第三代螺旋壓力機
——伺服直驅螺旋壓力機

文/熊曉紅·華中科技大學陳平·湖北凌頂科技有限公司

螺旋壓力機經歷了第一代摩擦壓力機、第二代高能螺旋壓力機和電動螺旋壓力機的發展。隨著用戶對設備性能及可靠性方面要求的提高，以及伺服電機和控制技術的進步，被稱為第三代的伺服直驅螺旋壓力機成為成形裝備的最新發展。伺服直驅螺旋壓力機以其從電機到飛輪儲能零傳動的特點，提升了傳動效率，消除了螺旋壓力機原先傳動環節故障因素，最大限度的降低了故障率和維修率。使成形裝備具有了柔性化和智能化的特點，保證了設備的可靠性和穩定性，具有劃時代的意義。

螺旋壓力機分類及特點

螺旋壓力機是一種能量加工設備，由于結構簡單，使用成本低，目前是國內應用最廣的模鍛設備之一，可以完成模鍛、切邊、校正等各種不同的鍛壓工藝，不僅適用于機械零件的鍛造，而且特別適合于精鍛工藝，在汽車、工程機械、鐵路車輛、航空航天、船舶等行業中得到廣泛應用。既可用于金屬的塑性成形，也廣泛應用于冶金、餐具、工具、醫療器械、陶瓷、建材和耐火材料等行業。

目前國內螺旋壓力機按動力形式分類，可以分為摩擦壓力機、離合器式（高能）螺旋壓力機和電動螺旋壓力機三種類型。摩擦壓力機是電機通過摩擦盤和操縱缸而改變飛輪旋轉方向的螺旋壓力機；離合器式螺旋壓力機是通過離合器和回程缸改變滑塊運行方向；電動螺旋壓力機是電機直接改變飛輪旋轉方向的螺旋壓力機。

螺旋壓力機也有不足之處，它與模鍛錘相比，行程次數低，尤其是傳統的摩擦壓力機只適用于單模槽模鍛，制坯不便，往往要另外配備制坯設備。它與熱模鍛壓力機相比，抗偏載能力要差，生產效率要低。另外螺旋壓力機還有著特殊的力能關系，存在著多余能量問題。即當飛輪提供的有效能量大于鍛件實際需要的變形能時，這部分能量將轉化為機器和模具載荷，加劇機器的磨損，縮短機器和模具主要受力零件的壽命，情況嚴重時還會造成機器和模具直接損壞。

電機驅動方式是電動螺旋壓力機的關鍵技術之一。電動螺旋壓力機的滑塊每分鐘的行程次數直接受飛輪角速度ω的影響，由于電機總處于帶有大慣量負荷和頻繁地正、反向啟動的狀態，即一直處于“啟動－慣性停車－反向啟動－制動”的非穩態過程中，電流較大，還要控制換向次數。當接觸鍛件打擊時，電機達到設定轉速，這時電機突然驟停，傳動系統面臨巨大的沖擊力和慣性能量釋放，如何選擇慣量小的電機類型、如何釋放自身能量、如何保護好電機軸和底座等傳動機構成為壓力機是否能長期穩定工作的最重要因素。目前國內電動螺旋壓力機有開關磁阻電機驅動和交流異步電機變頻驅動系統兩種主要方案。由于這兩種電機及驅動方式存在固有的缺陷，雖然電動螺旋壓力機在提高性能及可靠性方面取得了很大進步，但離用戶高柔性、高精度、高可靠的要求相差很遠。

螺旋壓力機發展——伺服直驅化

交流伺服壓力機是成形裝備的最新發展，以計算機控制的交流伺服電動機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊所需的直線運動。不但可以保持機械驅動的種種優點，而且改變了其工作特性不可調的缺點，使機械驅動的成形裝備也具有了柔性化和智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高。

交流伺服壓力機的核心是交流永磁同步伺服電機和驅動系統，伺服電動機傳動是指電動機的轉速或其他參數可以按照任意的輸入信號變化。21世紀初，隨著中大功率（100kW以上）交流伺服電動機及其驅動控制裝置的日益成熟，使該技術得以應用于機械裝備的主傳動。發達國家開始將交流伺服傳動技術應用于鍛壓機械的研究和產品開發，其應用領域已經覆蓋大部分成形設備。

伺服機械壓力機稱為“第三代壓力機”，認為其具有劃時代的意義。日本各著名壓力機制造廠商如AIDA、KOMASTU、ENOMOTO和德國SCHULER、SMS等公司已推出商品化的產品。目前正在板料沖壓成形中大力推廣，ENOMOTO公司的交流伺服電機驅動螺旋壓力機在模鍛成形中得到了應用。伺服壓力機是高新技術與傳統機械技術的結合，對推動成形裝備的更新換代，具有不可限量的影響。伺服直驅螺旋壓力機繼承了電動螺旋壓力機的能量可控、傳動系統簡單的優點，并將優點發揮到極致：

(1)實現柔性化和智能化，工作性能提高。由于伺服電動機的速度和位置可任意調節的，自動化和智能化程度提高，可以任意的設置打擊能量，設備的工藝適用性擴大。

(2)打擊能量控制更精確，制件質量更穩定。伺服直驅螺旋壓力機采用同步伺服直驅電機直接驅動，旋轉編碼器檢測和反饋轉子的位置和轉速，采用閉環控制，螺桿飛輪的轉速控制精度以及儲存的能量波動范圍小，打擊能量控制精度高。這對保證制件質量穩定性至關重要；同時，通過能量合理設定，盡量減少過剩能量，可以降低設備與模具的磨損，延長設備和模具的使用壽命。

(3)零傳動，高效節能。采用先進的交流永磁同步伺服直驅電機和矢量控制技術，電機轉子直接與螺桿飛輪連接，電機扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動系統簡化到極致，實現零傳動。沒有中間傳動部件、易損件和能量損失，高效節能。

交流永磁同步伺服直驅電機

交流永磁同步伺服直驅電機是一種低速大扭矩、直接傳動的特殊伺服電機。可提供迄今為止最高的轉矩密度和使用性能。電機由具有很多極數的定子、永磁空心軸轉子和高精度編碼器組成。結構上采用較窄的鐵芯片堆疊和大的空心軸設計，由于負載不需要轉接裝置（如減速箱、齒輪、皮帶輪、鏈條等）而是直接連接到電機的轉子上，所以簡稱為直驅電機（如圖1所示）。以其高功率因數、高轉矩電流比等優越性能被廣泛應用于數控機床、機器人等領域。

圖1 交流永磁同步伺服直驅電機

交流永磁同步伺服直驅電機具有5個優點：結構簡單，運行可靠；采用高性能釹鐵硼勵磁，鐵損、銅損均小于同功率異步電機；體積要比異步電機小，而功率因數大大高于后者；直接與負載耦合，低速大扭矩，減少機械傳動的維護工作量；采用堅固耐用的旋轉編碼器作為速度反饋單元，適應振動大的場合長期使用。

以下采用列表對比方式對開關磁阻電機、交流異步變頻電機、交流永磁同步直驅伺服電機在螺旋壓力機的應用作一個全面的對比。

由表1可以看出：采用交流永磁同步伺服直驅電機的螺旋壓力機將在高精度、高柔性、節能、可靠性等方面帶來革命性的變化。

表1 螺旋壓力機電機對比

圖2 J58SZ伺服螺旋壓力機結構示意圖

J58SZ型伺服直驅螺旋壓力機

伺服直驅螺旋壓力機以其從電機到螺桿飛輪零傳動的特點，提升了傳動效率，消除了螺旋壓力機原先傳動環節的故障因素，最大限度地降低故障率和維修率，保證設備的可靠性和穩定性。

基本結構

伺服直驅電機轉子直接與螺桿飛輪連接，電機扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動系統簡化到極致，實現零傳動。從設備的堅固性、可靠性、維修和效率方面來說，這種直驅裝置代表了螺旋壓力機驅動設計的最佳方案。

J58SZ伺服直驅螺旋壓力機采用同步伺服直驅電動機+伺服控制器驅動、PLC+觸摸屏控制方式，如圖2所示。同步伺服直驅電機直接驅動螺桿，螺桿的中部裝有推力軸承將軸向力傳遞給機身，螺桿與螺母之間螺紋配合，將螺桿的回轉運動轉換成螺母與滑塊的往復直線運動，同時傳遞能量和力；剎車安裝在飛輪的邊緣，制動塊由彈簧力作用壓緊飛輪，防止其在斷電情況下轉動；伺服電動機帶有旋轉編碼器檢測轉子的位置和轉速，也用來檢測飛輪速度或滑塊位移。

工作流程

發出打擊指令后，制動器松開，同時啟動電機以最大扭矩旋轉加速，飛輪和螺桿由電機直接驅動，帶動滑塊下行，位移傳感器實時檢測滑塊速度和位置，當滑塊速度達到所設定能量（E=JW2/2）的目標值時，電機速度保持恒定；隨后鍛造成形；上下模完全打靠，且滑塊速度降為零時發出回程信號，電機反轉，滑塊回程，同時頂出器動作，延時一段時間后退回；當滑塊回程到一定高度時，電機轉入能耗制動，接近上死點時，滑塊速度接近于零，制動器動作剎車，使滑塊靜止在上死點。

電機驅動矢量控制技術

驅動單元采用矢量控制電機調速技術，采用旋轉變壓器作為反饋信號，對電機的磁通和轉矩分別進行控制，由于伺服系統為閉環系統，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。

矢量控制技術將三相交流繞組iA、iB、iC等效為旋轉坐標系下的兩相正交繞組iM、iT，也即將三相旋轉磁場等效為兩相旋轉正交磁場，通過控制等效的勵磁電流分量iM和iT轉矩電流分量即可實現對iA、iB、iC的控制。通過這種坐標轉換，實現了相互耦合的電機參數的解耦，可如直流調速控制系統一樣，對交流電動機的磁通和轉矩分別進行控制，從而使交流電動機變頻調速系統具有了直流調速系統的全部優點，如圖3所示。由于伺服系統為閉環系統，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。另外，在運行過程中可限制最大電流，從而避免電流峰值過高引起電機嚴重發熱。

圖3 矢量控制原理圖

實際運用中，伺服電機采用旋轉變壓器作為反饋信號，提高其抗振動能力。系統實現對電動機轉矩和速度的控制，以滿足各種生產工藝要求。

J58SZ型伺服直驅螺旋壓力機特點

伺服直驅螺旋壓力機用直驅電機代替傳統電動機實現直接驅動，模擬圖如圖4所示，該驅動系統代替了傳統的齒輪傳動系統，具有以下突出優點：

圖4 伺服直驅螺旋壓力機模擬圖

(1)零傳動。采用先進的交流永磁同步伺服直驅電機和矢量控制技術，直接將扭矩傳遞給螺桿飛輪，沒有中間傳動部件、易損件和能量損失。

(2)高效率。傳動效率提高20%以上，更加節能。

(3)高可靠性。取消了傳統的電動機和齒輪或皮帶傳動系統，避免了傳統電動機和齒輪壽命低的弱點，提高設備的可靠性。

(4)低噪聲。運動噪聲大大降低。

結束語

伺服直驅螺旋壓力機電機轉子直接連接螺桿飛輪，沒有中間傳動機構，克服傳統傳動系統的固有缺陷，大幅提高了系統的傳動效率，提高了能源利用率；提供了極其優秀的性能、極高的剛度、高能量控制精度、更高的生產能力、緊湊的機械組裝；零傳動、零維護、安靜的運行環境，提升了用戶體驗，滿足了客戶對高品質的要求。