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      摘要: 磨床數(shù)控化改造是一種基于資源循環(huán)利用的制造新模式。文章在數(shù)控磨床的設(shè)計理念、方法以及磨床改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以磨床數(shù)控化改造可行性為研究對象，建立一種基于專家經(jīng)驗知識的磨床數(shù)控化改造綜合評估方法模型，提出一種可行性的量化方法，并將這種方法應(yīng)用到MA1320 /H的數(shù)控化改造過程中，為MA1320 /H 的設(shè)計制造提供了理論支撐，結(jié)果表明改造后的磨床節(jié)約成本30%以上，且性能及穩(wěn)定性超過原有舊機床。

     關(guān)鍵詞: 磨床; 數(shù)控化改造; 可行性; 量化方法

      0 引言

      普通磨床數(shù)控化改造是一個充分運用綠色制造技術(shù)和其它先進制造技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控及自動化技術(shù)等高新技術(shù)對普通磨床進行可改造度評價、拆卸以及創(chuàng)新性再設(shè)計、再制造、再裝配的過程［1］。其目標(biāo)是充分利用現(xiàn)有磨床資源，改造后的磨床功能更強、性能在指標(biāo)更優(yōu)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用和磨床質(zhì)量跨越式提升。目前，我國存在大量的普通磨床床迫切需要數(shù)控化改造，市場前景廣闊［2］。

     圖1 磨床數(shù)控化改造可行性量化評價總體框架

     1． 1 可行性評估指標(biāo)及量化

     分析磨床數(shù)控化改造須從零部件通借用、再加工、性能升級、再裝配以及再使用等生命周期過程進行綜合考慮。對普通磨床的數(shù)控化改造度進行評定，首先需確定數(shù)控化改造度評價指標(biāo)體系。在對磨床數(shù)控化改造行業(yè)調(diào)研分析獲取數(shù)據(jù)及案例進行綜合的基礎(chǔ)上，可得出可行性評估主要從技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性兩個方面來考慮。可行性評估指標(biāo)如表1 所示，可行性評估指標(biāo)主要由技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性兩部分組成。

                              表1 可行性評估指標(biāo)表

     1． 1． 1 技術(shù)可行性評估指標(biāo)及量化

     相比于機床制造過程，技術(shù)可行性在機床數(shù)控化改造方面顯得尤為重要，因為技術(shù)可行性是獲得用戶肯定的首要因素［4］。技術(shù)可行性應(yīng)該從改造工藝過程的各個階段進行考慮，包括零部件通借用可行性、整機性能升級可行性、再裝配簡易性等。

     ( 1) 零部件通借用可行性

     零部件通借用是數(shù)控化改造過程的第一步，是重新進入改造工藝過程的基礎(chǔ)與前提。零部件通借用可以為磨床的改造節(jié)省大量重新設(shè)計的時間，而零部件的通借用一般由專家在重新設(shè)計前從磨床的整體結(jié)構(gòu)、連接方式、零部件類型及數(shù)量等方面對其進行評定。為了簡化以及定量化零部件通借用可行性，可以將零部件分為三種類型: 直接借用型、再加工可用型及不可借用型。為了降低該指標(biāo)的量化難度，主要由專家評判通零部件借用程度來評定。評判結(jié)果x1可分為{ A，B，C} ，分別對應(yīng)的指標(biāo)值為{ 0. 95， 0. 65， 0. 40} 。

     ( 2) 整機性能升級可行性

     隨著客戶對磨床加工精度、自動化水平、能效水平等性能要求的越來越高，僅僅將數(shù)控系統(tǒng)安裝應(yīng)用在普通磨床上已不能滿足客戶需求，而需要通過各類高新技術(shù)對普通磨床進行功能及性能提升［5］。為了使該指標(biāo)可量化，主要通過衡量磨床精度提升來評判該性能提升的可行性。表2 是衡量磨床精度的諸項指標(biāo)向量表。A 表示數(shù)控化改造磨床精度指標(biāo)值構(gòu)成的向量，B 表示普通磨床對應(yīng)的出廠標(biāo)準(zhǔn)各精度指標(biāo)值向量，D 為精度指標(biāo)比較向量，定義C 為精度評價指標(biāo)矩陣。

     衡量精度等級評語一般分為較好、好、一般、差、很差。精度評價指標(biāo)表如表3 所示，其中的界限值主要通過工業(yè)實踐與專家經(jīng)驗來確定。

     對數(shù)控化改造磨床的精度進行綜合評價，精度評價指標(biāo)值為x2，x2 = C* P，其中，“* ”代表矩陣數(shù)量乘，P = { p1，p2，…，pl，…，pm} 為各項指標(biāo)的權(quán)重構(gòu)成的矩陣，p l表示第l 項指標(biāo)cl的權(quán)重系數(shù)，其中p1 +p2 +… + pl +… + pm = 1。

     ( 3) 再裝配簡易性

     將零部件裝配一臺磨床而同時保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素取決于再裝配的簡易性［6］，花費在再裝配流程上的時間越短，成本就會越低。由于再裝配的工藝過程的不確定性，評定再裝配的簡易性很難定量分析，只能通過專家評定方法來進行定性描述。將x3的評價結(jié)果分為{ A，B，C，D} ，分別對應(yīng)的指標(biāo)值為{ 0. 9，0. 75， 0. 60， 0. 45} 。
基于以上對技術(shù)可行性中零部件通借用可行性、整機性能升級可行性及再裝配簡易性三個指標(biāo)的分析，可得出數(shù)控化改造磨床技術(shù)可行性的評價值A(chǔ)，A = x1m1 + x2m2 + x3m3。其中m1、m2、m3分別代表x1、x2、x3的權(quán)重值，可通過層次分析法來確定。

     1． 1． 2 經(jīng)濟可行性指標(biāo)及量化

     對于機床制造企業(yè)而言，實施數(shù)控化改造的最主要目的是獲取可觀的經(jīng)濟收益［7］。機床的附加值越高，經(jīng)濟效益就會越顯著［8］。機床附加值越大、改造成本越低，經(jīng)濟可行性越好，改造度就會越高［9］。磨床數(shù)控化改造也遵循這一規(guī)律，同時還具有顯著的間接經(jīng)濟效益，可節(jié)約客戶大量的設(shè)備資金投入，交貨期縮短一半，而性能超出原有磨床。理論上間接經(jīng)濟效益也同樣較難評定，因此本文主要從數(shù)控化改造成本方面來判定經(jīng)濟可行性。

     實施數(shù)控化改造的成本y 主要由數(shù)控系統(tǒng)費用和改造過程費用兩部分構(gòu)成，客戶計劃為數(shù)控化改造承擔(dān)的價格為q。磨床經(jīng)濟可行性評價的指標(biāo)值B( 見公式1) 可以通過我們可以建立q 與y 之間的一個關(guān)系函數(shù)y = q·f，其中，當(dāng)f≤1 時，磨床將獲利; 然而當(dāng)f ＞ 1 時，將很難獲取收益。其中，B 的值介于0 ～ 1 之間，式中的界限值主要根據(jù)專家實踐經(jīng)驗而確定。

     1． 2 指標(biāo)權(quán)重的確定

     為了確定各個評價指標(biāo)的評價值，各個指標(biāo)的相對權(quán)重應(yīng)該首先確定。文中將應(yīng)用層次分析法確定各個指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是一種將決策相關(guān)元素分解多層次，并進行定性和定量分析的決策方法［10］，當(dāng)進行方案選擇時，多使用決策分析法［11］。由于用于確定指標(biāo)權(quán)重的唯一信息或知識來源是專家的經(jīng)驗，權(quán)重值由這些專家的反映所決定。

     通過層次分析法來確定各個指標(biāo)權(quán)重有四個步驟，第一是建立層次分析模型; 第二是建立優(yōu)先級判斷尺度; 第三是建立判斷矩陣; 第四是各指標(biāo)相對權(quán)重值的確定。首先，針對技術(shù)可行性指標(biāo)權(quán)重確定問題，建立層次分析模型，如圖2 所示。

     其次，建立優(yōu)先級判斷尺度，如表4 所示。

                             表4 判斷尺度比較表

     然后根據(jù)判斷尺度表，由專家對各指標(biāo)進行兩兩比較，建立判斷矩陣如表5 所示。

                                    表5 判斷矩陣表

     最后，各指標(biāo)的權(quán)重值通過層次分析法確定，結(jié)果M = { 0. 260， 0. 376， 0. 360}1． 3 MA1320 /H 數(shù)控化改造舉例在某機床生產(chǎn)企業(yè)一臺MA1320 /H 采用傳統(tǒng)的繼電器進行邏輯控制，控制技術(shù)落后，但是機械精度高，公司決定對其進行數(shù)控化改造。再改造前必須認(rèn)真合理的評價其數(shù)控化改造度。下面是對該機床數(shù)控化改造的詳細(xì)分析過程。

     1． 3． 1 技術(shù)可行性分析

     首先對MA1320/H 普通外圓磨床的技術(shù)可行性進行分析，以確保其可通過各種先進技術(shù)進行性能提升。基于上節(jié)中提出的評價指標(biāo)量化方法對技術(shù)可行性各個指標(biāo)進行量化，可得到技術(shù)可行性評價結(jié)果，如表6 所示。

      MA1320 /H 普通外圓磨床數(shù)控化改造的技術(shù)可行性可通過式A = x1m1 + x2m2 + x3m3，計算得出，A =0. 84 × 0. 260 + 0. 96 × 0. 376 + 0. 90 × 0. 360 = 0. 903，滿足A≥0. 6，根據(jù)評價結(jié)果，該磨床數(shù)控化改造的技術(shù)可行性較好，可進入下一步。

      1． 3． 2 經(jīng)濟可行性分析

     對其實施改造具有較好技術(shù)可行性的MA1320 /H進行經(jīng)濟可行性評價后，計算改造成本以確保磨床有利潤。MA1320 /H 普通外圓磨床數(shù)控化改造的改造成本15 萬，隨后，我們假設(shè)20 萬作為客戶的價格對改造磨床的成本分析可知，f = 15 /20 = 0． 75( f≤1) 經(jīng)濟可行性評價值B =1。這表示改造后的磨床具有較好的經(jīng)濟可行性，制造企業(yè)可獲取較大的利潤，經(jīng)濟效益顯著。

      1． 3． 3 結(jié)論

      MA1320 /H 普通外圓磨床具有較好的數(shù)控化改造度，改造后的MA1320 /H 保留了機械本體，數(shù)控系統(tǒng)采用國產(chǎn)開通數(shù)控的KT630 系統(tǒng)，由于其控制系統(tǒng)功能強，能根據(jù)加工要求，實現(xiàn)手自動磨削、砂輪可手自動成型修整并自動補償?shù)裙δ堋Ｊ褂脟a(chǎn)開通數(shù)控，同樣能夠滿足精度的要求，較一些進口的數(shù)控系統(tǒng)降低了采購成本，經(jīng)濟可行性高。通過對MA1320 /H 數(shù)控化改造，增強了其可靠性，提高了該磨床的自動化程度。設(shè)計裝配及試加工跟蹤數(shù)據(jù)表明改造后的磨床節(jié)約成本30%以上，且機床性能及穩(wěn)定性超過原有舊機床。

     2 、結(jié)束語

     本文以經(jīng)濟性、技術(shù)性的磨床數(shù)控化改造方案綜合評價指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，提出一種磨床數(shù)控化改造可行性量化方法，將這種可行性量化方法應(yīng)用在普通外圓磨床MA1320/H 的數(shù)控化改造過程中，收到良好的應(yīng)用效果。對于磨床數(shù)控化改造產(chǎn)業(yè)，將這種量化方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中，是該產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的迫切需求，可為我國磨床改造產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展提供理論技術(shù)支撐。