1 引言

　　交流伺服電機驅(qū)動是目前成形裝備發(fā)展的一個新方向，以計算機控制的交流伺服電機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運動。不但可以保持機械驅(qū)動的種種優(yōu)點，而且改變了其工作特性不可調(diào)的缺點，使機械驅(qū)動的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高；同時，還簡化了結(jié)構(gòu)，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量?？扇〈簤合到y(tǒng)，徹底消除油液對環(huán)境的污染。是高新技術(shù)與傳統(tǒng)機械技術(shù)的結(jié)合，對于推動成形裝備的更新?lián)Q代，具有不可限量的影響。短短十多年，其應用領域已經(jīng)從注塑機發(fā)展到

　　折彎機、機械壓力機、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機、螺旋壓力機等各種成形設備。日本各個著名的壓力機制造廠商，如AIDA，KOMATSU，AMIN0，ENOM0T0等公司均投人大量人力物力進行開發(fā)，并已推出商品化的產(chǎn)品。AIDA公司將其開發(fā)的這種新型壓力機稱之為“第3代壓力機”，認為具有劃時代的意義。歐洲一些壓力機廠商也加入到這一行列中，如德國SCHULER公司在2007年北京國際機床展(CIMT07)上推出了2500～6300 kN的這類壓力機系列產(chǎn)品。

　　國內(nèi)不少廠家最近也開始了這一技術(shù)的研究與產(chǎn)品開發(fā)。本文介紹了交流伺服傳動的基本原理及在壓力機中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，討論了交流伺服壓力機的若干關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 電氣傳動與交流伺服驅(qū)動

　　以電動機為基礎的電氣傳動技術(shù)誕生于19世紀初，迄今已有近200年的歷史。由于其具有使用、控制、傳輸、儲存方便等優(yōu)點，在人類生產(chǎn)、生活的各個方面都得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在，已經(jīng)成為包括鍛壓機床在內(nèi)的各種機械裝備的主要傳動方式。電氣傳動分直流和交流兩大類。由于直流傳動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，直到20世紀上半葉，高性能可調(diào)傳動均采用直流電動機，而占電氣傳動總量80％以上的一般傳動則采用交流電動機，不能調(diào)速，絕大部分鍛壓機械都屬于這一類?！爸绷髡{(diào)速，交流不調(diào)速”形成了一種普遍的格局。盡管直流調(diào)速有許多優(yōu)越性，但由于采用機械換向，存在有換向器壽命低、換向火花、造價高等問題，電機容量和速度以及應用場合均受到一定限制，例如，其極限容量一速度積僅為106 kW·RPM。

　　20世紀60---70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，克服了直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點，達到直流調(diào)速同樣的性能。交流調(diào)速在近30年來得到迅速發(fā)展，已經(jīng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為電氣傳動的主要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計，在2001年世界可調(diào)電氣傳動產(chǎn)品中，交流傳動已經(jīng)占到2／3以上。

　　調(diào)速和伺服應是兩個具有聯(lián)系的不同術(shù)語。電動機調(diào)速指調(diào)節(jié)、改變電動機速度，而伺服(setvo)則是一音譯和意譯相結(jié)合的外來詞，有跟隨、服從的意思。伺服電機傳動指電動機的轉(zhuǎn)速或其它參數(shù)可以按照任意的輸入信號而變化。可以簡單地理解為：普通的調(diào)速只是一種最簡單的伺服傳動，如一般鼓風機、水泵電機的調(diào)速，伺服傳動則是一種高級的調(diào)速，這種調(diào)速是實時、連續(xù)地進行的。長期以來，交流伺服電機僅僅作為執(zhí)行元件，應用于伺服控制系統(tǒng)，功率不超過1 kW。大功率交流伺服電機及其驅(qū)動控制裝置的出現(xiàn)，使這一技術(shù)得以應用于機械裝備的主傳動，成為交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。正是在這種背景下，發(fā)達國家在20世紀末期，開始了將交流伺服傳動技術(shù)應用于鍛壓機械的研究和產(chǎn)品開發(fā)，出現(xiàn)了交流伺服電動機驅(qū)動的壓力機，十多年來得到了迅速發(fā)展。

3 交流伺服壓力機的特點

　　3.1 實現(xiàn)柔性化和智能化工作性能提高

　　由于原動機由不能調(diào)節(jié)和控制的普通感應電機改為CNC控制可任意調(diào)節(jié)的伺服電動機，因此自動化、智能化程度提高，工作效率提高；可以獲得任意的滑塊特性，設備的工藝適應性擴大；可以根據(jù)不同的工藝采用相應的優(yōu)化曲線，提高工作性能。例如，在伺服壓力機上拉深，成形極限可以提高25％。

　　3.2 精度高

　　一方面，伺服壓力機的運動可以精確控制，一般均裝有滑塊位移檢測裝置和滑塊行程調(diào)節(jié)裝置，滑塊的任意位置(包括下死點)可以準確控制。伺服壓力機滑塊位置精度一般可以達0.01 mm；另一方面，滑塊運動特性可以優(yōu)化，例如，拉深、彎曲、壓印時，適當?shù)幕瑝K曲線可減少回彈，提高制件精度。

　　3.3 簡化傳動環(huán)節(jié)，減少維修和節(jié)省能量

　　伺服壓力機省去飛輪、離合器，甚至采用直接傳動，傳動環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應減少。伺服壓力機節(jié)能主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

　　(1)伺服電動機較普通感應電機效率高。

　　(2)交流伺服電動機采用變頻調(diào)速，效率高，損耗小。

　　(3)減速時采用電磁制動，制動能量可儲存回收。與機械制動和液壓傳動的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。

　　(4)在普通壓力機中，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的6％～30％。伺服壓力機沒有飛輪，僅在工作時電機才旋轉(zhuǎn)，這一部分能量得以節(jié)省。

　　(5)在普通壓力機中，離合器(主要指摩擦離合器)耗能約占總能量的20％，伺服壓力機取消了離合器，這一部分能量得以節(jié)省。

　　(6)大多數(shù)中小型機械壓力機，采用摩擦制動器。制動器每周期均工作，消耗能量；伺服壓力機制動器僅在停車時才起作用，制動耗能得以節(jié)省。當然，節(jié)能效果尚決定于變流以及儲能和再利用的效率?？傮w而言，伺服壓力機較普通機械壓力機和液壓機都要節(jié)能。例如，采用這一技術(shù)的全電動注塑機較傳統(tǒng)液壓式注塑機節(jié)能25％-60％，而日本村田公司交流伺服數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機比液壓式也節(jié)能30％-40 oA；日本ENOMOTO公司開發(fā)的基于這一技術(shù)的螺旋壓力機節(jié)能達50％。而AMINO公司聲稱所開發(fā)的伺服壓力機較油壓機節(jié)能2／3。小松AMERICA曾進行過300 t壓力機連續(xù)工作功耗對比試驗，結(jié)果證明伺服壓力機節(jié)能32％～42％。

　　3.4 環(huán)保

　　伺服壓力機的環(huán)保特性體現(xiàn)在其具有液壓機的性能，但是又沒有液壓系統(tǒng)，完全消除了油液污染；又由于傳動系統(tǒng)簡化，傳動噪音大大減少；滑塊運動特性優(yōu)化，減少工藝噪聲，實現(xiàn)靜音沖裁，極大地改善生產(chǎn)環(huán)境。AMINO的25000 kN伺服機械壓力機噪音僅為75 db(A)，較普通壓力機減少10--20 db。

　　3.5 提高模具壽命和生產(chǎn)率

　　由于振動減少，模具壽命可以提高3倍，設備壽命也相應提高。

　　由于伺服壓力機行程可以方便地調(diào)整，可以根據(jù)成形工藝需要，使壓力機在必要的最小行程工作，生產(chǎn)效率得以提高。其工作頻率不但高于液壓機，而且可以高于普通機械壓力機。

4 伺服壓力機傳動方式及典型產(chǎn)品

　　4.1 伺服電機直接驅(qū)動

　　電機直接與執(zhí)行機構(gòu)連接，推動滑塊工作，具有最短的傳動鏈，因而結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、精度高，很有發(fā)展前景。目前這種壓力機有兩種形式。

　　4.1.1 直線伺服電機直接驅(qū)動壓力機

　　直線電機可以直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，推動滑塊工作，實現(xiàn)“零傳動”，它已經(jīng)成功地應用于機床的進給、磁懸浮列車等。浙江大學在20世紀90年代就曾研制過5～50 kN的此類壓力機，與普通機械壓力機相比，節(jié)能40％，體積減少60％，重量減少40％[9|。日本AIDA公司已推出L-SF-300S的系列產(chǎn)品，最大規(guī)格10 kN，行程100 nlrn，最高工作頻率為200 SPM。山田DOBBY公司開發(fā)的同類壓力機，具有示教功能，最大壓力為24 kN，滑塊精度5μm。

　　4.1.2 伺服電機直接驅(qū)動曲柄

　　日本AIDA公司的NCl-D和NSl-D系列屬于這類產(chǎn)品。低速大扭矩伺服電動機直接與曲柄聯(lián)接，無減速機構(gòu)，不但結(jié)構(gòu)簡單、減少維護量、節(jié)能，而且噪音小，聲稱即使在住宅區(qū)內(nèi)，也可以24 h工作。由于受伺服電機扭矩的限制，壓力機噸位不能太大，目前最大噸位為2500 kN。

　　4.2 伺服電機一減速一螺桿

　　此類壓力機一般將伺服電機通過同步皮帶與螺桿連接，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。其運動特性類似于液壓機，在全行程均可獲得額定壓力。局限性在于滾珠絲杠承載能力有限，滑動螺旋效率低，壓力機噸位不能太大。常見形式有兩種。

　　4.2.1 全電動數(shù)控伺服折彎機

　　板料折彎機是應用極為廣泛的彎曲設備，早在20世紀80年代就已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控化，普遍采用電液伺服加光柵形成閉環(huán)控制。折彎工藝從編程到彎瞳過程模擬、控制、修正等均實現(xiàn)了高度的自動化。交流伺服電機驅(qū)動的全電動折彎機的出現(xiàn)，使其工作性能得到進一步提高。

　　KOMATSU公司在1995年開發(fā)出PAS系列交流伺服折彎機(圖1)，目前規(guī)格已達350～1250kN。除節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單等交流伺服電機驅(qū)動一般的優(yōu)點外，突出的特點是克服了液壓系統(tǒng)速度切換時的短暫停頓現(xiàn)象，滑塊運動更加敏捷；當采用4個獨立的驅(qū)動單元驅(qū)動時，可以方便地補償機身和滑塊的變形，提高制件精度。據(jù)稱，與液壓驅(qū)動的折彎機相比，生產(chǎn)率提高47％，運行成本降低35％，節(jié)電15％，試折的材料消耗減少8％～14％。

　　4.2.2 螺旋精密壓力機

　　AIDA公司A-SF壓力機屬于這類產(chǎn)品，目前最大噸位為800 kN，其工作性能類似液壓機，以靜壓力工作。伺服電機帶動兩個直徑不同的皮帶輪，具有不同的傳動比，利用離合器來切換?？招谐虝r，減速比小，絲杠以較高速度旋轉(zhuǎn)；工作行程時，減速比大，絲桿轉(zhuǎn)速慢，增力比也大。這種傳動方式可以降低對電機的要求。滑塊上有位移傳感器，反饋位移信號。

　　KOMATSU公司HCP型伺服壓力機傳動原理與此類似。

　　交流伺服壓力機及其關(guān)鍵技術(shù)（下）