第三代螺旋壓力機(jī)
——伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)

文/熊曉紅·華中科技大學(xué)陳平·湖北凌頂科技有限公司

螺旋壓力機(jī)經(jīng)歷了第一代摩擦壓力機(jī)、第二代高能螺旋壓力機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的發(fā)展。隨著用戶對(duì)設(shè)備性能及可靠性方面要求的提高，以及伺服電機(jī)和控制技術(shù)的進(jìn)步，被稱為第三代的伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)成為成形裝備的最新發(fā)展。伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)以其從電機(jī)到飛輪儲(chǔ)能零傳動(dòng)的特點(diǎn)，提升了傳動(dòng)效率，消除了螺旋壓力機(jī)原先傳動(dòng)環(huán)節(jié)故障因素，最大限度的降低了故障率和維修率。使成形裝備具有了柔性化和智能化的特點(diǎn)，保證了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，具有劃時(shí)代的意義。

螺旋壓力機(jī)分類及特點(diǎn)

螺旋壓力機(jī)是一種能量加工設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低，目前是國內(nèi)應(yīng)用最廣的模鍛設(shè)備之一，可以完成模鍛、切邊、校正等各種不同的鍛壓工藝，不僅適用于機(jī)械零件的鍛造，而且特別適合于精鍛工藝，在汽車、工程機(jī)械、鐵路車輛、航空航天、船舶等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。既可用于金屬的塑性成形，也廣泛應(yīng)用于冶金、餐具、工具、醫(yī)療器械、陶瓷、建材和耐火材料等行業(yè)。

目前國內(nèi)螺旋壓力機(jī)按動(dòng)力形式分類，可以分為摩擦壓力機(jī)、離合器式（高能）螺旋壓力機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)三種類型。摩擦壓力機(jī)是電機(jī)通過摩擦盤和操縱缸而改變飛輪旋轉(zhuǎn)方向的螺旋壓力機(jī)；離合器式螺旋壓力機(jī)是通過離合器和回程缸改變滑塊運(yùn)行方向；電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是電機(jī)直接改變飛輪旋轉(zhuǎn)方向的螺旋壓力機(jī)。

螺旋壓力機(jī)也有不足之處，它與模鍛錘相比，行程次數(shù)低，尤其是傳統(tǒng)的摩擦壓力機(jī)只適用于單模槽模鍛，制坯不便，往往要另外配備制坯設(shè)備。它與熱模鍛壓力機(jī)相比，抗偏載能力要差，生產(chǎn)效率要低。另外螺旋壓力機(jī)還有著特殊的力能關(guān)系，存在著多余能量問題。即當(dāng)飛輪提供的有效能量大于鍛件實(shí)際需要的變形能時(shí)，這部分能量將轉(zhuǎn)化為機(jī)器和模具載荷，加劇機(jī)器的磨損，縮短機(jī)器和模具主要受力零件的壽命，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)器和模具直接損壞。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的滑塊每分鐘的行程次數(shù)直接受飛輪角速度ω的影響，由于電機(jī)總處于帶有大慣量負(fù)荷和頻繁地正、反向啟動(dòng)的狀態(tài)，即一直處于“啟動(dòng)－慣性停車－反向啟動(dòng)－制動(dòng)”的非穩(wěn)態(tài)過程中，電流較大，還要控制換向次數(shù)。當(dāng)接觸鍛件打擊時(shí)，電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，這時(shí)電機(jī)突然驟停，傳動(dòng)系統(tǒng)面臨巨大的沖擊力和慣性能量釋放，如何選擇慣量小的電機(jī)類型、如何釋放自身能量、如何保護(hù)好電機(jī)軸和底座等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成為壓力機(jī)是否能長期穩(wěn)定工作的最重要因素。目前國內(nèi)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)有開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種主要方案。由于這兩種電機(jī)及驅(qū)動(dòng)方式存在固有的缺陷，雖然電動(dòng)螺旋壓力機(jī)在提高性能及可靠性方面取得了很大進(jìn)步，但離用戶高柔性、高精度、高可靠的要求相差很遠(yuǎn)。

螺旋壓力機(jī)發(fā)展——伺服直驅(qū)化

交流伺服壓力機(jī)是成形裝備的最新發(fā)展，以計(jì)算機(jī)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運(yùn)動(dòng)。不但可以保持機(jī)械驅(qū)動(dòng)的種種優(yōu)點(diǎn)，而且改變了其工作特性不可調(diào)的缺點(diǎn)，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)的成形裝備也具有了柔性化和智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高。

交流伺服壓力機(jī)的核心是交流永磁同步伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或其他參數(shù)可以按照任意的輸入信號(hào)變化。21世紀(jì)初，隨著中大功率（100kW以上）交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制裝置的日益成熟，使該技術(shù)得以應(yīng)用于機(jī)械裝備的主傳動(dòng)。發(fā)達(dá)國家開始將交流伺服傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于鍛壓機(jī)械的研究和產(chǎn)品開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋大部分成形設(shè)備。

伺服機(jī)械壓力機(jī)稱為“第三代壓力機(jī)”，認(rèn)為其具有劃時(shí)代的意義。日本各著名壓力機(jī)制造廠商如AIDA、KOMASTU、ENOMOTO和德國SCHULER、SMS等公司已推出商品化的產(chǎn)品。目前正在板料沖壓成形中大力推廣，ENOMOTO公司的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋壓力機(jī)在模鍛成形中得到了應(yīng)用。伺服壓力機(jī)是高新技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的結(jié)合，對(duì)推動(dòng)成形裝備的更新?lián)Q代，具有不可限量的影響。伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)繼承了電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的能量可控、傳動(dòng)系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并將優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極致：

(1)實(shí)現(xiàn)柔性化和智能化，工作性能提高。由于伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置可任意調(diào)節(jié)的，自動(dòng)化和智能化程度提高，可以任意的設(shè)置打擊能量，設(shè)備的工藝適用性擴(kuò)大。

(2)打擊能量控制更精確，制件質(zhì)量更穩(wěn)定。伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)采用同步伺服直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測和反饋轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，采用閉環(huán)控制，螺桿飛輪的轉(zhuǎn)速控制精度以及儲(chǔ)存的能量波動(dòng)范圍小，打擊能量控制精度高。這對(duì)保證制件質(zhì)量穩(wěn)定性至關(guān)重要；同時(shí)，通過能量合理設(shè)定，盡量減少過剩能量，可以降低設(shè)備與模具的磨損，延長設(shè)備和模具的使用壽命。

(3)零傳動(dòng)，高效節(jié)能。采用先進(jìn)的交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)和矢量控制技術(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與螺桿飛輪連接，電機(jī)扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動(dòng)系統(tǒng)簡化到極致，實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)。沒有中間傳動(dòng)部件、易損件和能量損失，高效節(jié)能。

交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)

交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)是一種低速大扭矩、直接傳動(dòng)的特殊伺服電機(jī)?？商峁┢駷橹棺罡叩霓D(zhuǎn)矩密度和使用性能。電機(jī)由具有很多極數(shù)的定子、永磁空心軸轉(zhuǎn)子和高精度編碼器組成。結(jié)構(gòu)上采用較窄的鐵芯片堆疊和大的空心軸設(shè)計(jì)，由于負(fù)載不需要轉(zhuǎn)接裝置（如減速箱、齒輪、皮帶輪、鏈條等）而是直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，所以簡稱為直驅(qū)電機(jī)（如圖1所示）。以其高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)矩電流比等優(yōu)越性能被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖1 交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)

交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；采用高性能釹鐵硼勵(lì)磁，鐵損、銅損均小于同功率異步電機(jī)；體積要比異步電機(jī)小，而功率因數(shù)大大高于后者；直接與負(fù)載耦合，低速大扭矩，減少機(jī)械傳動(dòng)的維護(hù)工作量；采用堅(jiān)固耐用的旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度反饋單元，適應(yīng)振動(dòng)大的場合長期使用。

以下采用列表對(duì)比方式對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)、交流異步變頻電機(jī)、交流永磁同步直驅(qū)伺服電機(jī)在螺旋壓力機(jī)的應(yīng)用作一個(gè)全面的對(duì)比。

由表1可以看出：采用交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)的螺旋壓力機(jī)將在高精度、高柔性、節(jié)能、可靠性等方面帶來革命性的變化。

表1 螺旋壓力機(jī)電機(jī)對(duì)比

圖2 J58SZ伺服螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

J58SZ型伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)以其從電機(jī)到螺桿飛輪零傳動(dòng)的特點(diǎn)，提升了傳動(dòng)效率，消除了螺旋壓力機(jī)原先傳動(dòng)環(huán)節(jié)的故障因素，最大限度地降低故障率和維修率，保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

基本結(jié)構(gòu)

伺服直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與螺桿飛輪連接，電機(jī)扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動(dòng)系統(tǒng)簡化到極致，實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)。從設(shè)備的堅(jiān)固性、可靠性、維修和效率方面來說，這種直驅(qū)裝置代表了螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的最佳方案。

J58SZ伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)采用同步伺服直驅(qū)電動(dòng)機(jī)+伺服控制器驅(qū)動(dòng)、PLC+觸摸屏控制方式，如圖2所示。同步伺服直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿，螺桿的中部裝有推力軸承將軸向力傳遞給機(jī)身，螺桿與螺母之間螺紋配合，將螺桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母與滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞能量和力；剎車安裝在飛輪的邊緣，制動(dòng)塊由彈簧力作用壓緊飛輪，防止其在斷電情況下轉(zhuǎn)動(dòng)；伺服電動(dòng)機(jī)帶有旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，也用來檢測飛輪速度或滑塊位移。

工作流程

發(fā)出打擊指令后，制動(dòng)器松開，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)以最大扭矩旋轉(zhuǎn)加速，飛輪和螺桿由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊下行，位移傳感器實(shí)時(shí)檢測滑塊速度和位置，當(dāng)滑塊速度達(dá)到所設(shè)定能量（E=JW2/2）的目標(biāo)值時(shí)，電機(jī)速度保持恒定；隨后鍛造成形；上下模完全打靠，且滑塊速度降為零時(shí)發(fā)出回程信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊回程，同時(shí)頂出器動(dòng)作，延時(shí)一段時(shí)間后退回；當(dāng)滑塊回程到一定高度時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)入能耗制動(dòng)，接近上死點(diǎn)時(shí)，滑塊速度接近于零，制動(dòng)器動(dòng)作剎車，使滑塊靜止在上死點(diǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)矢量控制技術(shù)

驅(qū)動(dòng)單元采用矢量控制電機(jī)調(diào)速技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋信號(hào)，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，由于伺服系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。

矢量控制技術(shù)將三相交流繞組iA、iB、iC等效為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相正交繞組iM、iT，也即將三相旋轉(zhuǎn)磁場等效為兩相旋轉(zhuǎn)正交磁場，通過控制等效的勵(lì)磁電流分量iM和iT轉(zhuǎn)矩電流分量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)iA、iB、iC的控制。通過這種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了相互耦合的電機(jī)參數(shù)的解耦，可如直流調(diào)速控制系統(tǒng)一樣，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，從而使交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的全部優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示。由于伺服系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。另外，在運(yùn)行過程中可限制最大電流，從而避免電流峰值過高引起電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。

圖3 矢量控制原理圖

實(shí)際運(yùn)用中，伺服電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋信號(hào)，提高其抗振動(dòng)能力。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的控制，以滿足各種生產(chǎn)工藝要求。

J58SZ型伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)特點(diǎn)

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)用直驅(qū)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，模擬圖如圖4所示，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

圖4 伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)模擬圖

(1)零傳動(dòng)。采用先進(jìn)的交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)和矢量控制技術(shù)，直接將扭矩傳遞給螺桿飛輪，沒有中間傳動(dòng)部件、易損件和能量損失。

(2)高效率。傳動(dòng)效率提高20%以上，更加節(jié)能。

(3)高可靠性。取消了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和齒輪或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)和齒輪壽命低的弱點(diǎn)，提高設(shè)備的可靠性。

(4)低噪聲。運(yùn)動(dòng)噪聲大大降低。

結(jié)束語

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接螺桿飛輪，沒有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，克服傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的固有缺陷，大幅提高了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，提高了能源利用率；提供了極其優(yōu)秀的性能、極高的剛度、高能量控制精度、更高的生產(chǎn)能力、緊湊的機(jī)械組裝；零傳動(dòng)、零維護(hù)、安靜的運(yùn)行環(huán)境，提升了用戶體驗(yàn)，滿足了客戶對(duì)高品質(zhì)的要求。