交流伺服压力机及其关键技术（上）

1 引言

　　交流伺服电机驱动是目前成形装备发展的一个新方向，以计算机控制的交流伺服电机为动力，通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其它机构将电机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。不但可以保持机械驱动的种种优点，而且改变了其工作特性不可调的缺点，使机械驱动的成形装备也具有了柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性大大提高；同时，还简化了结构，方便安装、减少维修、降低能耗、减轻重量。可取代液压系统，彻底消除油液对环境的污染。是高新技术与传统机械技术的结合，对于推动成形装备的更新换代，具有不可限量的影响。短短十多年，其应用领域已经从注塑机发展到

　　折弯机、机械压力机、数控回转头压力机、螺旋压力机等各种成形设备。日本各个著名的压力机制造厂商，如AIDA，KOMATSU，AMIN0，ENOM0T0等公司均投人大量人力物力进行开发，并已推出商品化的产品。AIDA公司将其开发的这种新型压力机称之为“第3代压力机”，认为具有划时代的意义。欧洲一些压力机厂商也加入到这一行列中，如德国SCHULER公司在2007年北京国际机床展(CIMT07)上推出了2500～6300 kN的这类压力机系列产品。

　　国内不少厂家最近也开始了这一技术的研究与产品开发。本文介绍了交流伺服传动的基本原理及在压力机中的应用现状与发展趋势，讨论了交流伺服压力机的若干关键技术问题。

2 电气传动与交流伺服驱动

　　以电动机为基础的电气传动技术诞生于19世纪初，迄今已有近200年的历史。由于其具有使用、控制、传输、储存方便等优点，在人类生产、生活的各个方面都得到了广泛的应用。现在，已经成为包括锻压机床在内的各种机械装备的主要传动方式。电气传动分直流和交流两大类。由于直流传动具有优越的调速性能，直到20世纪上半叶，高性能可调传动均采用直流电动机，而占电气传动总量80％以上的一般传动则采用交流电动机，不能调速，绝大部分锻压机械都属于这一类。“直流调速，交流不调速”形成了一种普遍的格局。尽管直流调速有许多优越性，但由于采用机械换向，存在有换向器寿命低、换向火花、造价高等问题，电机容量和速度以及应用场合均受到一定限制，例如，其极限容量一速度积仅为106 kW·RPM。

　　20世纪60---70年代，随着电力电子技术的发展，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的出现，产生了高性能交流调速系统，克服了直流调速系统的缺点，达到直流调速同样的性能。交流调速在近30年来得到迅速发展，已经取代直流调速系统，成为电气传动的主要发展方向。据统计，在2001年世界可调电气传动产品中，交流传动已经占到2／3以上。

　　调速和伺服应是两个具有联系的不同术语。电动机调速指调节、改变电动机速度，而伺服(setvo)则是一音译和意译相结合的外来词，有跟随、服从的意思。伺服电机传动指电动机的转速或其它参数可以按照任意的输入信号而变化。可以简单地理解为：普通的调速只是一种最简单的伺服传动，如一般鼓风机、水泵电机的调速，伺服传动则是一种高级的调速，这种调速是实时、连续地进行的。长期以来，交流伺服电机仅仅作为执行元件，应用于伺服控制系统，功率不超过1 kW。大功率交流伺服电机及其驱动控制装置的出现，使这一技术得以应用于机械装备的主传动，成为交流伺服驱动系统。正是在这种背景下，发达国家在20世纪末期，开始了将交流伺服传动技术应用于锻压机械的研究和产品开发，出现了交流伺服电动机驱动的压力机，十多年来得到了迅速发展。

3 交流伺服压力机的特点

　　3.1 实现柔性化和智能化工作性能提高

　　由于原动机由不能调节和控制的普通感应电机改为CNC控制可任意调节的伺服电动机，因此自动化、智能化程度提高，工作效率提高；可以获得任意的滑块特性，设备的工艺适应性扩大；可以根据不同的工艺采用相应的优化曲线，提高工作性能。例如，在伺服压力机上拉深，成形极限可以提高25％。

　　3.2 精度高

　　一方面，伺服压力机的运动可以精确控制，一般均装有滑块位移检测装置和滑块行程调节装置，滑块的任意位置(包括下死点)可以准确控制。伺服压力机滑块位置精度一般可以达0.01 mm；另一方面，滑块运动特性可以优化，例如，拉深、弯曲、压印时，适当的滑块曲线可减少回弹，提高制件精度。

　　3.3 简化传动环节，减少维修和节省能量

　　伺服压力机省去飞轮、离合器，甚至采用直接传动，传动环节大大减少，维修工作量亦相应减少。伺服压力机节能主要体现在以下几个方面。

　　(1)伺服电动机较普通感应电机效率高。

　　(2)交流伺服电动机采用变频调速，效率高，损耗小。

　　(3)减速时采用电磁制动，制动能量可储存回收。与机械制动和液压传动的节流调速相比，可大大节省能量。

　　(4)在普通压力机中，飞轮空转耗能约占总能耗的6％～30％。伺服压力机没有飞轮，仅在工作时电机才旋转，这一部分能量得以节省。

　　(5)在普通压力机中，离合器(主要指摩擦离合器)耗能约占总能量的20％，伺服压力机取消了离合器，这一部分能量得以节省。

　　(6)大多数中小型机械压力机，采用摩擦制动器。制动器每周期均工作，消耗能量；伺服压力机制动器仅在停车时才起作用，制动耗能得以节省。当然，节能效果尚决定于变流以及储能和再利用的效率。总体而言，伺服压力机较普通机械压力机和液压机都要节能。例如，采用这一技术的全电动注塑机较传统液压式注塑机节能25％-60％，而日本村田公司交流伺服数控回转头压力机比液压式也节能30％-40 oA；日本ENOMOTO公司开发的基于这一技术的螺旋压力机节能达50％。而AMINO公司声称所开发的伺服压力机较油压机节能2／3。小松AMERICA曾进行过300 t压力机连续工作功耗对比试验，结果证明伺服压力机节能32％～42％。

　　3.4 环保

　　伺服压力机的环保特性体现在其具有液压机的性能，但是又没有液压系统，完全消除了油液污染；又由于传动系统简化，传动噪音大大减少；滑块运动特性优化，减少工艺噪声，实现静音冲裁，极大地改善生产环境。AMINO的25000 kN伺服机械压力机噪音仅为75 db(A)，较普通压力机减少10--20 db。

　　3.5 提高模具寿命和生产率

　　由于振动减少，模具寿命可以提高3倍，设备寿命也相应提高。

　　由于伺服压力机行程可以方便地调整，可以根据成形工艺需要，使压力机在必要的最小行程工作，生产效率得以提高。其工作频率不但高于液压机，而且可以高于普通机械压力机。

4 伺服压力机传动方式及典型产品

　　4.1 伺服电机直接驱动

　　电机直接与执行机构连接，推动滑块工作，具有最短的传动链，因而结构简单、传动效率高、精度高，很有发展前景。目前这种压力机有两种形式。

　　4.1.1 直线伺服电机直接驱动压力机

　　直线电机可以直接将电能转变为直线运动，推动滑块工作，实现“零传动”，它已经成功地应用于机床的进给、磁悬浮列车等。浙江大学在20世纪90年代就曾研制过5～50 kN的此类压力机，与普通机械压力机相比，节能40％，体积减少60％，重量减少40％[9|。日本AIDA公司已推出L-SF-300S的系列产品，最大规格10 kN，行程100 nlrn，最高工作频率为200 SPM。山田DOBBY公司开发的同类压力机，具有示教功能，最大压力为24 kN，滑块精度5μm。

　　4.1.2 伺服电机直接驱动曲柄

　　日本AIDA公司的NCl-D和NSl-D系列属于这类产品。低速大扭矩伺服电动机直接与曲柄联接，无减速机构，不但结构简单、减少维护量、节能，而且噪音小，声称即使在住宅区内，也可以24 h工作。由于受伺服电机扭矩的限制，压力机吨位不能太大，目前最大吨位为2500 kN。

　　4.2 伺服电机一减速一螺杆

　　此类压力机一般将伺服电机通过同步皮带与螺杆连接，将旋转运动转变为直线运动。其运动特性类似于液压机，在全行程均可获得额定压力。局限性在于滚珠丝杠承载能力有限，滑动螺旋效率低，压力机吨位不能太大。常见形式有两种。

　　4.2.1 全电动数控伺服折弯机

　　板料折弯机是应用极为广泛的弯曲设备，早在20世纪80年代就已经实现了数控化，普遍采用电液伺服加光栅形成闭环控制。折弯工艺从编程到弯瞳过程模拟、控制、修正等均实现了高度的自动化。交流伺服电机驱动的全电动折弯机的出现，使其工作性能得到进一步提高。

　　KOMATSU公司在1995年开发出PAS系列交流伺服折弯机(图1)，目前规格已达350～1250kN。除节能、结构简单等交流伺服电机驱动一般的优点外，突出的特点是克服了液压系统速度切换时的短暂停顿现象，滑块运动更加敏捷；当采用4个独立的驱动单元驱动时，可以方便地补偿机身和滑块的变形，提高制件精度。据称，与液压驱动的折弯机相比，生产率提高47％，运行成本降低35％，节电15％，试折的材料消耗减少8％～14％。

　　4.2.2 螺旋精密压力机

　　AIDA公司A-SF压力机属于这类产品，目前最大吨位为800 kN，其工作性能类似液压机，以静压力工作。伺服电机带动两个直径不同的皮带轮，具有不同的传动比，利用离合器来切换。空行程时，减速比小，丝杠以较高速度旋转；工作行程时，减速比大，丝杆转速慢，增力比也大。这种传动方式可以降低对电机的要求。滑块上有位移传感器，反馈位移信号。

　　KOMATSU公司HCP型伺服压力机传动原理与此类似。

　　交流伺服压力机及其关键技术（下）