1.4 典型伺服成形装备

1.4.1 成形装备伺服驱动的实现方式

总体来说，用大功率交流伺服电动机取代传统的普通感应电动机的成形装备都可以称为交流伺服成形装备，但具体的实现方式可以有不同的形式。

1.采用机械传动的成形装备

此类设备，将动力源换成了大功率伺服电机，传动系统也进行了相应改变。

2.采用液压传动的成形装备

此类装备，有两种实现方式。一种是采用泵控伺服直驱（或直驱容积控制DDVC，Direct Drive Volume Control）技术，仅将油源中的感应电动机换成伺服电动机，将变量泵换成定量泵，从而将原来的普通油源改造成一个泵控伺服油源。液压传动系统的其他部分基本保留，液压缸仍作为执行元件。采用这种方式的有伺服液压机、伺服注塑机、伺服压铸机等。用这种方法改造现有的采用液压传动的设备，具有很好的效果，投入少，收效大。另一种就是彻底取消液压系统。伺服电动机配上螺旋副（滚动或滑动），就可以直接将电动机的旋转运动转换为直线运动，取代了液压缸。这样的设备称为全电动成形装备，具有精度高、节能、自动化程度高的特点。这种伺服电动机+螺旋副的装置，其功能相当于伺服液压缸，称为电动缸，目前已经成为一种独立的产品，在各个行业取代液压缸，得到了越来越广泛的应用。

1.4.2 典型伺服成形装备

1.全电动伺服注塑机

塑料注射机是一种用途最为广泛的塑料成型设备。常见的注塑机多为液压式，由多个执行机构（液压缸、液压马达）分别实现合模、预塑、注射和顶出等动作。较高质量的注塑机对速度、压力和位置等参数均有更高的要求，采用电液伺服控制。

采用伺服机械驱动的全电动伺服注塑机，完全去除了液压系统，以多台交流伺服电动机取代了液压执行机构，直线位移由滚珠丝杠实现。其压力、位置和速度的控制取得了比液压伺服系统更高的精度和很好的节能效果。全电动伺服注塑机是最早开发的伺服成形装备，日本日精公司在1983年就开发了首台全电动伺服注塑机，发展为ES系列产品，较传统液压式节能25%～60%，1997年推向市场，1998年获日本年度优秀产品奖。最新开发的全电动伺服注塑机，丝杠与电动机转子轴为一体化结构，传动链十分简单，如图1-3所示。我国东莞市东华机械有限公司亦在2002年试制成功TTL-50 U-200 U 系列全电动伺服注塑机。目前国内已有包括宁波海天集团股份公司在内的多家公司生产全电动伺服注塑机。

2.伺服液压机

图1-4所示为采用泵控伺服液压机的液压系统图，它是在原普通液压机的基础上改进而成，如图1-5所示为2000 kN直接泵控伺服液压机的外观图。改进的主要原理为：

1）将原普通异步电动机改为交流永磁同步伺服电动机，仍采用定量泵组成泵控伺服液压源。

2）保留原来的液压控制系统，如方向控制、充液控制等。

3）在主缸和压边缸分别装有比例压力阀，实现两缸的自动压力控制。

4）在主缸和压边缸分别安装位移传感器，在液压系统中安装压力传感器，与伺服电动机、控制器结合组成位置、速度和压力的闭环控制。

进行了拉深工艺的对比试验，结果表明，泵控伺服机械压力机不仅性能大幅提高，而且较普通液压机节能20.7%。

3.伺服压铸机

传统800 t压铸机液压系统液压源部分原理图如图1-6所示。其动力源部分由一台37 kW的三相异步电动机驱动两个双联定量泵组成。V101为卸荷溢流阀，当系统需要高压小流量时，V101卸荷阀开起使大泵P1卸荷，可在一定程度上减少部分溢流损耗；或当系统压力到达一定数值时，V101外控油路作用，自动开起，使大泵 P1卸荷。当系统需要低压大流量时，V101卸荷阀关闭，大泵通过单向阀与小泵一起提供系统所需流量。系统压力由比例压力阀 V103调定，系统流量由比例流量阀V102调定。系统主要执行机构为3个液压缸：注射液压缸、合模液压缸和顶出液压缸。设有蓄能器，为注射液压缸高速运动时提供压力油。

将图1-6中的三相异步电动机M101更换为永磁同步伺服电动机，型号为SMM2520220W，为油冷电动机，该电动机采用了强迫油循环冷却技术，减小了电动机体积，增大了功率密度；将双联泵P101更换为Eckerle（艾克乐）柱塞泵，型号为EIPC5-100RA23-10，排量为100 mL/r，油源部分保留比例溢流阀 V103作为安全阀用，其余去掉不用；电气控制部分和机内参数需做相应改动，改造后的压铸机液压源部分液压原理图如图1-7所示。

经过实际对比测试，改造后的压铸机节电46.3%，生产效率提高5%，制品质量也得到提高。

4.伺服电动折弯机

板料折弯机是应用极为广泛的弯曲设备，早在20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模拟、控制、修正等均实现了高度的自动化。交流伺服电动机驱动的全电动折弯机的出现，使其工作性能得到了进一步提高。

日本小松（KOMATSU）公司在1995年就开发了PAS系列交流伺服折弯机，目前规格已达350～1250 kN。除节能、结构简单等交流伺服电动机驱动普遍的优点外，突出的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；当采用4个独立的驱动单元驱动时，可以方便地补偿机身和滑块的变形，提高制件精度。据称，与液压驱动的折弯机相比，生产效率提高了47%，运行成本降低了35%，节电15%，试折用材料消耗减少了8%～14%。如图1-8所示为小松公司的四点折弯机。

5.伺服螺旋精压机

图1-9所示为广东工业大学开发的630 kN伺服螺旋精压机，其工作性能类似液压机，以静压力工作。伺服电动机经行星减速器减速带动螺杆旋转，经固定在滑块内的螺母使滑块上下运动。通过光栅检测位移和速度，实现闭环控制，还可通过电动机电流实现压力控制。该机采用了自行研制的新型复合材料螺母，传动效率均较青铜螺母有较大幅度的提高。

日本AIDA公司的A-SF压力机属于这类产品，目前最大吨位为800 kN。伺服电动机带动两个直径不同的带轮，具有不同的传动比，利用离合器来切换。空行程时，减速比小，丝杠以较高速度旋转；工作行程时，减速比大，丝杠转速慢，增力比也大。这种传动方式可以降低对电动机的要求。滑块上有位移传感器，反馈位移信号。日本小松公司的HCP型伺服机械压力机的传动原理与此类似。

6.伺服电动数控回转头压力机

数控回转头压力机的发展已经有数十年的历史。最初多采用机械驱动，步冲频率比较低，通常在200次/min以下。20世纪末期，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。随着伺服电动机驱动的数控回转头压力机的出现，其性能有了进一步的提高。其主要优点是取消了液压系统，消除了油液泄漏；系统无须预热，可直接快速起动；节电30%～40%；步冲频率较液压伺服驱动进一步提高。如图1-10所示为日本AMADA公司AE-NT系列伺服数控回转头压力机的单电动机传动系统，伺服电动机通过滚珠丝杠-连杆机构驱动滑块。公称工作频率为900spm，在行程1in 时，达到370spm。该公司推出的EM2510NT产品，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”。其步冲频率达1800 spm。

7.伺服电动螺旋压力机

螺旋压力机是目前我国模锻的主力设备，据中国锻压协会的统计，其数量占我国全部模锻设备的37%，超过热模锻压力机和锻锤的总和。其中，摩擦螺旋压力机历史最久，应用也最为广泛，除锻压行业外，在建材等行业也有应用。由于摩擦压力机存在效率低、能耗高、工作可靠性差（需经常维护）和控制性能不好等问题，早已被我国政府列为淘汰产品，尤其不适用于大吨位压力机，但由于造价方面的优势，中小吨位，尤其小吨位螺旋压力机目前仍以摩擦压力机为主。

为提高摩擦压力机的效率和打击能力，先后制造出了液压螺旋压力机、电动螺旋压力机和离合器式螺旋压力机等，均取得了很好的效果。近些年来，由于电力电子技术的发展和交流伺服驱动技术在螺旋压力机中的应用，新型电动螺旋压力机表现出突出的优势，成了螺旋压力机的主要发展方向。

新型电动螺旋压力机的传动方式主要有三种形式，如图1-11所示。其中图1-11 a 和图1-11 b分别采用带传动和齿轮传动，进行一次减速，图1-11 c为直接传动，电动机轴直接与螺杆相连，采用低速转矩电动机。所采用的电动机亦有三种：①永磁同步电动机，如日本ENOMOTO公司的产品；②开关磁阻电动机，如青岛青锻锻压机械有限公司的产品；③变频异步电动机，如德国Lasco、Weingarten以及中国武汉新威奇科技有限公司的产品。新型电动螺旋压力机无论采用何种电动机，均采用了伺服驱动方式。

新型电动螺旋压力机的节能效果十分显著，ENOMOTO公司声称其永磁同步电动机驱动的螺旋压力机较摩擦压力机节能50%以上。Weingarten公司声称其变频异步电动机驱动的螺旋压力机的效率提高了3倍。新型电动螺旋压力机的主要节能环节在于：

1）用高效率的齿轮传动或带传动取代了低效率的摩擦传动。摩擦压力机摩擦盘的传动效率仅为50%～55%，而齿轮传动和带传动的效率均在95%以上。采用电动机直接传动形式，这部分的效率更高。

2）电动机减速和制动采用了电磁制动，制动能量可以回收利用。

3）对采用变频电动机的压力机，由于采用变频器，能使电动机始终处于最佳状态工作（转差率为5%～7%），即使在换向时，也不会有太大的电流，发热量大幅降低，电动机效率提高。对于采用同步电动机（包括开关磁阻电动机）的压力机，电动机起动转矩大、效率高、能量损失较异步电动机小。

4）在待机状态下，电动机停止转动，没有能量消耗；而摩擦压力机的摩擦盘却始终旋转，消耗不少能量。

伺服驱动技术在螺旋压力机中的应用不仅大大减少了能量消耗，而且提高了设备的自动化水平，增加了飞轮速度的测量装置，因而打击能量和其他参数也可得到更加精确的控制。这就为螺旋压力机向更加大型化、节能化发展铺平了道路。2007年投入使用的355 MN 电动螺旋压力机为目前世界上吨位最大的螺旋压力机，采用500 kW变频电动机驱动，由德国SMS Meer公司制造。

8.伺服机械压力机

机械压力机在锻压设备中用途最广，产量也最大。伺服机械压力机用伺服电动机取代了感应电动机，取消了传动系统中的飞轮、离合器和制动器，工作性能得到了大幅度的提高。目前，最大设计吨位达到了50 MN。

图1-12所示为广东工业大学与宏兴机械公司联合开发的1100 kN伺服机械压力机及其传动原理图，主电动机为永磁交流伺服电动机，通过两极齿轮减速，驱动曲轴旋转，取消了庞大的机械飞轮，只有在工作时电动机才旋转，待机时电动机不通电，完全不耗能。而伺服电动机的制动器平时亦不工作，无耗能，仅断电后才制动。通过控制伺服电动机的转速和转矩，使滑块的运动曲线可调；设有滑块封闭高度调解装置，以调节压力机封闭高度；通过位移传感器以实现滑块的位移和速度反馈。