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

（連載三）

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

伺服電機(jī)與沖床機(jī)械的關(guān)系，可以從以下幾方面考慮。

⑴舊式帶有飛輪的沖床和伺服沖床在結(jié)構(gòu)上的不同。

曲軸式?jīng)_床被伺服化的例子很多，一般曲軸沖床必須要有的飛輪在這里是沒有的，見圖1。一般機(jī)械式?jīng)_床是誘導(dǎo)電機(jī)帶動飛輪回轉(zhuǎn)，將沖壓加工所必須的成形能量和回轉(zhuǎn)力儲存起來成為回轉(zhuǎn)能量。回轉(zhuǎn)力由離合器傳給驅(qū)動軸，驅(qū)動軸再通過齒輪機(jī)構(gòu)傳給曲軸。曲軸機(jī)構(gòu)由曲軸、連接桿和滑塊組成，曲軸的回轉(zhuǎn)運動和回轉(zhuǎn)力變換成滑塊的往復(fù)運動和沖床的加工壓力。

曲軸機(jī)構(gòu)在傳遞沖床加工壓力的同時，還要傳達(dá)飛輪里儲藏的能量，才能進(jìn)行沖壓加工。進(jìn)行沖壓加工時，使用成形能量可使飛輪的運動能量減低，飛輪的回轉(zhuǎn)速度也會降低。長期以來，對包含這種曲軸式的機(jī)械沖床來說，飛輪都起著重要的、不可缺少的作用。飛輪不但儲存加工時所必須的能量，同時也儲存沖床的加工壓力。總而言之，飛輪有把電機(jī)的出力（回轉(zhuǎn)力）增幅的作用，如加工能力1000kN的伺服沖床，伺服電機(jī)的出力最少也要在55kW左右。然而，同樣的曲軸式?jīng)_床，驅(qū)動用主電機(jī)（通用誘導(dǎo)電機(jī)）的出力只需要11kW就可以了。

圖1一般的曲軸式?jīng)_床的驅(qū)動機(jī)構(gòu)

雖然飛輪能夠把電動機(jī)的出力增大，同時也有其缺點。正像前面所說的，飛輪是以回轉(zhuǎn)的形式把成形能量儲存起來的裝置，飛輪的重量和回轉(zhuǎn)速度決定了儲存能量的大小。因此要大量地儲存成形能量，就要加重飛輪的重量或提高飛輪的回轉(zhuǎn)速度。加重了飛輪重量后，不可避免的結(jié)果就是飛輪不能在短時間內(nèi)頻繁的變化回轉(zhuǎn)速度，也不能像伺服電機(jī)那樣急加速或急減速，更做不到在沖壓加工過程中在加壓狀態(tài)下的短時間停止。

如上所述，伺服沖床是一種可以在加工的過程中頻繁地改變速度，能進(jìn)行拉伸、開孔的沖壓機(jī)械，沒有設(shè)置這種又重，又不能急加速和不能急減速的飛輪。因此伺服沖床的伺服電機(jī)就必須提供必要的能量和扭矩，也就是說，在沒有飛輪的情況下要同時提供加工壓力和成形能力，就必須使用伺服電機(jī)。因為伺服電機(jī)的功率（kW）可以是一般沖床使用的誘導(dǎo)電機(jī)功率的5～10倍。

一般來說，驅(qū)動伺服沖床的伺服電機(jī)功率是驅(qū)動曲軸沖床的主電機(jī)（通用誘導(dǎo)電機(jī)）功率的5～10倍。因而，用于冷擠壓和深拉伸加工用的沖床，如果要伺服數(shù)控化，就需要更大功率的電機(jī)。對于只用伺服電機(jī)驅(qū)動的伺服沖床來說，與伺服電機(jī)的能力用kW表示相比，用額定扭矩和額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩和最大扭矩發(fā)生時的轉(zhuǎn)速來表示就顯得更為合適。

只用伺服電機(jī)驅(qū)動的1000kN、5000kN或更大的20000kN伺服沖床，所需要的電機(jī)要達(dá)到幾百千瓦、幾千千瓦，由此就涉及到電機(jī)的制造、高昂的價格以及控制大功率電機(jī)的功率晶體管等問題，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上來說都是非常不容易的。

⑵伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)力的放大（扭矩放大）。

由以上分析可以看出，伺服沖床也需要用機(jī)械方法來放大伺服電機(jī)扭矩的機(jī)構(gòu)，如螺桿機(jī)構(gòu)、曲軸機(jī)構(gòu)或連桿機(jī)構(gòu)等都可以利用。

①用螺桿機(jī)構(gòu)放大。當(dāng)螺桿軸回轉(zhuǎn)一周時，螺桿機(jī)構(gòu)只能在螺紋間距PS之間前進(jìn)或后退。螺桿圓周長的計算公式為：

LS＝πD

式中，LS——圓周長，mm；

π——圓周率，3.14；

D——螺紋直徑，mm。

對于螺桿的力放大率AS用下面公式計算：

AS＝LS/PS

通過公式可以看出，螺桿的直徑D越大、螺紋的間距PS越小，螺桿的放大率AS就越大。但是，放大率越大，螺紋的效率就會越低。為了降低摩擦系數(shù)，使螺紋的間距精度得到提高，有時也會使用滾珠螺桿螺紋。滾珠螺桿螺紋雖然對最大加工壓力有限制，但它的好處在于其精度和高速化的能力可以得到發(fā)揮，螺紋的放大率是很大的。

使用在伺服電機(jī)上的滾珠螺桿最大直徑是φ200mm，這樣的一根螺桿的最大加壓力在1500kN以下。伺服沖床上用的螺桿有滾壓螺紋、滾珠螺紋和切削螺紋，滾壓螺紋用在50kN的小型伺服沖床上，滾珠螺紋多用于滾珠螺紋直接對滑塊加壓的沖床，而切削螺紋因考慮到螺紋面的給油問題把螺紋的間隙擴(kuò)大了，螺紋的精度不太好，與同樣直徑的滾珠螺紋相比負(fù)荷能力要小很多。切削螺紋方式，雖然螺桿的切削加工比較容易，但螺母內(nèi)徑螺紋的切削加工是很難的。一般螺桿和螺母內(nèi)螺紋的加工必須是成對的配套加工，在加工時還必須要注意觀察其螺紋的間隙和螺紋面的接觸度。

因為與滾珠螺紋相比，切削螺紋的摩擦系數(shù)要多出一位數(shù)量級，所以會有很強(qiáng)的發(fā)熱。因此，螺紋面的潤滑就成了重要的技術(shù)工作。雖然將切削螺紋桿的直徑加大（加粗）能夠提高每一個螺紋的負(fù)荷能力，但螺紋面的接觸滑動速度就會變慢，受到很大的限制。目前，為伺服沖床制作的切削螺桿直徑一般在φ400mm左右。不論是哪種螺紋機(jī)構(gòu)，負(fù)荷能力都不是很大，現(xiàn)在通過滾珠螺紋、切削螺紋與連桿機(jī)構(gòu)、曲軸機(jī)構(gòu)的相互配合，沖壓能力在20000kN以上沖床已經(jīng)成為現(xiàn)實。

為得到高精度的滾壓螺紋必須用冷鍛的方法制造，因為滾壓時材料的流動（移動）是冷塑性流動，所以螺紋山的大小、螺紋山的精度、螺桿的直線度、螺紋間距的精度等制約都很多，一般被用于價格低能力小的沖床?；瑝K的位置精度是通過滑塊位置傳感器邊檢測邊調(diào)整的，滾壓螺紋可以實現(xiàn)與切削螺紋同等程度的滑塊位置控制。

雖然螺桿驅(qū)動式?jīng)_床在最大加壓能力上受到很大限制，但螺桿驅(qū)動式也有它自身的優(yōu)勢。只用螺桿加壓的伺服沖床與油壓沖床一樣與滑塊的加壓位置無關(guān)，在任何位置都能達(dá)到公稱能力。

通過利用這個特性，可在3000kN的沖床上進(jìn)行6000kN或8000kN的沖壓加工。但是，因為機(jī)架的強(qiáng)度只設(shè)計了3000kN，所以機(jī)架只能承受3000kN以下的沖壓負(fù)荷。如果要在公稱能力以上使用螺桿式伺服沖床可以考慮“多段復(fù)合加工”的方法，這個將在后期的連載中予以說明。

圖2伺服沖床結(jié)構(gòu)（曲軸+連桿）

②用曲軸、連桿機(jī)構(gòu)放大。如圖2所示，齒輪機(jī)構(gòu)在減速的情況下使伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力（扭矩）增大，這個扭矩又被曲軸或連桿放大，再來驅(qū)動滑塊。伺服沖床的伺服電機(jī)控制電路是在對電機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、曲軸角度和滑塊的位置進(jìn)行監(jiān)視的同時，按照預(yù)先制定的程序?qū)瑝K的速度、電機(jī)的回轉(zhuǎn)力（即滑塊的加工壓力）進(jìn)行控制。這就是所謂的反饋控制，但它沒有工作機(jī)械的控制系統(tǒng)那樣細(xì)致和精密，理由是需要動作的加壓機(jī)構(gòu)的重量（M）太大，需要控制的回轉(zhuǎn)力（T）也太大。沖床的加壓能力越大，需要的M和T就越大，用在工作機(jī)械上的高轉(zhuǎn)速、低扭矩伺服電機(jī)在大型沖床上就不適合了，所以大型伺服沖床上使用這一電機(jī)是幾乎沒有的。

③伺服電機(jī)扭矩與曲軸扭矩的關(guān)系。伺服電機(jī)扭矩與曲軸扭矩的關(guān)系對選擇伺服電機(jī)非常重要，圖3表示的是曲軸機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)力（扭矩）和沖床加壓力的關(guān)系。圖3中，P（kN）為沖床加壓力，O為曲軸回轉(zhuǎn)中心，OC（mm）為曲軸偏心量，2倍OC的長度就是行程長度S（mm），Rg（mm）為曲軸齒輪（主齒輪）半徑，Rp（mm）為從動齒輪半徑，Rp/Rg即為齒輪的減速比R，一般情況下R約為5～10mm較多。CM（mm）為連接桿長度，H（mm）為下死點上高度，也就是公稱能力的發(fā)生點，H越高、P越大的沖床，就越需要伺服電機(jī)有很大的扭矩，現(xiàn)在還沒有良策解決H要求過大的問題。一般的通用曲軸沖床H約為3～6mm，冷鍛沖床H約為6～13mm，硅鋼板等薄板的落料沖床多數(shù)的H約為1～3mm。Ts（N）為小齒輪軸和主齒輪的回轉(zhuǎn)嚙合力，Tf（N）為曲軸嚙合力，曲軸扭矩Tc＝Tf·OC。Tm為伺服電機(jī)扭矩，Tm必須要大于OC/R，在一段減速Tm不足的情況下，可以考慮二段減速。

⑶伺服電機(jī)特性的理解。

圖3曲軸機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)力（扭矩）與沖床加工壓力的關(guān)系

決定伺服電機(jī)特性的重要線見圖4。電機(jī)功率W的計算公式為：

W＝TS

式中，T——回轉(zhuǎn)力扭矩或力矩；

S——出力時間。

上式說明，電機(jī)的功率由T和S決定，時間S用每分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)N（r/min）來表示。圖4顯示了回轉(zhuǎn)力扭矩和回轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系。電機(jī)的回轉(zhuǎn)力是因電機(jī)線圈中的電流產(chǎn)生的。伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力是由電機(jī)外殼里的定子和固定在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子間的磁力吸引產(chǎn)生的。磁力的發(fā)生有各種各樣的方式，因磁力發(fā)生方式的不同會產(chǎn)生兩種情況：一種是扭矩小、轉(zhuǎn)速高，即高速低扭矩伺服馬達(dá)（HT型），另一種是扭矩大、轉(zhuǎn)速慢，即低速大扭矩伺服馬達(dá)（LT型）。

圖4伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)與力矩的關(guān)系

因為使用了HT型伺服馬達(dá)的伺服沖床和使用了LT型伺服馬達(dá)的伺服沖床的滑塊的動作（滑塊模式）是不一樣的，所以伺服馬達(dá)的形式對選擇沖床是非常重要的。

關(guān)于馬達(dá)的特性和伺服沖床的關(guān)系我們將在以后做詳細(xì)說明，這里只做簡要介紹。圖4雖然是伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)與扭矩的關(guān)系圖，但這樣的特性關(guān)系，會因電機(jī)制造廠的不同、電機(jī)型號的不同及用途的不同有很大的變化，即使是同一家制造廠生產(chǎn)的同樣功率的伺服電機(jī)，也會有完全不同的特性。因此正確地理解伺服沖床是非常必要的。

一般來說，有很多轉(zhuǎn)速高的HT型伺服馬達(dá)從停止?fàn)顟B(tài)到最高轉(zhuǎn)速所需的時間較長。最高轉(zhuǎn)速低的LT型馬達(dá)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的時間比較短，具有這種特性的馬達(dá)占多數(shù)。如果單純地考慮馬達(dá)的這種特性，那么使用了LT型馬達(dá)的伺服沖床在短時間內(nèi)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)是比較容易的，能夠進(jìn)行“短行程搖擺模式”和“跳躍間隔模式”運轉(zhuǎn)是它的特征。而HT型伺服馬達(dá)的加減速時間較長，在短時間的間隔內(nèi)進(jìn)行“短行程搖擺模式”和“跳躍間隔模式”運轉(zhuǎn)是比較困難的，只能進(jìn)行緩慢的“短行程搖擺模式”和“跳躍間隔模式”運轉(zhuǎn)。

短行程搖擺模式，是曲軸在下死點的中心處短時間內(nèi)進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)往復(fù)運動的運轉(zhuǎn)模式。與以往的曲軸只向一個方向轉(zhuǎn)動的沖床相比，這種運轉(zhuǎn)模式使每分鐘的加工數(shù)得以增加。這樣，讓曲軸在下死點附近做正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的往復(fù)運轉(zhuǎn)，可以使行程長度變短。另外，在使用“短行程搖擺模式”時和送料裝置的時間配合會發(fā)生改變，一定要在充分理解使用說明書的內(nèi)容后才能操作，否則是十分危險的。曲軸是在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的反復(fù)變化下運轉(zhuǎn)，必須嚴(yán)格地進(jìn)行保養(yǎng)和點檢。

跳躍間歇模式，即曲軸雖然是向同一個方向回轉(zhuǎn)的運轉(zhuǎn)方式，但在到達(dá)下死點后連續(xù)數(shù)次沖壓或僅僅退回一點點后再次下降，這對深拉伸的沖壓加工是非常有用的方式。除此以外，伺服沖床還有其他的運轉(zhuǎn)模式，但也不是所有的運轉(zhuǎn)模式伺服沖床都可以做到，根據(jù)制造廠家的不同，伺服沖床的型號不同，有的可以做到，有的就不能做到。所以，在導(dǎo)入沖床時一定要十分慎重考慮、選擇，在使用時也要正確地把握各種機(jī)能，正確地使用。如果使用方法不好，沖壓機(jī)械就會被損壞，伺服電機(jī)或伺服電機(jī)的冷卻風(fēng)扇或控制裝置都可能被破壞被燒損。

因此，一定不要設(shè)定使用說明書中沒有記載的設(shè)定條件，嚴(yán)禁擅自使用伺服沖床的多種功能。