4.3 電機(jī)-減速-曲柄連桿(肘桿)

　　日本KOMATSU，AIDA，AMINO，德國SCHULER等公司分別開發(fā)了各種不同形式的伺服曲柄壓力機(jī)[1噸]。KOMATSU公司將這類壓力機(jī)稱為“自由運(yùn)動”壓力機(jī)。伺服驅(qū)動曲柄壓力機(jī)保留了曲柄壓力機(jī)的原有優(yōu)點(diǎn)。與螺旋傳動不同，回程時電機(jī)無需反向，滑塊靠近下死點(diǎn)時速度自動降低，增力比加大。

　　這類壓力機(jī)按傳動方式來分，大致有以下3種。

　　4.3.1 電橇-減速-馥柄連稈

　　AIDA公司的NSl系列伺服曲柄壓力機(jī)屬于此類型。伺服電機(jī)經(jīng)一級齒輪傳動驅(qū)動曲柄——連桿機(jī)構(gòu)。與普通蘸耩蓮力枧不同靛是，震交流飼服電機(jī)取代了普通感應(yīng)電動機(jī)，取消了飛輪、離合器，同時安裝了大電容來儲存電能。

　　4.3.2 電視-減速-蘸柄-肘枰

　　采用肘桿機(jī)構(gòu)可以提高增力比，減少電機(jī)容量，提高壓力機(jī)噸位。KOMATSU公司H1F單點(diǎn)伺黻壓力祝和AMINO公司雙點(diǎn)飼駐歪力桃原理圖，AMINO公司此類壓力機(jī)最大噸位可達(dá)到25000 kN。

　　4.3.3 混合傳動(電機(jī)-減速-螺旋-肘桿)

　　采用這種傳動方式，可以獲得更大的增力比，制造更大噸位的壓力枧；缺點(diǎn)是由于螺旋需要正反轉(zhuǎn)，工作頻率不能太高。日本小松公司H2F雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)傳動原理，兩臺伺服電機(jī)通過皮帶藏速，帶動滾珠絲杠運(yùn)動，再通過封抒極掬帶動滑塊上下運(yùn)動，無飛輪和離含器。在該系統(tǒng)中，不僅有位移傳感器，而且安有壓力傳感器，以反饋壓力信號。2004年奪松公霞生產(chǎn)耱多點(diǎn)壓力橇規(guī)格已經(jīng)達(dá)到42000 kN。

　　4.4 數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)

　　數(shù)控翔轉(zhuǎn)頭歪力機(jī)的發(fā)愛融經(jīng)有數(shù)十年酶歷史。最初多采用機(jī)械驅(qū)動，步?jīng)_頻率比較低，通常在200次/min叫以下。20世紀(jì)束，數(shù)控闡轉(zhuǎn)頭壓力橇越來越多地采焉液蓬伺服驅(qū)動技術(shù)，步?jīng)_頻率提高到600次/min叫以上。伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)的出現(xiàn)，其性能有了進(jìn)一步的提高，其主要優(yōu)點(diǎn)是消除了漓液渣漏；系統(tǒng)無需預(yù)熱，可童接快速啟動；節(jié)電30％～40％；步?jīng)_頻率較液壓伺服驅(qū)動進(jìn)一步提高。

　　采用伺服驅(qū)動的Mr()R{M2004EZ產(chǎn)品曾獲霹本政府通產(chǎn)大臣獎。天田公司也推出EM2510NT產(chǎn)品，采用雙儡服電機(jī)驅(qū)動，聲稱為“世界上最快的數(shù)控圓轉(zhuǎn)頭腿力機(jī)，其步猙頻率達(dá)1800次/min。

　　4.5 螺旋壓力機(jī)

　　電動螺旋壓力枧出于其一系剜優(yōu)點(diǎn)，近年來褥劉很大的發(fā)展，尤其在大噸位螺旋壓力機(jī)中具有藏大的潛力，目前最大噸位已經(jīng)達(dá)到320000 kN。有入曾分析電動螺旋壓力機(jī)電枧的發(fā)熱過程，由于螺旋壓力機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)差率大，引起轉(zhuǎn)予發(fā)熱，認(rèn)為其傳動效率不比普通摩擦壓力機(jī)高，小能量打擊時，效率甚至低予警遇摩擦壓力視口1{。交流儡服電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上解決了這一問題。日本ENOMOTO公司在其電動螺旋壓力機(jī)中，采用了交流飼冀瑟技術(shù)，開發(fā)了100-1000 t麴德服螺旋壓力機(jī)。該產(chǎn)品獲2002年日本新技術(shù)開發(fā)設(shè)計獎。其主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能和控制精確方便，據(jù)稱，節(jié)能效果達(dá)50％。囂內(nèi)華孛辯技大學(xué)等單位也開發(fā)了類似產(chǎn)品。山東理工大學(xué)開發(fā)了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動的電動螺旋壓力機(jī)。

5 交流伺服壓力機(jī)若干關(guān)鍵技術(shù)

　　5.1 大功率交流伺服電機(jī)及箕控制技術(shù)

　　交流鐲服驅(qū)動授術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)在于近些年來犬功率交流伺服電機(jī)、電力電子器件以及交流伺服控制技術(shù)3方面的突破。

　　5.1.1 大功率交流鐲服電動枕的開發(fā)

　　長期以來，交流伺服電機(jī)僅作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電機(jī)，功率一般只有數(shù)百瓦。大功率交流伺服電機(jī)的島現(xiàn)還是近十多年酶事。

　　作為伺服系統(tǒng)中的電動機(jī)，它至少要滿足3個條件：(1)轉(zhuǎn)動慣量小，具有良好的動態(tài)性能；(2)具有良好的控制性能，可以實(shí)現(xiàn)電磁制動；(3)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩脈動小。交流伺服傳動大致分為異步和同步兩種。

　　永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度大、動態(tài)性能好、效率高、調(diào)速范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。目前，調(diào)速同步電機(jī)容量達(dá)到10 MW，商品化的永磁同步伺服電機(jī)單機(jī)容量已經(jīng)超過500 kW，力矩伺服電機(jī)輸出扭矩超過10000 NM。

　　5.1.2 交流電動機(jī)控制驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展

　　1971年德國學(xué)者Blaschke提出了交流電機(jī)的矢量控制理論，通過坐標(biāo)變換，將交流電動機(jī)定子的電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，從而可以分別控制轉(zhuǎn)矩和磁通，獲得與直流電動機(jī)相仿的高動態(tài)性能。這一理論對交流伺服傳動的發(fā)展具有劃時代的意義。1985年德國Depeubrock M進(jìn)一步提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，直接控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，簡化了控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)快速響應(yīng)能力，拓寬了矢量控制理論，促進(jìn)了電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　5.1.3 電子電力器件等硬件技術(shù)的發(fā)展

　　交流伺服電機(jī)驅(qū)動控制單元的價格遠(yuǎn)高于電機(jī)本身。大規(guī)模集成電路、大功率整流模塊以及其它電子電力元器件的發(fā)展，性能不斷提高，價格不斷下降，促進(jìn)了大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和推廣，為在鍛壓裝備領(lǐng)域采用交流伺服驅(qū)動提供了可能。以90 kw容量變頻器為例，目前價格已經(jīng)降到1990年的1／4左右，如表2所示。

　　5.2 無飛輪壓力機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計

　　5.2.1 傳動比的選擇

　　傳動比小，可以減少中間環(huán)節(jié)，提高效率，減少噪音，但要求電機(jī)扭矩大，電機(jī)制造難度大，價格高。極限情況，電動機(jī)和曲柄直接相連，傳動比為1。

　　適當(dāng)提高傳動比，可以減少所要求的電動機(jī)扭矩，有利于降低設(shè)備造價。

　　5.2.2電動機(jī)容量選擇

　　由于成形加工大多是周期間斷負(fù)荷，傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)設(shè)計的核心是飛輪；設(shè)計的主要依據(jù)是能量，校核力。設(shè)計的大致步驟是：(1)計算工作周期內(nèi)總的能量消耗(含工作能耗、摩擦能耗、彈性變形能、離合器能耗、空程和飛輪空轉(zhuǎn)能耗等)；(2)設(shè)計飛輪，使其在每個周期內(nèi)在額定速度降落(一般不超過20％)時所釋放的能量等于周期的總能耗；(3)根據(jù)總能耗選擇電機(jī)，并校核有關(guān)參數(shù)[引。伺服壓力機(jī)沒有專門的飛輪，其傳動系統(tǒng)設(shè)計的特殊性在于：(1)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及運(yùn)動部件折合到電機(jī)軸的總等效轉(zhuǎn)動慣量較普通壓力機(jī)小很多，壓制力主要靠電機(jī)的瞬時扭矩產(chǎn)生；(2)由于電動機(jī)速度經(jīng)常處于較大的變化狀態(tài)，需要考慮運(yùn)動部件的慣性負(fù)載。伺服壓力機(jī)的設(shè)計主要依據(jù)是力，校核能量。具體的設(shè)計步驟為：(1)計算壓力機(jī)工作行程時的最大總負(fù)荷(包括工作負(fù)荷、摩擦負(fù)荷等)；(2)根據(jù)最大工作負(fù)荷、傳動比選擇電機(jī)的最大負(fù)荷；(3)綜合考慮電機(jī)過載倍數(shù)、傳動比等因素設(shè)計或選擇電機(jī)。

　　完全不考慮運(yùn)動系統(tǒng)慣性，所設(shè)計的傳動系統(tǒng)所需電動機(jī)的容量將會很大，從而增加了設(shè)備造價。設(shè)計時充分考慮運(yùn)動系統(tǒng)的慣性，允許曲軸在工作過程中轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，釋放部分能量，有利于減少電機(jī)容量，從而降低造價。根據(jù)實(shí)例計算，按照這一思路設(shè)計，電機(jī)容量可以減少30％以上。

　　5.3 調(diào)速能量的回收

　　伺服壓力機(jī)電機(jī)減速采用電磁制動，運(yùn)動部件減速的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。如果這部分電能不能回收，就只能通過電阻消耗，不但降低了效率，而且要增設(shè)電阻箱和冷卻系統(tǒng)。能量回收可以采用以下3種方法。

　　5.3.1 反饋電網(wǎng)

　　這種方法雖然可以節(jié)省電能，但是需要增加一套逆變系統(tǒng)，從而增加了成本。

　　5.3.2 電容儲存

　　在驅(qū)動電路中增設(shè)一組大容量電容，儲存制動時產(chǎn)生的電能；在壓制時，再將電能釋放出來，供電機(jī)使用。這種方法不但省電，更大的好處是減少了工作行程時短時大電流對電網(wǎng)的沖擊。根據(jù)自行研制的25 t伺服壓力機(jī)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明，由于電容的作用，電網(wǎng)的沖擊電流下降了80％以上。這種方法的缺點(diǎn)是大容量電容價格不菲，體積也很龐大。

　　5.3.3 多機(jī)直流互聯(lián)

　　若車間有多臺伺服壓力機(jī)同時工作，可以考慮在驅(qū)動電路的直流層面聯(lián)網(wǎng)，同樣可以達(dá)到節(jié)能和降低峰值電流沖擊的作用，還可省去逆變裝置和電容器，但在實(shí)際應(yīng)用中將會受條件的限制。

5.4 重載高效螺旋傳動技術(shù)

　　在伺服電機(jī)驅(qū)動的成形裝備中，廣泛采用螺旋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。鑒于伺服傳動的要求，目前多采用滾珠絲杠。但滾珠絲桿承載能力畢竟有限，而且價格昂貴，開發(fā)低成本重載高效精密螺旋副成了伺服成形裝備亟待解決的問題之一。出路之一是開發(fā)重載滾動絲杠，例如日本NSK公司生產(chǎn)了直徑達(dá)140 mm的重載滾動杠系列產(chǎn)品；其次是開發(fā)新型高效重載精密滑動螺旋副。日本AMIN0公司在大噸位伺服壓力機(jī)中對滑動螺旋副的材料、熱處理、潤滑等方面進(jìn)行了改進(jìn)，整機(jī)的機(jī)械傳動效率達(dá)到了75％，采用雙螺桿，壓力機(jī)輸出壓力據(jù)稱可達(dá)50000 kN。

　　新型滑動螺旋傳動副的開發(fā)有3個方面的關(guān)鍵技術(shù)：一是開發(fā)新的耐磨減摩材料和制備技術(shù)，除金屬材料外，還可考慮非金屬材料、復(fù)合材料等；二是改進(jìn)螺母結(jié)構(gòu)，使載荷分布更加均勻；三是改善潤滑條件，采用特殊制造工藝，在螺旋副中形成高效潤滑流道。

　　5.5 基于伺服壓力機(jī)的成形工藝優(yōu)化

　　由于普通曲柄壓力機(jī)運(yùn)動特性固定不變，工藝參數(shù)的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)。而伺服壓力機(jī)能實(shí)現(xiàn)任意的滑塊運(yùn)動特性曲線，為各種成形工藝的優(yōu)化提供了可能。研究各種成形工藝的成形機(jī)理建立適合該成形工藝的優(yōu)化參數(shù)，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。不同的成形工藝可以按照不同的優(yōu)化目標(biāo)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如：減少振動和噪音，提高制件精度，提高生產(chǎn)效率等等。

6 基于伺服壓力機(jī)的成形工藝舉例

　　6.1 靜音沖裁

　　在壓力機(jī)上進(jìn)行沖裁工作時，材料斷裂的瞬間，工作負(fù)荷突然消失，積聚在機(jī)身和傳動機(jī)構(gòu)中的彈性變形能會在很短的時間里釋放，因而產(chǎn)生劇烈的振動和巨大的噪音，不但損壞設(shè)備和模具，而且惡化生產(chǎn)環(huán)境、危害工人健康。如果能有效地控制滑塊運(yùn)動，使所儲存的彈性變形能在材料完全斷裂之前就基本釋放完畢，有可能大大減少沖裁振動，降低噪音。這種“靜音沖裁”可以在伺服壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)。KOMATSU公司聲稱，采用伺服壓力機(jī)可以消除99％的沖裁噪音。

　　6.2 精密沖裁

　　精密沖裁時，沖裁速度與工件質(zhì)量和模具壽命有密切關(guān)系。日本KOMATSU公司在普通機(jī)械壓力機(jī)和HAF伺服壓力機(jī)上進(jìn)行了精密沖裁對比試驗(yàn)，工件為空調(diào)機(jī)凸輪，尺寸40 mm×13 mnl，負(fù)荷80 t，材料SPC。沖裁速度越低，沖裁斷面剪切帶厚度就越大，斷面質(zhì)量越好。普通壓力機(jī)在2000～3000件后表面出現(xiàn)裂紋，但伺服壓力機(jī)在3000件后斷面仍保持完好。

　　6.3 盒形件拉深

　　KOMATSU公司曾進(jìn)行了不銹鋼和軟碳鋼盒形件淺拉深的對比試驗(yàn)，工件高度為50 m，兩種材料的極限拉深速度分別為220和400 mm/S，對應(yīng)的機(jī)械壓力機(jī)工作頻率分別為15和30 SPM。在機(jī)械壓力機(jī)上拉深兩種材料均出現(xiàn)裂紋；伺服壓力機(jī)工作頻率為36 SPM，拉深時在行程48和25 mm時兩次減速，兩種材料均獲得完好的工件。高強(qiáng)度鋼成形性能差，容易裂紋、起皺，采用變速拉深可以改善成形性能，提高成形極限20％--30％，降低廢品率。這對汽車覆蓋件加工有重要的意義。

　　6.4軸承墊塊壓制成形

　　軸承墊塊，原在機(jī)械壓力機(jī)上壓制成形，壓力110 t，工件公差為0.02 mm，由于滑塊下死點(diǎn)位置漂移，常常周期性地超差；采用伺服壓力機(jī)后，由于可以嚴(yán)格控制滑塊下死點(diǎn)位置，工件實(shí)際偏差可以控制在0.01 mm以內(nèi)，而載荷反而可以減少一半，僅為48 t。

6.5 鎂合金擠壓成形

　　鎂合金的塑性成形一直是金屬成形加工的一個難題。KOMATsU公司在其HCP3000伺服壓力機(jī)上成功地完成了鎂合金杯形件的反擠壓成形毛坯為080 mm×8 mm板料，坯料置入凹模后，凸模慢速下降，將毛坯壓在凸模和頂料器之間，在下降過程中毛坯被加熱到300℃；當(dāng)頂料器到下極限位置時，滑塊保持恒定壓力，以更低的速度下行，擠壓開始，直至反擠壓工作全部完成；然后滑塊快速回程?；瑝K在一個循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷了4種不同的速度，其中擠壓過程還是恒壓控制。顯然，在普通機(jī)械壓力機(jī)上這一工藝是無法實(shí)現(xiàn)的。

7 結(jié)論與討論

　　7.1 交流伺服壓力機(jī)的發(fā)展前景

　　交流伺服壓力機(jī)在性能上具有許多優(yōu)越性，這已經(jīng)被證實(shí)。但是這種壓力機(jī)究竟有多大的發(fā)展前景，業(yè)界并沒有一致的看法，世界上真正實(shí)現(xiàn)了商品化生產(chǎn)的國家也不多。普通交流電動機(jī)+飛輪的傳動方式具有價廉、簡單、可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，有悠久的歷史，已經(jīng)在鍛壓機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，在可預(yù)見的將來，不可能也沒有必要在所有的壓力機(jī)中都采用伺服驅(qū)動。但是伺服驅(qū)動為壓力機(jī)帶來的一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是柔性化和節(jié)能減噪等的確為鍛壓設(shè)備展示了誘人前景。鍛壓生產(chǎn)在節(jié)能、環(huán)保和高性能方面的要求日益提高，將使其的競爭力越來越大。

　　大功率交流伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)目前價格十分昂貴，是這一技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。造成這一問題的主要原因是大功率交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)目前基本為國外產(chǎn)品所壟斷。隨著國內(nèi)技術(shù)的開發(fā)，與進(jìn)口產(chǎn)品開展競爭，市場價格就會迅速降低，這一技術(shù)在成形裝備的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣?？梢灶A(yù)見，伺服壓力機(jī)將在一些重要的制造領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品、汽車等精密制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。將部分地取代液壓機(jī)、普通機(jī)械壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)。

　　值得關(guān)注的是，國外用交流伺服電機(jī)驅(qū)動改造液壓傳動系統(tǒng)，組成一種新的交流伺服電機(jī)——液壓系統(tǒng)，運(yùn)用于折彎機(jī)、液壓機(jī)，取得了成功。

　　7.2 交流伺服驅(qū)動的能耗和電動機(jī)容量

　　如上所述，普通壓力機(jī)中，電機(jī)的負(fù)荷相對比較穩(wěn)定，即使是工作周期的非工作時段，飛輪也要消耗能量以恢復(fù)飛輪轉(zhuǎn)速，全周期均消耗能量，電機(jī)額定功率基本上等于周期的平均能耗。對于交流伺服驅(qū)動而言，沒有飛輪，實(shí)際消耗的功率是變動的。就電機(jī)的額定功率而言，伺服壓力機(jī)將大于普通機(jī)械壓力機(jī)。但是，由于兩種驅(qū)動方式功率消耗情況大不相同，伺服壓力機(jī)實(shí)際能耗仍低于普通壓力機(jī)。減小電機(jī)容量的途徑之一是提高電機(jī)過載能力。

　　7.3 伺服壓力機(jī)工作時對電網(wǎng)的沖擊

　　伺服曲柄壓力機(jī)工作時將會產(chǎn)生很大的短時沖擊電流，尤其是大噸位壓力機(jī)，這將對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的危害，必須予以重視。一個有效的方法是采用電容儲能。相反，伺服螺旋壓力機(jī)在換向時電流將比普通螺旋壓力機(jī)小，減少電機(jī)發(fā)熱和電流沖擊。

　　7.4 加快交流伺服成形裝備技術(shù)的研究開發(fā)

　　以交流伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)異步電機(jī)，可以大大提高成形裝備的自動化、智能化水平，改善工作性能，具有劃時代的意義。目前國內(nèi)這一技術(shù)尚比較落后，但國外發(fā)達(dá)國家也剛起步不久，鑒于其廣闊的應(yīng)用前景，必須加快這項(xiàng)技術(shù)的研究開發(fā)，方可趕上裝備技術(shù)世界發(fā)展的潮流。