交流伺服壓力機驅(qū)動是目前成形裝備發(fā)展的一個新方向，不但可以實現(xiàn)成形裝備柔性化和智能化，還可以提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保。本文介紹了交流伺服壓力機工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀。列舉了若干基于交流伺服壓力機的成形工藝實例，說明這種新型壓力機在沖裁、拉深、擠壓、精沖等工藝中的優(yōu)良性能。最后就這種壓力機的發(fā)展趨勢進行了討論。

傳統(tǒng)的壓力機，尤其是各種機械壓力機，均以交流感應(yīng)電機為動力，靠飛輪儲存能量、離合器控制起停。其最大的缺點是滑塊工作特性固定，無法調(diào)節(jié)，工作適應(yīng)性差，缺乏“柔性”。交流伺服壓力機是成形裝備的最新發(fā)展，它以計算機控制的交流伺服電機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運動。它不但可以保持機械驅(qū)動的種種優(yōu)點，而且改變了其工作特性不可調(diào)的缺點，使機械驅(qū)動的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高。還簡化了結(jié)構(gòu)，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量。它是高新技術(shù)與傳統(tǒng)機械技術(shù)的結(jié)合，對于推動成形裝備的更新?lián)Q代，具有不可限量的影響。短短十多年，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從注塑機發(fā)展到折彎機、機械壓力機、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機、螺旋壓力機等多種成形設(shè)備。日本各個著名的壓力機制造廠商如AIDA、KOMATSU、AMINO、ENOMOTO等公司均投入大量人力物力進行開發(fā)，并已推出商品化的產(chǎn)品。AIDA公司將其開發(fā)的這種新型壓力機稱之為“第三代壓力機”，認為具有劃時代的意義。歐洲一些壓力機廠商也加入到這一行列，如德國SCHULER公司在07年北京國際機床展（CIMT07）上推出了2,500—6,300kN的這類壓力機系列產(chǎn)品。國內(nèi)不少廠家最近也開始了這一技術(shù)的研究與產(chǎn)品開發(fā)。本文介紹交流伺服傳動的基本原理及在壓力機中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹若干基于交流伺服壓力機的沖壓工藝。

1.電氣傳動與交流伺服驅(qū)動

以電動機為基礎(chǔ)的電氣傳動技術(shù)誕生于十九世紀初，迄今已有近200年的歷史，它已經(jīng)成為包括鍛壓機床在內(nèi)的各種機械裝備的主要傳動方式。

電氣傳動分直流和交流兩大類。由于直流傳動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，直到上世紀上半葉，高性能可調(diào)傳動均采用直流電動機，而占電氣傳動總量80%以上的一般傳動則采用交流電動機，不能調(diào)速，絕大部分鍛壓機械都屬于這一類。“直流調(diào)速，交流不調(diào)速”形成了一種普遍的格局。盡管直流調(diào)速有許多優(yōu)越性，但由于采用機械換向，存在有換向器壽命低、換向火花、造價高等問題，電機容量和速度以及應(yīng)用場合均收到一定限制，例如，其極限容量-速度積僅為106kW.RPM。

20世紀60-70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它克服了直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點，達到直流調(diào)速同樣的性能。交流調(diào)速在近30年來得到迅速發(fā)展，已經(jīng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為電氣傳動的主要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計，在2001年世界可調(diào)電氣傳動產(chǎn)品中，交流傳動已經(jīng)占到2/3以上。

伺服電機傳動指電動機的轉(zhuǎn)速或其它參數(shù)可以按照任意的輸入信號而變化。長期以來，交流伺服電機僅僅作為執(zhí)行元件，應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)，功率不超過1千瓦。大功率交流伺服電機及其驅(qū)動控制裝置的出現(xiàn)，使這一技術(shù)得以應(yīng)用于機械裝備的主傳動，成為交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。正是在這種背景下，發(fā)達國家在上世紀末期，開始了將交流伺服傳動技術(shù)應(yīng)用于鍛壓機械的研究和產(chǎn)品開發(fā)，出現(xiàn)了交流伺服電動機驅(qū)動的壓力機，十多年來得到了迅速發(fā)展。

2.交流伺服壓力機的特點

（1）實現(xiàn)柔性化和智能化，工作性能提高由于原動機由不能調(diào)節(jié)和控制的普通感應(yīng)電機改為CNC控制可任意調(diào)節(jié)的伺服電動機，自動化智能化程度提高，工作效率提高；可以獲得任意的滑塊特性，設(shè)備的工藝適應(yīng)性擴大；可以根據(jù)不同的工藝采用相應(yīng)的優(yōu)化曲線，提高工作性能。例如在伺服壓力機上拉深，成形極限可以提高25%。

（2）精度高一方面，伺服壓力機的運動可以精確控制，一般均裝有滑塊位移檢測裝置和滑塊行程調(diào)節(jié)裝置，滑塊的任意位置（包括下死點）可以準確控制。伺服壓力機滑塊位置精度一般可以達0.01mm；另一方面，滑塊運動特性可以優(yōu)化，例如拉深、彎曲、壓印時，適當(dāng)?shù)幕瑝K曲線可減少回彈提高制件精度。

（3）簡化傳動環(huán)節(jié)，減少維修和節(jié)省能量伺服壓力機省去飛輪、離合器甚至采用直接傳動，傳動環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應(yīng)減少。

伺服壓力機節(jié)能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：伺服電動機較普通感應(yīng)電機效率高。交流伺服電動機采用變頻調(diào)速，效率高，損耗小。減速時采用電磁制動，制動能量可儲存回收。與機械制動和液壓傳動的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。在普通壓力機中，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的6—30%，。伺服壓力機沒有飛輪，僅在工作時電機才旋轉(zhuǎn)，這一部分能量得以節(jié)省。在普通壓力機中，離合器（主要指摩擦離合器）耗能約占總能量的20%，伺服壓力機取消了離合器，這一部分能量得以節(jié)省。大多數(shù)中小型機械壓力機，采用摩擦制動器。制動器每周期均工作，消耗能量；伺服壓力機制動器僅在停車時才起作用，制動耗能得以節(jié)省。

當(dāng)然，節(jié)能效果尚決定于變流以及儲能和再利用的效率?？傮w而言，伺服壓力機較普通機械壓力機和液壓機都要節(jié)能。例如，采用這一技術(shù)的全電動注塑機較傳統(tǒng)液壓式注塑機節(jié)能25-60%，而日本村田公司交流伺服數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機比液壓式也節(jié)能30％～40％；日本ENOMOTO公司開發(fā)的基于這一技術(shù)的螺旋壓力機節(jié)能達50%。而AMINO公司聲稱所開發(fā)的伺服壓力機較油壓機節(jié)能2/3。小松AMERICA曾進行過300噸壓力機連續(xù)工作功耗對比試驗，結(jié)果證明伺服壓力機節(jié)能32-42%。

（4）環(huán)保伺服壓力機的環(huán)保特性體現(xiàn)在它具有液壓機的性能，但是又沒有液壓系統(tǒng)，完全消除了油液污染；又由于傳動系統(tǒng)簡化，傳動噪音大大減少；滑塊運動特性優(yōu)化，減少工藝噪聲，如靜音沖裁，極大地改善生產(chǎn)環(huán)境。AMINO的25000KN伺服機械壓力機噪音僅為75db（A）,較普通壓力機減少10-20db。

（5）提高模具壽命和生產(chǎn)率 由于振動減少，模具壽命可以提高3倍，設(shè)備壽命也相應(yīng)提高。由于伺服壓力機行程可以方便地調(diào)整，可以根據(jù)成形工藝需要，使壓力機在必要的最小行程工作，生產(chǎn)效率得以提高。其工作頻率不但高于液壓機，而且可以高于普通機械壓力機。

3.伺服壓力機傳動方式及典型產(chǎn)品

（1）伺服電機直接驅(qū)動電機直接與執(zhí)行機構(gòu)連接，推動滑塊工作，具有最短的傳動鏈，因而結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、精度高，很有發(fā)展前景。目前這種壓力機有兩種形式。

1）直線伺服電機直接驅(qū)動壓力機直線電機可以直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，推動滑塊工作，實現(xiàn)“零傳動”。它已經(jīng)成功地應(yīng)用于機床的進給、磁懸浮列車等。浙江大學(xué)在上世紀90年代就曾研制過5-50KN的此類壓力機，與普通機械壓力機相比，節(jié)能40%，體積減少60%，重量減少40%。日本AIDA 公司已推出L-SF-300S的系列產(chǎn)品，最大規(guī)格10KN，行程100MM，最高工作頻率為200SPM。山田DOBBY公司開發(fā)的同類壓力機，具有示教功能，最大壓力為24kN，滑塊精度0.5μm.

2）伺服電機直接驅(qū)動曲柄 日本AIDA公司的NC1-D和NS1-D系列屬于這類產(chǎn)品。低速大扭矩伺服電動機直接與曲柄聯(lián)接，無減速機構(gòu)，不但結(jié)構(gòu)簡單、，減少維護量、節(jié)能，而且噪音小，聲稱即使在住宅區(qū)內(nèi)，也可以24小時工作。由于受伺服電機扭矩的限制，壓力機噸位不能太大，目前最大噸位為2500KN。

（2）伺服電機—減速—螺桿此類壓力機一般將伺服電機通過同步皮帶與螺桿連接，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。其運動特性類似于液壓機，在全行程均可獲得額定壓力。局限性在于滾珠絲杠承載能力有限，滑動螺旋效率低，壓力機噸位不能太大。常見形式有兩種：

1）全電動數(shù)控伺服折彎機板料折彎機是應(yīng)用極為廣泛的彎曲設(shè)備，早在上世紀80年代已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控化，普遍采用電液伺服加光柵形成閉環(huán)控制。折彎工藝從編程到彎曲過程模擬、控制、修正等均實現(xiàn)了高度的自動化。交流伺服電機驅(qū)動的全電動折彎機的出現(xiàn)，使其工作性能得到進一步提高。

KOMATSU公司在1995年就開發(fā)了PAS系列交流伺服折彎機，目前規(guī)格已達350-1250KN。除節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單等交流伺服電機驅(qū)動一般的優(yōu)點外，突出的特點是克服了液壓系統(tǒng)速度切換時的短暫停頓現(xiàn)象，滑塊運動更加敏捷；當(dāng)采用4個獨立的驅(qū)動單元驅(qū)動時，可以方便地補償機身和滑塊的變形，提高制件精度。據(jù)稱，與液壓驅(qū)動的折彎機相比，生產(chǎn)率提高47%，運行成本降低35%，節(jié)電15%，試折時材料消耗減少8-14%。

日本KOMATSU 四點折彎機

2）螺旋精密壓力機AIDA公司A-SF壓力機屬于這類產(chǎn)品，目前最大噸位為800KN，其工作性能類似液壓機，以靜壓力工作。伺服電機帶動兩個直徑不同的皮帶輪，具有不同的傳動比，利用離合器來切換?？招谐虝r，減速比小，絲杠以較高速度旋轉(zhuǎn)；工作行程時，減速比大，絲桿轉(zhuǎn)速慢，增力比也大。這傳動方式可以降低對電機的要求?；瑝K上有位移傳感器，反饋位移信號。KOMATSU公司HCP型伺服壓力機傳動原理與此類似。

（3）電機—減速—曲柄連桿（肘桿）日本KOMATSU、AIDA、AMINO、德國SCHULER等公司分別開發(fā)了各種不同形式的伺服曲柄壓力機。KOMATSU 公司將這類壓力機稱之為“自由運動”（Free Motion）壓力機。伺服驅(qū)動曲柄壓力機保留了曲柄壓力機的原有優(yōu)點。與螺旋傳動不同，回程時電機無需反向，滑塊靠近下死點時速度自動降低，增力比加大。這類壓力機按傳動方式來分，大致有以下三種：

1）電機-減速—曲柄連桿AIDA公司的NS1系列伺服曲柄壓力機屬于此類型。伺服電機經(jīng)一級齒輪傳動驅(qū)動曲柄--連桿機構(gòu)。與普通曲柄壓力機不同的是，用交流伺服電機取代了普通感應(yīng)電動機，取消了飛輪、離合器，同時安裝了大電容來儲存電能。

2）電機-減速-曲柄-肘桿采用肘桿機構(gòu)可以提高增力比，減少電機容量，提高壓力機噸位。KOMATSU公司H1F單點伺服壓力機和AMINO公司雙點伺服壓力機傳動原理如下圖，AMINO公司此類壓力機最大噸位可達25000kN。

Komatsu單點（左）和Amino雙點（右）伺服壓力機

3）混合傳動（電機—減速--螺旋--肘桿） 采用這種傳動方式，可以獲得更大的增力比，制造更大噸位的壓力機；缺點是由于螺旋需要正反轉(zhuǎn)，工作頻率不能太高。日本小松公司H2F雙點伺服壓力機傳動原理，兩臺伺服電機通過皮帶減速，帶動滾珠絲杠運動，再通過肘桿機構(gòu)帶動滑塊上下運動。壓力機不僅有位移傳感器，而且有壓力傳感器，以反饋壓力信號。2004年小松公司生產(chǎn)的多點壓力機規(guī)格已經(jīng)達到42000kN。AMINO公司的雙點伺服壓力機，25000kN的壓力機采用兩個200KW的交流伺服電機，最大規(guī)格達32000kN。

komatsu公司H2F雙點伺服壓力機傳動原理

AMINO公司雙點伺服壓力機傳動原理

（4）數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機 數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機的發(fā)展已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。最初多采用機械驅(qū)動，步?jīng)_頻率比較低，通常在200次/分以下。上世紀末期，數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機越來越多地采用液壓伺服驅(qū)動，步?jīng)_頻率提高到600次/分以上。伺服電機驅(qū)動的數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機的出現(xiàn)，性能有了進一步的提高。其主要優(yōu)點是消除了油液泄漏；系統(tǒng)無需預(yù)熱，可直接快速啟動；節(jié)電30％～40％；步?jīng)_頻率較液壓伺服驅(qū)動進一步提高。采用伺服驅(qū)動的MTORUM-2004EZ產(chǎn)品曾獲日本政府通產(chǎn)大臣獎。天田公司也推出EM2510NT產(chǎn)品，采用雙伺服電機驅(qū)動，聲稱為“世界上最快的數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機”。其步?jīng)_頻率達1800次/分。

（5）螺旋壓力機 電動螺旋壓力機由于其一系列優(yōu)點，近年來得到很大的發(fā)展，尤其在大噸位螺旋壓力機中具有巨大的潛力，目前最大噸位已經(jīng)達到320,000KN。

有人曾分析電動螺旋壓力機電機的發(fā)熱過程，由于螺旋壓力機電機轉(zhuǎn)差率大，引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱，認為其傳動效率不比普通摩擦壓力機高，小能量打擊時，效率甚至低于普通摩擦壓力機。交流伺服電機驅(qū)動技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上解決了這一問題。日本ENOMOTO公司在其電動螺旋壓力機中，采用了交流伺服技術(shù)，開發(fā)了100—1000噸的伺服螺旋壓力機。該產(chǎn)品獲2002年日本新技術(shù)開發(fā)設(shè)計獎。其主要優(yōu)點是節(jié)能和控制精確方便，據(jù)稱，節(jié)能效果達50%。國內(nèi)華中科技大學(xué)等單位也開發(fā)了類似產(chǎn)品。山東理工大學(xué)開發(fā)了開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的電動螺旋壓力機。

4.基于伺服壓力機的成形工藝舉例

（1）靜音沖裁 在壓力機上進行沖裁工作時，材料斷裂的瞬間，工作負荷突然消失，積聚在機身和傳動機構(gòu)中的彈性變形能會在很短的時間里釋放，因而產(chǎn)生劇烈的振動和巨大的噪音，不但損壞設(shè)備和模具，而且惡化生產(chǎn)環(huán)境、危害工人健康。如果能有效地控制滑塊運動，使所儲存的彈性變形能在材料完全斷裂之前就基本釋放完畢，有可能大大減少沖裁振動，降低噪音。這種“靜音沖裁”可以在伺服壓力機實現(xiàn)。KOMATSU公司聲稱，采用伺服壓力機可以消除99%的沖裁噪音。這里，變速點的精確控制是關(guān)鍵。

靜音沖裁

（2）精密沖裁精密沖裁時，沖裁速度與工件質(zhì)量和模具壽命的有密切關(guān)系。日本KOMATSU公司在普通機械壓力機和HAF伺服壓力機上進行了精密沖裁對比試驗，工件為空調(diào)機凸輪，尺寸40×13MM，負荷80噸，材料SPC。沖裁速度越低，沖裁斷面剪切帶厚度就越大，斷面質(zhì)量越好。普通壓力機在2000-3000件后表面出現(xiàn)裂紋，但伺服壓力機在3000件后斷面仍保持完好。

精密沖裁

（3）盒形件拉深KOMATSU公司曾進行了不銹鋼和軟碳鋼盒形件淺拉深的對比試驗。工件高度為50MM，兩種材料的極限拉深速度分別為220MM/S和400MM/S，對應(yīng)的機械壓力機工作頻率分別為15SPM和30SPM。在機械壓力機上拉深兩種材料均出現(xiàn)裂紋；伺服壓力機工作頻率為36SPM，拉深時在行程48和25MM時兩次減速，兩種材料均獲得完好的工件。高強度鋼成形性能差，容易裂紋、起皺，采用變速拉深可以改善成形性能，提高成形極限20-30%，降低廢品率。這對汽車覆蓋件加工有重要的意義。

盒形件拉深

（4）軸承墊塊壓制成形原在機械壓力機上壓制成形，壓力110噸，工件公差為0.02mm，由于滑塊下死點位置漂移，常常周期性地超差；采用伺服壓力機后，由于可以嚴格控制滑塊下死點位置，工件實際偏差可以控制在0.01mm以內(nèi)，而載荷反而可以減少一半，僅為48噸。

軸承墊塊壓制

（5）鎂合金擠壓成形 鎂合金塑性差，塑性成形有較大難度。KOMATSU公司在其HCP3000伺服壓力機上成功地完成了鎂合金杯形件的反擠壓成形。毛坯為Φ80×8板料，坯料置入凹模后，凸模慢速下降，將毛坯壓在凸模和頂料器之間，在下降過程中毛坯被加熱到3000C；當(dāng)頂料器到下極限位置時，滑塊保持恒定壓力，以更低的速度下行，擠壓開始，直至反擠壓工作全部完成（C-D段）；然后滑塊快速回程?；瑝K在一個循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷了4種不同的速度，其中擠壓過程還是恒壓控制。顯然，在普通機械壓力機上這一工藝是無法實現(xiàn)的。

鎂合金反擠壓成形過程

5.結(jié)論與討論

（1）交流伺服壓力機的發(fā)展前景 交流伺服壓力機在性能上具有許多優(yōu)越性，這已經(jīng)被證實。但是這種壓力機究竟有多大的發(fā)展前景，業(yè)界并沒有一致的看法，世界上真正實現(xiàn)了商品化生產(chǎn)的國家也不多。普通交流電動機+飛輪的傳動方式具有價廉、簡單、可靠等一系列優(yōu)點，有悠久的歷史，已經(jīng)在鍛壓機械中得到廣泛應(yīng)用，在可預(yù)見的將來，不可能也沒有必要在所有的壓力機中都采用伺服驅(qū)動。但是伺服驅(qū)動為壓力機帶來的一系列優(yōu)點，尤其是柔性化和節(jié)能減噪等的確為鍛壓設(shè)備展示了誘人前景。鍛壓生產(chǎn)在節(jié)能、環(huán)保和高性能方面的要求日益提高，將使它的競爭力越來越大。

大功率交流伺服電機及其控制系統(tǒng)目前價格昂貴，是這一技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。造成這一問題的主要原因是大功率交流伺服電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)目前基本為國外產(chǎn)品所壟斷。隨著國內(nèi)技術(shù)的開發(fā)，與進口產(chǎn)品開展競爭，市場價格就會迅速降低，這一技術(shù)在成形裝備的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣?？梢灶A(yù)見，伺服壓力機將在一些重要的制造領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品、汽車等精密制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。它將部分地取代液壓機、普通機械壓力機、螺旋壓力機。

（2）交流伺服驅(qū)動的能耗和電動機容量 如上所述，普通壓力機中，電機的負荷相對比較穩(wěn)定，即令是工作周期的非工作時段，飛輪也要消耗能量以恢復(fù)飛輪轉(zhuǎn)速，全周期均消耗能量，電機額定功率基本上等于周期的平均能耗。對于交流伺服驅(qū)動而言，沒有飛輪，實際消耗的功率是變動的。就電機的額定功率而言，伺服壓力機將大于普通機械壓力機。但是，由于兩種驅(qū)動方式功率消耗情況大不相同，伺服壓力機實際能耗仍低于普通壓力機。減小電機容量的途徑之一是提高電機過載能力。

（3）伺服壓力機工作時對電網(wǎng)的沖擊 伺服曲柄壓力機工作時將會產(chǎn)生很大的短時沖擊電流，尤其是大噸位壓力機，這將對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的危害，必須予以重視。一個有效的方法是采用電容儲能。相反，伺服螺旋壓力機在換向時電流將比普通螺旋壓力機小，減少電機發(fā)熱和電流沖擊。

（4）加快研究開發(fā)步伐 以交流伺服壓力機取代傳統(tǒng)感應(yīng)電機，可以大大提高成形裝備的自動化、智能化水平，改善工作性能，具有劃時代的意義。目前國內(nèi)這一技術(shù)尚比較落后，但國外發(fā)達國家也剛起步不久，鑒于其廣闊的應(yīng)用前景，必須加快這項技術(shù)的研究開發(fā)，方可趕上裝備技術(shù)世界發(fā)展的潮流。

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