伺服沖床的發展潮流與展望

文/張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

伺服沖床的發展潮流與展望

文/張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

伺服沖壓機械的背景

在20世紀90年代初，以日本幾家主流沖床制造廠家率先推出了小型伺服沖床。這對傳統的機械式沖壓方式掀起了旋風般的沖擊，被廣泛認為是鍛壓制造業的一場技術大革命，有著劃時代的意義和里程碑的作用。

伺服的概念

伺服（Servo）一詞，來源于希臘語中的奴隸之含義，而中文從伺候、服務而引申為——伺服。而伺服系統就是指根據外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和扭矩。伺服系統經歷了從液壓，氣動到電氣的過程，其中電氣伺服系統包括伺服電機、反饋裝置和控制器。

交流伺服電機的分類

⑴感應異步交流伺服電機（IM，Induction Motor）。這種電機制造簡單、價格低廉，但制約性大，特性和效率都遠低于永磁同步電機。

⑵永磁同步交流伺服電機（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）。這種電機可以實現低速，高力矩性能，弱磁高速控制，調速范圍廣，動態特性和效率都較高。

由于沖壓機械往往需要伺服電機低速轉動并發出高力矩的功能，因此伺服沖壓機械的電機只限于使用永磁同步交流伺服電機。這樣才能實現低速回轉，高定位精度，動態相當敏感的應答性和高的穩定性，滿足沖床的多種功能與需要。

伺服沖壓機械的誕生

長期以來，在CNC加工工作機械中大量伺服電機和伺服控制技術得到了廣泛的應用。沖壓機械行業要快速發展，已經成為客戶與同行業的共同呼聲。傳統沖壓行業面臨的壁壘，已越來越不適應多元化成形的愿望，為了降低加工成本需要提高金屬成形的效率和不斷改善加工工藝。汽車工業中的超高強度鋼板的需求、應用是環保節能的大勢所趨，人們對現代化沖壓車間和沖壓工藝的向往，確保操作人員穩定等等都是對改善傳統沖壓工藝的直接客觀需求。因此，筆者曾在《國內外伺服沖壓機械發展歷程啟示錄》一文中，概括了伺服沖壓機械以下的8個需求：⑴客戶使用多樣化的需求；⑵加工工藝多樣化的需求；⑶加工素材多樣化的需求；⑷模具構造多樣化的需求；⑸產品品質多樣化的需求；⑹沖壓產品多樣化的需求；⑺開發技術量產化的需求；⑻環保節能智能化的需求。

伺服沖壓機械的定義與驅動方式

定義

本文以日本鍛壓機械工業會所制定的《伺服沖壓機械安全要求和方法對策》的規定來做一般定義，即以伺服電機為動力源，同時具有伺服控制電路系統來驅動的沖壓機械為伺服沖壓機械。

驅動方式

各個廠家驅動方式具有不同的構造，目前為止機械式伺服沖床根據伺服電機的力矩大小不同，有直接驅動齒輪和曲軸的方式，也有通過中間齒輪或者同步皮帶輪的減速方式，還有肘桿式，多連桿式和螺桿式等等。總體可以概括為以下幾類：⑴伺服電機直接驅動型，小型；⑵伺服電機＋齒輪減速，一般普及型；⑶伺服電機＋同步皮帶＋齒輪減速，一般型，大、小型；⑷伺服電機＋齒輪減速＋肘桿，特殊型、大型、小型；⑸伺服電機＋螺桿＋減速＋肘桿，特殊型、大型；⑹多臺伺服電機同步驅動的結構，特殊型、超大型。

世界上各廠家不同結構的伺服沖床，都有自身的特色。但都必須用伺服電機驅動，也就要求必須實現大型、低速、高扭矩的特殊伺服電機。眾多沖床廠家為了擺脫各專業電機廠家的固定概念和制約，選擇同專業電機廠家合作，讓這些廠家充分理解沖壓原理和金屬塑性成形機制，一起開發出專用于沖壓機械的伺服電機和伺服控制系統，實現了真正的機電一體化。

伺服壓力機械的發展歷程

20世紀90年代中期，日本率先開發出了伺服沖壓機械，當時，日本AIDA與KOMATSU技術雄厚的兩家公司幾乎同時推出了世界首臺兩種形式的伺服沖床，歐美企業切入伺服時間稍晚，但是發展速度不顯遜色，以沖床老牌而稱雄的SCHULER公司，發展達到了驚人的程度，迅速投入汽車市場，取代了汽車沖壓線上多年的雙動沖床和底部驅動等形式的傳統沖床和以及部分油壓沖床。

接著，一石激起千層浪的波及效果帶來了遍地開花的意想不到的局勢，美國的WIEDEMANN和W.A.WHITNEY公司、德國的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司，西班牙的FAGOR和瑞士的RASKIN和ARISA公司都分別對伺服壓力機進行了研制，日本的AMADA，AMINO，FUJI-STEEL，放電精密，H&F等廠家也都不示弱勢，加大開發力度，紛紛將獨自的伺服沖床在很短時間內推向了市場。

如今，在日本的沖壓行業已經把伺服沖壓當作了支撐日本經濟發展的國策，在日本制造機械式沖床銷售額中伺服沖床已達到近50%，在歐洲雖然經濟的長期不景氣，相反，實力雄厚的沖壓公司購置沖床的希望居然是100%瞄準了伺服沖床和伺服沖壓線。尤其是，2012年10月底在漢諾威的大型國際機械展的鍛壓機械展廳內，亮相的20余家鍛壓設備中幾乎都是清一色不同形式的伺服沖床，讓人眼花繚亂，深深感受到伺服沖床硬件的開發制造和伺服沖壓軟件工藝的開發對應已經成為智能裝備勢不可擋的新潮流。

國內伺服沖床發展的現狀及制約因素

現狀

中國既是金屬成形機床生產大國也是消費大國，2009年以來金屬成形機床國內產品銷售收入已超過300億元，躍居世界第一位。然而，以伺服壓力機為代表的中高端機械壓力機的應用卻剛剛起步。據不完全統計，國內伺服壓力機的應用尚處于起步階段，使用用戶也主要集中于汽車行業，從早期的合資整車廠引進到目前零部件廠商及自主品牌整車廠商的部分采納，還有電子行業的零星應用等等，但主要是引進遲遲不能普及。因此，國內的伺服沖床現狀還只是停留在論文、研發、樣機階段、很難達到量產和滿足國內客戶的需求。

制約因素

長期以來，中國通過改革開放大量引進外資，外資企業的電子、家電和汽車等制造行業使得中國工廠得到了迅速提升，還有廉價的勞動力優勢，這些因素綜合起來以驚人的速度推動了金屬加工業的迅猛發展。然而，近年來日益增長的人工費用壓力和高品質需求的成本壓力，使得國內應該對伺服沖床的需求有更大的市場和應用才合理，但是現狀不盡如人意。筆者經過分析，認為造成制約國內伺服沖壓機械發展與應用的關鍵因素，包括：

⑴低轉速、高力矩的大功率伺服電機國產化開發滯后。

⑵關鍵的伺服控制技術開發壁壘還沒有根本性的突破。

⑶大量重要模組、高精度零部件等還必須依賴進口。

這些相關技術的不成熟等直接導致了整機或者關鍵模組、系統必須進口，造成了居高不下的制造成本，使得伺服沖壓機械的性價比優勢不能體現，讓國內的企業只能望塵莫及。伺服沖壓機械導入的緩慢過程，也伴隨著專業技術人員對伺服技術的生疏和對伺服沖壓技術知識的認識不足。因此，自伺服沖壓機械已經問世20年的時間，在中國卻遲遲不能普及，確實與制造大國的地位非常不符。

圖1 CPTEK開發的低轉速、高扭矩伺服電機

圖2 CPTEK 開發的第一代110t伺服中高速沖床

圖3 CPTEK研發的第二代220t伺服通用沖床

挑戰伺服沖床的開發技術

現狀

江蘇中興數控科技有限公司（簡稱CPTEK），是集中了中、日一批志同道合，富有沖壓機械經驗的人士組成的年輕團隊。自成立以來，就明確進行伺服沖壓機械的開發與制造，在一年內的時間研發出了低轉速、扭矩和大功率的伺服電機和獨自的伺服控制系統，并相繼研發制造出了兩代不同構造和使用用途的伺服沖床。2011年參加了深圳、南京和北京的三大國際機床展，受到了眾多客戶和行業的高度關注，目前已經進入系列化和量產階段。

研發思路

⑴找準技術差距。

⑵技術水平提升要循序漸進，積累經驗。

⑶從最基本、最重要、最有可能的技術層面著手，先易后難逐步完善。

⑷立足國產化，堅持走低成本路線。

⑸注重安全第一，功能第二的原則。

⑹吸收先進經驗，堅持獨立開發。

技術突破

⑴第一階段，開發感應異步電機伺服控制系統的同時，開發永磁同步伺服電機。

⑵第二階段，研發利用同步皮帶減速模式的伺服電機驅動110t中高速伺服沖床。

⑶第三階段，研發利用齒輪減速結構的伺服電機驅動220t閉式通用伺服沖床。

⑷逐步改進和研發穩定的伺服控制系統，完善多種功能。

圖4 CPTEK研發的伺服沖床15吋超大觸摸顯示屏

展望

伺服技術、設備和工藝等適于多種多樣的塑性成形加工領域，如圖5所示，現實情況是影響伺服技術的制約因素還很多，包括沒有全部成熟的技術條件，加工成本過高等。但從長遠來看，伺服沖床的發展空間是非常巨大的。未來一段時間里，對于伺服沖壓機械發展的展望如下：

圖5 各種形式的加工示意圖

⑴隨著伺服沖床關鍵技術的突破，滿足于客戶在噸位、工藝性、結構設計等方面多樣化需求的同時，伺服沖床必定會朝著客戶的具體需求，進行定制開發和制造。

⑵隨著技術的不斷普及和客戶的經驗累計，伺服沖床必將走向數字化、標準化和智能化，尤其是在伺服控制系統方面會更加趨向于多樣化和復合化。

⑶新設置的沖床機械中伺服沖床的比例會增加，在不遠的將來新設置的沖床中伺服沖床將會達到30%以上，非常大的潛在市場會被逐步開拓，甚至也會帶來對原來的傳統沖床進行伺服系統的移植技術改造和升級的商機。

⑷伺服沖床及周邊設備會進行最佳組合，同步控制、適應伺服沖壓工藝的綜合伺服控制系統的開發，可真正實現伺服沖床節能、高效和高精度，為客戶提供更高的附加值。

總的來說，伺服沖床的發展趨勢，可歸納為：⑴直接驅動的高效化；⑵高精度和高性能化；⑶能量儲存多樣化；⑷專用機向多用途邁進；⑸小型化向大型化發展；⑹個性化向通用性轉變。