1 引言

　　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，以計(jì)算機(jī)控制的交流伺服電機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機(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、智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高；同時(shí)，還簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量?？扇〈簤合到y(tǒng)，徹底消除油液對(duì)環(huán)境的污染。是高新技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的結(jié)合，對(duì)于推動(dòng)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(jī)發(fā)展到

　　折彎?rùn)C(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)等各種成形設(shè)備。日本各個(gè)著名的壓力機(jī)制造廠商，如AIDA，KOMATSU，AMIN0，ENOM0T0等公司均投人大量人力物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并已推出商品化的產(chǎn)品。AIDA公司將其開(kāi)發(fā)的這種新型壓力機(jī)稱之為“第3代壓力機(jī)”，認(rèn)為具有劃時(shí)代的意義。歐洲一些壓力機(jī)廠商也加入到這一行列中，如德國(guó)SCHULER公司在2007年北京國(guó)際機(jī)床展(CIMT07)上推出了2500～6300 kN的這類壓力機(jī)系列產(chǎn)品。

　　國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家最近也開(kāi)始了這一技術(shù)的研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。本文介紹了交流伺服傳動(dòng)的基本原理及在壓力機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，討論了交流伺服壓力機(jī)的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2 電氣傳動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)

　　以電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的電氣傳動(dòng)技術(shù)誕生于19世紀(jì)初，迄今已有近200年的歷史。由于其具有使用、控制、傳輸、儲(chǔ)存方便等優(yōu)點(diǎn)，在人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，已經(jīng)成為包括鍛壓機(jī)床在內(nèi)的各種機(jī)械裝備的主要傳動(dòng)方式。電氣傳動(dòng)分直流和交流兩大類。由于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，直到20世紀(jì)上半葉，高性能可調(diào)傳動(dòng)均采用直流電動(dòng)機(jī)，而占電氣傳動(dòng)總量80％以上的一般傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)，不能調(diào)速，絕大部分鍛壓機(jī)械都屬于這一類?！爸绷髡{(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(jī)械換向，存在有換向器壽命低、換向火花、造價(jià)高等問(wèn)題，電機(jī)容量和速度以及應(yīng)用場(chǎng)合均受到一定限制，例如，其極限容量一速度積僅為106 kW·RPM。

　　20世紀(jì)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，克服了直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，達(dá)到直流調(diào)速同樣的性能。交流調(diào)速在近30年來(lái)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(dòng)的主要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2001年世界可調(diào)電氣傳動(dòng)產(chǎn)品中，交流傳動(dòng)已經(jīng)占到2／3以上。

　　調(diào)速和伺服應(yīng)是兩個(gè)具有聯(lián)系的不同術(shù)語(yǔ)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速指調(diào)節(jié)、改變電動(dòng)機(jī)速度，而伺服(setvo)則是一音譯和意譯相結(jié)合的外來(lái)詞，有跟隨、服從的意思。伺服電機(jī)傳動(dòng)指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或其它參數(shù)可以按照任意的輸入信號(hào)而變化?？梢院?jiǎn)單地理解為：普通的調(diào)速只是一種最簡(jiǎn)單的伺服傳動(dòng)，如一般鼓風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的調(diào)速，伺服傳動(dòng)則是一種高級(jí)的調(diào)速，這種調(diào)速是實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行的。長(zhǎng)期以來(lái)，交流伺服電機(jī)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(guò)1 kW。大功率交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制裝置的出現(xiàn)，使這一技術(shù)得以應(yīng)用于機(jī)械裝備的主傳動(dòng)，成為交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。正是在這種背景下，發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)末期，開(kāi)始了將交流伺服傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于鍛壓機(jī)械的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，出現(xiàn)了交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)，十多年來(lái)得到了迅速發(fā)展。

3 交流伺服壓力機(jī)的特點(diǎn)

　　3.1 實(shí)現(xiàn)柔性化和智能化工作性能提高

　　由于原動(dòng)機(jī)由不能調(diào)節(jié)和控制的普通感應(yīng)電機(jī)改為CNC控制可任意調(diào)節(jié)的伺服電動(dòng)機(jī)，因此自動(dòng)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(kuò)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(jī)上拉深，成形極限可以提高25％。

　　3.2 精度高

　　一方面，伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以精確控制，一般均裝有滑塊位移檢測(cè)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(diǎn))可以準(zhǔn)確控制。伺服壓力機(jī)滑塊位置精度一般可以達(dá)0.01 mm；另一方面，滑塊運(yùn)動(dòng)特性可以優(yōu)化，例如，拉深、彎曲、壓印時(shí)，適當(dāng)?shù)幕瑝K曲線可減少回彈，提高制件精度。

　　3.3 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，甚至采用直接傳動(dòng)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應(yīng)減少。伺服壓力機(jī)節(jié)能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)伺服電動(dòng)機(jī)較普通感應(yīng)電機(jī)效率高。

　　(2)交流伺服電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，效率高，損耗小。

　　(3)減速時(shí)采用電磁制動(dòng)，制動(dòng)能量可儲(chǔ)存回收。與機(jī)械制動(dòng)和液壓傳動(dòng)的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。

　　(4)在普通壓力機(jī)中，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的6％～30％。伺服壓力機(jī)沒(méi)有飛輪，僅在工作時(shí)電機(jī)才旋轉(zhuǎn)，這一部分能量得以節(jié)省。

　　(5)在普通壓力機(jī)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(jī)取消了離合器，這一部分能量得以節(jié)省。

　　(6)大多數(shù)中小型機(jī)械壓力機(jī)，采用摩擦制動(dòng)器。制動(dòng)器每周期均工作，消耗能量；伺服壓力機(jī)制動(dòng)器僅在停車時(shí)才起作用，制動(dòng)耗能得以節(jié)省。當(dāng)然，節(jié)能效果尚決定于變流以及儲(chǔ)能和再利用的效率?？傮w而言，伺服壓力機(jī)較普通機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)都要節(jié)能。例如，采用這一技術(shù)的全電動(dòng)注塑機(jī)較傳統(tǒng)液壓式注塑機(jī)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(jī)比液壓式也節(jié)能30％-40 oA；日本ENOMOTO公司開(kāi)發(fā)的基于這一技術(shù)的螺旋壓力機(jī)節(jié)能達(dá)50％。而AMINO公司聲稱所開(kāi)發(fā)的伺服壓力機(jī)較油壓機(jī)節(jié)能2／3。小松AMERICA曾進(jìn)行過(guò)300 t壓力機(jī)連續(xù)工作功耗對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果證明伺服壓力機(jī)節(jié)能32％～42％。

　　3.4 環(huán)保

　　伺服壓力機(jī)的環(huán)保特性體現(xiàn)在其具有液壓機(jī)的性能，但是又沒(méi)有液壓系統(tǒng)，完全消除了油液污染；又由于傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)噪音大大減少；滑塊運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)化，減少工藝噪聲，實(shí)現(xiàn)靜音沖裁，極大地改善生產(chǎn)環(huán)境。AMINO的25000 kN伺服機(jī)械壓力機(jī)噪音僅為75 db(A)，較普通壓力機(jī)減少10--20 db。

　　3.5 提高模具壽命和生產(chǎn)率

　　由于振動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)，而且可以高于普通機(jī)械壓力機(jī)。

4 伺服壓力機(jī)傳動(dòng)方式及典型產(chǎn)品

　　4.1 伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)

　　電機(jī)直接與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，推動(dòng)滑塊工作，具有最短的傳動(dòng)鏈，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、精度高，很有發(fā)展前景。目前這種壓力機(jī)有兩種形式。

　　4.1.1 直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)

　　直線電機(jī)可以直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)滑塊工作，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，它已經(jīng)成功地應(yīng)用于機(jī)床的進(jìn)給、磁懸浮列車等。浙江大學(xué)在20世紀(jì)90年代就曾研制過(guò)5～50 kN的此類壓力機(jī)，與普通機(jī)械壓力機(jī)相比，節(jié)能40％，體積減少60％，重量減少40％[9|。日本AIDA公司已推出L-SF-300S的系列產(chǎn)品，最大規(guī)格10 kN，行程100 nlrn，最高工作頻率為200 SPM。山田DOBBY公司開(kāi)發(fā)的同類壓力機(jī)，具有示教功能，最大壓力為24 kN，滑塊精度5μm。

　　4.1.2 伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄

　　日本AIDA公司的NCl-D和NSl-D系列屬于這類產(chǎn)品。低速大扭矩伺服電動(dòng)機(jī)直接與曲柄聯(lián)接，無(wú)減速機(jī)構(gòu)，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減少維護(hù)量、節(jié)能，而且噪音小，聲稱即使在住宅區(qū)內(nèi)，也可以24 h工作。由于受伺服電機(jī)扭矩的限制，壓力機(jī)噸位不能太大，目前最大噸位為2500 kN。

　　4.2 伺服電機(jī)一減速一螺桿

　　此類壓力機(jī)一般將伺服電機(jī)通過(guò)同步皮帶與螺桿連接，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)特性類似于液壓機(jī)，在全行程均可獲得額定壓力。局限性在于滾珠絲杠承載能力有限，滑動(dòng)螺旋效率低，壓力機(jī)噸位不能太大。常見(jiàn)形式有兩種。

　　4.2.1 全電動(dòng)數(shù)控伺服折彎?rùn)C(jī)

　　板料折彎?rùn)C(jī)是應(yīng)用極為廣泛的彎曲設(shè)備，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)實(shí)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瞳過(guò)程模擬、控制、修正等均實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)的出現(xiàn)，使其工作性能得到進(jìn)一步提高。

　　KOMATSU公司在1995年開(kāi)發(fā)出PAS系列交流伺服折彎?rùn)C(jī)(圖1)，目前規(guī)格已達(dá)350～1250kN。除節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般的優(yōu)點(diǎn)外，突出的特點(diǎn)是克服了液壓系統(tǒng)速度切換時(shí)的短暫停頓現(xiàn)象，滑塊運(yùn)動(dòng)更加敏捷；當(dāng)采用4個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以方便地補(bǔ)償機(jī)身和滑塊的變形，提高制件精度。據(jù)稱，與液壓驅(qū)動(dòng)的折彎?rùn)C(jī)相比，生產(chǎn)率提高47％，運(yùn)行成本降低35％，節(jié)電15％，試折的材料消耗減少8％～14％。

　　4.2.2 螺旋精密壓力機(jī)

　　AIDA公司A-SF壓力機(jī)屬于這類產(chǎn)品，目前最大噸位為800 kN，其工作性能類似液壓機(jī)，以靜壓力工作。伺服電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)直徑不同的皮帶輪，具有不同的傳動(dòng)比，利用離合器來(lái)切換?？招谐虝r(shí)，減速比小，絲杠以較高速度旋轉(zhuǎn)；工作行程時(shí)，減速比大，絲桿轉(zhuǎn)速慢，增力比也大。這種傳動(dòng)方式可以降低對(duì)電機(jī)的要求?；瑝K上有位移傳感器，反饋位移信號(hào)。

　　KOMATSU公司HCP型伺服壓力機(jī)傳動(dòng)原理與此類似。

　　交流伺服壓力機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)（下）