柔性智能化伺服壓力機床的研究

林海龍

（寧波博信機械制造有限公司，浙江寧波315800）

1 伺服壓力機床概述

機械壓力機也稱“沖床”，是金屬沖壓成型等制作工藝中的基礎機床，一般均通過飛輪圓周運動產生儲備能量進行釋放，由曲線運動轉化為直線運動產生滑塊的壓力，對所需產品進行做功作業。機械壓力機廣泛應用于汽車、家電、IT電子、文具、儀器儀表、軍工等重要工業領域。

伴隨經濟的一體化發展，市場競爭日趨激烈，能快速適應市場變化的多品種小批量生產和大批量定制生產形式逐漸替代了傳統的單品種大批量生產形式，成為工業產品的主導生產形式，突出表現為工業產品的種類日趨多樣，形狀日趨復雜，而這就對相關加工設備的工藝適應性、加工精度、加工質量、生產效率、自動化程度等多個方面提出了更高的要求。

目前，我國在沖壓生產線上使用的機械壓力機大多為曲軸式、偏心輪式或多連桿機構式，且采用普通電機作為動力源，其滑塊的運動曲線及行程基本是固定的，輸出固定的沖壓工藝曲線，同時耗能嚴重，加工噪音大，工人操作環境惡劣。隨著新型材料的出現以及產品形狀更加趨于復雜、精密、高要求，再考慮到環保和低成本，傳統壓力機已很難滿足快速多變的產品沖壓工藝需求。因此，近年來，研究開發出能夠滿足上述要求的，能夠高精度加工復合材料、難加工材料，具有可進行復合加工功能的新型結構的高效伺服壓力機越來越受到重視。

相對于傳統壓力機，伺服壓力機取消了飛輪、離合器、制動器等耗能部件，簡化了機械傳動機構，提高了系統的可控性，降低了能量損耗，極大地改善了工人的工作環境。

通過與現代控制技術、傳感技術等相關技術的融合，實現了機床工作模式的自由選擇和滑塊輸出特性的自由調節，大幅度提高了成型件的加工精度、加工效率和加工質量，有效地解決了傳統機械壓力機及其生產線在現代化生產中面臨的種種問題，為難成型材料成型和復雜零件的成型加工提供了新的解決方案。和傳統機械壓力機相比，伺服壓力機的突出優勢在于：

1.1 提高了機床的工藝適應性和加工柔性

圖1為伺服壓力機部分典型加工工藝曲線，伺服壓力機借助內置沖壓工藝曲線數據庫，可以針對特定加工類型和加工特征參數選擇合理的滑塊加工工藝曲線及機床加工模式，不僅能夠顯著改善零件的成型效率、效果，防止褶皺、拉裂等成型缺陷，而且能夠通過改善滑塊的運動輸出特性提高機床的工藝適應性，使其完成普通機械壓力機不易完成的眾多高難度復雜工藝成型操作，并明顯降低噪音和能耗。

圖1 伺服壓力機典型加工工藝曲線

1.2 提高了零件的加工精度和加工質量

伺服壓力機通過高精度伺服控制，融合現代傳感技術、滑塊運動輸出特性的調整，不僅能夠降低沖壓模具合模時的沖壓力，減少模具的磨損，延長模具的使用壽命；同時通過合理規劃伺服壓力機的加工工藝曲線，還能夠顯著提高加工材料的成型性能，減少褶皺、拉裂、堆疊等成型缺陷的發生，顯著提高零件的加工質量。

1.3 提高了機床的加工效率

伺服壓力機能夠對一個加工周期內滑塊的加工速度進行合理的規劃，從而極大地提高了機床的加工效率。實現快速接近工件—慢速加工成型—快速空載回程的高效加工模式，從而減少伺服壓力機非加工時間在一個工作周期內的占比。除此之外，伺服壓力機通過采用鐘擺式運動模式，能夠進一步縮短非加工行程長度，提高機床加工效率。

1.4 節能、環保、低噪音

伺服壓力機取消了飛輪、離合器、制動器等配件，縮短了傳動鏈，簡化了機械結構，這使其便于維護；智能變速運動更減少了機床作業時的沖擊和振動，改善了工人的工作環境。

2 國內外研究開發現狀和發展趨勢

2.1 國外研究開發現狀

發達國家在20世紀末期，開始將交流伺服驅動技術應用于鍛壓機械的研究和產品開發過程中。伺服壓力機多以大功率交流伺服電機作為動力輸出裝置，通過滾珠絲桿螺旋機構、曲柄滑塊機構等不同傳動機構形式直接實現伺服電機的旋轉運動與滑塊的直線運動之間的轉換，無飛輪、離合器等部件，簡化了傳動系統，保持了機械傳動在加工效率和加工精度方面的優點，同時通過伺服電機的調速運動特性實現了滑塊運動輸出特性的任意調節，其工作性能和工藝適應性大大提高，對于推動成型裝備的更新換代具有重要影響。

日本各個著名的壓力機制造廠商，如AIDA、KOMATSU、AMINO、ENOMOTO等公司投入了大量人力物力進行開發，并推出了商品化的產品。如AIDA利用大扭矩伺服電機采用齒輪一級傳動的簡單結構來實現，KOMATSU利用較小功率的伺服電機結合皮帶、齒輪、肘節等組合減速擴力機構來實現。同時，德國的SCHULER、西班牙的FAGOR等先進的大型伺服壓力機幾乎壟斷整個伺服壓力機市場，獲取了巨大的經濟效益。

2.2 國內研究開發現狀

與國外相比，國內對于伺服驅動鍛壓設備的設計研究及應用推廣仍然處于起步階段，在產品規格、產品質量及產品設計等方面與世界先進水平還有一定差距，尤其是在大型重載機械伺服壓力機的設計和制造方面還存在基礎理論研究不足、核心技術缺失等問題。

國內首臺伺服壓力機是濟南二機床于2007年采用ABB公司的DDC技術開發出來的10 000 kN伺服壓力機試驗樣機。目前好多中國其他沖床制造企業正在積極研究和開發，甚至部分產品已經推出市場并進行實際應用，但大多以大功率伺服電機經過行星齒輪或其他變速箱變速來實現，也有個別直接用超大功率的伺服電機經過一級齒輪傳動驅動曲柄連桿機構的方法來實現。寧波博信機械也在4年前透過獨特的變速方式小批量化推出了單曲軸300 t以下系列的伺服壓力機，已在市場投入使用并獲得好評，成為國內率先研制出此類壓力機并批量投入實際使用的極少數廠家之一。

總的來說，伺服壓力機的設計研發以及在國內市場的應用推廣過程中存在的問題主要包括以下幾個方面：

（1）對板料成型工藝進行優化設置主要依賴于經驗和實驗，缺乏相關理論的指導，還沒有建立可供伺服壓力機加工工藝曲線定制調用的伺服壓力機加工工藝參數數據庫。

（2）如何充分利用伺服壓力機在工藝適應性方面的優勢，在難成型材料成型和復雜零件成型上進行新工藝、新方法、新裝置開發和優化還需進一步探討。

（3）伺服壓力機專用低速大扭矩伺服馬達及其配套伺服控制系統的價位較高，造成伺服壓力機的市場價格居高不下，影響其在國內市場的推廣應用。

另外，大功率交流伺服電機及其驅動控制技術，閉環能量管理及反饋控制技術，以及基于等壽命和等強度理論的伺服壓力機機身優化設計技術等，是目前伺服壓力機需研究的關鍵技術。而當前阻礙國內伺服鍛壓設備發展的最大障礙就是大功率伺服電機研制水平較低，與國外先進產品在各項性能指標方面均存在較大的差距。

3 研究方案與關鍵技術

普通伺服壓力機由于取消了飛輪，在經過一般性的減速和擴扭矩后，電機所需功率仍然龐大，能耗較大。工作壓力主要靠電機的瞬時扭矩產生，因而驅動電機容量較普通壓力機要大得多，再加上控制系統復雜，導致設備造價高，這就成為伺服壓力機推廣應用的一大障礙。所以，在不采用價格昂貴的大容量驅動電機的情況下，具有良好增力功能的傳動系統的創新設計成為伺服機械壓力機開發的關鍵技術問題之一。

由博信機械研制的“閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機”應用交流伺服驅動技術，輔以計算機控制技術，將傳統的曲柄連桿式壓力機改變成智能節能型的肘桿式多連桿偏心齒輪式壓力機，在伺服電機不變速的情況下就能使滑塊在空行程中快速運動，在接近下死點做功時慢速運動的特性，加上肘節機構的特性就具備了增大扭矩的能力。

同時，由于寧波博信機械研制的雙點壓力機采用雙獨立伺服電機和獨立同步帶傳動結合偏心齒輪及多連桿肘節式傳動機構，通過線性光柵尺的閉環反饋控制進行智能分配調整，始終保證下死點精度在微米級變化，保證壓力機的閉合高度在生產過程中的精度更加穩定，因此具備了高速度、高精度、大負載運轉、智能化、柔性化等特點，也實現了自動化、工業4.0、可遠程控制、監視等優點。

3.1 肘節式多連桿伺服壓力機高精度導向技術

閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機滑塊的導向性能直接決定了機床的幾何精度，因此導軌結構、制造精度以及耐磨性、抗疲勞性對高速精密壓力機的性能至關重要。由于壓力機傳動系統采用左右獨立動力源對稱方式運行，通過電控系統可以做到兩邊相對的完全同步運行。本項目采用自主設計、研發的一種光柵檢驗裝置，在機身滑塊的兩側對稱布置，通過光柵檢驗裝置可以檢驗傳動系統中兩個相對獨立運行的電控系統的運行狀態，并反饋給控制系統，還可以用來檢驗機身滑塊左右平衡運行狀態以及校驗機身滑塊靜止的左右平衡。該裝置已受理一項實用新型專利，專利名稱：一種應用光柵檢驗裝置的沖床（201620698346.8）。

3.2 低速大扭矩伺服電機關鍵技術

在設計肘節式多連桿高效伺服壓力機的伺服電機時，需要使電機在高速運行下具有良好的動態特性、穩定性并具備快速啟停、快速冷卻等功能。因此，需要針對不同的轉子位置，對電機的磁場分布進行研究，以獲得準確的電機性能參數；需要對電機齒槽力以及轉矩脈動進行最優化設計，達到節能及提高電機可靠性的目的；需要對伺服電機進行熱分析，結合熱分析結果進行電機冷卻設計與優化；需要研究電機的溫度場分布規律以及電機結構、參數等對電機溫度分布的影響規律。

3.3 雙電機同步控制系統關鍵技術

通過機械結構來放大伺服電機扭矩，以達到伺服電機小型化的目的。兩臺伺服電機聯合作業，偏心齒輪機構在減速的情況下使伺服電機的回轉力（扭矩）增大，這個扭矩又被偏心齒輪、六連桿和雙點肘節式放大，再來驅動滑塊。因此，閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機各個軸必須保持精確同步，以滿足加工精密工件的要求。所以雙電機同步控制技術成為了問題的關鍵，需從雙電機同步控制系統硬件配置和系統控制原理兩方面達到匹配來實現。

3.4 扭矩增大機構設計

使用伺服電機來驅動1 000 kN、5 000 kN或更大的20 000 kN伺服壓力機，所需要的電機要達到幾百千瓦、幾千千瓦。因此，為了降低電機的成本，本項目通過機械結構來放大伺服電機扭矩，以達到伺服電機小型化的目的。兩臺伺服電機聯合作業，伺服壓力機結構如圖2所示，其組成部分包括同步帶傳動、偏心輪、連桿機構等，偏心齒輪機構在減速的情況下使伺服電機的回轉力（扭矩）增大，這個扭矩又被偏心齒輪、六連桿和雙點肘節式放大，再來驅動滑塊。同步帶取代全齒輪傳動擴力，優點是降低慣量，便于啟動、制動，減輕伺服電機負荷。

以上設計的最大優勢在于：

（1）采用兩臺功率相對比較小的伺服電機，降低了伺服電機成本；

（2）獨立調整設定可以減少由于機械裝配造成的滑塊兩邊不同步現象。

3.5 最終設計方案

根據上述桿系構型反演設計、肘桿類型分析以及扭矩增大機構設計，同時，為增強壓力機抗偏載荷能力，保持在沖壓過程中機械同步，本項目最終采用對稱連桿機構，在伺服電機輸入端采用伺服電機透過同步帶輪驅動偏心齒輪，使壓力機結構緊湊，運動精確。將偏心齒輪轉動驅動轉化成連桿肘桿機構的滑塊移動副驅動，同一構件的多鉸鏈采用復合鉸鏈，得到閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機結構模型方案。

該結構具有以下創新點：伺服電機通過特制高強度同步帶傳動鋁輪，再帶動傳動主軸，加大傳動比的同時有效降低了運動慣量。傳動主軸驅動偏心齒輪傳動結構并帶動多連桿運動，擴大了傳動比，使輸入端扭矩變小，在同等輸出扭矩的前提下，降低了電機功率，達到了節能效果；此多連桿運行有下降速度慢、回程速度快等特性，在工作區域運行時速度最慢，能有效大幅降低產品成型后的材料韌性反彈，并減少伺服電機的使用功率，降低能耗。

該結構已授權一項實用新型專利，受理一項發明專利和一項實用新型專利。

（1）發明專利：一種沖床多連桿偏心齒輪傳動結構（201610520822.1）。

（2）實用新型專利：一種沖床多連桿偏心齒輪傳動結構（201620694696.7）。

4 結語

目前，高性價比的精密高效伺服壓力機的市場需求量極大，伺服壓力機產業化是大勢所趨。但目前國產伺服壓力機的可靠性、適應性、產品質量都要低于進口機床，高端技術主要被國外公司所壟斷。因此，閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機的產業化具有很大的現實意義。

本項目針對目前已有的各種機械壓力機存在的問題進行分析研究，通過肘節式多連桿伺服壓力機高精度導向技術的研究和應用、低速大扭矩伺服電機關鍵技術研究、雙電機同步控制系統關鍵技術研究、扭矩增大機構設計等突破了關鍵技術瓶頸，成功開發出了高柔性智能化閉式雙點肘節式多連桿高效伺服壓力機，使伺服壓力機在精度、智能化、作業適應性、作業品質和能耗利用水平方面都得到了極大的提高，是目前伺服壓力機領域較為先進的金屬成型裝備。

圖2 伺服壓力機結構（偏心齒輪+多連桿）