智能液壓機研究現狀及關鍵技術

嚴建文，劉家旭，陳汝昌，翟 華，李貴閃，王玉山

（1.合肥合鍛機床股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022；3.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策執行，實現設計制造過程和制造裝備智能化，是信息技術和智能技術與裝備制造過程技術的深度融合與集成[1]。其產品形態和服務模式包括關鍵智能制造技術、高端制造裝備、智能設計和制造服務軟件、服務于制造的云計算或物聯網智能服務業等，是引領第三次工業革命的制造業變革的重要技術。

智能液壓機[2]屬于高端制造裝備，主要針對液壓機設計制造和使用過程，利用信息感知、決策判斷、安全執行等先進智能技術，形成人類專家與智能機器共同組成的人機系統，實現產品、工具、環境和工人等資源的最佳組織與優化配置，擴大、延伸和部分取代人類在液壓成形制造過程中的體力與腦力勞動。

1 國內外研究現狀

1.1 智能液壓機發展現狀

20 世紀50年代以來，數控、機器人和計算機輔助設計等先進技術相繼誕生，逐步引入制造過程，實現了產品多樣化柔性制造的初級階段。傳感技術的發展和普及，為大量獲取制造數據和信息提供了便捷手段。人工智能技術發展為生產數據與信息的分析和處理提供了有效的方法。信息技術和自動化技術使制造業發展模式、運行效率等發生了深刻變化。制造業智能化變革已引發新的工業革命。

在智能制造快速發展大背景下，隨著電子和信息技術的發展，液壓機設計制造和使用技術迅速發展，信息感知、決策判斷、安全執行等先進智能技術已應用到液壓機設計制造領域，形成新型智能液壓機，逐步實現工藝、機床、環境和工人等資源的自組織與優化，替代工人在惡劣環境下工作，減輕工人勞動強度，提高產品質量。

智能液壓機由于涉及機械、計算機、智能控制等多學科領域知識，需要集中力量進行研發，國內目前僅有合肥合鍛、揚州捷邁等少數企業開展研究，主要關鍵技術尚未突破，還未形成成熟產品。目前主要通過信息化、數字化等手段對傳統液壓機進行產品技術升級，擴大產品的功能范圍，實現液壓機功能復合化，逐步提升自動化和智能化水平。

在國家科技重大專項支持下，合肥合鍛機床股份有限公司集成機器人、自動送料、網絡控制和智能模具數據庫等技術，自主研制的汽車沖壓生產線已成功替代了國外進口產品，生產效率及質量與國外同類產品相當。研發的超高強度汽車結構件熱沖壓機不僅具有高速沖壓功能，還具有等溫淬火功能，實現了功能復合，是國內首條超高強度汽車結構件熱沖壓生產線，為國產汽車安全性提供了重大裝備。揚州捷邁開發的六自由度移動回轉壓頭龍門式液壓機，主油缸作上下運動外，還可同時或分別正反旋轉，上壓頭和下工作臺可同時或分別左右移動，被國內外造船行業廣泛采用。

國際上發達國家積極開展智能液壓機研究，力士樂、穆格等液壓元件公司用交流伺服驅動技術改造液壓傳動系統，組成一種新的交流伺服電機控制液壓系統，運用于折彎機、液壓機，稱作第三代液壓機。它具有傳動系統簡單、生產效率高、產品質量好、滑塊運動智能可調、降噪節能顯著等優點。隨著其在汽車零件、電子零件等高精度、難成形零件加工領域中的應用及其優良的節能性，已經成為世界沖壓技術及裝備發展的主要潮流之一[2，3]。德國舒勒公司開發出雙伺服直驅技術（TST），其下屬SMG 液壓機公司和Simufact 加工模擬操作軟件和服務公司2012年建立技術合作關系，客戶可以購買工藝過程特定的、集成的軟件解決方案，能夠在電腦上規劃并優化整個制造流程。

1.2 智能液壓機發展趨勢

智能液壓機主要發展趨勢有：

（1）智能化。滑塊運動曲線可根據不同生產工藝和模具要求（如沖裁、拉伸、板料擠壓和級進模沖壓等）進行在線優化設置，可設計特殊的工作特性曲線，進行高難度、高精度加工，實現滑塊“自由運動”。

（2）效率高。可以在較大范圍內設定滑塊行程次數，滑塊速度和行程調節方便，能根據成形工藝，滑塊可在最小行程工作，借助多工位技術和自動送料技術，大大提高生產效率。

（3）精度高。通過伺服控制技術，液壓機運動可以精確控制，一般均裝有滑塊位移檢測裝置，滑塊的任意位置可以準確控制；滑塊運動特性可以優化，例如拉伸、彎曲及壓印時，適當的滑塊曲線可減少回彈，提高制件精度。

（4）功能復合化。針對等溫鍛造、超塑成形等新工藝，利用滑塊和模具空間，構建溫度可控加熱環境，將鍛造、沖壓工藝和熱處理工藝進行復合，實現一機多用，保證產品質量。

（5）噪聲低。智能液壓機簡化了傳動系統，降低了噪聲。通過設定滑塊的低噪聲運動曲線有助于降低沖裁噪聲，與傳統的沖裁相比，新型的兩步沖裁工藝可降低噪聲至少10dB。

（6）節能效率高。伺服液壓機采用直接傳動，傳動環節大大減少，潤滑量減少，可維護性強。滑塊停止后，電機停轉，能耗顯著降低。合鍛公司曾進行過2000kN 伺服液壓機連續工作功耗對比試驗，結果表明伺服液壓機可節能40%以上。

（7）所見即所得。通過現代軟件技術實現工藝操作模擬，在電腦上規劃并優化整個制造流程，用戶使用和操作更加直觀。

智能液壓機比傳統液壓機的使用范圍更廣，產品附加值高，可以應用于金屬板件沖壓、等溫鍛造、粉末壓制、橡膠硫化、纖維板熱壓、校直、壓裝、注塑等精密成形工藝。

2 智能液壓機關鍵技術

2010年，我國智能制造裝備產業銷售收入已超過3000 億元，“十二五”期間，智能制造裝備產業年均增長率有望超過25%。到2015年，智能制造裝備市場規模將超過1 萬億元，占高端裝備制造業比重將達到20%。未來5～10年將是以智能裝備產業為核心的智能制造產業的高速發展期。智能液壓機是鍛壓機床中利潤附加值較高的產品，目前只占較小部分，是今后液壓機行業發展的主要產品方向。

智能液壓機開發的主要關鍵技術如下：

（1）采用伺服電機直接驅動液壓機的主油泵研發。目前大功率伺服電機直接驅動的液壓泵還存在很多技術難點，要求液壓泵的轉速調節范圍非常大，液壓泵即使在10rpm 以下都可正常工作，一般液壓泵最低轉速為600rpm，難以實現大范圍調速要求。

（2）大功率交流伺服電機及驅動控制系統[3]。大功率交流伺服電機的出現是近十年產生的新產品。目前主要應用開關磁阻電動機（SMR），具有簡單可靠、可在較寬的轉速和轉矩范圍內高效四象限運行、響應速度快和成本低等優點。隨著驅動控制系統性能提高，價格下降，促進了大功率交流伺服驅動技術的實現和推廣，為在鍛壓裝備領域采用交流伺服驅動提供了可能。其缺點是：轉矩存在較大波動、振動大；系統具有非線性特征，控制成本高，功率密度低等[1-3]。研究重點是開發具有自主知識產權的大功率交流伺服電機控制技術及相關應用技術。

（3）專用控制系統。通過伺服電機轉速的變化實現對液壓機壓力、位置的閉環控制技術尚不成熟。傳統的液壓機都是通過比例閥、比例伺服閥對液壓、位置進行控制，需要研究專門的泵控系統控制算法，使液壓系統在1～25MPa 之間都具有高穩定性與高精度。由于現有的液壓機多是采用PLC 控制，但智能液壓機采用液壓、速度閉環程序控制，運算量大，普通的PLC 很難滿足工藝柔性化需要，必須開發采用工業PC 的專用控制系統。

（4）能量回收及能量管理系統[4，5]。為了盡可能減少能量損失，需要把滑塊自重下降的勢能、油缸卸壓產生的能量回收再利用，目前尚沒有這方面的成熟做法與經驗。在能量管理方面，由于瞬時功率比平均功率大很多倍，在大型智能液壓機中要做好能量調配，避免對電網造成沖擊。

（5）基于智能液壓機的成形工藝優化[6]。零件的材料、形狀不同，其生產工藝也相應不同。如鎂合金杯形件反擠壓成形，滑塊在一個工作循環內需經歷四種不同的速度，工藝控制系統應能完成動作要求。智能液壓機與各種成形工藝優化結合，了解最佳工藝路徑，才能發揮出優越性。研究各種成形工藝的成形機理，建立適合該成形工藝的優化參數，對于提高產品質量和生產效率、降低生產成本非常重要。

（6）智能液壓機機身優化設計。和傳統液壓機相比，智能液壓機由于具有節能、降噪、功能復合等優點，其機身設計需要考慮的因素更多，主要包括各種可能出現的熱加工影響、極限工況、工作頻次、零件的復雜性等。長期以來，國內工程技術人員主要采用經驗法與相似產品類比法進行設計，所進行的設計計算實際上僅起到校核作用，國內鍛壓機床產品存在體積大、質量重、控制精度差等缺點，鋼材消耗是鍛壓機床制造企業產品成本控制的關鍵因素之一。目前有關的優化軟件對機床系統動態加工過程考慮不多，鍛壓機床可靠性問題沒有得到很好解決，壽命降低，增加維護成本。因此伺服液壓機的機身設計需要形成鍛壓機床剛度、強度和動態性能約束下的設計方法和技術體系，縮短與發達國家產品設計制造上的差距。

（7）服務于智能液壓機設計、制造的軟件。目前信息化和數字化融入智能液壓機設計制造過程十分有限，部分制造企業處于“甩圖板”階段，企業信息化建設有待加強。智能液壓機設計階段需要有限元、優化軟件進行多場耦合計算，模擬熱加工工藝運行進程，給用戶以直觀感受。運行中需要強大的智能工藝數據庫、專家庫、遠程故障診斷等軟件支撐作在線工藝計算，實現工藝最佳。運行后及時統計相關制造信息和設備運行信息，保護設備正常運行。在這些領域國內缺乏相關軟件，急需組織力量研發，為智能液壓機發展提供配套服務。

3 結論

智能液壓機屬于高檔數控裝備。和傳統液壓機相比具有功能復合、結構簡單、效率高、質量高、降噪節能顯著等優點，改變了傳統液壓機工作特性不可調等缺點，具有柔性化、智能化特點，工作性能和工藝適應性大大提高。

智能液壓機關鍵技術包括：采用伺服電機直接驅動液壓機的主油泵研發、大功率交流伺服電機及驅動控制系統開發、專用控制系統、能量回收及能量管理系統的研究、基于智能液壓機的成形工藝優化、智能液壓機機身優化設計、服務于智能液壓機設計制造的軟件等技術。通過關鍵技術發展，促進智能液壓機總體技術水平的提升。

[1]科技部.智能制造科技發展“十二五”專項規劃.2012.

[2]俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2006-12：494-499.

[3]孫友松，何寄平，方 雅，等.交流伺服驅動與成形裝備節能[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（5）：31-36.

[4]蘇文海，姜繼海，鄧 攀.直驅式電液伺服閉式回路的噪聲分析[J].機床與液壓，2010，38（10）：34-38.

[5]李貴閃，嚴建文，翟 華，等.大型薄板沖壓液壓機的全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（02）：42-43.

[6]張貴成，符起賢，黃堯坤.數控伺服壓力機的特點及其研究[J].機電工程技術，37（11）：104-107.