4.3 电机-减速-曲柄连杆(肘杆)
日本KOMATSU，AIDA，AMINO，德国SCHULER等公司分别开发了各种不同形式的伺服曲柄压力机[1吨]。KOMATSU公司将这类压力机称为“自由运动”压力机。伺服驱动曲柄压力机保留了曲柄压力机的原有优点。与螺旋传动不同，回程时电机无需反向，滑块靠近下死点时速度自动降低，增力比加大。
这类压力机按传动方式来分，大致有以下3种。
4.3.1 电橇-减速-馥柄连秆
AIDA公司的NSl系列伺服曲柄压力机属于此类型。伺服电机经一级齿轮传动驱动曲柄——连杆机构。与普通蘸耩莲力枧不同靛是，震交流饲服电机取代了普通感应电动机，取消了飞轮、离合器，同时安装了大电容来储存电能。
4.3.2 电视-减速-蘸柄-肘枰
采用肘杆机构可以提高增力比，减少电机容量，提高压力机吨位。KOMATSU公司H1F单点伺黻压力祝和AMINO公司双点饲驻歪力桃原理图，AMINO公司此类压力机最大吨位可达到25000 kN。
4.3.3 混合传动(电机-减速-螺旋-肘杆)
采用这种传动方式，可以获得更大的增力比，制造更大吨位的压力枧；缺点是由于螺旋需要正反转，工作频率不能太高。日本小松公司H2F双点伺服压力机传动原理，两台伺服电机通过皮带藏速，带动滚珠丝杠运动，再通过封抒极掬带动滑块上下运动，无飞轮和离含器。在该系统中，不仅有位移传感器，而且安有压力传感器，以反馈压力信号。2004年夺松公霞生产耱多点压力橇规格已经达到42000 kN。
4.4 数控回转头压力机
数控翔转头歪力机的发爱融经有数十年酶历史。最初多采用机械驱动，步冲频率比较低，通常在200次/min叫以下。20世纪束，数控阐转头压力橇越来越多地采焉液蓬伺服驱动技术，步冲频率提高到600次/min叫以上。伺服电机驱动的数控回转头压力机的出现，其性能有了进一步的提高，其主要优点是消除了漓液渣漏；系统无需预热，可童接快速启动；节电30％～40％；步冲频率较液压伺服驱动进一步提高。
采用伺服驱动的Mr()R{M2004EZ产品曾获霹本政府通产大臣奖。天田公司也推出EM2510NT产品，采用双儡服电机驱动，声称为“世界上最快的数控圆转头腿力机，其步狰频率达1800次/min。
4.5 螺旋压力机
电动螺旋压力枧出于其一系剜优点，近年来褥刘很大的发展，尤其在大吨位螺旋压力机中具有藏大的潜力，目前最大吨位已经达到320000 kN。有入曾分析电动螺旋压力机电枧的发热过程，由于螺旋压力机电机转差率大，引起转予发热，认为其传动效率不比普通摩擦压力机高，小能量打击时，效率甚至低予警遇摩擦压力视口1{。交流儡服电机驱动技术的出现，从根本上解决了这一问题。日本ENOMOTO公司在其电动螺旋压力机中，采用了交流饲冀瑟技术，开发了100-1000 t麴德服螺旋压力机。该产品获2002年日本新技术开发设计奖。其主要优点是节能和控制精确方便，据称，节能效果达50％。嚣内华孛辩技大学等单位也开发了类似产品。山东理工大学开发了开关磁阻电机驱动的电动螺旋压力机。
5 交流伺服压力机若干关键技术
5.1 大功率交流伺服电机及箕控制技术
交流镯服驱动授术的发展基础在于近些年来犬功率交流伺服电机、电力电子器件以及交流伺服控制技术3方面的突破。
5.1.1 大功率交流镯服电动枕的开发
长期以来，交流伺服电机仅作为控制系统中的执行电机，功率一般只有数百瓦。大功率交流伺服电机的岛现还是近十多年酶事。
作为伺服系统中的电动机，它至少要满足3个条件：(1)转动惯量小，具有良好的动态性能；(2)具有良好的控制性能，可以实现电磁制动；(3)转矩大，转矩脉动小。交流伺服传动大致分为异步和同步两种。
永磁同步电机具有体积小、功率密度大、动态性能好、效率高、调速范围宽等一系列优点，得到了迅速发展和广泛的应用。已经成为伺服系统的主流之选。目前，调速同步电机容量达到10 MW，商品化的永磁同步伺服电机单机容量已经超过500 kW，力矩伺服电机输出扭矩超过10000 NM。
5.1.2 交流电动机控制驱动技术的发展
1971年德国学者Blaschke提出了交流电机的矢量控制理论，通过坐标变换，将交流电动机定子的电流分解为转矩分量和励磁分量，从而可以分别控制转矩和磁通，获得与直流电动机相仿的高动态性能。这一理论对交流伺服传动的发展具有划时代的意义。1985年德国Depeubrock M进一步提出了直接转矩控制理论，直接控制定子磁链和电磁转矩，简化了控制系统，提高了系统快速响应能力，拓宽了矢量控制理论，促进了电机现代控制技术的进一步发展。
5.1.3 电子电力器件等硬件技术的发展
交流伺服电机驱动控制单元的价格远高于电机本身。大规模集成电路、大功率整流模块以及其它电子电力元器件的发展，性能不断提高，价格不断下降，促进了大功率交流伺服驱动技术的实现和推广，为在锻压装备领域采用交流伺服驱动提供了可能。以90 kw容量变频器为例，目前价格已经降到1990年的1／4左右，如表2所示。
5.2 无飞轮压力机传动系统设计
5.2.1 传动比的选择
传动比小，可以减少中间环节，提高效率，减少噪音，但要求电机扭矩大，电机制造难度大，价格高。极限情况，电动机和曲柄直接相连，传动比为1。
适当提高传动比，可以减少所要求的电动机扭矩，有利于降低设备造价。
5.2.2电动机容量选择
由于成形加工大多是周期间断负荷，传统的传动系统设计的核心是飞轮；设计的主要依据是能量，校核力。设计的大致步骤是：(1)计算工作周期内总的能量消耗(含工作能耗、摩擦能耗、弹性变形能、离合器能耗、空程和飞轮空转能耗等)；(2)设计飞轮，使其在每个周期内在额定速度降落(一般不超过20％)时所释放的能量等于周期的总能耗；(3)根据总能耗选择电机，并校核有关参数[引。伺服压力机没有专门的飞轮，其传动系统设计的特殊性在于：(1)电机转子以及运动部件折合到电机轴的总等效转动惯量较普通压力机小很多，压制力主要靠电机的瞬时扭矩产生；(2)由于电动机速度经常处于较大的变化状态，需要考虑运动部件的惯性负载。伺服压力机的设计主要依据是力，校核能量。具体的设计步骤为：(1)计算压力机工作行程时的最大总负荷(包括工作负荷、摩擦负荷等)；(2)根据最大工作负荷、传动比选择电机的最大负荷；(3)综合考虑电机过载倍数、传动比等因素设计或选择电机。
完全不考虑运动系统惯性，所设计的传动系统所需电动机的容量将会很大，从而增加了设备造价。设计时充分考虑运动系统的惯性，允许曲轴在工作过程中转速适当降低，释放部分能量，有利于减少电机容量，从而降低造价。根据实例计算，按照这一思路设计，电机容量可以减少30％以上。
5.3 调速能量的回收
伺服压力机电机减速采用电磁制动，运动部件减速的动能转变为电能。如果这部分电能不能回收，就只能通过电阻消耗，不但降低了效率，而且要增设电阻箱和冷却系统。能量回收可以采用以下3种方法。
5.3.1 反馈电网
这种方法虽然可以节省电能，但是需要增加一套逆变系统，从而增加了成本。
5.3.2 电容储存
在驱动电路中增设一组大容量电容，储存制动时产生的电能；在压制时，再将电能释放出来，供电机使用。这种方法不但省电，更大的好处是减少了工作行程时短时大电流对电网的冲击。根据自行研制的25 t伺服压力机样机的试验结果表明，由于电容的作用，电网的冲击电流下降了80％以上。这种方法的缺点是大容量电容价格不菲，体积也很庞大。
5.3.3 多机直流互联
若车间有多台伺服压力机同时工作，可以考虑在驱动电路的直流层面联网，同样可以达到节能和降低峰值电流冲击的作用，还可省去逆变装置和电容器，但在实际应用中将会受条件的限制。
5.4 重载高效螺旋传动技术
在伺服电机驱动的成形装备中，广泛采用螺旋副将旋转运动转换为直线运动。鉴于伺服传动的要求，目前多采用滚珠丝杠。但滚珠丝杆承载能力毕竟有限，而且价格昂贵，开发低成本重载高效精密螺旋副成了伺服成形装备亟待解决的问题之一。出路之一是开发重载滚动丝杠，例如日本NSK公司生产了直径达140 mm的重载滚动杠系列产品；其次是开发新型高效重载精密滑动螺旋副。日本AMIN0公司在大吨位伺服压力机中对滑动螺旋副的材料、热处理、润滑等方面进行了改进，整机的机械传动效率达到了75％，采用双螺杆，压力机输出压力据称可达50000 kN。
新型滑动螺旋传动副的开发有3个方面的关键技术：一是开发新的耐磨减摩材料和制备技术，除金属材料外，还可考虑非金属材料、复合材料等；二是改进螺母结构，使载荷分布更加均匀；三是改善润滑条件，采用特殊制造工艺，在螺旋副中形成高效润滑流道。
5.5 基于伺服压力机的成形工艺优化
由于普通曲柄压力机运动特性固定不变，工艺参数的优化难以实现。而伺服压力机能实现任意的滑块运动特性曲线，为各种成形工艺的优化提供了可能。研究各种成形工艺的成形机理建立适合该成形工艺的优化参数，对于提高产品质量和生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义。不同的成形工艺可以按照不同的优化目标对参数进行优化，例如：减少振动和噪音，提高制件精度，提高生产效率等等。
6 基于伺服压力机的成形工艺举例
6.1 静音冲裁
在压力机上进行冲裁工作时，材料断裂的瞬间，工作负荷突然消失，积聚在机身和传动机构中的弹性变形能会在很短的时间里释放，因而产生剧烈的振动和巨大的噪音，不但损坏设备和模具，而且恶化生产环境、危害工人健康。如果能有效地控制滑块运动，使所储存的弹性变形能在材料完全断裂之前就基本释放完毕，有可能大大减少冲裁振动，降低噪音。这种“静音冲裁”可以在伺服压力机实现。KOMATSU公司声称，采用伺服压力机可以消除99％的冲裁噪音。
6.2 精密冲裁
精密冲裁时，冲裁速度与工件质量和模具寿命有密切关系。日本KOMATSU公司在普通机械压力机和HAF伺服压力机上进行了精密冲裁对比试验，工件为空调机凸轮，尺寸40 mm×13 mnl，负荷80 t，材料SPC。冲裁速度越低，冲裁断面剪切带厚度就越大，断面质量越好。普通压力机在2000～3000件后表面出现裂纹，但伺服压力机在3000件后断面仍保持完好。
6.3 盒形件拉深
KOMATSU公司曾进行了不锈钢和软碳钢盒形件浅拉深的对比试验，工件高度为50 m，两种材料的极限拉深速度分别为220和400 mm/S，对应的机械压力机工作频率分别为15和30 SPM。在机械压力机上拉深两种材料均出现裂纹；伺服压力机工作频率为36 SPM，拉深时在行程48和25 mm时两次减速，两种材料均获得完好的工件。高强度钢成形性能差，容易裂纹、起皱，采用变速拉深可以改善成形性能，提高成形极限20％--30％，降低废品率。这对汽车覆盖件加工有重要的意义。
6.4轴承垫块压制成形
轴承垫块，原在机械压力机上压制成形，压力110 t，工件公差为0.02 mm，由于滑块下死点位置漂移，常常周期性地超差；采用伺服压力机后，由于可以严格控制滑块下死点位置，工件实际偏差可以控制在0.01 mm以内，而载荷反而可以减少一半，仅为48 t。
6.5 镁合金挤压成形
镁合金的塑性成形一直是金属成形加工的一个难题。KOMATsU公司在其HCP3000伺服压力机上成功地完成了镁合金杯形件的反挤压成形毛坯为080 mm×8 mm板料，坯料置入凹模后，凸模慢速下降，将毛坯压在凸模和顶料器之间，在下降过程中毛坯被加热到300℃；当顶料器到下极限位置时，滑块保持恒定压力，以更低的速度下行，挤压开始，直至反挤压工作全部完成；然后滑块快速回程。滑块在一个循环内经历了4种不同的速度，其中挤压过程还是恒压控制。显然，在普通机械压力机上这一工艺是无法实现的。
7 结论与讨论
7.1 交流伺服压力机的发展前景
交流伺服压力机在性能上具有许多优越性，这已经被证实。但是这种压力机究竟有多大的发展前景，业界并没有一致的看法，世界上真正实现了商品化生产的国家也不多。普通交流电动机+飞轮的传动方式具有价廉、简单、可靠等一系列优点，有悠久的历史，已经在锻压机械中得到广泛应用，在可预见的将来，不可能也没有必要在所有的压力机中都采用伺服驱动。但是伺服驱动为压力机带来的一系列优点，尤其是柔性化和节能减噪等的确为锻压设备展示了诱人前景。锻压生产在节能、环保和高性能方面的要求日益提高，将使其的竞争力越来越大。
大功率交流伺服电机及其控制系统目前价格十分昂贵，是这一技术推广应用的主要障碍。造成这一问题的主要原因是大功率交流伺服电机及其驱动控制系统目前基本为国外产品所垄断。随着国内技术的开发，与进口产品开展竞争，市场价格就会迅速降低，这一技术在成形装备的应用领域也会越来越广。可以预见，伺服压力机将在一些重要的制造领域，如电子产品、汽车等精密制造领域发挥越来越大的作用。将部分地取代液压机、普通机械压力机、螺旋压力机。
值得关注的是，国外用交流伺服电机驱动改造液压传动系统，组成一种新的交流伺服电机——液压系统，运用于折弯机、液压机，取得了成功。
7.2 交流伺服驱动的能耗和电动机容量
如上所述，普通压力机中，电机的负荷相对比较稳定，即使是工作周期的非工作时段，飞轮也要消耗能量以恢复飞轮转速，全周期均消耗能量，电机额定功率基本上等于周期的平均能耗。对于交流伺服驱动而言，没有飞轮，实际消耗的功率是变动的。就电机的额定功率而言，伺服压力机将大于普通机械压力机。但是，由于两种驱动方式功率消耗情况大不相同，伺服压力机实际能耗仍低于普通压力机。减小电机容量的途径之一是提高电机过载能力。
7.3 伺服压力机工作时对电网的冲击
伺服曲柄压力机工作时将会产生很大的短时冲击电流，尤其是大吨位压力机，这将对电网产生极大的危害，必须予以重视。一个有效的方法是采用电容储能。相反，伺服螺旋压力机在换向时电流将比普通螺旋压力机小，减少电机发热和电流冲击。
7.4 加快交流伺服成形装备技术的研究开发
以交流伺服电机取代传统异步电机，可以大大提高成形装备的自动化、智能化水平，改善工作性能，具有划时代的意义。目前国内这一技术尚比较落后，但国外发达国家也刚起步不久，鉴于其广阔的应用前景，必须加快这项技术的研究开发，方可赶上装备技术世界发展的潮流。
(审核编辑: 智汇张瑜)
