1. Einleitung. Erfahrungsgemäß beträgt die effektive Nutzungsdauer einer CNC-Werkzeugmaschinenanlage 6–8 Jahre. Aufgrund der rasanten Entwicklung der Elektronik ersetzen weltweit renommierte CNC-Systemhersteller ihre Produkte in der Regel alle 3–5 Jahre. Daher ist es nach 6–7 Jahren Nutzung schwierig, Ersatzteile zu beschaffen, selbst wenn eine Reparatur erforderlich ist. Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Fertigungstechnologie ist der Anteil von CNC-Systemen und zugehörigem Zubehör (Servoeinheiten, Motoren usw.) am Gesamtpreis der Werkzeugmaschine gesunken. Beispielsweise betrug dieser Anteil in den 1970er-Jahren 50 % und sank nach den 1980er-Jahren allmählich auf weniger als ein Drittel bis ein Viertel. Bei einigen großen Werkzeugmaschinen beträgt er nur noch etwa ein Zehntel. Daher können viele wichtige Anlagen mit geringen Investitionen wieder in einen funktionsfähigen Zustand versetzt werden. In den letzten Jahren mussten in China über 100.000 konventionelle Maschinen und über 4.000 ältere CNC-Werkzeugmaschinen auf CNC-Systeme umgerüstet werden. Wenn die Finanzierung für diese Modernisierung gesichert werden kann, entsteht ein riesiger Markt mit einem Volumen von mehreren Milliarden Yuan. Daher sollten wir in der Maschinenbauindustrie, insbesondere im Werkzeugmaschinenbau, unsere technischen Stärken voll ausschöpfen, um den Markt schnell zu erobern und zur rasanten Entwicklung der Volkswirtschaft beizutragen. Basierend auf meiner Erfahrung in verschiedenen CNC-Nachrüstungsprojekten des Pekinger Werkzeugmaschinenforschungsinstituts möchte ich Ihnen einige Erkenntnisse mitgeben. 2. Machbarkeitsanalyse von CNC-Nachrüstungsprojekten: Ob eine bestimmte Anlage eine CNC-Nachrüstung benötigt, der Zweck der Nachrüstung, die angestrebten Anwendungsindikatoren, der erforderliche finanzielle und personelle Aufwand, die Anzahl der Risikofaktoren im Nachrüstungsprojekt und das endgültige Preis-Leistungs-Verhältnis sind wichtige Aspekte der Machbarkeitsanalyse. Nach einer gewissen Nutzungsdauer kommt es bei alten Anlagen unweigerlich zu häufigen Störungen, schwieriger Wartung, geringerer Produktionseffizienz, instabiler Bearbeitungsgenauigkeit und sogar zum Totalausfall. Sollte eine solche Anlage komplett verschrottet oder einer Generalüberholung und CNC-Nachrüstung unterzogen werden? Vor dieser Entscheidung muss die verbleibende Nutzbarkeit der vorhandenen Ausrüstung geprüft werden. Ein Bearbeitungszentrum besteht beispielsweise im Wesentlichen aus folgenden elektromechanischen Komponenten: ① CNC-System und Bediener; ② Servosystem (einschließlich Motoren); ③ elektrisches System der Werkzeugmaschine; ④ Maschinenkörper (Bett, Säule, Führungsschienen, Gewindespindeln usw.); ⑤ Werkzeugmagazin und Roboterarm; ⑥ automatischer Tischwechsler (APC) usw. Jedes Teilsystem kann anhand seines Zustands auf seinen Restwert hin bewertet werden. Ein über 20 Jahre altes CNC-System kann beispielsweise ohne Ersatzteile nicht mehr überholt werden, sein Restwert beträgt also null. Abhängig vom Verschleiß des Servosystems sollten nach einer Überholung über 50 % seines Restwerts angestrebt werden, falls es weiterverwendet werden soll. Im Hinblick auf die Kompatibilität mit dem neuen CNC-System und die angestrebten besseren Servoeigenschaften kann das alte Servosystem jedoch auch dann komplett ersetzt werden, wenn es nicht vollständig defekt ist oder nur noch eine geringe Restlebensdauer hat. Damit ist der Restwert des Servosystems ermittelt. Der Restwert der mechanischen Komponenten macht in der Regel einen hohen Anteil aus. Zahlreiche Ingenieurpraktiken zeigen, dass der Verschleiß an den wichtigsten mechanischen Komponenten einer hochwertigen Werkzeugmaschine gering ist. Wir haben zwei amerikanische horizontale Bearbeitungszentren aus den späten 1970er Jahren modifiziert. Das eine hatte einen Verfahrweg in X-Richtung von 1,5 m, das andere von 2,5 m. Die Geradheit und Torsion der Führungsbahnen konnten auf 0,008 mm/1000 mm eingestellt werden, und die Führungsbahnen selbst mussten nicht nachgeschliffen werden. Zwei vertikale Bearbeitungszentren, die vor über acht Jahren von unserem Institut gefertigt wurden, wurden kürzlich nach mehr als sechs Jahren Dauerbetrieb im 24-Stunden-Betrieb im Zwei- bis Dreischichtbetrieb beim Kunden zur Generalüberholung zurückgebracht. Messungen ergaben, dass die Geradheit einer ein Meter langen Führungsbahn nur um 0,003 mm abgenommen hatte. Die Verschleißteile des Werkzeugmagazins des Roboterarms konzentrieren sich auf wenige Komponenten (wie Greifer und Stifte), und selbst bei einem Austausch sind die Kosten gering. Daher haben mechanische Teile einen hohen Restwert. Typischerweise liegt der Restwert einer Anlage bei über 60 % für die mechanischen Teile und bei 20 bis 50 % für die elektrischen Teile. All diese Faktoren sollten bei einer Modernisierung berücksichtigt werden. Im zweiten Schritt werden die Zielwerte für die modernisierte Anlage festgelegt, d. h. welche Genauigkeit und Leistung der Werkzeugmaschine erreicht werden sollen. Manche argumentieren, dass die vorgeschlagenen Modernisierungsziele an den Prüf- und Abnahmestandards vergleichbarer neuer Werkzeugmaschinen ausgerichtet werden sollten, einschließlich Anforderungen an die optische Qualität – ein Argument, das durchaus seine Berechtigung hat. Es ist jedoch entscheidend zu bedenken, dass es sich bei der zugrunde liegenden Anlage um eine alte, defekte Maschine handelt; zu hohe Zielvorgaben würden die Kosten zwangsläufig erheblich erhöhen. Die Kombination der CNC-Modernisierung mit den geplanten mittelfristigen und grundlegenden Überholungsmaßnahmen ist sinnvoller und führt zu besseren Ergebnissen. Daher führt die Vernachlässigung der mechanischen, elektrischen, hydraulischen und optischen Aspekte des angestrebten Werts nach der Modifizierung und die fälschliche Betrachtung als bloßer Austausch eines elektrischen Systems unweigerlich zu einer Vielzahl von Problemen. Nach Festlegung des Modifizierungswerts müssen die erforderlichen finanziellen und personellen Ressourcen abgeschätzt, d. h. die Investition bewertet werden. Die Investitionshöhe ist eng mit dem Umfang des Modifizierungsziels verknüpft. Die Modifizierungskosten setzen sich im Wesentlichen aus folgenden Posten zusammen: ① CNC-System und zugehörige Servosysteme; ② Austausch elektrischer Komponenten und Zubehörteile der Werkzeugmaschine; ③ Präzisionsreparatur und -wartung mechanischer Komponenten der Werkzeugmaschine; ④ Wartung von Hilfssystemen der Werkzeugmaschine (z. B. Hydraulik- und Kühlsysteme); ⑤ Verbesserung der optischen Qualität der Werkzeugmaschine; ⑥ Inbetriebnahme und Tests nach der Modifizierung; ⑦ Technische Arbeitskosten für die Werkzeugmaschinenmodifikation. Bei begrenzten Renovierungskosten ist es üblich, die Renovierungsziele anzupassen und kleinere Anforderungen zu reduzieren, um die Investition zu senken. Nach den drei oben genannten Arbeitsphasen ist der Sanierungsplan für eine Anlage im Wesentlichen abgeschlossen, jedoch muss eine Risikobewertung durchgeführt werden. Selbst mit der umfassendsten technischen Dokumentation können alte Werkzeugmaschinen, insbesondere Hightech-Anlagen, versteckte Gefahren und unvorhergesehene Faktoren bergen. Bei der Erstellung eines Sanierungsplans ist es unmöglich, den aktuellen Zustand der Anlage vollständig zu analysieren oder präzise Testdaten zu erheben. Daher treten während des Sanierungsprozesses unweigerlich unerwartete Probleme auf. Für diese Probleme muss die zuständige Abteilung eine Risikobewertung durchführen und auf Basis ihrer technischen Erfahrung und der Untersuchung vor Ort entsprechende Gegenmaßnahmen entwickeln. Alternativ können Auftraggeber und Auftragnehmer das objektive Vorhandensein von Risiken anerkennen und unvorhergesehene Kosten in die Projektkosten einkalkulieren, um das Risiko zu teilen. Kurz gesagt: Die Erfahrung aus zahlreichen Sanierungsprojekten zeigt, dass sich durch die frühzeitige Auseinandersetzung mit Projektrisiken viele Probleme, die während der Umsetzung auftreten können, minimieren lassen. Vorausschauende Planung und die Bereitstellung von Gegenmaßnahmen sind grundlegende Elemente für den Projekterfolg. Der fünfte Aspekt ist die Bewertung des Preis-Leistungs-Verhältnisses. Diese stellt eine umfassende Bewertung der beiden zuvor genannten Punkte dar. Um eine quantitative Grundlage für die Wirtschaftlichkeitsanalyse zu schaffen, wird häufig der Preis eines vergleichbaren Produkts auf dem Markt als Vergleichsmaßstab herangezogen. Nehmen wir beispielsweise ein 15 Jahre altes horizontales Bearbeitungszentrum. Dessen elektrische Steuerung ist stark beschädigt und nicht mehr reparabel, und die mechanische Präzision hat sich um etwa 20 % verringert. Der geschätzte Restwert liegt bei rund 300.000 Yuan. Eine Modernisierung würde Investitionen von 25.000 Yuan für die elektrische Steuerung, 100.000 Yuan für die mechanische Reparatur und 100.000 Yuan für die Arbeitskosten erfordern, insgesamt also 750.000 Yuan. Der Kauf einer vergleichbaren Werkzeugmaschine würde heute 1,8 Millionen Yuan kosten. Nach der Modernisierung erreichen Leistung und Effizienz der Werkzeugmaschine schätzungsweise 70–80 % der Leistung einer Neumaschine, bei einer Lebensdauer von 6–8 Jahren (mehr als eine Generalüberholung). Daher ist das Preis-Leistungs-Verhältnis dieses Modernisierungsplans akzeptabel. Bei der Bewertung ist zu beachten, dass sich Investitionen in Anlagen mit zu geringem Restwert nicht lohnen; Modernisierungspläne mit zu geringem Restwert und zu hohen Investitionskosten sind ebenfalls unerwünscht. Daher konzentriert sich die CNC-Nachrüstung älterer Anlagen primär auf ältere CNC-Werkzeugmaschinen mit hohem Restwert. Deren mechanische Struktur und Funktionen lassen sich problemlos mit neuen elektrischen Steuerungssystemen kombinieren, was zu einer besseren Gesamtleistung führt. Zweitens gibt es mittelgroße und große Werkzeugmaschinen. Diese Maschinen haben einen hohen ursprünglichen Wert und sind oft noch immer Schlüsseleinrichtungen in den Abteilungen, wodurch sich ihre Modernisierung lohnt. Bei Anlagen mit geringem ursprünglichen Wert erscheint die sofortige Verschrottung verschwenderisch; es besteht der Wunsch nach Modernisierung und anschließender Weiterverwendung. Daher sollten die Anwendungskriterien für die Modernisierung sorgfältig geprüft werden. Es sollten praxisnahe Anwendungskriterien ohne übermäßige Investitionen vorgeschlagen werden. Das elektrische Steuerungssystem sollte möglichst kostengünstige und einfache Systeme verwenden, die Arbeitslast in einem bestimmten Bereich halten und durch Investitionsreduzierung praktische wirtschaftliche Vorteile erzielen. 3. Grundlegende Schritte der CNC-Umrüstung Es gibt im Allgemeinen drei Möglichkeiten, Maschinen auf CNC umzurüsten: Erstens kann der Maschinenhersteller die Umrüstung selbst durchführen, was fundierte technische Kenntnisse erfordert. Zweitens kann der Maschinenhersteller ein zuverlässiges Partnerunternehmen mit der Durchführung des Projekts beauftragen, um seine technischen Schwächen auszugleichen. Drittens kann das Projekt vollständig an einen einzigen Auftragnehmer vergeben werden. Bei der Auswahl eines Auftragnehmers ist es entscheidend, dessen technische Kompetenzen und Geschäftsreputation sorgfältig zu prüfen. Die Umrüstung auf CNC ist ein hochtechnisches und umfangreiches Vorhaben. Der ausgewählte Partner muss über solide technische Kompetenzen und umfassende elektromechanische Expertise verfügen. Beide Parteien sollten echte Kooperationsbereitschaft und Vertrauenswürdigkeit beweisen. Andernfalls reicht eine einfache vertragliche Beziehung allein nicht aus, um eine verbindliche Partnerschaft zu gewährleisten, was zu einem langsamen Projektfortschritt oder gar zum Scheitern des Projekts führen kann. Die grundlegenden Schritte der Umrüstung sind: (1) Bestandsaufnahme der alten Maschine; (2) Erstellung des Umrüstungsplans; (3) Bereitstellung der Investitionsmittel für die Umrüstung; (4) Auswahl eines Inbetriebnahmeunternehmens und Abschluss der entsprechenden Umrüstungsverträge; (5) Auswertung und Analyse der vorhandenen Daten und Informationen der Werkzeugmaschine. (6) Vor-Ort-Begutachtung der elektrischen und mechanischen Komponenten der Altanlage; (7) Planung, Bestellung und Fertigung der CNC-, SPS- und Werkzeugmaschinenkomponenten für die elektrische und mechanische Modernisierung; (8) Demontage, Wartung und Austausch der verbleibenden elektromechanischen Systeme, Hydrauliksysteme und Zubehörteile der Werkzeugmaschine vor Ort; (9) Montage, Installation und Anschluss der modernisierten Werkzeugmaschinenkomponenten vor Ort; (10) Funktionsprüfung der Werkzeugmaschinenkomponenten; (11) Wiederherstellung der geometrischen und Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine; (12) Funktionsprüfung der einzelnen Komponenten der Werkzeugmaschine und des Steuerungssystems sowie Sicherstellung des zuverlässigen Betriebs; (13) Übergabe der Werkzeugmaschine zur Inspektion und Abnahme; (14) Probeproduktion und Probebetrieb der Werkzeugmaschine. Die für ein spezifisches Projekt erforderlichen Leistungen können selbstverständlich ergänzt oder gekürzt werden, die grundlegenden Leistungen sind jedoch im Wesentlichen enthalten. 4. Häufige Herausforderungen bei der Modernisierung von Anlagen Die Bewertung einer alten, seit vielen Jahren genutzten Anlage ist eine Herausforderung, insbesondere da vielen Anlagen die notwendige und systematische technische Dokumentation fehlt. Originaldaten für gebrauchte Maschinen können verloren gehen oder die Maschinen können irreparabel beschädigt sein. Daher ist es schwierig, den Verschleiß jeder Komponente genau zu erfassen und ihren Restwert quantitativ zu bewerten. Eine Über- oder Unterschätzung des Wertes kann die Festlegung des Modernisierungsplans und das Preis-Leistungs-Verhältnis nach der Modernisierung erheblich beeinflussen. Daher ist die Einbindung erfahrener Experten sowie die Durchführung notwendiger Untersuchungen, Tests und Marktforschung unerlässlich, insbesondere für die quantitative Analyse. Die Wahl der besten Lösung: Bei der Entwicklung eines Modernisierungsplans für jede Werkzeugmaschine stehen oft mehrere Optionen zur Verfügung. Generell sollte die Investition in die Modernisierung proportional zum erzielten Ergebnis sein. Das blinde Verfolgen hoher Spezifikationen und hoher Investitionen ist unnötig; objektiv betrachtet macht selbst eine hohe Investition die Maschine nicht zu einer Neumaschine. Daher sind angemessene Investitionen und das Streben nach praxisnahen Leistungskennzahlen die Grundprinzipien für die Wahl der besten Lösung. Bei der Entwicklung eines Modernisierungsplans sollten verschiedene Optionen auf Basis der vorhandenen Fähigkeiten der Werkzeugmaschine in Betracht gezogen werden. Diese sollten zwischen dem Auftraggeber und dem Auftragnehmer verhandelt werden, um den besten Plan zu ermitteln, der die Investitionen minimiert und gleichzeitig die tatsächlichen Anforderungen des Anwenders an die Nutzungsdauer erfüllt. Die Auswahl des Umbausystems und der Ersatzteile ist entscheidend. Die Modifizierung einer Werkzeugmaschine erfordert zwangsläufig den Austausch zahlreicher Teile und der elektrischen Steuerung. Als Anwender möchten sie möglichst viele brauchbare Komponenten, wie die originalen Servomotoren, Hydrauliksysteme und Hilfsteile, erhalten. Dies führt jedoch häufig zu einem Mix aus alten und neuen Teilen in der modifizierten Maschine. Was sind die Folgen? Wir haben einmal ein horizontales 5-Achs-Bearbeitungszentrum mit fünf Gelenken modifiziert. Das CNC-System nutzte eine hochwertige japanische FANUC 16M, die bei der Endinbetriebnahme einwandfrei funktionierte. Die Hydraulikleitungen wiesen jedoch aufgrund starker Alterung Risse und Öllecks auf. Allein der Austausch der Hydraulikleitungen nahm während der über einmonatigen Inbetriebnahmephase mehrere Arbeitstage in Anspruch. Daher müssen bei der Auswahl von Ersatzteilen die gleichwertige und die passende Lebensdauer berücksichtigt werden. Nur voll funktionsfähige Werkzeugmaschinen sollten mit voll funktionsfähigen CNC-Systemen ausgestattet werden. Wenn neue Komponenten eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben, muss die Lebensdauer der beibehaltenen alten Komponenten dieser entsprechen, oder es müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden. Bei der Modernisierung von Werkzeugmaschinen sollten beispielsweise die präzise Reparatur wichtiger mechanischer Bauteile, die präzise Reparatur und Vorspannungseinstellung von Kugelgewindetrieben, der Austausch von Hydraulikleitungen und -dichtungen sowie – falls die digitale Steuerung des neuen CNC-Systems nicht mit den analog gesteuerten Servomotoren der alten Werkzeugmaschine kompatibel ist – der Austausch der Servomotoren oder die Verwendung eines älteren analog gesteuerten CNC-Systems in Betracht gezogen werden. Bei einigen älteren Werkzeugmaschinen aus verschiedenen ausländischen Herstellern muss zudem die Standardisierung metrischer und imperialer Einheiten beachtet werden. Teile, Gewinde, Rohrverbindungen und Lager nach imperialen Standards können neue Probleme beim Austausch mit sich bringen, und selbst universell einsetzbare Werkzeuge nach imperialen Standards müssen gegebenenfalls vorbereitet werden. Die Festlegung der technischen Abnahmebedingungen ist für jedes Modernisierungsprojekt unerlässlich und führt häufig zu Meinungsverschiedenheiten zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer während der Projektdurchführung. Dies zeigt sich beispielsweise, wenn der Auftraggeber hohe Erwartungen an die Ausrüstung hat, der Auftragnehmer die ursprüngliche Ausrüstung unterschätzt und keine einheitlichen Standards für die Abnahmekriterien existieren. Dies führt oft zu unterschiedlichen Interpretationen in den späteren Phasen der Projektabnahme. Daher können bei der Formulierung von Abnahmekriterien Industriestandards für vergleichbare neue Werkzeugmaschinen und das ursprüngliche Konformitätszertifikat des Herstellers herangezogen werden, um die aktuelle Genauigkeit der Werkzeugmaschine zu analysieren. Gegebenenfalls sollten Genauigkeitsprüfungen durchgeführt werden. Auf Basis dieser Daten sollten beide Parteien angemessene technische Abnahmebedingungen für die modifizierten Teile vorschlagen. Beinhaltet eine Werkzeugmaschinenmodifikation beispielsweise nur den Austausch des CNC-Systems, sollten die Abnahmekriterien detaillierte Bestimmungen zur Funktionalität und Betriebssicherheit enthalten, die Anforderungen an die geometrische Genauigkeit der Werkzeugmaschine sind jedoch unzureichend. Kurz gesagt: Die Modifizierung alter Anlagen ist eine umfassende und hochtechnische Aufgabe mit vielen unvorhersehbaren Faktoren. Daher sind Rückschläge bei der Abnahme unvermeidlich. Wenn beide Parteien in einem kooperativen und einvernehmlichen Geist verhandeln, lassen sich die meisten Probleme einvernehmlich lösen. Projektmanagement für die Bauplanung Der Projektzyklus für eine Modifizierung variiert je nach Komplexität der Anlage zwischen einem und sechs Monaten oder länger. Je kürzer der Zyklus, desto besser, sofern die Qualität gewährleistet ist. Der Bauzyklus für eine relativ komplexe, mittelgroße bis große Anlage gestaltet sich wie folgt. Für die ersten Bauphasen sind folgende Zeiträume erforderlich: Übernahme der technischen Daten der Altanlagen, elektrische und mechanische Bestandsaufnahme sowie erste Funktionsprüfung der Werkzeugmaschine; mechanische, elektrische und CNC-Konstruktion, Bestellung und Fertigung; sowie Installation und Fertigung (vorwiegend importierter Komponenten und großer, komplexer Teile). Die Installation und der Anschluss der modifizierten Werkzeugmaschinenkomponenten dauern 30–60 Tage. Die Inbetriebnahme und Abnahme der Werkzeugmaschine nehmen ebenfalls 30–40 Tage in Anspruch. Diese Zeiträume dienen lediglich als Richtwerte. Verfügt der Auftragnehmer über fundierte technische Kompetenzen und führt eine sorgfältige Vorbereitung durch, kann die Bauzeit deutlich verkürzt werden. Im schlimmsten Fall werden bei der Inbetriebnahme vor Ort fehlende oder beschädigte Teile entdeckt, was eine Nachbestellung oder eine Neukonstruktion und -fertigung erforderlich macht. Dies verzögert die Bauzeit erheblich und führt zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für beide Parteien.