伺服压力机在汽车行业有哪些压装应用？
目前，伺服压力机除了大规模应用的曲柄连杆、丝杠螺母等传统机构外，还采用了肘杆、多连杆、差动轮系、蜗轮蜗杆等机构，且对这些基本机构进行串联式或并联式组合设计。在国内大规模应用的伺服压力机从驱动结构来说主要是前两种结构。本文就目前国内主要应用的曲柄连杆和丝杠螺母传动结构进行了分析与比较，并对目前我公司已经引进投产的伺服压力机工艺应用情况进行说明，并对伺服压力机的优点和目前发展过程中面临的主要问题进行讨论，以供相关设计、生产人员参考与借鉴。
一、伺服压力机的结构
1.数控压力机驱动系统伺服化
机械压力机单调的生产方式将无法满足个性化多品种、小批量生产的需要，必须走柔性化生产的道路。首先，应改变其固定行程并由飞轮作刚性驱动模式，而变为行程量、行程下死点及速度均可调的柔性化模式，才能适应不同类型零件的冲压，包括行程曲线、速度、工件成形方法等，使之接近最佳的成形条件。其次，取消飞轮及离合器，使用大扭矩重载伺服电动机通过齿轮或直接驱动曲轴转动或摆动，带动滑块可组合成各种运动模式，而这正是伺服压力机所具备的优点。
2.曲柄连杆结构
通过伺服马达驱动偏心旋转机构，将该偏心旋转机构经过连杆传递给滑块（见图1）。利用伺服马达连续旋转，能够高速上下驱动滑块，从而能够适宜进行高速生产。这类伺服压力机结构简单，易于开发，取消了飞轮、离合器与制动器，以及缩小了齿轮，是伺服机械压力机前期产品常选方案。是国内不少企业首选的伺服压力机传动结构，但机器存在传动链长，传动精度难以提高的不足。由于减速比不够大、无增力结构，该方案对伺服电动机容量要求较高，大幅增加了成本。但由于采用曲柄结构，不需电动机完成正反转动作。目前国际上主要是以舒勒、会田，国内以济二、一重等厂家应用这种结构，目前济南二机床已经成功研制出这种结构的25000kN大型伺服压力机。
3.丝杠螺母结构
利用滚珠螺杠机构将伺服马达旋转动力通过肘杆机构上下驱动滑块。在该伺服压力机中，预先存储相对于基于滑块位置、滚珠螺杠位置或螺母位置的关系式的滑块位置的实际的位置增益转换式，在滑块实际控制时，根据上述实际位置增益的转换式，对应于滑块位置修正位置增益，利用滑块位置偏差和修正后的位置增益运算伺服马达速度指令，以控制伺服马达。根据该伺服压力机，能够高精度地定位滑块，从而能够适于进行高精度加工。目前已经应用于生产中的厂家有日本网野、小松等厂家。具有电动机功耗小、传动效率高的特点，图2为日本网野公司所采用的对称式肘杆结构伺服压力机，该压力机传动结构对床身作用有对称的工作载荷，工作平稳，可长期维持压力机的精度。
该伺服电动机通过蜗杆驱动蜗轮，进而通过重载丝杠螺旋副变蜗轮的转动为滑块的移动，然后利用对称肘杆机构增力后驱动下滑块上下移动。由于采用两台伺服电动机驱动、蜗轮蜗杆减速、对称肘杆增力，具有以下优点：肘杆机构结构简单，刚性较高；肘杆机构本身具有急回特性，可以很好适应成形要求；肘杆机构滑块在工作行程内有更好的低速运动特性；肘杆机构具有很好的增力特性，可以减少伺服电动机的控制及降低电动机的功率需求实现节约能耗。肘杆机构中含有较多转动副，这些转动副摩擦对三角肘杆机构有较大影响，尤其是在大型伺服压力机中这种影响更为明显。
该方案存在的问题是：必须解决重载丝杠的设计、效率、寿命、制造和成本问题；传动链较长，增加了制造的复杂性；上滑块的行程要大得多，从而增加了丝杠的长度，降低了冲压频率，因此设备单位时间行程次数不会很大，制约了在自动化冲压线的大规模推广。
二、伺服压力机特性
伺服压力机是利用永磁铁伺服电动机具有的动力、变速与执行等多种功能，以及转速具有良好可控性的特点，直接（或通过齿轮传动）驱动冲压机构，采用自适应扭矩控制技术和计算机控制技术，利用数字技术（以及反馈控制技术）控制伺服电动机的运转，可以精确地控制滑块相对于电动机转角的位置，以便于独立控制滑块的位置和速度，用一种冲压机构实现为多种冲压工艺而设定的最适合的滑块运动模式，通过编制不同的程序，实现工艺所需的各种滑块运动曲线，获得不同的工件变形速度，保证了工件质量，提高了模具寿命，是一种环保节能型压力机，实现了机械压力机的数字控制，使机械压力机真正跨入了数字化时代。
伺服驱动压力机的主要特点是以压力机主驱动电动机和滑块传动装置直接连接取代惯性飞轮，与传统压力机相比，伺服压力机的具体特征如下（见图3）。
（1）提高生产率行程长度可设定为生产必要的最小值，维持与加工内容相适合的成形速度。
（2）制品精度高通过闭环反馈控制，始终保证下死点精度。抑制产品出毛边，防止不良品的产生。
（3）噪声低，模具寿命长通过低噪声模式（即降低滑块与板料的接触速度），与通用机械压力机相比，大幅减少噪声。且模具振动小，寿命长。
（4）滑块运动的可控制性使用者可利用此特点编制出适合于加工工艺的滑块运动方式，有效提高产品精度和稳定性，提高模具寿命及生产率，且可实现静音冲裁，甚至可以扩大加工范围（如镁合金冲压加工等），适于冲裁、拉深、压印及弯曲等工艺，以及不同材料特性曲线。如可将滑块运行停止保压，其目的是提高制件的成形质量。
（5）节能环保取消了传统机械压力机的飞轮、离合器等耗能元件，减少了驱动件，简化了机械传动结构；润滑油量少，行程可控；由于电力消耗少，因此运行成本也大幅降低。
三、伺服压力机的柔性应用
伺服压力机采用大功率伺服电动机驱动，不仅可以提高材料利用率，还能够提升产品质量，其对模具冲击量减小，大幅提高模具的寿命，从而节约了工装的开发成本。2007年，我公司计划投资一条冲压线，通过调查最终选择了网野的丝杠螺母伺服压力机结构。设备验收后着手对伺服压力机的冲压工艺性展开研究。从冲压工艺来分析，伺服压力机的主要优势有：提高整车的材料利用率，降低整车的采购成本；提高成形品质和表面质量，能很好地控制制件精度；降低对模具的冲击，让模具设计最大的自由化，同时减少模具的投资成本；在模具的保养性和对环境的噪声方面，伺服压力机也大幅优于机械压力机。
伺服压力机的应用
（1）利用伺服压力机柔性提高零件质量伺服机械压力机具有复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪环保性等特点，使得其在成形工艺中的应用愈发重要。运用伺服压力机的工艺可优化技术，具有很大工艺柔性。有多种多样的滑块运动曲线，通过调整模垫不同位置的压边力，提高了零件成形性（见图5、图6）与外委相比降低了零件的报废率，提高了零件的表面质量，降低了返修率，提高了零件的一次下线合格率，每年节约零件返修费20.2848万元（见图7）。
（2）利用伺服压力机柔性提高SPH值普通压力机中，电动机负荷相对比较稳定，即使是工作周期非工作时段，飞轮也要消耗能量以恢复飞轮转速，全周期均消耗能量，电动机额定功率基本上等于周期平均能耗。对于交流伺服驱动而言，没有飞轮，实际消耗的功率是变动的。就电动机的额定功率而言，伺服压力机将大于普通机械压力机。但由于两种驱动方式功率消耗情况大不相同，伺服压力机实际能耗仍低于普通压力机。从图8可以看出，伺服压力机线能耗明显低于机械压力机生产线。
通过运用伺服压力机工艺可优化技术，对于一些模具和零件尺寸，合理调整零件装模高度，通过调整零件行程使冲压二线SPH值由原来180件/h提高到210件/h，按照产量目标冲压伺服线年总产量需达到90万件，加工时间由原来5000h降为4285h，可以节省750h劳务及电力成本，每年提高收益104.05万元（见图9）。
（3）利用伺服压力机的柔性取消工序通过对伺服压力机性能逐步了解，进行了“取消左右前支柱下落料模”改善，取消落料工序，生产时首序直接上深深模，降低了人工费和能耗费用，保证了零件的成形质量。
目前，该伺服冲压线运行效果良好，零件质量相比传统压力机显著提高，收益明显提高，与传统压力机相比每年增加效益222.767万元。
四、总结
1.伺服压力机优势及展望
伺服压力机在性能上具有许多优越性，这已经被证实。但这种压力机究竟有多大的发展前景，业界并没有一致的看法，世界上真正实现了商品化生产的国家也不多。普通交流电动机+飞轮的传动方式具有价廉、简单、可靠等一系列优点，利用其具有良好的刚性、可靠性和高的生产率服务于各工业部门的批量生产，而且后期使用维护成本低，具有很高经济性，将继续以这些特点服务于社会，可以预见在未来没有必要也不可能所有压力机都采用伺服驱动。但是伺服驱动为压力机带来一系列优点，尤其是柔性化和节能减噪等优势为锻压设备展示了诱人前景。
2.对传统机械压力机改造
另外一个方案是对传统机械压力机进行改造，但其所需电动机静转矩值将较原有普通电动机功率大7～8倍，尽管可使滑块运动状态完全由电动机控制及电动机本身更适应断续工作规范，但机械和电气结构设计困难，设备投资太大难以推向市场，目前ABB推行的DDC技术，在一定程度上可以提高机械压力机的柔性。
3.运动部件减速的动能回收
伺服压力机采用电磁制动，运动部件减速的动能转变为电能。如果这部分电能不能回收，就通过电阻消耗，不但降低了效率，且增加电阻箱和冷却系统，能量回收采用以下3种方法。
（1）反馈电网这种方法虽然可以节省电能，但是需要增加一套逆变系统，增加了成本。
（2）电容储存在驱动电路中增加一组大容量电容，存储电动机制动时产生电能，在冲压时释放出来供电动机使用，这种方案不但省电，且大幅减少对电网的冲击（约80%）。缺点是大容量电容价格不菲，且体积非常大。
（3）多机直流互联若车间有多台压力机同时工作，可以考虑在驱动电路中的直流层面联网，同样可以达到节能和降底峰值电流冲击的作用，还可以省去逆变装置和电容器，这是目前最经济廉价的方案，目前这种方案已经在我公司引进的伺服冲压线使用。
4.伺服压力机的能耗和电动机容量
由于伺服压力机没有飞轮储存能量，在到达压力机下死点时全部靠主电动机提供能量，一般伺服压力机主电动机功率至少大于同等吨位机械压力机2.5倍，为此很多厂家伺服压力机单独一台压力机就要为此单独配置一台变压器，因此这也是伺服压力机大批量使用的障碍之一，减小电动机容量途径之一就是提高电动机过载能力。
汽车产业竞争已慢慢转移为产品质量和成本竞争，谁能用较为合理的成本制造出高品质的汽车是以后各汽车主机厂成败的关键因素。新设备新工艺的导入推动了汽车制造业的发展，工艺水平也从侧面反映出了一个汽车主机厂的制造水平。伺服压力机是一种与传统机械压力机完全不同概念的第三代压力机，是信息技术、自控技术与传统机械技术的结合。伺服压力机的出现为汽车工业使用更多的新材料提供了可能，给汽车冲压工艺带来了革新，在设备实际选型中，为了节约投资，可以在冲压线首成形工序选择伺服压力机。
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