伺服壓力機(jī)的特點(diǎn)及前景遠(yuǎn)瞻

宋愛(ài)民 倪建成

【摘 要】交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)是目前成形裝備發(fā)展的一個(gè)新方向。文本介紹了伺服壓力機(jī)的種類(lèi)，及其所具有的復(fù)合性、高效性、高精度、高柔性、低噪聲、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了鍛壓機(jī)床的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)介紹了伺服壓力機(jī)的分類(lèi)、傳動(dòng)方式、及其應(yīng)用過(guò)程中的主要特點(diǎn)，并對(duì)伺服壓力機(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】伺服壓力機(jī)；傳動(dòng)方式；應(yīng)用特點(diǎn)；發(fā)展前景

0 前言

近年來(lái)，由于低速大扭矩 AC伺服電機(jī)的成功研發(fā)，電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等的快速發(fā)展，液壓增力機(jī)構(gòu)與肘桿機(jī)構(gòu)等在壓力機(jī)上的應(yīng)用，具有復(fù)合加工功能的智能化、柔性化新型壓力機(jī)―伺服壓力機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。它推動(dòng)了汽車(chē)制造業(yè)大型鈑金沖壓、拉伸工藝的伺服壓力機(jī)和精鍛、精壓工藝的伺服壓力機(jī)以及多工位伺服壓力機(jī)等的迅速發(fā)展，形成了一股伺服化的潮流。

1 伺服壓力機(jī)的定義

伺服壓力機(jī)通常指采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的壓力機(jī)。包括金屬鍛壓用伺服壓力機(jī)及耐火材料等行業(yè)專(zhuān)用伺服壓力機(jī)。因伺服電機(jī)的數(shù)控化特點(diǎn)，有時(shí)也廣泛稱(chēng)其為數(shù)控壓力機(jī)。

伺服壓力機(jī)通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)偏心齒輪，來(lái)實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)復(fù)雜的電氣化控制，伺服壓力機(jī)可以任意編程滑塊的行程，速度，壓力等，甚至在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也可達(dá)到壓力機(jī)的公稱(chēng)噸位。

2 伺服壓力機(jī)的分類(lèi)

伺服壓力機(jī)分為伺服曲柄壓力機(jī)、伺服連桿壓力機(jī)、伺服螺旋壓力機(jī)和伺服液壓機(jī)等。

2.1 伺服曲柄壓力機(jī)

一般的機(jī)械式曲柄壓力機(jī)，是偏心齒帶動(dòng)滑塊曲柄上下往返運(yùn)動(dòng)，曲線是正弦曲線。一般在滑塊運(yùn)行至下止點(diǎn)前達(dá)到最大公稱(chēng)噸位。行程固定不可調(diào)。一般的液壓機(jī)因是通過(guò)液體傳動(dòng)壓力，所以可在滑塊行程任意位置實(shí)現(xiàn)工程噸位。行程可調(diào)但效率低下。

而伺服壓力機(jī)通過(guò)電機(jī)控制滑塊的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)事先編程的方式來(lái)將機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)集合，可在行程的任意階段實(shí)現(xiàn)任意方式的沖壓生產(chǎn)，壓力曲線可任意編程。

在現(xiàn)有曲柄傳動(dòng)型伺服壓力機(jī)產(chǎn)品方面，有小松公司的 H1F系列復(fù)合伺服壓力機(jī) 、會(huì)田公司的NS1-D系列數(shù)控伺服壓力機(jī)、山田公司的Svo-5與Mag-24型伺服壓力機(jī)、綱野公司的Servo Link型伺服壓力機(jī)，及金豐公司的CM1型伺服壓力機(jī)等。

2.2 伺服螺旋壓力機(jī)

傳統(tǒng)的雙盤(pán)摩擦驅(qū)動(dòng)方式的螺旋壓力機(jī)，在啟動(dòng)機(jī)器后摩擦盤(pán)連續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，耗能極大，且打擊力度受人為影響較大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

作為摩擦壓力機(jī)的升級(jí)設(shè)備，目前在熱鍛壓及耐火材料成型加工等領(lǐng)域，市場(chǎng)上根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不同先后出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)磁阻螺旋壓力機(jī)和伺服螺旋壓力機(jī)兩種電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

伺服螺旋壓力機(jī)在啟動(dòng)機(jī)器后，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停轉(zhuǎn)，所以在壓力機(jī)實(shí)施打擊動(dòng)作以外的時(shí)間耗電量幾乎可以忽略不計(jì)，比摩擦壓力機(jī)要省電約60%，而且由于伺服電機(jī)的優(yōu)越性能，伺服螺旋壓力機(jī)運(yùn)行更為平穩(wěn)、精確，可實(shí)現(xiàn)超短行程內(nèi)的快速打擊。

2.3 伺服液壓機(jī)

伺服液壓機(jī)應(yīng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)油泵，減少控制閥回路，對(duì)液壓機(jī)滑塊進(jìn)行控制，適用于沖壓、模鍛、壓裝、校直等工藝。與普通液壓機(jī)比較，伺服驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)具有節(jié)能、噪聲低、效率高、柔性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以取代現(xiàn)有的大多普通液壓機(jī)。

在現(xiàn)有的伺服液壓機(jī)產(chǎn)品方面，日、歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家研究與開(kāi)發(fā)較早，在日本現(xiàn)已逐步進(jìn)入普及期。而國(guó)內(nèi)目前僅有少數(shù)企業(yè)開(kāi)展此類(lèi)產(chǎn)品的研究，主要關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，還未形成成熟產(chǎn)品。

3 伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)方式

伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)方式主要有以下幾種：

3.1 直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滑塊

直線伺服電機(jī)直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，推動(dòng)滑塊工作，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)” ，具有最短的傳動(dòng)鏈，因而此類(lèi)伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、精度高、節(jié)能效果好。由于受到直線伺服電機(jī)輸出扭矩等的限制，此類(lèi)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在小型短行程壓力機(jī)上。如日本 AIDA 公司的 L-SF-300S 系列產(chǎn)品，最大扭矩 10kN，行程 100mm， 最大工作頻率 200SPM。

3.2 直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲軸

伺服電機(jī)通過(guò)齒輪副直接與曲軸聯(lián)接，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪副、連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，滑塊的運(yùn)動(dòng)速度和位置可以被精準(zhǔn)地控制。

此結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于受到伺服電機(jī)扭矩的限制，壓力機(jī)噸位不大，主要應(yīng)用在中小型壓力機(jī)上，目前最大噸位為 2500kN。如日本 AIDA 公司的 NS1-D 和NS2-D 系列產(chǎn)品，廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司的 GPS 系列產(chǎn)品。

伺服電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)滑塊-Ⅰ伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)同步帶（或齒輪副）及滾珠絲桿副轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光柵尺等位移傳感器檢測(cè)滑塊的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其運(yùn)動(dòng)特性類(lèi)似于液壓機(jī)，在全行程均可獲得額定壓力。局限性在于滾珠絲桿副承載能力有限，滑動(dòng)螺旋效率低，壓力機(jī)噸位不大。這種結(jié)構(gòu)一般分兩種情況：

a）采用單個(gè)伺服電機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，常用于螺旋精密壓力機(jī)上，如日本 AIDA 公司的A-SF 壓力機(jī)。目前最大扭矩為 800kN， 以靜壓力工作。

b）采用多個(gè)伺服電機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在伺服折彎?rùn)C(jī)、閉式雙點(diǎn)（四點(diǎn)）壓力機(jī)上。

4 伺服壓力機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)，其主要有：

4.1 超高精度，具有下止點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)能

通過(guò)高精度位移傳感器，可始終保持下止點(diǎn)的高精度，偏載保證在±10μm 之內(nèi)，在對(duì)薄板的沖切及精密成形加工等方面發(fā)揮其超群的性能。

4.2 自由工作模式、生產(chǎn)效率高

具有任意設(shè)定沖壓曲線的功能，成形性、生產(chǎn)率得到大幅度的提高，它是一種可選擇最適合的加工模式來(lái)配合加工內(nèi)容的壓力機(jī)?？梢栽诳刂破髦蓄A(yù)存適應(yīng)不同工藝及不同材料的特性曲線供用戶選用。

4.3 低噪音、環(huán)保

可控制上、下模具接觸及分離的速度近于無(wú)噪音精密成形。

4.4 簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減少維修和節(jié)省能量

伺服壓力機(jī)省去飛輪、離合器及制動(dòng)器等，傳動(dòng)環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應(yīng)減少，節(jié)省能量。每分鐘行程次數(shù)越低，節(jié)能效果越好。

4.5 減少振動(dòng)、提高模具壽命：

由于可以設(shè)計(jì)特殊的工作特性曲線，控制沖裁時(shí)的沖頭速度，從而減少?zèng)_裁的振動(dòng)和噪音，提高模具壽命。據(jù)日本 KOMATSU 公司的研究結(jié)果，模具壽命可以提高 3 倍。

5 伺服壓力機(jī)的發(fā)展前景

伺服壓力機(jī)所具有的復(fù)合性、高效性、高精度、高柔性、低噪聲、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了鍛壓機(jī)床的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 伺服壓力機(jī)可根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設(shè)定不同的行程長(zhǎng)度和成形速度， 同時(shí)，能夠始終保證下止點(diǎn)的成形精度，有效抑制了產(chǎn)品的毛刺等的出現(xiàn)。伺服壓力機(jī)運(yùn)行噪音超低，沖壓工件時(shí)噪聲也很小，大大優(yōu)化了工作環(huán)境；同時(shí)，模具振動(dòng)小，可大幅度提高模具壽命。由于沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的飛輪、離合器、制動(dòng)器部分，節(jié)省了電力和潤(rùn)滑油用量等，使機(jī)器使用成本大大降低。

總之，伺服壓力機(jī)已突破了常規(guī)機(jī)械壓力機(jī)的概念，它的出現(xiàn)必將引起一場(chǎng)機(jī)械壓力機(jī)的革命。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)以及與進(jìn)口產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，市場(chǎng)價(jià)格會(huì)迅速降低，伺服技術(shù)在成形裝備的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣。可以預(yù)見(jiàn)，伺服壓力機(jī)將在一些重要制造領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品、汽車(chē)等精密制造領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，并將逐步取代液壓機(jī)、普通機(jī)械壓力機(jī)、機(jī)械折彎?rùn)C(jī)、螺旋壓力機(jī)等，成為壓力機(jī)領(lǐng)域的一只黑馬。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]