4.3 電機-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[1噸]。KOMATSU公司將這類壓力機稱為“自由運動”壓力機。伺服驅動曲柄壓力機保留了曲柄壓力機的原有優(yōu)點。與螺旋傳動不同，回程時電機無需反向，滑塊靠近下死點時速度自動降低，增力比加大。

　　這類壓力機按傳動方式來分，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屬于此類型。伺服電機經一級齒輪傳動驅動曲柄——連桿機構。與普通蘸耩蓮力枧不同靛是，震交流飼服電機取代了普通感應電動機，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

　　采用肘桿機構可以提高增力比，減少電機容量，提高壓力機噸位。KOMATSU公司H1F單點伺黻壓力祝和AMINO公司雙點飼駐歪力桃原理圖，AMINO公司此類壓力機最大噸位可達到25000 kN。

　　4.3.3 混合傳動(電機-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；缺點是由于螺旋需要正反轉，工作頻率不能太高。日本小松公司H2F雙點伺服壓力機傳動原理，兩臺伺服電機通過皮帶藏速，帶動滾珠絲杠運動，再通過封抒極掬帶動滑塊上下運動，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年奪松公霞生產耱多點壓力橇規(guī)格已經達到42000 kN。

　　4.4 數控回轉頭壓力機

　　數控翔轉頭歪力機的發(fā)愛融經有數十年酶歷史。最初多采用機械驅動，步沖頻率比較低，通常在200次/min叫以下。20世紀束，數控闡轉頭壓力橇越來越多地采焉液蓬伺服驅動技術，步沖頻率提高到600次/min叫以上。伺服電機驅動的數控回轉頭壓力機的出現，其性能有了進一步的提高，其主要優(yōu)點是消除了漓液渣漏；系統(tǒng)無需預熱，可童接快速啟動；節(jié)電30％～40％；步沖頻率較液壓伺服驅動進一步提高。

　　采用伺服驅動的Mr()R{M2004EZ產品曾獲霹本政府通產大臣獎。天田公司也推出EM2510NT產品，采用雙儡服電機驅動，聲稱為“世界上最快的數控圓轉頭腿力機，其步猙頻率達1800次/min。

　　4.5 螺旋壓力機

　　電動螺旋壓力枧出于其一系剜優(yōu)點，近年來褥劉很大的發(fā)展，尤其在大噸位螺旋壓力機中具有藏大的潛力，目前最大噸位已經達到320000 kN。有入曾分析電動螺旋壓力機電枧的發(fā)熱過程，由于螺旋壓力機電機轉差率大，引起轉予發(fā)熱，認為其傳動效率不比普通摩擦壓力機高，小能量打擊時，效率甚至低予警遇摩擦壓力視口1{。交流儡服電機驅動技術的出現，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中，采用了交流飼冀瑟技術，開發(fā)了100-1000 t麴德服螺旋壓力機。該產品獲2002年日本新技術開發(fā)設計獎。其主要優(yōu)點是節(jié)能和控制精確方便，據稱，節(jié)能效果達50％。囂內華孛辯技大學等單位也開發(fā)了類似產品。山東理工大學開發(fā)了開關磁阻電機驅動的電動螺旋壓力機。

5 交流伺服壓力機若干關鍵技術

　　5.1 大功率交流伺服電機及箕控制技術

　　交流鐲服驅動授術的發(fā)展基礎在于近些年來犬功率交流伺服電機、電力電子器件以及交流伺服控制技術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，交流伺服電機僅作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電機，功率一般只有數百瓦。大功率交流伺服電機的島現還是近十多年酶事。

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

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

　　5.1.2 交流電動機控制驅動技術的發(fā)展

　　1971年德國學者Blaschke提出了交流電機的矢量控制理論，通過坐標變換，將交流電動機定子的電流分解為轉矩分量和勵磁分量，從而可以分別控制轉矩和磁通，獲得與直流電動機相仿的高動態(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進一步提出了直接轉矩控制理論，直接控制定子磁鏈和電磁轉矩，簡化了控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)快速響應能力，拓寬了矢量控制理論，促進了電機現代控制技術的進一步發(fā)展。

　　5.1.3 電子電力器件等硬件技術的發(fā)展

　　交流伺服電機驅動控制單元的價格遠高于電機本身。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，促進了大功率交流伺服驅動技術的實現和推廣，為在鍛壓裝備領域采用交流伺服驅動提供了可能。以90 kw容量變頻器為例，目前價格已經降到1990年的1／4左右，如表2所示。

　　5.2 無飛輪壓力機傳動系統(tǒng)設計

　　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，但要求電機扭矩大，電機制造難度大，價格高。極限情況，電動機和曲柄直接相連，傳動比為1。

　　適當提高傳動比，可以減少所要求的電動機扭矩，有利于降低設備造價。

　　5.2.2電動機容量選擇

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

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

　　5.3 調速能量的回收

　　伺服壓力機電機減速采用電磁制動，運動部件減速的動能轉變?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

　　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

　　在驅動電路中增設一組大容量電容，儲存制動時產生的電能；在壓制時，再將電能釋放出來，供電機使用。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的沖擊。根據自行研制的25 t伺服壓力機樣機的試驗結果表明，由于電容的作用，電網的沖擊電流下降了80％以上。這種方法的缺點是大容量電容價格不菲，體積也很龐大。

　　5.3.3 多機直流互聯(lián)

　　若車間有多臺伺服壓力機同時工作，可以考慮在驅動電路的直流層面聯(lián)網，同樣可以達到節(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，但在實際應用中將會受條件的限制。

5.4 重載高效螺旋傳動技術

　　在伺服電機驅動的成形裝備中，廣泛采用螺旋副將旋轉運動轉換為直線運動。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公司生產了直徑達140 mm的重載滾動杠系列產品；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中對滑動螺旋副的材料、熱處理、潤滑等方面進行了改進，整機的機械傳動效率達到了75％，采用雙螺桿，壓力機輸出壓力據稱可達50000 kN。

　　新型滑動螺旋傳動副的開發(fā)有3個方面的關鍵技術：一是開發(fā)新的耐磨減摩材料和制備技術，除金屬材料外，還可考慮非金屬材料、復合材料等；二是改進螺母結構，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 基于伺服壓力機的成形工藝優(yōu)化

　　由于普通曲柄壓力機運動特性固定不變，工藝參數的優(yōu)化難以實現。而伺服壓力機能實現任意的滑塊運動特性曲線，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理建立適合該成形工藝的優(yōu)化參數，對于提高產品質量和生產效率、降低生產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)化目標對參數進行優(yōu)化，例如：減少振動和噪音，提高制件精度，提高生產效率等等。

6 基于伺服壓力機的成形工藝舉例

　　6.1 靜音沖裁

　　在壓力機上進行沖裁工作時，材料斷裂的瞬間，工作負荷突然消失，積聚在機身和傳動機構中的彈性變形能會在很短的時間里釋放，因而產生劇烈的振動和巨大的噪音，不但損壞設備和模具，而且惡化生產環(huán)境、危害工人健康。如果能有效地控制滑塊運動，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”可以在伺服壓力機實現。KOMATSU公司聲稱，采用伺服壓力機可以消除99％的沖裁噪音。

　　6.2 精密沖裁

　　精密沖裁時，沖裁速度與工件質量和模具壽命有密切關系。日本KOMATSU公司在普通機械壓力機和HAF伺服壓力機上進行了精密沖裁對比試驗，工件為空調機凸輪，尺寸40 mm×13 mnl，負荷80 t，材料SPC。沖裁速度越低，沖裁斷面剪切帶厚度就越大，斷面質量越好。普通壓力機在2000～3000件后表面出現裂紋，但伺服壓力機在3000件后斷面仍保持完好。

　　6.3 盒形件拉深

　　KOMATSU公司曾進行了不銹鋼和軟碳鋼盒形件淺拉深的對比試驗，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，對應的機械壓力機工作頻率分別為15和30 SPM。在機械壓力機上拉深兩種材料均出現裂紋；伺服壓力機工作頻率為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，原在機械壓力機上壓制成形，壓力110 t，工件公差為0.02 mm，由于滑塊下死點位置漂移，常常周期性地超差；采用伺服壓力機后，由于可以嚴格控制滑塊下死點位置，工件實際偏差可以控制在0.01 mm以內，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。滑塊在一個循環(huán)內經歷了4種不同的速度，其中擠壓過程還是恒壓控制。顯然，在普通機械壓力機上這一工藝是無法實現的。

7 結論與討論

　　7.1 交流伺服壓力機的發(fā)展前景

　　交流伺服壓力機在性能上具有許多優(yōu)越性，這已經被證實。但是這種壓力機究竟有多大的發(fā)展前景，業(yè)界并沒有一致的看法，世界上真正實現了商品化生產的國家也不多。普通交流電動機+飛輪的傳動方式具有價廉、簡單、可靠等一系列優(yōu)點，有悠久的歷史，已經在鍛壓機械中得到廣泛應用，在可預見的將來，不可能也沒有必要在所有的壓力機中都采用伺服驅動。但是伺服驅動為壓力機帶來的一系列優(yōu)點，尤其是柔性化和節(jié)能減噪等的確為鍛壓設備展示了誘人前景。鍛壓生產在節(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及其控制系統(tǒng)目前價格十分昂貴，是這一技術推廣應用的主要障礙。造成這一問題的主要原因是大功率交流伺服電機及其驅動控制系統(tǒng)目前基本為國外產品所壟斷。隨著國內技術的開發(fā)，與進口產品開展競爭，市場價格就會迅速降低，這一技術在成形裝備的應用領域也會越來越廣?？梢灶A見，伺服壓力機將在一些重要的制造領域，如電子產品、汽車等精密制造領域發(fā)揮越來越大的作用。將部分地取代液壓機、普通機械壓力機、螺旋壓力機。

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

　　7.2 交流伺服驅動的能耗和電動機容量

　　如上所述，普通壓力機中，電機的負荷相對比較穩(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飛輪轉速，全周期均消耗能量，電機額定功率基本上等于周期的平均能耗。對于交流伺服驅動而言，沒有飛輪，實際消耗的功率是變動的。就電機的額定功率而言，伺服壓力機將大于普通機械壓力機。但是，由于兩種驅動方式功率消耗情況大不相同，伺服壓力機實際能耗仍低于普通壓力機。減小電機容量的途徑之一是提高電機過載能力。

　　7.3 伺服壓力機工作時對電網的沖擊

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

　　7.4 加快交流伺服成形裝備技術的研究開發(fā)

　　以交流伺服電機取代傳統(tǒng)異步電機，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。目前國內這一技術尚比較落后，但國外發(fā)達國家也剛起步不久，鑒于其廣闊的應用前景，必須加快這項技術的研究開發(fā)，方可趕上裝備技術世界發(fā)展的潮流。