交流伺服电动机驱动的塑性加工设备

交流伺服电动机驱动的塑性加工设备

一、传统塑性加工设备由弹性加工设备和加工床组成的整个机械工具行业的两个支柱。驱动装置是所有机械设备的核心，它提供装备所需能量，并实现执行元件加工所需要的运动规律。塑性加工设备的传动形式通常有三种：液压传动，如各种液压机；气压传动，如锻锤、空气锤等；机械传动，如曲柄压力机、螺旋压力机等。液压机是载荷限量设备，其最大作用力是确定的，完成工艺的能力主要受最大载荷的限制；锻锤是能量限定设备，每次打击输出的能量是事先调定的，完成工艺的能力取决于打击时执行机构释放的能量；曲柄压力机是行程限定设备，滑块¨的行程是确定的，完成工艺的能力因行程位置而异。其中，蒸汽锤是第一次工业革命——蒸汽时代有代表性的设备，而曲柄压力机则是第二次工业革命——电力时代有代表性的设备。塑性加工设备经过几百年的发展和完善，新型设备层出不穷。本文在分析了塑性加工设备常用驱动方式存在的优缺点的基础上，明确指出交流伺服电动机驱动的塑性加工设备具备良好的发展前景，并对其在常用的几种主要塑性加工设备中的应用进行了论述。二、一般传统模式的特点1.液压系统的特点液压传动具有功率大、压力、速度和位移均可控的优点，因而在成形设备中得到广泛的应用。在高性能的系统中，则采用液压伺服驱动技术，如数控液压机、数控液压折弯机、数控回转头压力机、注塑机和压铸机等。此外，液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长；易于实现自动化。而且，液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。同时，液压传动系统也存在诸多缺点：由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性，使液压传动无法保证严格的传动比，因而传动精度差；由于泄漏损失、压力损失等，传动效率相对较低，环境污染严重；液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在较高或较低的温度下工作；可靠性差，且出现故障时不易找出原因，调试麻烦。2.非常复杂的特性气压传动与液压传动是一种传动形式，也是一种能量转换装置，即利用压缩空气作为工作介质来实现能量的转换，从而进行能量的传递和分配，典型应用如空气锤等。气压传动系统的介质是空气，因此气源的获取比较容易，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境，因而系统成本较低；工作介质粘度很小，流动阻力很小，因而压力损失小，便于集中供气和远距离输送，使用方便；动作速度和反应较液压系统快；工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强辐射及振动等恶劣的工作环境下，仍能可靠地工作；有较好的自保持能力，即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力；在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，不易发生过热现象。然而，在气压传动中，由于气压信号的传递速度限制在声速以内，要比电子信号和液压信号的传递速度慢得多，因此不适用于高速传递信号及控制非常复杂的回路；工作压力低，仅适用于小功率场合，且装置的尺寸大；由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，这样会给位置和速度控制精度带来很大影响；噪声大，尤其是排气时，须加消音器；工作介质本身没有润滑性，如不采用无给油气压传动元件，需另加油雾器装置进行润滑。锻锤是多种锻压机器的先驱，蒸汽锤、空气锤是利用气压传动的典型设备，从19世纪第一台蒸汽锤在英国问世以来，已有100多年的历史。尽管各种锻造新工艺和新设备不断涌现，但锤类设备由于结构简单、操作方便、适应性强及投资少等特点，至今仍然起着非常重要的作用。特别是现代液压、电子技术在锻锤上得到应用，锻锤已成为锻造行业具有高效、节能、符合环保要求的新型数控锻造设备。蒸汽锤能量的利用率很低，仅为3%。空气锤靠自身压缩空气来产生能量，能量利用率低，噪声污染严重，冲击振动也比较大，属于要淘汰的设备。而引入液压和电子系统的电液锤则将能量利用率提高了25倍，即能量利用率达到75%，噪声、冲击振动均得以减小，可控性也大大提高。3.机械传动的主传动技术电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。电能的生产是由发电机完成的，发电机把机械能转换为电能，电能转换为机械能主要由电动机完成，电动机拖动生产机械运转称为电力拖动。由于电动机效率高，运转经济，种类和规格很多，具有各种良好的特性，能较好地满足大多数生产机械的需要。而且电力拖动易于操作和控制，可以实现自动控制和远距离控制，因此，在现代化生产中多数生产机械都采用电力拖动。长期以来，电机调速和控制主要依赖直流电动机。由于直流电动机价格高，结构复杂，因此只有轧钢机一类的少数要求较高的设备才采用调速。一般成形设备的控制则比较简单，均采用普通交流异步电动机，速度、压力等参数均不能动态调节。与液压系统相比，机械传动的成形设备最大的问题是运动参数固定，调节困难。多年来，人们一直希望能增加机械成形设备的柔性，使设备的工艺参数得到方便的调节，以便实现工艺参数优化，提高工作性能。随着电力电子、电机、变频控制、计算机控制以及其他相关技术的迅速发展，上世纪末出现了一种基于交流伺服电动机的数控重载机械驱动技术。数控重载机械驱动是一种基于交流伺服电动机和机械传动系统的、用于成形设备主传动的数控系统。它以交流伺服电动机为动力，通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其他机构将电动机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。将其作为成形装备的主传动，不但可以大大提高设备的智能化水平、可靠性和使用性能，还可以简化结构和安装调试工作，降低能耗，减轻重量，彻底消除油液对环境的污染，是高新技术与传统机械系统的结合，对推动成形装备的更新换代，具有很大的影响。工业发达国家对此技术十分重视，短短几年其应用领域已经从注塑机发展到折弯机、机械压力机、数控回转头压力机及螺旋压力机等各种成形设备。三、伺服电机系统交流伺服电动机是一种受输入信号控制并作快速响应的电动机，其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围内能输出额定转矩，过载能力强，控制性能可靠，响应迅速。因此，交流伺服电动机广泛地应用于自动控制系统、自动监测系统和计算装置、增量运动控制系统以及家用电器中。在这些系统和装置中，主要是作为执行元件。1.型交流伺服电机将交流伺服电动机应用于机械压力机的研究始于上世纪90年代美国俄亥俄州立大学工程研究中心。该中心提出了由交流伺服电动机驱动滚珠丝杠或曲柄，通过多杆机构将运动转化为滑块所需的运动，并制造了木头模型装置。之后，交流伺服电动机应用于机械压力机的研究迅速发展，日本、加拿大等国家均进行了深入的研究，特别是日本小松和会田等公司分别开发了各自的交流伺服电动机驱动型曲柄压力机。图1所示为日本小松公司的H2F300型交流伺服电动机直接驱动型机械压力机，公称压力为300kN，最大滑块行程次数为80次/min，公称压力行程为6mm，滑块行程为30～250mm，装模高度为550mm，两个主伺服电动机的功率均为100kW。两台伺服电动机对称放置，通过皮带减速，带动滚珠丝杠运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动。图2所示为日本会田公司的交流伺服电动机驱动型曲柄压力机原理简图，伺服电动机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作，无飞轮和离合器。由于伺服电动机价格昂贵，功率较小，虽然通过多杆机构等传动机构可以实现一定的增力作用，但是由于没有飞轮，不能像普通机械压力机那样进行能量积蓄。因此现有的交流伺服电动机驱动的机械压力机吨位较小，主要适合于钟表等精密零件的生产，如日本小松公司的H2F型交流伺服电动机驱动型压力机的最大公称压力仅为300kN。为了满足实际需要，大吨位的交流伺服电动机驱动型机械压力机的研究日益开展，主要集中在两个方面：一方面是研究大功率的交流伺服电动机以满足大吨位压力机的需要，如FANUC、安川生产了功率达150kW的交流伺服电动机系列；另一方面是利用伺服电动机良好的可控性。通过与普通电动机和飞轮的联合作用实现所需要的运动，即采用伺服电动机和普通电动机联合输入的方式，普通电动机带动飞轮实现能量积蓄，由伺服电动机来完成运动调节，实现理想的冲压过程。2.伺服驱动系统由于数控回转头压力机具有加工的万能性和高度的自动化，一直受到厂家的重视，成为现代冲压行业的主要设备之一，其地位与切削加工中的加工中心类似。数控回转头压力机的发展已经有数十年的历史。最初的数控回转头压力机，大多采用机械驱动，步冲频率比较低，仅为200次/min以下。上世纪末，数控回转头压力机越来越多地采用液压伺服驱动技术，步冲频率提高到600次/min以上。几年前，日本村田等公司开始研制基于伺服电动机驱动的数控回转头压力机，性能有了进一步提高，其主要优点：消除了油液泄漏；运动控制更加柔性；系统无需预热，可直接快速启动；节约能源，可节电30%～40%；步冲频率较液压伺服系统进一步提高。村田公司推出了采用这一技术的MTORUM-2004EZ型数控回转头压力机。图3所示为日本村田公司数控回转头压力机的伺服驱动系统简图，交流伺服电动机通过齿轮减速带动曲轴3旋转，再通过连杆4带动滑块1上下运动，由位移传感器2来提供反馈信号。不久前，日本天田公司推出了EM2510NT型数控回转头压力机，采用双伺服电动机驱动，声称为“世界上最快的数控回转头压力机”。其工作频率较液压伺服系统又有较大提高，如下表所示，工件移动轴速（x,y）分别达到100m/min和80m/min，合成速度达128m/min。3.交流伺服电机驱动型折弯机板料折弯机是塑性成形工艺中应用最广泛的弯曲设备，早在上世纪80年代已经实现了数控化，普遍采用电液伺服加光栅形成闭环控制。折弯工艺从编程到弯曲过程的模拟、控制和修正等均实现了高度的自动化。国外一些锻压设备制造商也正将数控重载机械驱动技术引入到折弯机中，以进一步提高设备性能。日本小松公司在“2004上海国际金属板材加工设备展览会上”展出了该公司开发的新型交流伺服电动机驱动型折弯机。该折弯机摒弃了液压驱动，采用交流伺服电动机——滚珠丝杠驱动方式。除类似于交流伺服电动机回转头压力机所具有的优点外，突出特点是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，生产效率更高。图4所示为交流伺服电动机驱动型和液压驱动型折弯机滑块运动特性比较图，加上操作方便、调整容易等其他优点，其整体效率较液压式提高了一倍以上。4.第二、批判混合驱动的螺旋压力机螺旋压力机依靠螺旋副将旋转运动转化为滑块的直线运动来进行工作，螺旋压力机是最古老的成形设备之一，具有十分悠久的历史。基于锤工作模式的螺旋压力机也开始采用交流伺服技术，日本ENOMOTO公司在不久前声称在世界上首次开发成功交流伺服电动机驱动的螺旋压力机，如图5所示。它有两种传动方式，一种是将扁平型伺服电动机直接安装在螺杆上（150DS型）；另一种是通过皮带带动飞轮旋转（500ZLS型）。由于采用交流伺服驱动，使其具有更加优越的工作性能，主要表现在：节能可达50%；可以获得更高的控制和锻造精度；适应性广，一种设备可完成从小到大的各种锻件的压制，更适应小批量多品种的柔性化生产。该产品获2001年日本第31届新机械技术奖，目前的最大吨位为16000kN，安装有两台100kW的交流伺服电动机。为了提高螺旋压力机的抗偏载能力，德国LASCO公司开发了世界首台SKP型楔式电动螺旋压力机，如图6所示。该机采用螺旋带动楔块，楔块推动滑块上下运动工作。这种传动形式除抗偏载能力强外，由于楔形机构