數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展
——Servo V.R可變連桿伺服主傳動技術(shù)

李 兵

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022）

數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展
——Servo V.R可變連桿伺服主傳動技術(shù)

李 兵

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022）

本文通過對最新研制的SPE系列數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床與其Servo V.R專利主傳動技術(shù)的介紹，以及對其相關(guān)技術(shù)演變與對比的論述，使讀者進一步了解當(dāng)前國內(nèi)外伺服電機驅(qū)動式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展現(xiàn)狀，也能從中管窺未來高性能板材沖壓加工設(shè)備的發(fā)展趨向。

機械制造；數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；伺服主傳動；曲柄連桿機構(gòu)；長度可變連桿；伺服沖壓軸；數(shù)控系統(tǒng)

1 引言

2012年6月12日，由中國機械工業(yè)集團公司和中國機床總公司共同主辦的“第十一屆中國國際機床工具展覽會”（CIMES2012）在中國國際展覽中心開幕。展會堅持“高品位、國際化、專業(yè)化”的定位，以“發(fā)展智能和綠色機床，引領(lǐng)中國‘智造’”為主題。濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司參團國機集團亮相展會，并展出了“PL31550型數(shù)控沖壓激光切割復(fù)合機”等兩臺產(chǎn)品。其中最新研制的“SPE21250型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床”（圖1），采用了發(fā)明專利的Servo V.R可變連桿伺服主傳動技術(shù)，在打點速度、1mm/25mm步?jīng)_速度等主要技術(shù)性能指標(biāo)方面，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平，同時具有技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)完善、性能可靠、精度優(yōu)良、快速高效及節(jié)能環(huán)保等特點，現(xiàn)場加工演示中得到參觀者的一致好評。

國機集團謝彪副總裁出席開幕式后，陪同原機械工業(yè)部老領(lǐng)導(dǎo)包敘定、賈成炳等參觀了濟南鑄鍛所有限公司展臺，并在現(xiàn)場與公司董事長、總經(jīng)理劉家旭進行了長時間的交談，饒有興趣地了解了展品情況，并對展出的科研成果等工作給予了肯定與指導(dǎo)。

2 主傳動技術(shù)的發(fā)展

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，是對金屬板材進行沖孔及成形的高效數(shù)控設(shè)備，至今已有近50年的應(yīng)用和發(fā)展。其結(jié)構(gòu)主要包括床身、主傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤選模系統(tǒng)、送進工作臺、數(shù)控系統(tǒng)等（圖3），廣泛適用于多品種、小批量的金屬板材加工行業(yè)。隨著數(shù)控技術(shù)、液壓技術(shù)、傳動技術(shù)以及模具制造技術(shù)的進步，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的總體技術(shù)水平和部件性能在不斷提高，其中，作為沖壓動力源的主傳動系統(tǒng)，也經(jīng)歷了幾個階段的變化和發(fā)展。

最初的機械式主傳動系統(tǒng)由電機、飛輪、離合器與制動器、曲軸、連桿和滑塊等組成。電機通過曲柄連桿機構(gòu)使滑塊垂直上下運動，下壓模具對金屬板料進行沖孔。通過離合器與制動器的結(jié)合與脫開，控制動力扭矩的傳遞及滑塊動作的起停。

機械式主傳動部件中，離合器與制動器的性能很重要，直接影響到主傳動部件的工作效率和使用壽命。最早使用一種氣動離合器與制動器，雖然其結(jié)構(gòu)較為簡單，但缺點是摩擦片損耗快，污染性強，性能穩(wěn)定性差，需要經(jīng)常調(diào)整與維修，而且其工作頻率較低，噪聲大。直到上世紀(jì)八十年代，推出了液壓離合器與制動器，它具有性能穩(wěn)定、噪聲低、污染小等優(yōu)點，而且使用壽命比氣動離合器與制動器長得多，大大減少了停機時間，降低了維修費用。

上世紀(jì)九十年代以來，液壓式主傳動部件被越來越多地采用，至今已成為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主流配置。與機械式主傳動相比，油缸取代了曲軸連桿等機械結(jié)構(gòu)，液壓站提供動力，兩者由主液壓閥塊連接，通過專門的電子卡程序化控制整個系統(tǒng)的動作，并由連接于油缸活塞桿上的電子傳感器適時測量和反饋，最終實現(xiàn)對沖頭位置、行程及速度的精確控制。

近年來，隨著大扭矩伺服電機及驅(qū)動系統(tǒng)的改良與推廣，伺服電機驅(qū)動式主傳動部件已被成功應(yīng)用于日本AMADA、MURATEC公司的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床產(chǎn)品中。國內(nèi)廠商也在競相研制和推出該類伺服主傳動的產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)外伺服電機驅(qū)動式主傳動的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：

一是在傳統(tǒng)機械式主傳動的基礎(chǔ)上，將伺服電機直接與曲軸相連，省去飛輪及離合器與制動器。如日本AMADA公司的EM系列雙伺服電機主傳動系統(tǒng)（圖4a），是將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運轉(zhuǎn)，保證了對曲軸足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。

二是伺服電機通過絲杠傳動副與曲柄肘桿機構(gòu)相連，如日本AMADA公司的AC單電機系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主傳動結(jié)構(gòu)形式（圖4b）。該結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但其利用曲柄肘桿機構(gòu)特有的增力特性，可以降低伺服電機的負(fù)載扭矩，并且曲柄旋轉(zhuǎn)一周，滑塊上下運動兩次，這樣能夠相應(yīng)提高沖壓頻率，但仍不及前者。

此外，日本MURATEC公司也具有單伺服電機滑枕驅(qū)動及采用全新碳纖維增強塑料的連桿機構(gòu)的主傳動形式，后者實現(xiàn)了輕量化和高剛性；芬蘭FINN-POWER公司的伺服電機通過傳動機構(gòu)帶動推塊及雙邊楔塊機構(gòu)，再推動壓頭的傳動形式；而德國TRUMPF公司采用了雙伺服電機驅(qū)動絲杠螺母機構(gòu)的主傳動形式。

如上所述，采用伺服電機驅(qū)動主傳動系統(tǒng)的數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床，具有沖壓速度高、節(jié)能、低噪聲、無液壓油、環(huán)保等優(yōu)點，已成為國外著名廠商的技術(shù)發(fā)展重點，并相繼開發(fā)出擁有各自專利技術(shù)的產(chǎn)品，作為主導(dǎo)機型推向國際市場。

近年來的發(fā)展表明，數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床將作為換代型產(chǎn)品，逐步成為金屬板材沖壓加工的主要裝備。與機械型和液壓型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床相比，它具有技術(shù)領(lǐng)先、沖壓速度快、控制精度高、工藝性強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，代表了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展方向。

3 Servo V.R可變連桿伺服主傳動技術(shù)

雖然國內(nèi)數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床技術(shù)發(fā)展相對滯后，與國外先進水平相比有一定差距，但主要廠家也將其作為換代新產(chǎn)品競相研制，并有樣機相繼推出。在伺服電機驅(qū)動主傳動系統(tǒng)技術(shù)方面，濟南鑄鍛所有限公司進行了持續(xù)深入的研究，不同于其他產(chǎn)品所采用的國外已有技術(shù)的主傳動模式，創(chuàng)新提出了連桿長度可變曲柄連桿傳動機構(gòu)及數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)，形成了獨有的伺服主傳動專利技術(shù)（ZL200720027575.8）。

該專利技術(shù)的主傳動采用數(shù)控伺服電機通過減速機與曲軸直連，驅(qū)動連桿長度可變的曲柄連桿傳動機構(gòu)運行的傳動方式（圖5）。將一種連桿長度可變的裝置，應(yīng)用于小偏心距的曲柄連桿機構(gòu)中，采用通用高速低扭矩伺服電機，在滿足數(shù)控轉(zhuǎn)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(xiàn)滿載荷沖壓及快速步?jīng)_等功能。

圖5a所示曲柄連桿機構(gòu)中的連桿為內(nèi)、外連桿的組合嵌入式結(jié)構(gòu)，由升降氣缸控制其伸縮，并由平移氣缸帶動墊塊補償連桿長度的變化。該結(jié)構(gòu)將數(shù)控轉(zhuǎn)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較小的曲軸偏心距合理匹配，從而使公稱力矩降低，進而減小其伺服電機的額定力矩和功率，能夠采用小慣量低扭矩通用伺服電機取代高成本大功率力矩電機。圖5b所示為伺服電機直連曲軸并配置改進型快速可變連桿機構(gòu)（ZL201110219184.7）的主傳動系統(tǒng)。

該項技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到了使用小功率通用伺服電機取代大扭矩力矩伺服電機達(dá)到提高效率、降低能耗的目的。同時采用創(chuàng)新設(shè)計滿足步?jīng)_模式的高速特性要求，并使機床的工況更合理，效率更高。

該技術(shù)的應(yīng)用于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動，其不同于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的獨特性在于，將主流的高性能、低成本的通用伺服電機與傳統(tǒng)的完善可靠的曲柄連桿機構(gòu)相結(jié)合，并通過連桿長度可變的技術(shù)創(chuàng)新，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，實現(xiàn)了以伺服電機按照板厚、步距等參數(shù)自動調(diào)整轉(zhuǎn)速并連續(xù)運轉(zhuǎn)進行快速步?jīng)_，而避免了其他同類產(chǎn)品的伺服電機以間歇擺動方式運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的額外損耗。

作為一種新型的伺服電機驅(qū)動主傳動系統(tǒng)，不僅保留了傳統(tǒng)機械式結(jié)構(gòu)成熟可靠的優(yōu)點，而且具備了當(dāng)前液壓型的諸多特性，并有其獨特的專利技術(shù)優(yōu)勢：

（1）節(jié)省能源：可變連桿機構(gòu)的應(yīng)用，可明顯降低伺服電機功率，如11kW電機即可滿足300kN公稱壓力的要求；同時，通過適時控制伺服電機，僅在時啟動并提供所需能量，沖壓完成后停止，降低了能耗。

（2）降低噪聲：滑塊沖壓模具穿透板料時，會受沖壓反力作用產(chǎn)生振動和沖擊，由此帶來的噪聲也會隨滑塊速度和沖壓力的增加而增大。通過在沖壓行程中對滑塊的速度進行控制和調(diào)節(jié)，減輕沖頭進入板料時的沖擊，從而延長模具的使用壽命，并可有效地降低噪聲。

（3）提高效率：伺服電機驅(qū)動式主傳動的滑塊行程和速度能夠任意調(diào)整，可以選擇沖壓所需的最佳行程，同時設(shè)定合適的速度，使其與送料同步，從而有效地提高生產(chǎn)率。自主研發(fā)沖壓控制及參數(shù)化編程軟件，對滑塊行程、速度和送料時間進行優(yōu)化、匹配，充分發(fā)揮系統(tǒng)整體性能。本公司的SPE系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，1mm/25mm步距下最大沖孔次數(shù)分別可達(dá)到1000HPM/500HPM，而打點時更高達(dá)1800HPM（圖6），該指標(biāo)達(dá)到了目前數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的高端水平。

（4）優(yōu)化工藝：通過精確設(shè)定滑塊停止位置尤其是下死點，能夠提高成型模具的加工精度。按照沖壓工藝和模具類型，通過優(yōu)化程序來控制滑塊以適應(yīng)各種沖壓模式，如壓印、沖孔、成型等（圖7）。

以下列舉出幾種典型的工作模式：

（1）快速單沖：伺服電機間歇運轉(zhuǎn)，根據(jù)板料厚度、沖孔大小，控制沖頭以最短的行程和最快的速度進行沖壓。

（2）高速步?jīng)_：伺服電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，按照一定的送料速度和步距，以合適的頻率連續(xù)沖壓。

（3）精確成形：精確設(shè)定沖頭下死點位置及停止時間，使成形模保證材料充分的變形與流動，提高其成形精度。

（4）靜音加工：通過程序控制沖頭打擊速度，采用兩段式?jīng)_壓，減少振動和噪聲，延長模具壽命。

（5）模具校準(zhǔn)：通過監(jiān)測伺服電機的輸出扭矩來檢測上下模具的對中性。該模式下，控制滑塊緩緩下降至設(shè)定位置，并監(jiān)測當(dāng)沖頭接觸下模時伺服電機的扭矩，當(dāng)其超過平穩(wěn)進入時的預(yù)設(shè)數(shù)值時，沖頭會停止運動并報警。

另外，在上述沖壓模式的控制方面，針對不同的模式特點，采用參數(shù)化指令設(shè)計，并通過自動編程軟件，達(dá)到高效智能化的應(yīng)用。

4 SPE/SPH系列數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床

如上所述，SPE21250型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床，是應(yīng)用Servo V.R可變連桿伺服主傳動專利技術(shù)，研制的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進水平的高性能產(chǎn)品。其主要結(jié)構(gòu)特點包括：

（1）獨有專利的伺服電機驅(qū)動及可變連桿型主傳動，具有節(jié)省能源、降低噪聲、提高效率、優(yōu)化工藝等優(yōu)點。

（2）閉式機身，弧線造型，新穎美觀；鋼板焊接式結(jié)構(gòu)，去應(yīng)力退火，精度穩(wěn)定。

（3）厚型高強度球墨鑄鐵轉(zhuǎn)盤，模孔抗磨能力強、導(dǎo)向精度高；國際通用長導(dǎo)向型模具，配套方便，使用壽命長；獨特的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)模工位，分度精度高，模具規(guī)格大。

（4）全固定及毛刷鋼球復(fù)合式寬幅工作臺，對板料運行起到良好的保護作用；配置四導(dǎo)軌式橫梁及浮動沉降式夾鉗的高性能送料系統(tǒng)，保證板料的快速移動及準(zhǔn)確定位。

（5）國際高檔數(shù)控系統(tǒng)及伺服單元，性能優(yōu)良；國際名牌機電配套元器件，穩(wěn)定可靠。

（6）可移動操作臺、模具視窗、自動翻轉(zhuǎn)臺、集中潤滑、自動編程等設(shè)計，更便于操作和維護。

在上述結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，將進一步研制SPH系列產(chǎn)品，其主要包括以下方面的技術(shù)提升：

（1）Servo D.V.R雙路可變連桿主傳動專利技術(shù)（ZL2010101913841）

主傳動系統(tǒng)分兩路自動切換，一路適應(yīng)高速輕載，一路適應(yīng)中、低速重載，以適應(yīng)不同沖壓工藝的需要；同時采用連桿長度可變結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)選模與沖壓兩種狀態(tài)下對滑塊上死點位置的要求，通過以低扭矩實現(xiàn)高沖壓力及變換滑塊沖程，達(dá)到提高效率降低主電機功率的目的。

（2）標(biāo)準(zhǔn)模可分度多子工位模具專利技術(shù)（ZL 2011203063447）

將6個1/2"標(biāo)準(zhǔn)模具組合集成構(gòu)成多子模并安裝于分度工位，通過變連桿機構(gòu)、雙沖頭機構(gòu)及分度裝置對旋轉(zhuǎn)副沖頭驅(qū)動及離合控制等實現(xiàn)兩種沖壓方式：（1）副沖頭鎖定而分度裝置獨立旋轉(zhuǎn)的方式可選擇任一子模進行零方位沖壓；（2）副沖頭與分度裝置同步旋轉(zhuǎn)的方式可使選定的子模實現(xiàn)任意分度。

（3）多重模具互換型分度工位及模具系統(tǒng)技術(shù)（ZL 2011102413950）

使模具系統(tǒng)規(guī)格和數(shù)量擴充、工藝適應(yīng)性增強、功能更完善；采用更大規(guī)格工位（3 1/2"）的模具分度機構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)單轉(zhuǎn)模（3 1/2"、2"）、多子摸（6-1/2"）、大規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)模（4 1/2"）等類型模具的互換安裝，且操作方便；通過配置四套轉(zhuǎn)模及多子模應(yīng)用，使模位數(shù)可根據(jù)需要由30個變換擴充為40甚至50個。

（4）數(shù)控系統(tǒng)控制及自動編程技術(shù)

采用日本FANUC PANELi-PD數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)，完善系統(tǒng)控制軟件設(shè)計，并利用其開放型系統(tǒng)，將自主開發(fā)的自動編程系統(tǒng)與伺服沖壓數(shù)控系統(tǒng)軟件相集成，與CAD和數(shù)控系統(tǒng)無縫對接，采用一體化人機界面操作，使控制系統(tǒng)配置及軟件設(shè)計更完善，能夠進一步提升整機性能和可靠性。

上述系列產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

上述系列產(chǎn)品與國際先進產(chǎn)品的技術(shù)對比如表2所示。

5 結(jié)束語

數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床作為最新一代產(chǎn)品，具有快速高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，代表了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展水平和方向。

數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的技術(shù)關(guān)鍵在于伺服主傳動技術(shù)。在跟蹤與分析國際先進伺服沖壓技術(shù)的同時，進行集成創(chuàng)新研究，推出的以可變連桿為核心的主傳動專利技術(shù)，以其與數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床工藝的緊密結(jié)合而體現(xiàn)出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。以此為核心并通過伺服驅(qū)動沖壓控制技術(shù)、拓展加工工藝研究、自動編程軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用，研發(fā)出技術(shù)水平達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進水平的數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床，在滿足相關(guān)行業(yè)高效精密沖壓加工的需要的同時，也將對推動我國伺服沖壓技術(shù)的發(fā)展，提高產(chǎn)品國際競爭力起到積極的作用。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

表2 主要技術(shù)對比

[1]劉永寬，陳 東，尹東輝.C軸同步控制在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上的應(yīng)用.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011,（5）.

[2]馬 闖，潘志華，吳洪濤.肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身有限元分析與優(yōu)化.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007,（1）.

The latest developments of CNC servo turret punch press

LI Bing
（Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China）

This paper introduces the most recently developed product of cnc servo turret punch&it's Servo V.R patent main driving technology,Technical indexes comparison,etc.This keeps us informed about the progress of the cnc servo turret punch,and enables us to know the development trend of high performance plates punching equipment.

CNC servo turret punch;Servo main driving technology;Crank link motion gear;Variable length rod;Servo punching axis;CNC system

TG385

A

1672－0121（2012）03－0013－05

2012-06-20

李 兵（1967-），男，教授級高級工程師，從事數(shù)控機械設(shè)計研發(fā)