1 引言

　　交流伺服電機驅動是目前成形裝備發展的一個新方向，以計算機控制的交流伺服電機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其它機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊所需的直線運動。不但可以保持機械驅動的種種優點，而且改變了其工作特性不可調的缺點，使機械驅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性大大提高；同時，還簡化了結構，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量。可取代液壓系統，徹底消除油液對環境的污染。是高新技術與傳統機械技術的結合，對于推動成形裝備的更新換代，具有不可限量的影響。短短十多年，其應用領域已經從注塑機發展到

　　折彎機、機械壓力機、數控回轉頭壓力機、螺旋壓力機等各種成形設備。日本各個著名的壓力機制造廠商，如AIDA，KOMATSU，AMIN0，ENOM0T0等公司均投人大量人力物力進行開發，并已推出商品化的產品。AIDA公司將其開發的這種新型壓力機稱之為“第3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中，如德國SCHULER公司在2007年北京國際機床展(CIMT07)上推出了2500～6300 kN的這類壓力機系列產品。

　　國內不少廠家最近也開始了這一技術的研究與產品開發。本文介紹了交流伺服傳動的基本原理及在壓力機中的應用現狀與發展趨勢，討論了交流伺服壓力機的若干關鍵技術問題。

2 電氣傳動與交流伺服驅動

　　以電動機為基礎的電氣傳動技術誕生于19世紀初，迄今已有近200年的歷史。由于其具有使用、控制、傳輸、儲存方便等優點，在人類生產、生活的各個方面都得到了廣泛的應用。現在，已經成為包括鍛壓機床在內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越的調速性能，直到20世紀上半葉，高性能可調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，不能調速，絕大部分鍛壓機械都屬于這一類。“直流調速，交流不調速”形成了一種普遍的格局。盡管直流調速有許多優越性，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用場合均受到一定限制，例如，其極限容量一速度積僅為106 kW·RPM。

　　20世紀60---70年代，隨著電力電子技術的發展，特別是大規模集成電路和計算機控制技術的出現，產生了高性能交流調速系統，克服了直流調速系統的缺點，達到直流調速同樣的性能。交流調速在近30年來得到迅速發展，已經取代直流調速系統，成為電氣傳動的主要發展方向。據統計，在2001年世界可調電氣傳動產品中，交流傳動已經占到2／3以上。

　　調速和伺服應是兩個具有聯系的不同術語。電動機調速指調節、改變電動機速度，而伺服(setvo)則是一音譯和意譯相結合的外來詞，有跟隨、服從的意思。伺服電機傳動指電動機的轉速或其它參數可以按照任意的輸入信號而變化。可以簡單地理解為：普通的調速只是一種最簡單的伺服傳動，如一般鼓風機、水泵電機的調速，伺服傳動則是一種高級的調速，這種調速是實時、連續地進行的。長期以來，交流伺服電機僅僅作為執行元件，應用于伺服控制系統，功率不超過1 kW。大功率交流伺服電機及其驅動控制裝置的出現，使這一技術得以應用于機械裝備的主傳動，成為交流伺服驅動系統。正是在這種背景下，發達國家在20世紀末期，開始了將交流伺服傳動技術應用于鍛壓機械的研究和產品開發，出現了交流伺服電動機驅動的壓力機，十多年來得到了迅速發展。

3 交流伺服壓力機的特點

　　3.1 實現柔性化和智能化工作性能提高

　　由于原動機由不能調節和控制的普通感應電機改為CNC控制可任意調節的伺服電動機，因此自動化、智能化程度提高，工作效率提高；可以獲得任意的滑塊特性，設備的工藝適應性擴大；可以根據不同的工藝采用相應的優化曲線，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％。

　　3.2 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節裝置，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0.01 mm；另一方面，滑塊運動特性可以優化，例如，拉深、彎曲、壓印時，適當的滑塊曲線可減少回彈，提高制件精度。

　　3.3 簡化傳動環節，減少維修和節省能量

　　伺服壓力機省去飛輪、離合器，甚至采用直接傳動，傳動環節大大減少，維修工作量亦相應減少。伺服壓力機節能主要體現在以下幾個方面。

　　(1)伺服電動機較普通感應電機效率高。

　　(2)交流伺服電動機采用變頻調速，效率高，損耗小。

　　(3)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流調速相比，可大大節省能量。

　　(4)在普通壓力機中，飛輪空轉耗能約占總能耗的6％～30％。伺服壓力機沒有飛輪，僅在工作時電機才旋轉，這一部分能量得以節省。

　　(5)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省。

　　(6)大多數中小型機械壓力機，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，制動耗能得以節省。當然，節能效果尚決定于變流以及儲能和再利用的效率。總體而言，伺服壓力機較普通機械壓力機和液壓機都要節能。例如，采用這一技術的全電動注塑機較傳統液壓式注塑機節能25％-60％，而日本村田公司交流伺服數控回轉頭壓力機比液壓式也節能30％-40 oA；日本ENOMOTO公司開發的基于這一技術的螺旋壓力機節能達50％。而AMINO公司聲稱所開發的伺服壓力機較油壓機節能2／3。小松AMERICA曾進行過300 t壓力機連續工作功耗對比試驗，結果證明伺服壓力機節能32％～42％。

　　3.4 環保

　　伺服壓力機的環保特性體現在其具有液壓機的性能，但是又沒有液壓系統，完全消除了油液污染；又由于傳動系統簡化，傳動噪音大大減少；滑塊運動特性優化，減少工藝噪聲，實現靜音沖裁，極大地改善生產環境。AMINO的25000 kN伺服機械壓力機噪音僅為75 db(A)，較普通壓力機減少10--20 db。

　　3.5 提高模具壽命和生產率

　　由于振動減少，模具壽命可以提高3倍，設備壽命也相應提高。

　　由于伺服壓力機行程可以方便地調整，可以根據成形工藝需要，使壓力機在必要的最小行程工作，生產效率得以提高。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。

4 伺服壓力機傳動方式及典型產品

　　4.1 伺服電機直接驅動

　　電機直接與執行機構連接，推動滑塊工作，具有最短的傳動鏈，因而結構簡單、傳動效率高、精度高，很有發展前景。目前這種壓力機有兩種形式。

　　4.1.1 直線伺服電機直接驅動壓力機

　　直線電機可以直接將電能轉變為直線運動，推動滑塊工作，實現“零傳動”，它已經成功地應用于機床的進給、磁懸浮列車等。浙江大學在20世紀90年代就曾研制過5～50 kN的此類壓力機，與普通機械壓力機相比，節能40％，體積減少60％，重量減少40％[9|。日本AIDA公司已推出L-SF-300S的系列產品，最大規格10 kN，行程100 nlrn，最高工作頻率為200 SPM。山田DOBBY公司開發的同類壓力機，具有示教功能，最大壓力為24 kN，滑塊精度5μm。

　　4.1.2 伺服電機直接驅動曲柄

　　日本AIDA公司的NCl-D和NSl-D系列屬于這類產品。低速大扭矩伺服電動機直接與曲柄聯接，無減速機構，不但結構簡單、減少維護量、節能，而且噪音小，聲稱即使在住宅區內，也可以24 h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2500 kN。

　　4.2 伺服電機一減速一螺桿

　　此類壓力機一般將伺服電機通過同步皮帶與螺桿連接，將旋轉運動轉變為直線運動。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。

　　4.2.1 全電動數控伺服折彎機

　　板料折彎機是應用極為廣泛的彎曲設備，早在20世紀80年代就已經實現了數控化，普遍采用電液伺服加光柵形成閉環控制。折彎工藝從編程到彎瞳過程模擬、控制、修正等均實現了高度的自動化。交流伺服電機驅動的全電動折彎機的出現，使其工作性能得到進一步提高。

　　KOMATSU公司在1995年開發出PAS系列交流伺服折彎機(圖1)，目前規格已達350～1250kN。除節能、結構簡單等交流伺服電機驅動一般的優點外，突出的特點是克服了液壓系統速度切換時的短暫停頓現象，滑塊運動更加敏捷；當采用4個獨立的驅動單元驅動時，可以方便地補償機身和滑塊的變形，提高制件精度。據稱，與液壓驅動的折彎機相比，生產率提高47％，運行成本降低35％，節電15％，試折的材料消耗減少8％～14％。

　　4.2.2 螺旋精密壓力機

　　AIDA公司A-SF壓力機屬于這類產品，目前最大噸位為800 kN，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。空行程時，減速比小，絲杠以較高速度旋轉；工作行程時，減速比大，絲桿轉速慢，增力比也大。這種傳動方式可以降低對電機的要求。滑塊上有位移傳感器，反饋位移信號。

　　KOMATSU公司HCP型伺服壓力機傳動原理與此類似。

　　交流伺服壓力機及其關鍵技術（下）