交流伺服电机驱动机械式压力机的发展

作者： 张力重, 林红旗  

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）
摘要：分析了机械式压力机交流伺服电机驱动的背景，总结了交流伺服驱动压力机的特点及当前的发展现状。指出研制高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机；提高大变负荷下交流伺服驱动系统的效率，开发新的传动机构以满足伺服控制和承载能力的需要是现阶段此项技术发展的关键。
关键词：交流伺服驱动；成形加工；机械压力机；柔性

压力机是金属成形加工领域中广泛使用的锻压设备，品种和数量繁多，其中以机械式压力机应用最为普遍。现代制造技术的发展要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便的改变输出运动规律。但传统的机械式压力机的运动特性单一、工艺适用性差。

伺服控制的液压机虽然在作用力、速度和位移等工艺参数的控制方面达到了较高的精度，但存在工作频率相对较低、油污染、高能耗、低可靠性等缺点。近年来随着交流伺服电机驱动成形装备技术的发展，出现了滑块运动曲线可调的各种交流伺服驱动压力机，使得压力机的工作性能和工艺适用性大大提高，设备朝着柔性化、智能化的方向发展。
1 机械压力机交流伺服电机驱动背景
图1 压力机滑块位移－时间关系曲线
常见机械压力机滑块的位移－时间关系曲线为近似的余弦曲线，如图1所示。工件在距下止点以上几毫米的工作冲程中成形，工作冲程的最大速度为成形速度。但在各类金属成形工艺中，压力机的滑块运动曲线需符合锻压生产工艺的要求。例如，对拉延，滑块的速度不应大于被冲压件材料塑性变形所允许的速度，以防工件破裂。弯曲工艺中，当压力卸除后，为改善工件的弹性变形引起回弹现象，需降低滑块的成形速度且在一定的曲柄转角范围内使滑块位置保持恒定。对工件进行锻压时，还要根据不同的材料及相同材料的不同工件厚度选择不同压力机加工曲线。另外，为同时提高锻压加工中产品的质量和生产率，要求滑块既能迅速完成非工作行程，又能慢速成形工件。部分锻压工艺理想滑块运动曲线如图2示。
图2 锻压工艺理想的滑块运动曲线
传统机械压力机一般采用各种不同的机械传动机构获得工艺所需的滑块运动规律，以满足不同的工艺要求。常见的滑块驱动机构有曲柄式、肘杆式、螺旋式和连杆式等，其滑块运动曲线如图3所示。肘杆机构在下死点附近滑块速度极慢，适于压印加工和某些冷锻加工。连杆机构能把拉延加工中的拉延速度控制在极限值以内，能实现快速接近、低速加工、快速返回，循环时间一般缩短40%～60％。螺旋压力机与液压机在许多方面具有极为相似的特性，但与其他压力机一样，不能长时间保持一定的压力，且对所加压力大小不能进行调节，一般用于加工行程比较长的作业。

图3 曲柄压力机与肘杆及连杆压力机的滑块运动曲线比较
由此可见，传统的机械压力机通过选择适当的执行机构及其构件的尺寸，得到满足冲压工艺要求的运动规律，但一种结构方案无法满足多种工艺要求。虽然采用偏置曲柄滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构[2] 等可以部分改变滑块运动规律，但当各杆件的尺寸参数确定后，滑块的运动特性也随之确定，因而不具有柔性，难以用于不同的冲压工艺。近十年来，伺服电机逐步用于机械压力机中。它能极方便地改变滑块的运动曲线，获得不同的工件变形速度，保证冲压件的质量。日本著名的压力机生产厂商Komatsu公司将其称为具有柔性运动的压力机[3]，通过编制不同的程序实现工艺所需的各种运动曲线，已研发出3代不同的产品。AIDA公司将其开发的交流伺服驱动压力机称之为继蒸气驱动、电力驱动后的“第三代压力机”[1]，认为具有划时代的意义。交流伺服电机驱动压力机是成形装备发展的新动向，设备柔性化发展的必然趋势。
2 交流伺服驱动机械压力机的特点
图4 折弯机滑块运动特性比较
与液压伺服驱动相比，交流伺服电机驱动具有能消除油液泄漏，使运动控制更加柔性，每分钟行程次数进一步提高等许多优点。如天田公司推出的EM2510NT产品，采用双伺服电机驱动，行程次数达1800次/分。Komatsu公司采用交流伺服电机—滚珠丝杠驱动方式的折弯机，克服了液压系统速度切换时的短暂停顿现象，滑块运动更加敏捷，如图4所示。加之操作方便、调整容易等其它优点，据称其整体效率较液压式提高了1倍以上[1]。
综合目前各类伺服电机驱动压力机的工作特性，其主要优势有：
（1）高柔性 滑块运动曲线不再仅仅是余弦曲线，可根据不同生产工艺和模具要求（如冲裁、拉深、板料挤压和级进模等）进行优化设置，通过程序编制实现滑块“自由运动”，大大提高了压力机智能化程度和适用范围。
（2）高生产率 滑块行程可根据生产工艺需要调整。例如：对于薄板冲裁，曲柄无需完成3600旋转，而仅进行一定角度的摆动来完成冲压工作，如图5所示。
图5 曲柄摆动工作
（3）高精度 由线性传感器组成的全闭环控制系统能实现高精度的位置控制。如：由偏心载荷引起的在下死点中心处的位置波动及滑块各点处的平行度波动可控制在±10 以内[3]。
（4）低噪音 无飞轮、离合器等零件，简化了机械传动，从而可大大降低噪音。除此之外，通过设定滑块的低噪音运动曲线同样有助于降低冲裁噪音。由试验可知[3]，与传统的冲裁相比，伺服压力机的两步冲裁工艺（滑块在冲裁过程的中段停留一次，然后快速驱动完成冲裁过程）可降低噪音至少10dB。
（5）节能、易于维护 由于简化了机械传动机构，可维护性强，润滑量减少。此外，电气制动储能装置可使能耗大为减少。
此外，伺服驱动压力机能很好地满足一些新材料的成形工艺要求。例如，镁合金压力成形时需将其加热到250℃～350℃，由于大部分镁合金产品为薄板结构，毛坯加热后在模具中的冷却速度非常快，因此在传统的压力机上难以实现恒温压力成形。采用伺服压力机成形时的滑块运动曲线如图6所示。工件在室温下放置于模具中，然后滑块快速下移至B点，此时模具中的加热装置开始加热工件，滑块继续慢速下移至C点的同时工件温度升至300℃。在C点开始慢速成形工件至成形终点D，最后滑块快速回程。采用该工艺不需加热炉、易于控制成形温度、防止工件表面氧化，易于获得理想的高质量产品。而传统的机械压力机难以达到这一效果。
图6 镁合金压力加工中的滑块运动曲线
3 伺服电机驱动机械压力机的现状
目前交流伺服电机驱动压力机的结构形式有多种且各有其性能特点，分述如下。
3.1 螺旋机构
双点螺旋压力机的传动系统如图7a。两台伺服电机通过同步皮带减速，驱动滚珠丝杠使滑块上下运动。滑块上的位移传感器提供反馈信号，组成闭环控制系统。与液压机相似，可在滑块整个运动行程的任意位置均能产生最大工作载荷，滑块的运动曲线柔性可调。但由于滚珠丝杠强度和电机功率的限制，难以构建大吨位的压力机。
3.2 肘杆机构
肘杆机构伺服压力机传动结构如图7b。两台伺服电机通过同步带传动滚珠丝杠，带动滑块做上下运动。由于肘杆机构具有大的增力比，因此该传动类型的压力机能提供较大的成形压力，柔性与螺旋机构相似。但也正由于肘杆机构的存在，该结构类型的压力机行程相对较小，载荷随滑块的运动位置而变化。
3.3 混合传动机构
混合传动机构如图7c所示。伺服电机通过同步带和齿轮传动，由曲柄连杆机构带动滑块作上下运动。该结构中滑块的上下运动无需伺服电机的正反转切换，适合于连续高速运转的场合。
3.4 多连杆混合输入机构
a 螺旋机构 b 肘杆机构 c 混合机构 d 多连杆混合输入
图7 交流伺服驱动压力机传动机构类型
图7d表示了多连杆混合输入的结构原理，它是一个两自由度的多杆机构。杆1由常规交流异步电机驱动，提供压力机的主要动力，杆4由伺服电机驱动，通过改变D点的位置、速度和加速度，调节滑块F的输出运动。此种传动结构中所需伺服电机的容量和输出力矩均较小，但滑块输出运动调节的范围有限，柔性较小，同时机械传动部分结构较复杂。
4 交流伺服电机驱动压力机需要解决的关键技术
4.1 高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机的研制
作为动力传动装置的伺服控制系统长期以来主要靠直流伺服电机，但由于机械换向器与炭刷的影响，其功率和可靠性难以提高。具有变频调速的交流伺服驱动系统是21世纪的主流技术与产品，但目前伺服电机用于机械压力机上的研究还不是很广泛。Rong-Fong Fung 等
图8 高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机
[5] 利用永磁铁伺服电机驱动曲柄滑块机构，采用自适应扭矩控制技术，通过计算机控制伺服电机的转速，可以精确的控制滑块相对于电机转角的位置。AIDA公司于1999年开始研制专门用于金属压力成形中的高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机，如图8所示。目前已开发出用于300吨压力机上的单电机驱动系统，其能量消耗可与一般的机械压力机持平。在我国，由于国外对大容量交流伺服电机及其驱动模块的垄断因素，大容量的交流驱动系统目前价格十分昂贵，根据市场调研，交流同步电机及其控制器的价格当前大约为1万元人民币/KW [4] 。充分利用我国丰富的稀土资源优势，开发具有自主知识产权的大容量交流永磁同步电机将为交流伺服驱动压力机的发展提供坚实的基础。
4.2 交流伺服驱动的效率与能耗问题
交流伺服驱动压力机工作过程中，电机总在反复启动的规范下工作，一般一个工作循环中与电网接通两次。角速度从零到任意给定值（或额定值）ω0变化两次，电机的转差率从零变化到额定值（或给定值），这会使电机产生所谓的启动能量损耗。另外，在大转动惯量、大转差率条件下反复启动电机，转子与定子的温升将非常严重。1932年前苏联研制的世界上第一台200吨环形定子电动螺旋压力机的模拟样机，电机温升达到了不能允许的120℃[6]。根据文献[7] 的结论，普通电动螺旋压力机转子的严重发热是在大转动惯量、大转差率条件下反复启动引起的。因此，如何利用变频调速技术，减少压力机在工作过程中交流伺服驱动系统的发热、提高电气效率是一个非常关键的技术问题。这对于大容量、低转速的电机尤为重要。
4.3 提高机械传动机构的效率与承载能力
交流伺服驱动压力机中，通过简化传动链，大大提高了机械传动效率。但对于伺服压力机所必需的机械传动部件，如何提高其传动效率，或开发新的传动机构，以满足伺服传动的要求尤为突出。例如，在伺服驱动的各类成形装备中，广泛采用螺旋副将旋转运动转换为直线运动，目前大多采用重载滚珠丝杠。日本NSK公司已生产出直径达140mm的重载滚珠丝杠系列产品。但滚珠丝杠的承载能力毕竟有限，而且价格昂贵。开发低成本、重载、高效、精密螺旋副是目前交流伺服驱动压力机亟待解决的问题之一。
5 结束语
交流伺服电机驱动的压力机可提高设备的自动化、智能化水平，改善压力机的工作特性，是新一代成形设备的发展方向。国外发达国家已投入研制使用阶段，而目前国内这一技术尚比较落后。研制高容量、大扭矩、低转速交流伺服电机，改善大变负荷下交流伺服驱动系统的效率，开发新的传动机构以满足伺服控制和承载能力的需要是现阶段此项技术发展的关键所在。当前，交流伺服驱动压力机虽然能实现普通机械压力机所不能达到的许多压力成形工艺，但由于其没有能与机械压力机中的飞轮或液压机中的蓄势器相媲美的储能设备，尚不能用于大吨位的压力机中。


参考文献：
[1]孙友松，张宏超.金属板材加工设备发展新动向[J].锻压技术，2004，4：1-4.
[2]W. Voelkner. Present and future developments of metal forming: selected example. Journal of Material Processing Technology，106(2000)236-242.
[3]赵升吨.机械压力机交流伺服电动机直接驱动方式合理性探讨[C].首届锻压装备与制造技术论坛会议论文集，2004.115－119.
[4]Fung R F et al. Fuzzy sliding mode controlled slider-crank mechanism using a PM synchronous servo motor drive [J]. International Journal of Mechanical Science，1999，40-41.
[5]Ю. А. Бочаров. 螺旋压力机[M].北京：机械工业出版社，1985.
[6]夏思淝.电动螺旋压力机电机转子发热问题探讨[J].锻压技术，2003，4：45－47.


Development of AC Servomotor Driving Mechanical Press
ZHANG Li-zhong, LIN Hong-qi
(Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004, China)
Abstract: This paper analyzed the background of AC servo driving mechanical press. The characteristics and state-of-the-art of AC servo driving press are also summarized in the context. Large capacity, high torque and low RPM AC servo motor, high efficiency of AC servo driving system in severe variable load condition and new driving mechanisms expected to meet the requirements of servo driving and bearing capacity are the keys of this technology.
Key words: AC Servo Driving；Forming；Mechanical Press；Flexibility



作者简介：张力重（1964—）男，河南省南阳市人，南阳理工学院机电系金工教研室主任兼金工实习基地主任，副教授，1984年毕业于华中工学院，后就职于开封高压阀门厂从事技术工作，2000年调入南阳理工学院机电工程系任教至今，主要研究方向为材料加工及机械制造。