淺析我國伺服壓力機行業發展現狀

喬子路， 王 營， 文 武， 陳曉輝， 錢 蒙

（中機生產力促進中心， 北京 100044）

0 引言

伴隨著制造業的發展， 市場對于產品的質量、 輕量化、可靠性等提出更高要求，由此復雜形狀零件成形技術及高精度成形技術等新型成形技術得到快速發展， 這對沖壓設備的工作性能提出更嚴格的要求， 傳統機械壓力機越發難以應對復雜多變的生產需求，亟需一種高效、高精度、節能化的新型壓力機，伺服壓力機由此應運而生。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前國際伺服壓力機技術領先的國家主要為日本和德國， 其中日本無論在伺服壓力機的設計上還是在制造工藝上，都具備國際領先的技術水平，在2019 年的第6屆日本東京沖壓鈑金成形加工展覽會上日本企業相繼推出一系列多種傳動結構、不同規格的高端伺服壓力機，幾乎壟斷了所有高端壓力機的市場。

日本會田鍛壓機床有限公司及株式會社小松制作所是日本壓力機制造代表企業，日本會田從2008 年開始伺服壓力機相關專利的布局， 核心專利涉及伺服電機對壓力機下死點的控制方法、對滑動的控制方法、對驅動機構的控制方法、 伺服壓力機專用的模具緩沖裝置以及伺服壓力系統。其所生產的AIDA-DSF-C1-A 系列直驅式伺服壓力機， 生產效率與其他伺服壓力機相比提高約5%～10%。 會田DSF 系列產品見圖1。

圖1 會田DSF 系列產品

日本小松作為壓力機制造代表企業，其生產的伺服壓力機，例如HCP3000 型壓力機，H2F、H4F 系列壓力機及H1C630 伺服壓機， 在業內一直享有盛譽。 小松在產品設計上通過增強滑塊、 模具的剛性，減少壓機結構前后方向的偏轉（撓曲），下止點自動補償功能， 連續生產時的熱補償功能等， 實現高精度成形（鈑金件厚度尺寸誤差從原來的0.04mm 提升到0.01mm）；該公司研發的緊湊型電容蓄電系統， 在減少工作時對電網的沖擊影響、降低最大供電要求的同時，實現了滑塊減速下行時向電容器充電存儲，根據不同情況，最大節能高達42%。 小松伺服壓力機系列見圖2。

圖2 小松伺服壓力機

舒勒是德國伺服壓力機行業的代表企業，2018 年德國舒勒公司在德國漢諾威舉辦的國際金屬板材加工技術展覽會上首次向公眾展示全新的MSP400 伺服壓力機， 該伺服壓力機的公稱壓力可達到4000kN，推動伺服壓力機的發展。 工業4.0-舒勒智能沖壓車間見圖3。

圖3 工業4.0-舒勒智能沖壓車間

1.2 國內研究現狀

隨著伺服壓力機的優勢逐步被下游用戶認可，國內企業也開始布局伺服壓力機的相關研究工作，濟南二機床集團有限公司、廣東鍛壓機床廠有限公司等企業是其中的佼佼者。濟南二機床集團有限公司是國內領先的數控沖壓裝備制造商，濟二于2007 年研發出國內首臺10000kN 伺服壓力機，該設備由雙電機驅動，多級齒輪傳動，但傳動系統未省去飛輪和制動器等結構， 其中伺服電機和驅動裝置采購ABB 公司。 2012 年濟二成功研制國內首臺多級齒輪傳動的25000kN 大型伺服壓力機，大幅提升我國沖壓設備研發制造能力。2018 年濟南二機床廠研制的國內50000kN大型全伺服沖壓生產線驗收成功，打破國外大型沖壓設備的壟斷情況。 圖4 為濟二智能沖壓生產線。

圖4 濟二智能沖壓生產線

廣東鍛壓機床廠有限公司也開發了多種結構的伺服壓力機，2005 年，廣東鍛壓機床廠推出GP2S 系列伺服控制閉式雙點精密壓力機。 2007 年， 廣東鍛壓機床廠研制GDKS系列伺服控制肘桿精密壓力機。 2009 年，廣東鍛壓機床廠成功研制大型閉式四點單動精密機械壓力機， 獲得佛山市科技進步二等獎。2013 年，廣州鍛壓機床廠又成功研制了GD2 系列精密多工位壓機，該設備與GP2 系列閉式雙點精密高效壓力機共同被評為廣東省高新技術產品。 廣鍛伺服壓力機見圖5。

圖5 廣鍛伺服壓力機

盡管我國在交流伺服壓力機領域奮起直追， 但由于技術水平的限制，與國外先進的伺服壓力機廠商相比，仍存在著巨大的理論上和技術上的差距。 國內的伺服壓力機多采用國外已有的結構和驅動方式， 所引進的技術也多為已經落后或者淘汰的圖紙或者設備， 國內企業伺服壓力機的研發以仿制為主，缺少創新性和技術儲備。

2 行業整體情況

目前伺服壓力機應用最廣的領域為3C 電子、 家電、汽車等行業， 主要用于生產這些領域的高精度復雜薄板類零件。伺服壓力機作為一種新型的金屬成型機床，其發展也受到金屬成型機床行業整體趨勢的影響， 從趨勢上來看，“十三五”期間，我國金屬成形機床市場整體穩定略有波動，其中2020 年為631.2 億元，2018 年是近五年內的高點，達758.6 億元，造成波動的原因一方面由于疫情擴散，影響裝備企業的生產及銷售，導致供給不穩定，但也可看出受益于雙循環政策的推行，20 年在疫情情況下基本保持穩定，未出現大幅下滑，反映疫情下我國正常復工的特點；另一方面近五年行業受到更新換代周期影響，影響短期需求。近五年金屬成型機床行業營收及產量見圖6。

圖6 近五年金屬成型機床行業營收及產量

但長期來看， 隨著中國工業化進程不斷深入、“碳達峰”“碳中和” 戰略目標的提出以及新能源汽車等新興行業的快速發展。國家開始注重發展高端生產制造設備，近年發布的 《工業轉型升級投資指南》《產業結構調整指導目錄（2019 年本）》等文件中更是明確提出要支持伺服壓力機發展。 同時，國內疫情正逐漸趨于好轉、新一輪更新換代周期也即將來臨，可預見行業在“十四五”期間將有極大發展空間。

根據行業專家預測，未來5～10 年，金屬成形機床行業將重新進入上行周期， 未來五年中國金屬成形機床市場規模將達到800～1000 億元。 目前德國、日本伺服壓力機在其國內板材成形領域市場占比已經高達80%～90%，雖然國內目前占比僅15%， 但從先進國家的應用情況來看，未來金屬成形機床的伺服化是必然趨勢。即便按照目前伺服壓力機約占15%的比例換算， 也存在150～200 億元左右的市場為伺服壓力機市場。 未來五年成形裝備市場規模預測見圖7。

圖7 未來五年成形裝備市場規模

3 伺服壓力機構成及優勢

3.1 伺服壓力機定義

伺服壓力機是由交流伺服電機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、 多連桿或其它機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊所需的直線運動的壓力機。 可實現加工工藝軌跡柔性可控， 彌補了傳統壓力機沖壓模式固定和沖壓工藝適應性差等缺點，能夠顯著提高復雜形狀零件、深拉深零件以及高強度鋼板沖壓加工的成形質量和生產效率。 伺服壓力機是一種重要的金屬成形機床，廣泛應用于汽車、航空航天、醫療、電子等涉及國計民生的重大領域。

3.2 伺服壓力機基本構成

伺服壓力機主要由三部分構成，即伺服系統（包括伺服電機、伺服驅動器和能源管理系統）、高強度機身及力放大機構（包括傳動系統和滑塊），這些部件對伺服壓力機精度、工作效率影響較大，為伺服壓力機的核心部件。其中伺服系統是我國伺服壓力機研發的瓶頸所在。 伺服壓力機的核心部件構成見圖8。

圖8 伺服壓力機核心部件

（1）低速大扭矩伺服電機。低速大扭矩伺服電機主要用于驅動伺服壓力機主傳動系統， 根據工藝及壓力機噸位大小不同，一般電機額定轉速在100～600r/min 之間。由于壓力機噸位不同， 單個電機功率一般在幾十到幾百千瓦不等，同等噸位伺服壓力機與機械壓力機相比較，前者裝機功率一般是后者的3～5 倍， 但能耗卻只是后者的40%～60%， 目前日本、 德國在伺服電機方面具有領先技術。 低速大扭矩伺服電機見圖9。

圖9 低速大扭矩伺服電機

（2）高過載大功率伺服驅動器。伺服驅動器一般采用數字信號處理器為控制核心實現復雜的控制算法，通過位置、速度和力矩三種方式控制伺服電機，并實現傳動系統的高精度定位，高過載大功率伺服驅動器的過載倍數通常大于5，功率大于100kW，一般伺服的驅動器的匹配功率要大于所選伺服電機功率，目前日本、德國在伺服驅動器方面具有領先技術。 高過載大功率伺服驅動器見圖10。

圖10 高過載大功率伺服驅動器

（3）能源管理系統。 伺服壓力機能量管理系統是一個能量分配系統， 主要有機械能儲能（飛輪儲能）、電能儲能 （電容儲能）兩類，電容容量范圍差別巨大，小到100～200mf，大到3000～4000mf。其主要目的是合理分配電網側的能量（功率）和伺服壓力機能量管理系統中儲能機構的能量（系統）之間的百分比。 其范圍電網側/（儲能機構+電網側）可以從100%到30%內配置。伺服壓力機能量管理系統理想的分配比例是電網側持續輸入平均能量（功率）且儲能機構能夠平滑能量（功率）尖峰，能量波動小，目前日本、德國在伺服壓力機能源管理系統方面技術領先。 飛輪儲能見圖11、電能儲能見圖12。

圖11 飛輪儲能

圖12 電容儲能

（4）高剛度機身。 高剛度機身主要采用預應力框架式結構，拉桿進行預緊，形成一個高剛性的機身框架，滿足成形時對壓機低變形的要求。 各大梁的剛性指標為不低于1/8000，高剛度機身相關技術目前國內已經能夠解決，基本主機廠都可自制。 高剛度機身見圖13。

圖13 高剛度機身

（5）力放大機構。力放大機構主要用于提升壓力機扭力， 降低電機的裝機扭矩要求， 以降低整機成本，并滿足深拉伸或擠壓成形工藝的需要。一般增力機構作用于公稱力發生點，增力系數一般在5～10 之間，目前力放大機構相關技術國內已經能夠解決。力放大機構見圖14。

圖14 力放大機構

3.3 伺服壓力機主要優勢

（1）具有靈活的工藝適應能力。其成形曲線可以設置為連桿模式或鐘擺模式，對不同材料、不同成形工藝具有數字化可編程調整的優勢， 同一臺主機可以適應多種成形工藝需求， 可任意精確控制滑塊輸出的力、 速度和位置，實現快回程或減小行程，從而大幅提升生產效率。 伺服壓力機還可以通過設置成形曲線以及沖裁切斷處的滑塊運行速度，實現柔性解除及柔性切斷，大幅度減少沖裁噪音，實現靜音沖裁。 滑塊工作模式見圖15。

圖15 滑塊工作模式設置

（2）具有更高的成形精度。伺服壓力機相比傳統壓力機取消了離合器和制動器、減少或取消了齒輪傳動，采用直接傳動方式，傳動環節大大減少，配合高精度位移傳感器和荷重傳感器，可實現下死點自動補正，其下死點精度可保證在±10μm 之內，大幅提高零件成形精度，同時降低設備故障率、震動和噪音（可降低10dB 以上）。

（3）優化滑塊行程（速度）曲線，提高模具壽命。 伺服壓力機可以通過成形曲線調整實現模具柔性接觸， 減少沖擊載荷。 同時通過優化行程（速度）曲線，減少燜模時間、提高模具壽命。 以汽車發電機皮帶輪精密沖孔為例，伺服壓力機可提高模具壽命3～10 倍，大幅降低了模具材料消耗和使用成本。

（4）具有明顯節能效果。伺服壓力機需配置能源管理系統，其主要功能是交流整流濾波、儲能、反電動勢逆變回饋電網、功率因素提升以及電磁干擾抑制，使得傳動效率更高。 同時可實現電能回收利用，當電機減速時，反電動勢進入儲能系統，從而實現節能。和普通機械壓力機相比，伺服壓力機可節能25%～50%。

4 國內企業面臨主要問題

雖然伺服壓力機具有上文所述的諸多利好，且日本、德國等發達國家的伺服壓力機在壓力機行業中的應用占比已經達到90%， 但在國內應用不足20%也是不爭的事實，而這其中進口品牌占據60%以上的市場份額，在中高端設備領域這一比例更高，幾乎達到壟斷程度，造成這一現狀的背后主要存在問題： 一是國產伺服壓力機價格較高，由于我國伺服技術與國外差距較大，國產零部件難以滿足生產要求， 故而現階段國產伺服壓力機的伺服系統等核心零部件多數采用進口， 造成整機成本及價格相應較高，用戶一次性投入大，影響下游企業應用積極性；二是國產伺服壓力機整機質量的穩定性、 可靠性與進口設備有一定差距，用戶使用中故障較多，影響下游企業應用積極性。 同時， 國產伺服壓力機效率也是短板問題，以1600 噸鍛造壓力機及整線為例，發達國家生產效率可達500 萬件/年，國產同類設備在200 萬件/年以內。

5 提升國產品牌競爭力建議

為解決目前國產伺服壓力機存在的生產成本較高及可靠性較低這兩大核心問題， 國內伺服壓力機企業應加快從三方面開展工作。①加快核心技術攻關。提高國產伺服壓力機競爭力的第一步就是提高國產設備的可靠性，故而國產伺服壓力機廠商的首要任務就是加大企業在伺服系統上的研發投入力度，著力提高伺服電機的抗震性、功率密度， 提高伺服控制器的抗過載能力及多臺伺服驅動器同步性以及提高能源管理系統電容儲能能量密度；②加快產業鏈協同。 目前國際知名品牌為降低核心零部件成本采購成本，都在強化與相關零部件供應商的合作，例如小松與伺服電機供應商安川、 伺服驅動器及能源管理系統供應商發那科，三方就結成了緊密的合作關系。國內企業也應參考此路徑， 完善伺服壓力機產業的供應鏈體系，強化產業鏈上下游的協同。加強對零部件供應商的培育工作，與優勢零部件供應商間形成深度合作關系，共同研發推進核心零部件國產化，降低零部件采購成本，以此降低整機生產成本；③加快服務化轉型。 國內企業應盡快完成從設備制造商到完整解決方案提供商的角色轉變，學習國外廠家模塊化設計， 降低客戶前期設備投入成本與項目建設周期， 如會田的模塊式串聯多工位伺服壓力機系統。同時通過運維信息化，提升運維效率，通過遠程監控、遠程診斷等方式降低維護成本，不斷提升成形產品質量，為用戶創造更多價值。

6 結束語

伴隨著新能源汽車、汽車輕量化的高速發展，氫能源電池雙極板等新的需求噴涌而出， 將伺服技術運用于相關裝備將能夠進一步提升產品生產效率，改善產品精度，提升產品穩定性。而伺服壓力機所具有的高效率、高柔性、高精度和低能耗等優點，也充分體現了金屬成型機床未來的發展趨勢，我國已經敏銳的嗅到這一大趨勢，大力推進強基工程、產業基礎再造工程等重大工程。 可以預見，隨著我國相關技術的進步和突破，伺服壓力機替代傳統壓力機及國產化的進程將逐步加快。