變頻調速與伺服控制在高速沖壓機上的應用

近年來，我國鍛壓機在工業(yè)自動化進程中已不再是通過產(chǎn)品結構、精度等容易量化的技術指標來評價壓力機性能，而是更加注重壓力機的自動化、智能化、柔性化等更高技術層面。數(shù)控技術（NC）的應用，打破了傳統(tǒng)單一機電結構、單一機電傳動、單一機電控制的落后技術。而發(fā)展高速、精密、大型加工技術裝備已成為勢不可擋的新趨勢。數(shù)控壓力機（C N C）已由原來的二軸控制、單機聯(lián)動，向五軸聯(lián)動和復合加工壓力機（加工中心）、柔性生產(chǎn)線快速發(fā)展。

本文僅就沖壓設備——沖壓機主要功能滑塊行程次數(shù)也就是沖頭工作速度，由低速到高速方面作一淺述。下表所示為由傳統(tǒng)的通過變速方式、機電結構三級傳動，發(fā)展成為現(xiàn)在的由電機變頻高速和伺服驅動高速技術。

機電傳動速比與電機調速對比表（S·P·N）

傳統(tǒng)機械沖壓機進行板料沖壓時由于工作模式固定，運動特性單一電機帶動飛輪經(jīng)離合器帶動曲柄連桿的旋轉變成滑塊直線往復運動，其工藝適用性差，無法滿足不同材質、不同沖壓工藝對沖頭滑塊工作曲線柔性可調的要求。

近年來，由于電器電子技術、微電子技術、控制技術和計算機技術的飛速發(fā)展，各種電機調速與伺服控制技術在沖壓機上的應用也發(fā)展速猛?！半娮语w輪”替代傳統(tǒng)機械飛輪的沖壓機也越來越普及。那么，現(xiàn)代沖壓機是如何實現(xiàn)電機調速和驅動控制的呢？

研究表明，沖壓機多采用三相交流電動機為動力源。那么沖頭滑塊的速度決定于電機轉速，而電機轉速一般是根據(jù)電機不同極對數(shù)而決定不同的額定轉速。那么傳統(tǒng)機械傳動方式，通過電機帶動多級齒輪比方案遠不能滿足現(xiàn)代沖壓工藝要求高速精密的技術要求。

三相交流電機的調速途徑有以下三種方式：一是改變三相交流電機的頻率；二是改變三相交流電機的極對數(shù)；三是改變轉差率。當前采用變頻調速的技術已比較成熟、普遍。變頻調速方式適用于籠型異步電機，繞線轉子異步電動機和交流同步電機，可以實現(xiàn)沖床中高壓電機的轉速控制（見附圖）。

變頻調速方式

變頻調速中變頻器有軟啟動功能，可以實現(xiàn)無級調速。大幅減少了電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊，可減少起動時機械部件所造成的沖擊，當轉速要求較低時，也較大幅減小電機的運行功率，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的，加上變頻起動后對沖壓機設備的沖擊減少，能夠實現(xiàn)緊急停止和緊急啟動。且設有合理的轉速追蹤算法，使變頻器在電機沒有停車的情況下自動追蹤其當前的頻率，在電機慣性運轉時可以順利地啟動而無故障。

變頻器控制方式可以分為兩種，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制有V/F控制方式，閉環(huán)控制有矢量控制方式。

隨著交流永磁同步伺服電機和交流異步伺服電機的誕生以及數(shù)控系統(tǒng)（CN）、可編程序控制器（PLC）的出現(xiàn)，伺服驅動的沖床也由目前的小功率向中高功率方向迅猛發(fā)展。這種伺服沖床與傳動機械沖壓機相比具有結構簡單，滑塊運動柔性好，在制品精度高，以及節(jié)約能源降低噪聲等優(yōu)點。

交流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為電機和功率變換器件通常采用智能功率模塊1PM。所采用的驅動電機主要有兩種類型：一是永磁同步（SM）型電機交流伺服系統(tǒng)；二是感應式異步（1M）型電機交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁電機交流伺服系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，具有優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)調速的范圍，適應了高性能伺服驅動的要求，隨著永磁材料性能大幅提高和成本價格的降低，其應用越來越廣泛，目前已成為伺服系統(tǒng)的主流。

目前以日本會田（AIDA）和山田（DOBB）公司為代表的這類沖床已在日本進入普及期。最高速可過4000S·P·N。以上高速沖壓機問世。最新報道被稱之謂第三代沖壓機。

綜上所述，電機調速和伺服驅動可大幅提高沖壓機自動化、智能化、柔性化水平，是今后沖床發(fā)展的方向。但目前國內大容量、大扭矩、低轉速交流伺服技術較為滯后，限制了該技術在沖壓機上的推廣應用?，F(xiàn)有研制開發(fā)開關磁阻電機直接驅動伺服沖壓機的發(fā)展前景十分廣闊。