熊曉紅，陳 平

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.湖北凌頂科技有限公司，湖北 鄂州 436000）

螺旋壓力機(jī)是一種能量加工設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低，成為目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用面最廣的模鍛設(shè)備，可完成模鍛、切邊、校正等鍛壓工藝，不僅適用于機(jī)械零件的鍛造，而且特別適合于精鍛工藝，在汽車、工程機(jī)械、鐵路車輛、航空航天、船舶等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。既可用于金屬材料的塑性成形，也廣泛應(yīng)用于冶金、餐具、工具、醫(yī)療器械、陶瓷、建材和耐火材料等行業(yè)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是螺旋壓力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。螺旋壓力機(jī)的滑塊每分鐘行程次數(shù)直接受飛輪角速度ω的影響，由于電機(jī)總處于帶有大慣量負(fù)荷和頻繁地正、反向的起動(dòng)狀態(tài)，即一直處于“起動(dòng)－慣性停車－反向起動(dòng)－制動(dòng)”的非穩(wěn)態(tài)過程中，因而電流較大，還要控制換向次數(shù)。當(dāng)接觸鍛件打擊時(shí)，電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)驟停，傳動(dòng)系統(tǒng)面臨巨大的沖擊力和慣性能量釋放。所以如何選擇慣量小的電機(jī)類型、如何釋放自身能量、如何保護(hù)好電機(jī)軸和底座等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成為壓力機(jī)是否能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的最重要因素。目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)有開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種主要方案。由于這兩種電機(jī)及驅(qū)動(dòng)方式存在固有缺陷，雖然電動(dòng)螺旋壓力機(jī)在提高性能及可靠性方面取得了很大進(jìn)步，但離用戶高柔性、高精度、高可靠的要求相差很遠(yuǎn)。

1 螺旋壓力機(jī)分類及發(fā)展

螺旋壓力機(jī)按動(dòng)力形式分類，目前國(guó)內(nèi)有摩擦壓力機(jī)、離合器式（高能）螺旋壓力機(jī)和電動(dòng)螺旋壓力機(jī)三種類型。摩擦壓力機(jī)是電機(jī)通過摩擦盤和操縱缸而改變飛輪旋轉(zhuǎn)方向的螺旋壓力機(jī)；離合器式螺旋壓力機(jī)是通過離合器和回程缸改變滑塊運(yùn)行方向；電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是電機(jī)直接改變飛輪旋轉(zhuǎn)方向的螺旋壓力機(jī)[1]。

螺旋壓力機(jī)也有不足之處，它與模鍛錘相比，行程次數(shù)低，尤其是傳統(tǒng)的摩擦壓力機(jī)只適用于單模槽模鍛，制坯不便，往往要另行配備制坯設(shè)備。它與熱模鍛壓力機(jī)相比，抗偏載能力差，生產(chǎn)率低。另外螺旋壓力機(jī)還有特殊的力能關(guān)系，存在著多余能量問題。即當(dāng)飛輪提供的有效能量大于鍛件實(shí)際需要的變形能時(shí)，這部分能量將轉(zhuǎn)化為機(jī)器和模具載荷，加劇機(jī)器的磨損，縮短機(jī)器和模具主要受力零件的壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)器和模具直接損壞。

交流伺服壓力機(jī)是成形裝備的最新發(fā)展，以計(jì)算機(jī)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運(yùn)動(dòng)。不但可以保持機(jī)械驅(qū)動(dòng)的種種優(yōu)點(diǎn)，而且改變了其工作特性不可調(diào)的缺點(diǎn)，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)的成形裝備也具有了柔性化和智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高。

交流伺服壓力機(jī)的核心是交流永磁同步伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或其他參數(shù)可以按照任意的輸入信號(hào)而變化。20世紀(jì)60～70年代開始出現(xiàn)，首先在數(shù)控機(jī)床行業(yè)應(yīng)用，不僅克服了直流調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，而且達(dá)到了直流調(diào)速同樣的性能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。九十年代，小功率（5kW左右）的交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)，在各種數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人得到了充分應(yīng)用。本世紀(jì)初，隨著中大功率（100kW以上）交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制裝置的日益成熟，該技術(shù)得以應(yīng)用于機(jī)械裝備的主傳動(dòng)。發(fā)達(dá)國(guó)家開始將交流伺服傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于鍛壓機(jī)械的研究和產(chǎn)品開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋大部分成形設(shè)備。

伺服機(jī)械壓力機(jī)稱為“第三代壓力機(jī)”，認(rèn)為其具有劃時(shí)代的意義。日本各著名壓力機(jī)制造廠商如AIDA、KOMASTU、ENOMOTO 和 德 國(guó) SCHULER、SMS等公司已推出商品化的產(chǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋壓力機(jī)在模鍛成形中得到了應(yīng)用。伺服壓力機(jī)是高新技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的結(jié)合，對(duì)推動(dòng)成形裝備的更新?lián)Q代，具有不可限量的影響。

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)繼承了電動(dòng)螺旋壓力機(jī)能量可控、傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并將優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極致。

（1）實(shí)現(xiàn)柔性化和智能化，工作性能提高。由于伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置可任意調(diào)節(jié)，自動(dòng)化和智能化程度提高，可任意設(shè)置打擊能量，設(shè)備的工藝適應(yīng)性擴(kuò)大。

（2）打擊能量控制更精確，制件質(zhì)量更穩(wěn)定。伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)采用同步伺服直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)和反饋轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，采用閉環(huán)控制，螺桿飛輪的轉(zhuǎn)速控制精度及儲(chǔ)存的能量波動(dòng)范圍小，打擊能量控制精度高。這對(duì)保證制件質(zhì)量穩(wěn)定性至關(guān)重要；同時(shí)，通過能量合理設(shè)定，盡量減少過剩能量，可以降低設(shè)備與模具的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備和模具的使用壽命。

（3）零傳動(dòng)，高效節(jié)能。采用先進(jìn)的交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)和矢量控制技術(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與螺桿飛輪連接，電機(jī)扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化到極致，實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)。沒有中間傳動(dòng)部件、易損件和能量損失，高效節(jié)能。

2 交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)

交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)是一種低速大扭矩、直接傳動(dòng)的特殊伺服電機(jī)。可提供迄今為止最高的轉(zhuǎn)矩密度和使用性能。電機(jī)由具有很多級(jí)數(shù)的定子、永磁空心軸轉(zhuǎn)子和高精度編碼器組成。結(jié)構(gòu)上采用較窄的鐵芯片堆疊和大的空心軸設(shè)計(jì)，由于負(fù)載不需要轉(zhuǎn)接裝置（如減速箱、齒輪、皮帶輪、鏈條等）而是直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，所以簡(jiǎn)稱為直驅(qū)電機(jī)（如圖1所示）。以其高功率因素、高轉(zhuǎn)矩電流比等優(yōu)越性能被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖1 交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)

其具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；采用高性能釹鐵硼勵(lì)磁，鐵損銅損均小于同功率異步電機(jī)；體積比異步電機(jī)小，而功率因數(shù)大大高于后者；直接與負(fù)載耦合，低速大扭矩，減少機(jī)械傳動(dòng)的維護(hù)工作量；采用堅(jiān)固耐用的旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度反饋單元，適應(yīng)振動(dòng)大的場(chǎng)合長(zhǎng)期使用。

如表1所示，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)、交流異步變頻電機(jī)、交流永磁同步直驅(qū)伺服電機(jī)在螺旋壓力機(jī)的應(yīng)用作一個(gè)全面對(duì)比。

由表可見，采用交流永磁同步伺服直驅(qū)電機(jī)的螺旋壓力機(jī)將在高精度、高柔性、節(jié)能、可靠性等方面帶來革命性的變化。

表1 三種電機(jī)性能對(duì)比

3 J58SZ型伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)以其從電機(jī)到螺桿飛輪零傳動(dòng)特點(diǎn)，提升了傳動(dòng)效率，消除了螺旋壓力機(jī)原先傳動(dòng)環(huán)節(jié)故障因素，最大限度降低故障率和維修率，保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 基本結(jié)構(gòu)

伺服直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與螺桿飛輪連接，電機(jī)扭矩直接傳遞給螺桿飛輪，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化到極致，實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)。從設(shè)備的堅(jiān)固性、可靠性、維修和效率方面來說，這種直驅(qū)裝置代表了螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的最佳方案。

J58SZ伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)采用同步伺服直驅(qū)電動(dòng)機(jī)+伺服控制器驅(qū)動(dòng)、PLC+觸摸屏控制方式，如圖2所示。同步伺服直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿，螺桿的中部裝有推力軸承將軸向力傳遞給機(jī)身，螺桿與螺母之螺紋配合，將螺桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母與滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞能量和力；剎車安裝在飛輪的邊緣，制動(dòng)塊由彈簧力作用壓緊飛輪，防止其在斷電情況下轉(zhuǎn)動(dòng)；伺服電動(dòng)機(jī)帶有旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，也用來檢測(cè)飛輪速度或滑塊位移。

3.2 工作流程

發(fā)出打擊指令后，制動(dòng)器松開，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)以最大扭矩旋轉(zhuǎn)加速，飛輪和螺桿由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊下行，位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)滑塊速度和位置，當(dāng)滑塊速度達(dá)到所設(shè)定能量（E=1/2Jω2）的目標(biāo)值時(shí)，電機(jī)速度保持恒定；隨后鍛造成形；上下模完全打靠、滑塊速度降為零時(shí)發(fā)出回程信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑塊回程，同時(shí)頂出器動(dòng)作，延時(shí)一段時(shí)間后退回；當(dāng)滑塊回程到一定高度時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)入能耗制動(dòng)，接近上死點(diǎn)時(shí)，滑塊速度接近于零，制動(dòng)器動(dòng)作剎車，使滑塊靜止在上死點(diǎn)。

圖2 J58SZ伺服螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 特點(diǎn)

第三代螺旋壓力機(jī)--伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)用直驅(qū)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，取消了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）零傳動(dòng)。直接將扭矩傳遞給螺桿飛輪，沒有中間傳動(dòng)部件、易損件和能量損失。

（2）高效率。傳動(dòng)效率提高20%以上，更加節(jié)能。

（3）高可靠。取消了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和齒輪或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)和齒輪壽命低的弱點(diǎn)，提高設(shè)備的可靠性。

（4）低噪聲。運(yùn)動(dòng)噪聲大大降低。

4 控制系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)矢量控制技術(shù)

4.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以可編程控制器S7-1200為核心，輔以模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出等擴(kuò)展模塊，再加上外圍的控制電路和控制對(duì)象，硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。CPU模塊通過通訊接口與觸摸屏進(jìn)行通訊，觸摸屏負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和必要的參數(shù)設(shè)置；模擬量擴(kuò)展模塊產(chǎn)生速度指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單元采用矢量控制方式控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)則通過飛輪和螺桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓力機(jī)的滑塊實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過電機(jī)位移傳感器檢測(cè)滑塊位移，并判斷各開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)，據(jù)此發(fā)出一系列控制指令，滿足各種操作要求。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

控制系統(tǒng)還可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線通迅，方便地與制坯、加熱、噴墨等配套設(shè)備及機(jī)器人組成全自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，提升智能制造水平[2]。

4.2 電機(jī)控制技術(shù)

驅(qū)動(dòng)單元采用矢量控制電機(jī)調(diào)速技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋信號(hào)，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，由于伺服系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。

矢量控制技術(shù)將三相交流繞組iA、iB、iC等效為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相正交繞組iM、iT，亦即將三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效為兩相旋轉(zhuǎn)正交磁場(chǎng)，通過控制等效的勵(lì)磁電流分量iM和iT轉(zhuǎn)矩電流分量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)iA、iB、iC的控制，如圖4所示。通過這種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了相互耦合的電機(jī)參數(shù)的解耦，可如直流調(diào)速控制系統(tǒng)一樣，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，從而使交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如圖5所示。由于伺服系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，速度控制精度更高，從而能量控制更加精確。另外，在運(yùn)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(jī)嚴(yán)重發(fā)熱[3]。

圖4 等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組模型

圖5 矢量控制原理圖

實(shí)際運(yùn)用中，伺服電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋信號(hào)，提高其抗震動(dòng)能力。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的控制，以滿足各種生產(chǎn)工藝要求。

圖6 有效能量測(cè)試實(shí)驗(yàn)

5 有效能量檢測(cè)

在螺旋壓力機(jī)的設(shè)計(jì)中，有效能量是最為關(guān)鍵的指標(biāo)。以6.3MN伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)為例，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T11194.2-2011規(guī)定的銅柱鐓粗法進(jìn)行有效能量測(cè)試。

試件準(zhǔn)備：銅柱采用純度為99.9%的電解紫銅棒，直徑56mm，高度84mm，牌號(hào)為T1或T2。上下兩端面儲(chǔ)油腔深0.2mm，環(huán)形壁厚1mm。試件需進(jìn)行熱處理，將棒料切下后，在電爐內(nèi)500℃保溫1小時(shí)，再在爐內(nèi)緩冷。加工要求保持上下兩端面平行，且試件全部粗糙度不大于3.2。如圖6所示。

打擊測(cè)試：將滑塊點(diǎn)動(dòng)上升至最高點(diǎn)，設(shè)置打擊能量為100%（80kJ），雙手按住打擊開關(guān)，控制需要發(fā)出打擊指令，完成全能量打擊過程。

測(cè)量變形后的銅柱：直徑93.4mm，高度31.6mm。國(guó)標(biāo)規(guī)定打擊后的銅柱高度小于42.5mm即滿足要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明J58SZ-630伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)有效能量遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)，高效、節(jié)能。

6 結(jié)束語(yǔ)

伺服直驅(qū)螺旋壓力機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接螺桿飛輪，沒有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，克服傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的固有缺陷，大幅提高系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，提高能源利用率。提供了極其優(yōu)秀的性能、極高的剛度、高能量控制精度、更高的生產(chǎn)能力、緊湊的機(jī)械組裝。零傳動(dòng)、零維護(hù)、安靜的運(yùn)行環(huán)境，必然提升用戶體驗(yàn)，滿足客戶高品質(zhì)要求。