伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

（連載二）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造和定義在日本，伺服沖床的定義已由日本工業(yè)規(guī)格（JIS）確定了，除去日本鍛壓工業(yè)協(xié)會管理下的沖壓設(shè)備制造廠家之外，還有在日本銷售的臺灣沖壓設(shè)備制造廠家和團體也一起制定了這個定義。這個定義認為，只是僅僅安裝了伺服電機的沖床不一定能叫伺服沖床。而中國的伺服沖床還剛剛起步，到目前為止伺服沖床仍沒有明確的定義，因此需要考慮盡快制定。過去由于沖壓機械造成的人身事故（有留下重度傷殘的災(zāi)難性事故，也有直接導(dǎo)致死亡的最惡性事故），發(fā)生頻率是很高的。這些事故大多數(shù)是由于沒有在沖床上安裝安全裝置造成的，非常危險。也存在機器上雖然安裝了安全裝置，卻沒有接通電源的情況，使安全裝置沒有得到正確的使用而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。對于以往帶有摩擦板式離合器及制動器的機械式?jīng)_壓機來說，安裝光線式安全裝置和防護欄等，能正確地得到使用就可以有效地降低人身事故的發(fā)生率。摩擦板式離合器和制動器的沖壓機械的事故發(fā)生率較低的原因，是因為操作人員的手或身體任何部分接近正在運轉(zhuǎn)的模具或是進入到危險區(qū)域都會被檢出，隨即向沖床發(fā)出非常狀態(tài)停止信號，摩擦板式制動器就能緊急停止。當(dāng)然，首要的條件是摩擦板式制動器需要處于OFF的工作狀態(tài)。

與此不同的是，由于伺服電機驅(qū)動著沒有制動器的伺服沖床，其緊急停止過程是對伺服電機的發(fā)電回路進行轉(zhuǎn)換使其緊急減速（可叫做回生制動）的同時，伺服電機自身強力的電磁回路使伺服電機的回轉(zhuǎn)被強制停止的方法來進行制動。

如果對這種“安全性高性能良好的伺服沖床”進行定義的話，就需要有如下的基本條件：

⑴有伺服控制裝置，能夠安全地、正確地起動的沖壓機械。

⑵有安全裝置，能夠確保操作人員安全的沖壓機械。

⑶有緊急停止機構(gòu)，能夠使其安全地急速停止的沖壓機械。

在本文中，筆者將把“由伺服電機作為動力源，由伺服的控制系統(tǒng)來驅(qū)動的沖壓機械”作為伺服沖床，對其獨特機能和安全性進行重點論述，同時也要講述關(guān)于伺服沖床的靈活使用方法以及如何利用伺服沖床的特性來靈活使用模具。

沖壓機械是在充分地考慮了操作人員安全的前提下制造的優(yōu)質(zhì)沖床，日常都需要保持良好的狀態(tài)。但如果不能正確地使用，也會發(fā)生對操作人員身體造成傷害的重大事故。同樣，雖然使用了計算機、數(shù)控系統(tǒng)來運轉(zhuǎn)伺服沖床，也不能存有因為有了伺服控制機構(gòu)就不會發(fā)生事故的心理，這一點我們要充分注意。也就是說，無論是對伺服沖床還是以往的機械式?jīng)_床，進行日常的嚴格管理和正確操作都是非常必要的。

優(yōu)質(zhì)沖床到底是什么樣的沖床呢？可以簡單的概括為以下9方面：

⑴由具備沖壓機械正確知識的設(shè)計技術(shù)人員，在遵守有關(guān)安全的法律法規(guī)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。

⑵由具備沖壓機械正確知識的技師，對機械的零部件進行正確的加工。

⑶由具備沖壓機械正確知識的技師，對機械進行正確的組裝。

⑷由具備沖壓機械正確知識的技師，對機械進行正確的運轉(zhuǎn)調(diào)整。

⑸由具備沖壓機械正確知識的質(zhì)檢人員，對機械進行正確的檢查。

⑹由具備沖壓機械正確知識的設(shè)計技術(shù)人員，對機械進行正確的安裝和試運行工作。

⑺由具備沖壓機械正確知識的機械保養(yǎng)人員，正確地進行日常的檢查，使機械終保持良好的狀態(tài)。

⑻由具備沖壓機械正確知識的機械操作人員，進行正確的運轉(zhuǎn)操作。

⑼沖床的操作人員要愛惜沖床并謹慎操作，要對沖床進行正確的檢查，發(fā)現(xiàn)異常要停止運轉(zhuǎn)并及時向機械設(shè)備的管理人員報告。

以上的前6方面是由沖床制造廠義不容辭來擔(dān)當(dāng)?shù)模?方面是沖床使用廠家的責(zé)任。

那么，上面提到的有關(guān)沖壓機械的正確知識，在今后的連載中將逐步詳細說明。在這里只是強調(diào)各個崗位上的擔(dān)當(dāng)人員要對自己的責(zé)任有清醒地認識，要讓正確地進行生產(chǎn)操作成為每個人必須履行的自覺行動。

為了制造出優(yōu)良的沖床并使好的沖床得到正確的使用，許多國家都制定了相關(guān)的法律，美國和德國、英國等歐洲國家以及日本都有相關(guān)詳細的法律，如果違反了要受到很嚴重的處罰。在中國關(guān)于沖壓機械及其安全使用的法律法規(guī)還不是太完備，必須要加快這方面的法規(guī)和條例的完善。

本文連載中涉及的沖壓機械是伺服沖床，跟以往的沖床相比控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，沖壓機械因采用了數(shù)控技術(shù)就成為了伺服沖床，具有正確的知識就更為重要，尤其在安全上要比以往的普通沖床更加注意才可以。

以伺服電機作為動力源的沖床分類

用伺服電機作為動力源的沖壓機械大致可以分為以下三大類：

電動式伺服電機驅(qū)動的伺服沖床，這類沖床是將驅(qū)動圓柱螺紋或曲軸的齒輪與伺服電機連接，用曲軸機構(gòu)或連桿機構(gòu)帶動滑塊運轉(zhuǎn)的沖床。

電動式伺服電機油壓泵驅(qū)動的沖壓機械，是用伺服電機帶動油壓泵，再用油壓力驅(qū)動油壓氣缸的沖壓機械。

油壓伺服驅(qū)動式?jīng)_壓機械，是用通用電機帶動油壓泵、電動式伺服閥來控制油壓泵產(chǎn)生高壓油從而驅(qū)動油壓氣缸的沖壓機械，油壓伺服式彎折機就是屬于這種方式。

前兩種沖壓機械使用的伺服電機也分成兩大類，第一類的電源是使用交流電源，利用頻率數(shù)的變化來改變伺服電機的回轉(zhuǎn)數(shù)，也就是可以改變速度的AC伺服電機；第二類是使用直流電源，利用電流、電壓等改變回轉(zhuǎn)數(shù)的DC伺服電機。本文僅對電動式伺服電機的沖壓機械進行說明。

伺服沖床的控制和使用種類

伺服電機發(fā)出有關(guān)回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)力（力矩）等的指令，再把動作的結(jié)果（包含途中的過程）與指令值的差別相比較，然后再做出修改或不修改的指令內(nèi)容并反映到下一個指令中，從而控制沖床的動作。

基本上，我們把這種信號一次又一次發(fā)出，然后反映到控制結(jié)果的方法叫做反饋控制，現(xiàn)在的伺服沖床基本上是用這種預(yù)先定好結(jié)果來控制的方法，最近又被稱為反饋推進控制的方法，也就是說使用在先預(yù)定結(jié)果的前提下來決定指令值的控制方法。

伺服電機驅(qū)動控制中，采用一軸控制的方法是最基本的，就是由一臺伺服電機和一套控制裝置來控制一個加壓機構(gòu)（如一根曲軸、一個滑塊）的速度、位置、力。但是由于沖壓機械的加壓機構(gòu)有曲軸、螺桿軸（圓形螺紋、切削螺紋和旋壓螺紋等）等，因而根據(jù)沖壓機械的用途選擇一軸驅(qū)動、二軸驅(qū)動、三軸驅(qū)動等復(fù)數(shù)軸驅(qū)動的方法。

綜上所述，又可以歸納出現(xiàn)在伺服沖床的使用種類：

⑴一根曲軸和一臺伺服電機組合的單曲軸沖床，簡稱單點沖床。這是伺服沖床使用最多的一種形式，多數(shù)的沖壓制造廠家都在制造。

⑵兩根曲軸和一臺伺服電機組合的雙曲軸沖床，簡稱雙點沖床。這種方式的沖床也有一些制造廠開始在制造，但是滑塊的平行控制是非常難以做到并做好的。

⑶兩根曲軸和兩臺伺服電機組合的雙曲軸沖床，也簡稱為雙點沖床。能夠制造這樣方式的伺服沖床制造廠家還不多，但是滑塊的平行可以控制得好。

⑷三根曲軸和兩臺伺服電機組合的三曲軸沖床，也簡稱為三點沖床。能夠制造這樣方式的伺服沖床制造廠相對更少，鍛造用沖床、順送加工用沖床等高剛度的沖床采用這個方式。

⑸一根螺紋軸和一臺伺服電機組合的單點沖床，多用于小型、小能力的沖床機械上。

⑹一根螺紋軸和一兩臺到四臺伺服電機組合的雙點沖床、四點沖床，如用一根螺紋軸驅(qū)動的兩點連桿式?jīng)_床、用一根螺紋軸驅(qū)動的四點連桿式?jīng)_床。這種沖床主要用來生產(chǎn)大型部件，如車門、車身的沖壓成形的沖床上大多采用這樣的形式，熱鍛用的螺旋沖床也有采用這種方式的。

⑺兩根螺紋軸和兩臺伺服電機組合的雙點沖床，可實現(xiàn)只有滑塊左右的平行控制或只有前后的平行控制。

⑻四根螺紋軸和四臺伺服電機組合的四點沖床，這一種形式可對滑塊的前后和左右同時進行平行控制。

⑼五根螺紋軸和五臺伺服電機組合的五點沖床，在四點加壓的滑塊中心再追加一點，這與三點沖床一樣可以起到加強滑塊剛度的效果。

近期市場上出現(xiàn)的伺服沖床在增加加壓軸數(shù)的同時，又分別配置了各自獨立的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了安裝上模滑塊的平行加壓。而且，沖壓機械也和工作加工機械一樣實現(xiàn)了平行控制。在國外，2軸加壓、3軸加壓、4軸加壓、5軸加壓等各顯特征的沖壓機械也在制造中。

伺服電機控制和沖床靜態(tài)精度的關(guān)系

伺服電機的控制回路基本上由幾部分組成，即使多軸的情況也沒有各自獨立的控制回路，一種方式是特定（固定）一根軸作為主導(dǎo)，其他的軸（即使是復(fù)數(shù)軸也同樣）是從屬關(guān)系，從屬軸的控制方法總是要跟隨主導(dǎo)軸，在某一刻檢出各個軸位置時最先行的軸或最落后的軸，這時確定出主導(dǎo)軸。除此以外，其他軸就都是從屬軸，就要采用追隨的控制方法。

還有一種方式是，主導(dǎo)軸隨時都可能改變。確定了主導(dǎo)軸，其他的軸就是從屬關(guān)系。這種方式可以將所有的軸控制在幾乎同樣的位置。軸在數(shù)量增加時檢出各個軸的位置，對哪個軸在先哪個軸在后進行計算，得出結(jié)論確定主導(dǎo)軸，再算出各軸與主導(dǎo)軸的差，然后再分別發(fā)出調(diào)整各自位置的指令，這是需要一定時間的。這樣，其控制裝置就要對快速演算提高速度，或者對于控制對象軸盡可能減少，使得得出結(jié)論的時間盡量縮短。一般認為，前者提高演算速度方式比較多。

多軸控制的伺服沖床主要采用兩種控制方式，一種是向每一個軸逐次發(fā)出指令，每一根軸各自逐次進行反饋的控制方式。還有一種是同時向各軸發(fā)出指令，各軸同時進行反饋的控制方式。

一個主導(dǎo)控制軸，其他作為從屬軸的情況，因為各自的位置、速度的差異，必須要應(yīng)答良好的伺服裝置（電機和控制回路），同時必須對沖壓機械回轉(zhuǎn)部分（軸承、齒輪的嚙合等）的間隙（縫隙、游離或者空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)也可稱之為失落運動）實行嚴格的管理和維修保養(yǎng)。

要達到伺服控制的目的，就是要將期望的性能得到更好地發(fā)揮應(yīng)用，除了上面所講的機械精度外，控制軟件也起著非常重要的作用。

電子信號的速度可達到每秒30萬千米的高速，而在動態(tài)的機器方面，從質(zhì)量很大且轉(zhuǎn)動慣量（有時也用GD2表示）的控制軸角度來看，必須對其巨大的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量進行時停時轉(zhuǎn)，必須對機械的遲緩和馬達的力矩相匹配的加速率和減速率進行控制。那么被回轉(zhuǎn)部件的重量越大、部件的直徑越大，越難以被轉(zhuǎn)動，伺服產(chǎn)品的設(shè)計需要機械設(shè)計者、電氣設(shè)計者和計算機軟件設(shè)計者具備協(xié)調(diào)性很好的綜合技術(shù)能力。伺服控制軟件設(shè)計人員經(jīng)驗越多，就越能體會到其中的奧秘和悟性，會少走彎路，設(shè)計出精確的優(yōu)異結(jié)果。

一般來說，伺服電機從停止?fàn)顟B(tài)（速度為零）開始，到達定格速度需要0.05～0.5s，這個特性有時用自起動周波數(shù)來表示?；瑝K的速度在一個行程中，可以任意頻繁地被改變，是伺服沖床最重要的特性之一。沖床的公稱能力越大，伺服電機就越重、越大，這時的自起動周波數(shù)也就越大、越慢。這個特性不但影響從零速度到規(guī)定速度的起動時間，也同樣影響從規(guī)定速度到零速度的停止時間。伺服電機的定格速度與最高速度有著非常緊密地聯(lián)系，如果最高速度在2000～3000r/min的高速情況下，定格速度也很高。當(dāng)然，根據(jù)電機不同會有所不同，有的伺服電機的定格速度可以達到最高速度的1/3～1/2。

在這里我們要反復(fù)強調(diào)的是，一個熟知機械特性的人設(shè)計出來的軟件和只有控制電路經(jīng)驗的人設(shè)計出來的軟件對于發(fā)揮伺服沖床的運轉(zhuǎn)特性即滑塊的運轉(zhuǎn)模式及滑塊的位置精度會有很大的差別。因此一臺伺服沖床只有把在對沖壓機械和沖壓加工十分了解的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的軟件配備上去才能算得上是好的沖床。

圖1 2500t多連桿式伺服壓力機

選擇伺服沖床非常重要的一點就是，伺服沖床多軸之間的相關(guān)關(guān)系精度要在1μm，這就要求機械部分、驅(qū)動類部分、控制電路方面、檢出系統(tǒng)以及電腦軟件各自的精度都必須有所保證。在伺服沖床方面，至今為止還沒有達到工作機械的精度，但使用了位置分解能（位置最小測定單位）為0.05μm的檢出器后，可將沖床滑塊和工作臺的平行度控制在±3μm以內(nèi)，這樣的順送加工沖床已經(jīng)問世。

綜上所述，構(gòu)成沖壓機械每一個部件的剛度都要高，每一個部件都需要有高精度的加工，沖壓機械的組裝精度也要精準，這樣就可以制造出與工作機械一樣的伺服沖壓機械來。

如圖1所示為用于沖壓加工高精度汽車車身件的大型伺服壓力機——由株式會社網(wǎng)野制造的2500t多連桿式伺服壓力機，用于汽車車身外板的高精度加工，可以實現(xiàn)控制滑塊速度、滑塊多種運轉(zhuǎn)機制、途中加壓停止、下死點加壓停止和往復(fù)循環(huán)運動機制等運轉(zhuǎn)功能。