控化改造，必须与为企业培养数控技术人才，提高工厂应用数控机床的水平，同步进行。

我们在进行数控化改造时，从提高民族数控产业，振兴中国数控产业出发，坚持改造机床与人才培养相结合方针，一般情况下要求厂方派人到公司学习，在有条件的工厂，举办各层次的培训班，如为东方电机股份公司举办两期数控技术培训班，为常柴股份公司培养了一批技术人员，这些人员熟悉本厂情况，通过它们大大推进了工厂应用数控的决心与信心。

2、数控系统应有开放性，便于用户进行二次开发

华中数控系统具有柔性好，高性能、低价位、易使用、高质量、多品种、易开发的特点，华中数控系统以工业微机作为硬件平台的开放式体系结构，充分利用PC软、硬件的丰富资源，使得系统的使用、维护、升级和二次开发非常方便。系统硬件可靠性得到保证。华中数控以软件创新，用单CPU实现了国外多CPU结构的高档系统的功能。可进行多轴多通道控制，其联动轴数可达到9轴。可实现高速、高精和高效的曲面加工。华中数控系统配套功能完整，采用汉字菜单操作，并提供在线帮助功能和良好的用户界面。系统提供宏程序功能，具有形象直观三维图形仿真校验和动态跟踪，使用操作十分方便。公司除生产各类数控系统外，还具有全系列的交流伺服驱动单元、伺服电机、主轴电机的生产能力，同时在CAD/CAM技术等方面也处于国内前列，是国内综合配套能力较强的单位。

3、用户厂应与数控改造商紧密合作

改造一台机床，技术上涉及到机、电、液，组织管理上涉及到承担改造任务企业与用户厂，在用户厂内部又涉及行政主管部门（如工厂总师办、设备科）与机床所在车间等关系，这些关系都必须处理好，由于改造过程中发生问题有时是预测不到的，因此容易出现矛盾，此时必须冷静加以分析，找出问题，主动予以解决，切忌互相埋怨。

4．认真分析，慎重决策

并不是所有的旧机床都适合于改装成数控机床。衡量是否合适的主要标准是机床现有状况，以及改装的经济型。

决定改造方案是进行数控化改造最重要一环，我们主要从主传动、进给传动机械部分改造以及数控系统三个方面进行分析及方案制定。