伺服壓力機的特點及前景遠瞻

宋愛民 倪建成

【摘 要】交流伺服電機驅動是目前成形裝備發展的一個新方向。文本介紹了伺服壓力機的種類，及其所具有的復合性、高效性、高精度、高柔性、低噪聲、節能環保等優點，充分體現了鍛壓機床的未來發展趨勢。重點介紹了伺服壓力機的分類、傳動方式、及其應用過程中的主要特點，并對伺服壓力機的發展前景進行了展望。

【關鍵詞】伺服壓力機；傳動方式；應用特點；發展前景

0 前言

近年來，由于低速大扭矩 AC伺服電機的成功研發，電力電子、計算機控制技術等的快速發展，液壓增力機構與肘桿機構等在壓力機上的應用，具有復合加工功能的智能化、柔性化新型壓力機―伺服壓力機便應運而生。它推動了汽車制造業大型鈑金沖壓、拉伸工藝的伺服壓力機和精鍛、精壓工藝的伺服壓力機以及多工位伺服壓力機等的迅速發展，形成了一股伺服化的潮流。

1 伺服壓力機的定義

伺服壓力機通常指采用伺服電機進行驅動控制的壓力機。包括金屬鍛壓用伺服壓力機及耐火材料等行業專用伺服壓力機。因伺服電機的數控化特點，有時也廣泛稱其為數控壓力機。

伺服壓力機通過一個伺服電機帶動偏心齒輪，來實現滑塊運動過程。通過復雜的電氣化控制，伺服壓力機可以任意編程滑塊的行程，速度，壓力等，甚至在低速運轉時也可達到壓力機的公稱噸位。

2 伺服壓力機的分類

伺服壓力機分為伺服曲柄壓力機、伺服連桿壓力機、伺服螺旋壓力機和伺服液壓機等。

2.1 伺服曲柄壓力機

一般的機械式曲柄壓力機，是偏心齒帶動滑塊曲柄上下往返運動，曲線是正弦曲線。一般在滑塊運行至下止點前達到最大公稱噸位。行程固定不可調。一般的液壓機因是通過液體傳動壓力，所以可在滑塊行程任意位置實現工程噸位。行程可調但效率低下。

而伺服壓力機通過電機控制滑塊的運動，通過事先編程的方式來將機械壓力機和液壓機的優點集合，可在行程的任意階段實現任意方式的沖壓生產，壓力曲線可任意編程。

在現有曲柄傳動型伺服壓力機產品方面，有小松公司的 H1F系列復合伺服壓力機 、會田公司的NS1-D系列數控伺服壓力機、山田公司的Svo-5與Mag-24型伺服壓力機、綱野公司的Servo Link型伺服壓力機，及金豐公司的CM1型伺服壓力機等。

2.2 伺服螺旋壓力機

傳統的雙盤摩擦驅動方式的螺旋壓力機，在啟動機器后摩擦盤連續不停地轉動，耗能極大，且打擊力度受人為影響較大，產品質量不穩定。

作為摩擦壓力機的升級設備，目前在熱鍛壓及耐火材料成型加工等領域，市場上根據驅動電機的不同先后出現了開關磁阻螺旋壓力機和伺服螺旋壓力機兩種電動螺旋壓力機。

伺服螺旋壓力機在啟動機器后，只要失去控制電壓，電機立即停轉，所以在壓力機實施打擊動作以外的時間耗電量幾乎可以忽略不計，比摩擦壓力機要省電約60%，而且由于伺服電機的優越性能，伺服螺旋壓力機運行更為平穩、精確，可實現超短行程內的快速打擊。

2.3 伺服液壓機

伺服液壓機應用伺服電機驅動主傳動油泵，減少控制閥回路，對液壓機滑塊進行控制，適用于沖壓、模鍛、壓裝、校直等工藝。與普通液壓機比較，伺服驅動液壓機具有節能、噪聲低、效率高、柔性好、效率高等優點，可以取代現有的大多普通液壓機。

在現有的伺服液壓機產品方面，日、歐等工業發達國家研究與開發較早，在日本現已逐步進入普及期。而國內目前僅有少數企業開展此類產品的研究，主要關鍵技術尚未突破，還未形成成熟產品。

3 伺服壓力機的傳動方式

伺服壓力機的傳動方式主要有以下幾種：

3.1 直線伺服電機直接驅動滑塊

直線伺服電機直接將電能轉變為直線運動動能，推動滑塊工作，實現“零傳動” ，具有最短的傳動鏈，因而此類伺服壓力機結構簡單、傳動效率高、精度高、節能效果好。由于受到直線伺服電機輸出扭矩等的限制，此類結構主要應用在小型短行程壓力機上。如日本 AIDA 公司的 L-SF-300S 系列產品，最大扭矩 10kN，行程 100mm， 最大工作頻率 200SPM。

3.2 直線伺服電機直接驅動曲軸

伺服電機通過齒輪副直接與曲軸聯接，伺服電機的旋轉運動通過齒輪副、連桿機構轉換為滑塊的直線運動，滑塊的運動速度和位置可以被精準地控制。

此結構比傳統的壓力機結構簡單，但由于受到伺服電機扭矩的限制，壓力機噸位不大，主要應用在中小型壓力機上，目前最大噸位為 2500kN。如日本 AIDA 公司的 NS1-D 和NS2-D 系列產品，廣東鍛壓機床廠有限公司的 GPS 系列產品。

伺服電機間接驅動滑塊-Ⅰ伺服電機的旋轉運動通過同步帶（或齒輪副）及滾珠絲桿副轉換為滑塊的直線運動，通過光柵尺等位移傳感器檢測滑塊的運動來實現閉環控制。其運動特性類似于液壓機，在全行程均可獲得額定壓力。局限性在于滾珠絲桿副承載能力有限，滑動螺旋效率低，壓力機噸位不大。這種結構一般分兩種情況：

a）采用單個伺服電機的傳動結構，常用于螺旋精密壓力機上，如日本 AIDA 公司的A-SF 壓力機。目前最大扭矩為 800kN， 以靜壓力工作。

b）采用多個伺服電機的傳動結構，此結構主要應用在伺服折彎機、閉式雙點（四點）壓力機上。

4 伺服壓力機的應用特點

與傳統機械壓力機相比，伺服壓力機具有一系列突出優點，其主要有：

4.1 超高精度，具有下止點自動補償機能

通過高精度位移傳感器，可始終保持下止點的高精度，偏載保證在±10μm 之內，在對薄板的沖切及精密成形加工等方面發揮其超群的性能。

4.2 自由工作模式、生產效率高

具有任意設定沖壓曲線的功能，成形性、生產率得到大幅度的提高，它是一種可選擇最適合的加工模式來配合加工內容的壓力機。可以在控制器中預存適應不同工藝及不同材料的特性曲線供用戶選用。

4.3 低噪音、環保

可控制上、下模具接觸及分離的速度近于無噪音精密成形。

4.4 簡化傳動環節，減少維修和節省能量

伺服壓力機省去飛輪、離合器及制動器等，傳動環節大大減少，維修工作量亦相應減少，節省能量。每分鐘行程次數越低，節能效果越好。

4.5 減少振動、提高模具壽命：

由于可以設計特殊的工作特性曲線，控制沖裁時的沖頭速度，從而減少沖裁的振動和噪音，提高模具壽命。據日本 KOMATSU 公司的研究結果，模具壽命可以提高 3 倍。

5 伺服壓力機的發展前景

伺服壓力機所具有的復合性、高效性、高精度、高柔性、低噪聲、節能環保等優點，充分體現了鍛壓機床的未來發展趨勢。 伺服壓力機可根據不同的生產需要設定不同的行程長度和成形速度， 同時，能夠始終保證下止點的成形精度，有效抑制了產品的毛刺等的出現。伺服壓力機運行噪音超低，沖壓工件時噪聲也很小，大大優化了工作環境；同時，模具振動小，可大幅度提高模具壽命。由于沒有傳統機械壓力機的飛輪、離合器、制動器部分，節省了電力和潤滑油用量等，使機器使用成本大大降低。

總之，伺服壓力機已突破了常規機械壓力機的概念，它的出現必將引起一場機械壓力機的革命。

6 結束語

隨著國內相關技術的開發以及與進口產品的競爭，市場價格會迅速降低，伺服技術在成形裝備的應用領域也會越來越廣。可以預見，伺服壓力機將在一些重要制造領域，如電子產品、汽車等精密制造領域發揮越來越重要的作用，并將逐步取代液壓機、普通機械壓力機、機械折彎機、螺旋壓力機等，成為壓力機領域的一只黑馬。

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[責任編輯：楊玉潔]