智能液壓機(jī)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

嚴(yán)建文，劉家旭，陳汝昌，翟 華，李貴閃，王玉山

（1.合肥合鍛機(jī)床股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022；3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化的感知、人機(jī)交互、決策執(zhí)行，實現(xiàn)設(shè)計制造過程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)和智能技術(shù)與裝備制造過程技術(shù)的深度融合與集成[1]。其產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)模式包括關(guān)鍵智能制造技術(shù)、高端制造裝備、智能設(shè)計和制造服務(wù)軟件、服務(wù)于制造的云計算或物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)業(yè)等，是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的制造業(yè)變革的重要技術(shù)。

智能液壓機(jī)[2]屬于高端制造裝備，主要針對液壓機(jī)設(shè)計制造和使用過程，利用信息感知、決策判斷、安全執(zhí)行等先進(jìn)智能技術(shù)，形成人類專家與智能機(jī)器共同組成的人機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品、工具、環(huán)境和工人等資源的最佳組織與優(yōu)化配置，擴(kuò)大、延伸和部分取代人類在液壓成形制造過程中的體力與腦力勞動。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 智能液壓機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)50年代以來，數(shù)控、機(jī)器人和計算機(jī)輔助設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)相繼誕生，逐步引入制造過程，實現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化柔性制造的初級階段。傳感技術(shù)的發(fā)展和普及，為大量獲取制造數(shù)據(jù)和信息提供了便捷手段。人工智能技術(shù)發(fā)展為生產(chǎn)數(shù)據(jù)與信息的分析和處理提供了有效的方法。信息技術(shù)和自動化技術(shù)使制造業(yè)發(fā)展模式、運行效率等發(fā)生了深刻變化。制造業(yè)智能化變革已引發(fā)新的工業(yè)革命。

在智能制造快速發(fā)展大背景下，隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，液壓機(jī)設(shè)計制造和使用技術(shù)迅速發(fā)展，信息感知、決策判斷、安全執(zhí)行等先進(jìn)智能技術(shù)已應(yīng)用到液壓機(jī)設(shè)計制造領(lǐng)域，形成新型智能液壓機(jī)，逐步實現(xiàn)工藝、機(jī)床、環(huán)境和工人等資源的自組織與優(yōu)化，替代工人在惡劣環(huán)境下工作，減輕工人勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

智能液壓機(jī)由于涉及機(jī)械、計算機(jī)、智能控制等多學(xué)科領(lǐng)域知識，需要集中力量進(jìn)行研發(fā)，國內(nèi)目前僅有合肥合鍛、揚州捷邁等少數(shù)企業(yè)開展研究，主要關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，還未形成成熟產(chǎn)品。目前主要通過信息化、數(shù)字化等手段對傳統(tǒng)液壓機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)升級，擴(kuò)大產(chǎn)品的功能范圍，實現(xiàn)液壓機(jī)功能復(fù)合化，逐步提升自動化和智能化水平。

在國家科技重大專項支持下，合肥合鍛機(jī)床股份有限公司集成機(jī)器人、自動送料、網(wǎng)絡(luò)控制和智能模具數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，自主研制的汽車沖壓生產(chǎn)線已成功替代了國外進(jìn)口產(chǎn)品，生產(chǎn)效率及質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。研發(fā)的超高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件熱沖壓機(jī)不僅具有高速沖壓功能，還具有等溫淬火功能，實現(xiàn)了功能復(fù)合，是國內(nèi)首條超高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件熱沖壓生產(chǎn)線，為國產(chǎn)汽車安全性提供了重大裝備。揚州捷邁開發(fā)的六自由度移動回轉(zhuǎn)壓頭龍門式液壓機(jī)，主油缸作上下運動外，還可同時或分別正反旋轉(zhuǎn)，上壓頭和下工作臺可同時或分別左右移動，被國內(nèi)外造船行業(yè)廣泛采用。

國際上發(fā)達(dá)國家積極開展智能液壓機(jī)研究，力士樂、穆格等液壓元件公司用交流伺服驅(qū)動技術(shù)改造液壓傳動系統(tǒng)，組成一種新的交流伺服電機(jī)控制液壓系統(tǒng)，運用于折彎機(jī)、液壓機(jī)，稱作第三代液壓機(jī)。它具有傳動系統(tǒng)簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、滑塊運動智能可調(diào)、降噪節(jié)能顯著等優(yōu)點。隨著其在汽車零件、電子零件等高精度、難成形零件加工領(lǐng)域中的應(yīng)用及其優(yōu)良的節(jié)能性，已經(jīng)成為世界沖壓技術(shù)及裝備發(fā)展的主要潮流之一[2，3]。德國舒勒公司開發(fā)出雙伺服直驅(qū)技術(shù)（TST），其下屬SMG 液壓機(jī)公司和Simufact 加工模擬操作軟件和服務(wù)公司2012年建立技術(shù)合作關(guān)系，客戶可以購買工藝過程特定的、集成的軟件解決方案，能夠在電腦上規(guī)劃并優(yōu)化整個制造流程。

1.2 智能液壓機(jī)發(fā)展趨勢

智能液壓機(jī)主要發(fā)展趨勢有：

（1）智能化?；瑝K運動曲線可根據(jù)不同生產(chǎn)工藝和模具要求（如沖裁、拉伸、板料擠壓和級進(jìn)模沖壓等）進(jìn)行在線優(yōu)化設(shè)置，可設(shè)計特殊的工作特性曲線，進(jìn)行高難度、高精度加工，實現(xiàn)滑塊“自由運動”。

（2）效率高?？梢栽谳^大范圍內(nèi)設(shè)定滑塊行程次數(shù)，滑塊速度和行程調(diào)節(jié)方便，能根據(jù)成形工藝，滑塊可在最小行程工作，借助多工位技術(shù)和自動送料技術(shù)，大大提高生產(chǎn)效率。

（3）精度高。通過伺服控制技術(shù)，液壓機(jī)運動可以精確控制，一般均裝有滑塊位移檢測裝置，滑塊的任意位置可以準(zhǔn)確控制；滑塊運動特性可以優(yōu)化，例如拉伸、彎曲及壓印時，適當(dāng)?shù)幕瑝K曲線可減少回彈，提高制件精度。

（4）功能復(fù)合化。針對等溫鍛造、超塑成形等新工藝，利用滑塊和模具空間，構(gòu)建溫度可控加熱環(huán)境，將鍛造、沖壓工藝和熱處理工藝進(jìn)行復(fù)合，實現(xiàn)一機(jī)多用，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）噪聲低。智能液壓機(jī)簡化了傳動系統(tǒng)，降低了噪聲。通過設(shè)定滑塊的低噪聲運動曲線有助于降低沖裁噪聲，與傳統(tǒng)的沖裁相比，新型的兩步?jīng)_裁工藝可降低噪聲至少10dB。

（6）節(jié)能效率高。伺服液壓機(jī)采用直接傳動，傳動環(huán)節(jié)大大減少，潤滑量減少，可維護(hù)性強(qiáng)。滑塊停止后，電機(jī)停轉(zhuǎn)，能耗顯著降低。合鍛公司曾進(jìn)行過2000kN 伺服液壓機(jī)連續(xù)工作功耗對比試驗，結(jié)果表明伺服液壓機(jī)可節(jié)能40%以上。

（7）所見即所得。通過現(xiàn)代軟件技術(shù)實現(xiàn)工藝操作模擬，在電腦上規(guī)劃并優(yōu)化整個制造流程，用戶使用和操作更加直觀。

智能液壓機(jī)比傳統(tǒng)液壓機(jī)的使用范圍更廣，產(chǎn)品附加值高，可以應(yīng)用于金屬板件沖壓、等溫鍛造、粉末壓制、橡膠硫化、纖維板熱壓、校直、壓裝、注塑等精密成形工藝。

2 智能液壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2010年，我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)銷售收入已超過3000 億元，“十二五”期間，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)年均增長率有望超過25%。到2015年，智能制造裝備市場規(guī)模將超過1 萬億元，占高端裝備制造業(yè)比重將達(dá)到20%。未來5～10年將是以智能裝備產(chǎn)業(yè)為核心的智能制造產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期。智能液壓機(jī)是鍛壓機(jī)床中利潤附加值較高的產(chǎn)品，目前只占較小部分，是今后液壓機(jī)行業(yè)發(fā)展的主要產(chǎn)品方向。

智能液壓機(jī)開發(fā)的主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動液壓機(jī)的主油泵研發(fā)。目前大功率伺服電機(jī)直接驅(qū)動的液壓泵還存在很多技術(shù)難點，要求液壓泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常大，液壓泵即使在10rpm 以下都可正常工作，一般液壓泵最低轉(zhuǎn)速為600rpm，難以實現(xiàn)大范圍調(diào)速要求。

（2）大功率交流伺服電機(jī)及驅(qū)動控制系統(tǒng)[3]。大功率交流伺服電機(jī)的出現(xiàn)是近十年產(chǎn)生的新產(chǎn)品。目前主要應(yīng)用開關(guān)磁阻電動機(jī)（SMR），具有簡單可靠、可在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效四象限運行、響應(yīng)速度快和成本低等優(yōu)點。隨著驅(qū)動控制系統(tǒng)性能提高，價格下降，促進(jìn)了大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的實現(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。其缺點是：轉(zhuǎn)矩存在較大波動、振動大；系統(tǒng)具有非線性特征，控制成本高，功率密度低等[1-3]。研究重點是開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率交流伺服電機(jī)控制技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。

（3）專用控制系統(tǒng)。通過伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化實現(xiàn)對液壓機(jī)壓力、位置的閉環(huán)控制技術(shù)尚不成熟。傳統(tǒng)的液壓機(jī)都是通過比例閥、比例伺服閥對液壓、位置進(jìn)行控制，需要研究專門的泵控系統(tǒng)控制算法，使液壓系統(tǒng)在1～25MPa 之間都具有高穩(wěn)定性與高精度。由于現(xiàn)有的液壓機(jī)多是采用PLC 控制，但智能液壓機(jī)采用液壓、速度閉環(huán)程序控制，運算量大，普通的PLC 很難滿足工藝柔性化需要，必須開發(fā)采用工業(yè)PC 的專用控制系統(tǒng)。

（4）能量回收及能量管理系統(tǒng)[4，5]。為了盡可能減少能量損失，需要把滑塊自重下降的勢能、油缸卸壓產(chǎn)生的能量回收再利用，目前尚沒有這方面的成熟做法與經(jīng)驗。在能量管理方面，由于瞬時功率比平均功率大很多倍，在大型智能液壓機(jī)中要做好能量調(diào)配，避免對電網(wǎng)造成沖擊。

（5）基于智能液壓機(jī)的成形工藝優(yōu)化[6]。零件的材料、形狀不同，其生產(chǎn)工藝也相應(yīng)不同。如鎂合金杯形件反擠壓成形，滑塊在一個工作循環(huán)內(nèi)需經(jīng)歷四種不同的速度，工藝控制系統(tǒng)應(yīng)能完成動作要求。智能液壓機(jī)與各種成形工藝優(yōu)化結(jié)合，了解最佳工藝路徑，才能發(fā)揮出優(yōu)越性。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)成本非常重要。

（6）智能液壓機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計。和傳統(tǒng)液壓機(jī)相比，智能液壓機(jī)由于具有節(jié)能、降噪、功能復(fù)合等優(yōu)點，其機(jī)身設(shè)計需要考慮的因素更多，主要包括各種可能出現(xiàn)的熱加工影響、極限工況、工作頻次、零件的復(fù)雜性等。長期以來，國內(nèi)工程技術(shù)人員主要采用經(jīng)驗法與相似產(chǎn)品類比法進(jìn)行設(shè)計，所進(jìn)行的設(shè)計計算實際上僅起到校核作用，國內(nèi)鍛壓機(jī)床產(chǎn)品存在體積大、質(zhì)量重、控制精度差等缺點，鋼材消耗是鍛壓機(jī)床制造企業(yè)產(chǎn)品成本控制的關(guān)鍵因素之一。目前有關(guān)的優(yōu)化軟件對機(jī)床系統(tǒng)動態(tài)加工過程考慮不多，鍛壓機(jī)床可靠性問題沒有得到很好解決，壽命降低，增加維護(hù)成本。因此伺服液壓機(jī)的機(jī)身設(shè)計需要形成鍛壓機(jī)床剛度、強(qiáng)度和動態(tài)性能約束下的設(shè)計方法和技術(shù)體系，縮短與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品設(shè)計制造上的差距。

（7）服務(wù)于智能液壓機(jī)設(shè)計、制造的軟件。目前信息化和數(shù)字化融入智能液壓機(jī)設(shè)計制造過程十分有限，部分制造企業(yè)處于“甩圖板”階段，企業(yè)信息化建設(shè)有待加強(qiáng)。智能液壓機(jī)設(shè)計階段需要有限元、優(yōu)化軟件進(jìn)行多場耦合計算，模擬熱加工工藝運行進(jìn)程，給用戶以直觀感受。運行中需要強(qiáng)大的智能工藝數(shù)據(jù)庫、專家?guī)臁⑦h(yuǎn)程故障診斷等軟件支撐作在線工藝計算，實現(xiàn)工藝最佳。運行后及時統(tǒng)計相關(guān)制造信息和設(shè)備運行信息，保護(hù)設(shè)備正常運行。在這些領(lǐng)域國內(nèi)缺乏相關(guān)軟件，急需組織力量研發(fā)，為智能液壓機(jī)發(fā)展提供配套服務(wù)。

3 結(jié)論

智能液壓機(jī)屬于高檔數(shù)控裝備。和傳統(tǒng)液壓機(jī)相比具有功能復(fù)合、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、質(zhì)量高、降噪節(jié)能顯著等優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)液壓機(jī)工作特性不可調(diào)等缺點，具有柔性化、智能化特點，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高。

智能液壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)包括：采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動液壓機(jī)的主油泵研發(fā)、大功率交流伺服電機(jī)及驅(qū)動控制系統(tǒng)開發(fā)、專用控制系統(tǒng)、能量回收及能量管理系統(tǒng)的研究、基于智能液壓機(jī)的成形工藝優(yōu)化、智能液壓機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計、服務(wù)于智能液壓機(jī)設(shè)計制造的軟件等技術(shù)。通過關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)智能液壓機(jī)總體技術(shù)水平的提升。

[1]科技部.智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃.2012.

[2]俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006-12：494-499.

[3]孫友松，何寄平，方 雅，等.交流伺服驅(qū)動與成形裝備節(jié)能[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（5）：31-36.

[4]蘇文海，姜繼海，鄧 攀.直驅(qū)式電液伺服閉式回路的噪聲分析[J].機(jī)床與液壓，2010，38（10）：34-38.

[5]李貴閃，嚴(yán)建文，翟 華，等.大型薄板沖壓液壓機(jī)的全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（02）：42-43.

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