0 引言

　　數控轉塔沖床源于1932年美國WIEDEMANN公司，該公司發明的多工位沖床的轉盤式模具庫及轉塔沖床的基本工作原理一直延續至今。然而在其數十年的發展歷程中，始終伴隨著機械、液壓、模具、電控等相關新技術的發展，在主傳動系統、轉盤模具系統、板料送進系統、電氣控制系統等方面，不斷進行著關鍵技術創新與升級，使其總體技術水平與性能持續提高。

　　作為沖壓動力源的主傳動系統，繼由傳統的機械型被液壓型替代后，正朝著伺服電機驅動型方向轉化。以此為主要特征的新一代高性能數控伺服轉塔沖床，具有技術領先、精度高、加工范圍廣、沖壓速度快、工藝適應性好、節能環保等優勢，代表了數控轉塔沖床的發展水平和方向。

　　目前，數控轉塔沖床的國內需求大約3000臺／年，伺服電機驅動主傳動式高性能機型約占兩成并呈上升趨勢。其中，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司自主研發推出的SVR專利技術的SP型數控伺服轉塔沖床，以及率先應用伺服沖壓技術的日本AMADA等公司先進產品，均顯示了創新的技術特點與良好的市場前景。同時，目前仍作為主志，使數控液壓轉塔沖床也快速步入新的伺服化發展階段。其代表性產品主要有濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司最新推出的HPD型數控液壓轉塔沖床，以及德國TRUMPF公司的Tupunch5000型數衙控液壓轉塔沖床。

1 SVR可變連桿專利技術的伺服主傳動系統

　　1.1 概述

　　數控伺服轉塔沖床的技術關鍵在于伺服主傳動技術。濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司近年來在跟蹤與分析國際先進伺服沖壓技術的同時，在伺服電機驅動主傳動系統技術方面，進行了持續深入的研究。不同于其他產品所采用的國外已有技術的主傳動模式，創新提出并研制了連桿長度可變曲柄連桿傳動機構及數控轉塔沖床主傳動系統，形成了獨有發明專利(201110219184．7)的伺服主傳動專利技術。該技術突破傳統設計與工藝模式，實現了以小功率高速伺服電機取代大扭矩伺服電機達到高效率、低能耗的技術創新，成為新一代數控轉塔沖床行業的關鍵領先技術，開創了高效、柔性、綠色伺服沖壓技術發展的新途徑。

　　該專利主傳動技術不僅與國際先進伺服主傳動技術同步發展，且具有其獨特的技術性能優勢。如日本AMADA等公司應用于數控轉塔沖床的主要結構類型，一種是雙伺服電機主傳動系統，將同步控制的兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端的曲柄連桿機構，雖然結構相對簡單，但必須采用大功率雙力矩伺服電機，以滿足公稱壓力和沖壓速度的要求，使其制造成本及能耗較高。

　　另一種是單伺服電機主傳動系統，將伺服電機通過絲杠傳動副與曲柄肘桿機構相連，利用曲柄肘桿機構特有的增力特性，雖可降低伺服電機的負載扭矩，但結構比較復雜，公稱壓力和沖壓速度也不及前者。

本專利主傳動系統技術相比國內外同類產晶的獨特性在于．將單臺通用伺服電機直驅曲柄連桿機構，并通過連桿長度可變的技術創新，不僅解決了采用小慣量低扭矩伺服電機取代高成本大功率力矩電機的難題，而且使通用伺服電機高速、高性能特性與數控轉塔沖床快速、靈活的工藝特點完善結合，發揮出優異的高效、節能及柔性化技術性能優勢二

　　1.2 創新點

　　(1)采用高轉速、低扭矩的通用伺服電機直接與曲軸相連接，驅動連桿長度可變的曲柄連桿傳動機構。在專用數控系統軟件的控制下，可實現沖壓與送進軸的聯動控制運行的傳動方案。

　　連桿為內、外連桿的組合嵌入式結構，由氣缸驅動擺桿式機械結構，在快速調節連桿長度的同時，帶動墊塊補償連桿長度的變化，實現初始位置和打擊位置兩種長度的調節：將數控轉塔沖床的換模與沖壓時所需的兩種滑塊行程，分別通過可變的連桿長度與減小的曲軸偏心距的合理匹配，使公稱力矩降低，進而減小其伺服電機的額定力矩和功率。

　　(2)長度可變連桿結構采用新型內連桿、外連桿嵌套的形式。在外連桿上開有導向槽，墊塊可以在導向槽中自由滑動。內連桿、墊塊分別由兩側的連接板連接，外連桿上安裝具有導向作用的氣缸，導向氣缸與外連桿通過螺釘同定，導向氣缸活塞桿與墊塊固定；內連桿與外連桿之間安裝壓縮彈簧，彈簧力可以支撐內連桿、銷軸、滑塊以及打擊頭的重量。通過采用擺桿式機械結構，使得對于連桿長度的調節更加方便快速，只用一個氣缸就可以實現初始位置和打擊位置兩種長度的調節，以滿足特定工藝要求。

　　1.3 技術特點

　　(1)可變連桿及小偏心距曲軸設計，使伺服電機驅動力矩隨之成倍減小，與上述日本AMADA公司同類機型相比，滿足同等公稱壓力(200kN)及沖壓速率(1800hpm)，本專利技術采用通用型高速低功率(16kW)伺服電機，較其大功率(54kW)雙力矩伺服電機，具有顯著的效率與節能優勢。

　　(2)采用通用高速低扭矩伺服電機，在滿足數控轉塔沖床所需較大的模具提升及換位行程的同時，能夠通過較小的加工行程實現滿載荷沖壓及快速步沖等功能，應用于SP型數控伺服轉塔沖床，其刻印速度1800hpm，10mm行程1mm、25ram間距步沖速度分別為1000hpm、500hpm，各指標均達到國際先進水平。

2 應用DECV閥技術的HDM型伺服液壓系統

　　2.1 概述

　　過去的30多年，液壓主傳動技術一直主導數控轉塔沖床的發展。當前，作為新一代技術的伺服電機直接驅動的主傳動系統，以其快速高效及節能降耗的特點，在高性能機型中有逐漸替代液壓系統而成為主流的趨勢。然而，作為目前仍為主導類型的數控液壓轉塔沖床。

　德國VOITH H+L的HDM液壓系統，采用DECV伺服驅動電機直驅主閥型系統技術，使液壓主傳動技術的發展步人了一個新的階段。該系統在沖壓效率及精度、技術性能與可靠性等方面較上一代產品有較大提升，實現了最大行程速度280mm／s、公稱壓力300kN、位置精度0．025mm、4mm行程沖頭速度900hpm、lmm行程沖頭速度2800hpm等優良的技術特性，并在系統成本、能源效率和市場競爭力等方面優勢明顯。

　　2.2 技術特點

　　HDM型液壓系統主要由閥體油缸、液壓站與電子控制器等三部分組成。由其液壓原理圖可見，通過采用DECV主閥1和80bar低壓回路控制，實現在40kN以下沖壓力時的快速節能運行；而在40kN以上沖壓力時，通過高壓泵6和轉換閥2，控制285bar高壓回路連通油缸上腔，使高壓泵只在較大載荷沖壓時建立壓力并直接作用于油缸活塞4。通過沖壓力與沖壓速度的合理匹配，只需配置1 lkW主電機即可滿足優良的技術性能，且明顯降低系統成本并達到良好的能源效率。

　　HDM液壓系統的技術創新主要在于DECV主控制閥，如何避免高壓泵的高壓及流速對控制閥的干擾也是其技術關鍵。該控制閥以德國VOITH H+L公司成熟的機械拷貝閥為基礎．不同于通常的伺服閥通過電磁線圈控制，而直接由專門研制的FL56型伺服電機驅動，具有優化的磁電路與動態特性以及特有的機械結構。通過伺服電機精確檢測和控制主閥閥芯位置，以及零側隙齒輪齒條傳動實現對閥芯的線性驅動，使NGl0規格的DECV閥的快速連續響應時間高達7ms。同時還具有故障安全功能，可對故障位閥芯進行精確的機械調整。

　　HDM型液壓系統的技術創新還包括HS4型電子制器，它同時兼容并提升了以往版本的電子控制器，適用于德國VOITH H+L公司多系列規格的液壓系統。

　　HS4型電子控制器基于32位CPU的CLC／PLC控制器，配置了RS一232、USB、以太網和現場總線如CAN、Profibus等通用接口，以及數字I／O、閥控狀態、位置和壓力傳感器等信號接口，另外還包含了直接驅動DECV閥的SV2模塊。在專門設計的固件程序控制下，可實現快速步沖與成形、滾壓、刻印等特殊工藝的編程，并可針對不同的工藝和模具類型調整優化相應的參數。同時，在線跟蹤記錄傳感器數據和沖壓狀態信息，并適時將出現故障時的相關信息記錄于USB存儲卡，用于故障分析與排除。專門用于調試和診斷的Punchmaster PC軟件，可通過HS4型電子控制器在線跟蹤加載數據或對已存儲的數據離線分析(圖5b)，還可通過以太網接口實現遠程維護。上述可見，新一代DECV閥技術的HDM型液壓系統，具有伺服驅動、高效率、低成本和調試、診斷與維護方便等特點，使數控液壓轉塔沖床性能與可靠性提升到新的水平。目前，應用DECV閥技術并沿承高低壓雙回路系統設計，具有更高性能的HDE型液壓系統也已推出，它采用15kW電機即可滿足300kN公稱壓力與3mm行程沖頭速度1800hpm的要求，能夠更好地發揮伺服液壓技術特點并提高能源效率，節省功耗。

3 伺服沖壓相關協同技術的創新與應用

　　綜上所述，伺服電機驅動型主傳動系統新技術的研發與應用，在技術領先、快速高效、性能提升、工藝優化及節能降耗等方面，使數控轉塔沖床具有新的技術優勢和性能特點。然而，為使伺服主傳動核心技術充分發揮高性能優勢，還要與數控轉塔沖床的轉盤選模系統、高速送進系統、數控系統及軟件等技術協同配合與提升。上述SPH型數控伺服轉塔沖床，即融合了多項創新專利技術與設計，主要包括：

　　(1)分度工位功能擴展技術。通過增配分度工位的數量、擴展可分度模具類型及規格、提高其安裝互換性以及多子模的應用，充分發揮可分度模具的特有優勢。

　　(2)多子模性能提升技術。通過結構創新設計將多個標準模具組合集成構成多子模并安裝于分度工位，不僅實現與標準A工位模具通用且可互換安裝，其中任意一套模具還可進行二次分度沖壓，擴展轉模的數量與效率，提高其適應性與經濟性。

　　(3)轉盤雙排工位及選模技術。該技術創新實現了在單一獨立型分度頭配置的轉盤上配置雙排工位的功能，較國外現有技術具有結構緊湊、運轉可靠、擴展性強等優勢；同時與主傳動及轉模結構創新設計，進行功能集成擴展，實現了內外排工位模具選擇沖壓功能。

　　為便于讀者進一步了解以上技術內容，分述如下。

　　3.1 多重模具互換型分度工位及模具系統技術

　　3.1.1 概述

　　模具技術的提升也是數控轉塔沖床發展的重要環節，為提高加工效率、擴展機床工藝性能，增模位規格數量的同時，可分度模位、雙排標準模位及多子模等功能配置與應用，代表了先進模具技術，已廣泛應用于國外高性能機型。其中，分度模位上、下模套，由分別裝于上、下轉盤的兩套蝸輪蝸桿驅動裝置驅動，同步回轉實現內裝異形模具的分度。

　　但以上功能應用所需的相應機構及控制模式尚有以下問題：

　　(1)模具分度裝置結構復雜，且多套配置，成本高；由于安裝在轉盤上，使其轉動慣量增加，不利于快速運行。

　　(2)分度工位傳動機構通過轉盤中軸分布于兩端，分度工位數量的擴充不僅受其結構限制，同時因占用空間較大，分度工位的增加將明顯減少標準模位數量，雙排標準工位也只起到一定的補償作用，模具數量的擴展必須通過增加轉盤直徑來滿足。

　　本項目產品創新應用了發明專利(201110241395.0)的多重模具互換型分度工位及模具系統技術。同時，采用分度裝置獨立于轉盤之外的形式，從而使單套蝸輪蝸桿驅動裝置即可支持多套分度工位，降低了以上功能帶來的機械結構復雜程度，減輕了對轉盤標準工位及回轉性能的不利影響。

　　3.1.2 創新點

　　(1)對安裝于轉盤分度模位的上、下旋轉套，采用E型標準模(41／2)工位模孑L并與大規格工位(3-1／2)分度模座互換安裝的結構創新設計。(2)上分度工位模座裝人轉盤時，可直接安裝D型(3-1／2)異形模具，以及通過標準模具轉換套安裝C型(2)異形模具；上分度工位模座取出轉盤時，可直接安裝專利技術的6個A型(1／2)多子模，或E型(41／2)標準成型模。

　　3.1.3 技術特點

　　(1)該創新技術實現了多種類型模具的互換安裝，且操作方便；使模具系統互換性提高、規格和數量擴充、工藝適應性增強、功能更完善；通過配置互換型轉模及多子模的轉盤，提高了模位的適用性，并可根據需要使模位數變換擴充。

　　(2)同現有技術相比，多重互換分度模位的使用，使系統整體結構簡單，可有效利用轉盤空間增加模位數量；在豐富模具功能的同時，極大簡化了沖床控制機構；分度模位互換性極強，分度工位數量、位置可根據具體要求設置，受限制因素小。

　　3.2 雙位變換沖壓裝置及雙排模具系統技術

　　3.2.1 概述

　　本項目采用雙位沖壓的創新設計實現了雙排模具、多子摸、互換型分度工位等功能，充分集成了上述伺服主傳動及模具分度裝置的功能并加以擴展與結構創新設計，形成了發明專利(201 120306345．1)的雙排模具系統技術。桿頭部為靴形，沖壓位置有中心主沖位及單側副沖位，主沖位固定于滑塊中心，副沖位可通過分度機構驅動其變位裝置圍繞主沖位旋轉定位；通過功能集成化創新設計，打擊桿側向上下兩個銷釘與分度驅動套內相應導槽構成打擊桿轉位的離合機構。

　　3.2.2 創新點

　　(1)將適用于單排模具的整體式滑塊，變為可相對轉動的兩段組合結構，下端的打擊桿頭部為靴形，沖壓位置有中心主沖位及單側副沖位，主沖位固定于滑塊中心，副沖位可通過分度機構驅動其變位裝置圍繞主沖位旋轉定位；通過功能集成化創新設計，打擊桿側向上下兩個銷釘與分度驅動套內相應導槽構成打擊桿轉位的離合機構。

　　(2)轉盤包括A、B、c、D四種標準類型工位及互換型分度工位，其中的A、B型工位采用雙排設計，可最大效度利用轉盤空間，有效增加模位數量；通過配置雙排A、B工位即可將900mm直徑32工位標準轉盤擴充至56(2MT)工位。

　　(3)通過伺服主傳動滑塊上下與上分度驅動套旋轉，驅動打擊桿的離合轉位，實現內外模位及多子模的選擇。當分度裝置位于0。時，打擊桿適于單排工位模具(圖10c)及雙排工位中的前排模具(圖10d)沖壓；當分度裝置位于180。時，副沖位可通過分度機構驅動其變位裝置圍繞主沖位旋轉，定位于雙排工位中的前排模具(圖10e)沖壓。在豐富數控轉塔沖床模具配置、擴展設備工藝性能的同時，極大簡化了數控轉塔沖床結構。

　　3.2.3 技術特點

　　(1)整體結構簡單，占用空間小，可最大限度利用轉盤空間，有效增加模位數量；

　　(2)通過打擊頭的回轉功能，既可實現多子模、雙排模具選擇沖壓，更創造性地實現了多子模的二次分度沖壓；在豐富沖床功能的同時，極大簡化了沖床控制機構。

　　3.3 裝載標準模及可分度的多子模技術

　　3.3.1 概述

　　在數控轉塔沖床轉盤模位數固定的基礎上，為更有效增加可供使用的模具數量，擴展設備加工工藝范圍，需要采用多子模。國外技術結構采用在外形尺寸等同D工位上下模的模座基礎上，內部安裝專用的多支專用型小規格凸凹模；并借助于專用的氣缸鎖定裝置與模具回轉裝置實現子模的選擇、沖壓。上述多-7=模結構復雜，成本高，且只能裝載特制的上模，增加了模具庫存種類和數量。

　　本項目產品創新設計了一種可裝載標準模具，并可實現二次分度沖壓的專利(201120306344．7)技術的裝載標準模及可分度的多子模。

　　3.3.2 創新點

　　(1)本項目采用創新設計，將6個1／2標準模具組合集成構成多子模并安裝于分度工位，并可實現分度沖壓的多子工位復合模具裝置；模具更換時與標準模具無異，只需將上下模組件直接拔插入即可；多子模采用的專利結構設計的同時，通過與可變連桿與模具分度功能的集成擴展實現了多子模二次分度。

　　(2)通過變連桿機構、雙沖頭機構及分度裝置對旋轉副沖頭驅動及離合控制等，實現兩種沖壓方式：

　　①多子模選定及零位沖壓：包含多子模的上、下模座隨轉盤旋轉至數控轉塔沖床打擊位時，多子模位中正前方的子模正好對應打擊塊的打擊部位，副沖頭鎖定而分度裝置獨立旋轉的方式可選擇任一個子模進行零方位沖壓。

　　②多子模二次分度沖壓：所有子模位均可安裝非圓異形模具，其二次分度沖壓時首先進行上述子模的選定(圖13b)，然后以副沖頭與分度裝置同步旋轉的方式可使選定的子模實現二次任意分度(圖13c)。

　　3.3.3 技術特點

　　(1)可裝載標準模具，模具安裝方便快捷；減少了模具庫存種類、數量。

　　(2)通過對模具上分度裝置模套、滑塊以及打擊頭等相關零部件的創新設計，并進行相關數控軸控制功能擴展，可實現子模分度沖壓，極大擴展了多子模功能與轉盤模具庫容量及模具使用的丁藝范圍。

4 結束語

　　國際金屬板材加工產業技術的發展趨勢，主要特征體現為高速、高效、節能、高可靠性、復合化、智能化與網絡化等。數控轉塔沖床伺服沖壓主傳動技術，以其技術領先．、精度高、加工范圍廣、沖壓速度快、工藝適應性好、節能環保等特點，已成為其順應高速節能化加工發展方向的核心技術，協同高速沖壓工藝與模具技術、伺服驅動與控制技術、數控系統技術等，代表了數控轉塔沖床的發展水平和方向。

　　近年來，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司在積極跟蹤國際先進數控伺服沖壓技術的同時，著力于提高關鍵技術與核心技術的自主研發能力、提升產品的技術水平、加強創新和前瞻性技術的研究與應用。集成SVR可變連桿等多項創新技術自主研制的SP型數控伺服轉塔沖床，在主要技術指標方面達到國外先進水平；應用DECV閥技術的HPD型數控伺服液壓轉塔沖床，代表了最新液壓主傳動技術水平。以上數控高效、柔性、節能等創新技術與產品的推出，不僅滿足了金屬板材加工行業對高性能設備需求，也為本行業領域提升技術水平，促進國產數控板材沖壓設備的發展起到積極的作用。