伺服沖床的發(fā)展潮流與展望

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

伺服沖床的發(fā)展潮流與展望

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

伺服沖壓機(jī)械的背景

在20世紀(jì)90年代初，以日本幾家主流沖床制造廠家率先推出了小型伺服沖床。這對傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_壓方式掀起了旋風(fēng)般的沖擊，被廣泛認(rèn)為是鍛壓制造業(yè)的一場技術(shù)大革命，有著劃時(shí)代的意義和里程碑的作用。

伺服的概念

伺服（Servo）一詞，來源于希臘語中的奴隸之含義，而中文從伺候、服務(wù)而引申為——伺服。而伺服系統(tǒng)就是指根據(jù)外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和扭矩。伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從液壓，氣動(dòng)到電氣的過程，其中電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。

交流伺服電機(jī)的分類

⑴感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)（IM，Induction Motor）。這種電機(jī)制造簡單、價(jià)格低廉，但制約性大，特性和效率都遠(yuǎn)低于永磁同步電機(jī)。

⑵永磁同步交流伺服電機(jī)（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）。這種電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低速，高力矩性能，弱磁高速控制，調(diào)速范圍廣，動(dòng)態(tài)特性和效率都較高。

由于沖壓機(jī)械往往需要伺服電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)出高力矩的功能，因此伺服沖壓機(jī)械的電機(jī)只限于使用永磁同步交流伺服電機(jī)。這樣才能實(shí)現(xiàn)低速回轉(zhuǎn)，高定位精度，動(dòng)態(tài)相當(dāng)敏感的應(yīng)答性和高的穩(wěn)定性，滿足沖床的多種功能與需要。

伺服沖壓機(jī)械的誕生

長期以來，在CNC加工工作機(jī)械中大量伺服電機(jī)和伺服控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。沖壓機(jī)械行業(yè)要快速發(fā)展，已經(jīng)成為客戶與同行業(yè)的共同呼聲。傳統(tǒng)沖壓行業(yè)面臨的壁壘，已越來越不適應(yīng)多元化成形的愿望，為了降低加工成本需要提高金屬成形的效率和不斷改善加工工藝。汽車工業(yè)中的超高強(qiáng)度鋼板的需求、應(yīng)用是環(huán)保節(jié)能的大勢所趨，人們對現(xiàn)代化沖壓車間和沖壓工藝的向往，確保操作人員穩(wěn)定等等都是對改善傳統(tǒng)沖壓工藝的直接客觀需求。因此，筆者曾在《國內(nèi)外伺服沖壓機(jī)械發(fā)展歷程啟示錄》一文中，概括了伺服沖壓機(jī)械以下的8個(gè)需求：⑴客戶使用多樣化的需求；⑵加工工藝多樣化的需求；⑶加工素材多樣化的需求；⑷模具構(gòu)造多樣化的需求；⑸產(chǎn)品品質(zhì)多樣化的需求；⑹沖壓產(chǎn)品多樣化的需求；⑺開發(fā)技術(shù)量產(chǎn)化的需求；⑻環(huán)保節(jié)能智能化的需求。

伺服沖壓機(jī)械的定義與驅(qū)動(dòng)方式

定義

本文以日本鍛壓機(jī)械工業(yè)會所制定的《伺服沖壓機(jī)械安全要求和方法對策》的規(guī)定來做一般定義，即以伺服電機(jī)為動(dòng)力源，同時(shí)具有伺服控制電路系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)械為伺服沖壓機(jī)械。

驅(qū)動(dòng)方式

各個(gè)廠家驅(qū)動(dòng)方式具有不同的構(gòu)造，目前為止機(jī)械式伺服沖床根據(jù)伺服電機(jī)的力矩大小不同，有直接驅(qū)動(dòng)齒輪和曲軸的方式，也有通過中間齒輪或者同步皮帶輪的減速方式，還有肘桿式，多連桿式和螺桿式等等?？傮w可以概括為以下幾類：⑴伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型，小型；⑵伺服電機(jī)＋齒輪減速，一般普及型；⑶伺服電機(jī)＋同步皮帶＋齒輪減速，一般型，大、小型；⑷伺服電機(jī)＋齒輪減速＋肘桿，特殊型、大型、小型；⑸伺服電機(jī)＋螺桿＋減速＋肘桿，特殊型、大型；⑹多臺伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，特殊型、超大型。

世界上各廠家不同結(jié)構(gòu)的伺服沖床，都有自身的特色。但都必須用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也就要求必須實(shí)現(xiàn)大型、低速、高扭矩的特殊伺服電機(jī)。眾多沖床廠家為了擺脫各專業(yè)電機(jī)廠家的固定概念和制約，選擇同專業(yè)電機(jī)廠家合作，讓這些廠家充分理解沖壓原理和金屬塑性成形機(jī)制，一起開發(fā)出專用于沖壓機(jī)械的伺服電機(jī)和伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正的機(jī)電一體化。

伺服壓力機(jī)械的發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代中期，日本率先開發(fā)出了伺服沖壓機(jī)械，當(dāng)時(shí)，日本AIDA與KOMATSU技術(shù)雄厚的兩家公司幾乎同時(shí)推出了世界首臺兩種形式的伺服沖床，歐美企業(yè)切入伺服時(shí)間稍晚，但是發(fā)展速度不顯遜色，以沖床老牌而稱雄的SCHULER公司，發(fā)展達(dá)到了驚人的程度，迅速投入汽車市場，取代了汽車沖壓線上多年的雙動(dòng)沖床和底部驅(qū)動(dòng)等形式的傳統(tǒng)沖床和以及部分油壓沖床。

接著，一石激起千層浪的波及效果帶來了遍地開花的意想不到的局勢，美國的WIEDEMANN和W.A.WHITNEY公司、德國的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司，西班牙的FAGOR和瑞士的RASKIN和ARISA公司都分別對伺服壓力機(jī)進(jìn)行了研制，日本的AMADA，AMINO，F(xiàn)UJI-STEEL，放電精密，H&F等廠家也都不示弱勢，加大開發(fā)力度，紛紛將獨(dú)自的伺服沖床在很短時(shí)間內(nèi)推向了市場。

如今，在日本的沖壓行業(yè)已經(jīng)把伺服沖壓當(dāng)作了支撐日本經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國策，在日本制造機(jī)械式?jīng)_床銷售額中伺服沖床已達(dá)到近50%，在歐洲雖然經(jīng)濟(jì)的長期不景氣，相反，實(shí)力雄厚的沖壓公司購置沖床的希望居然是100%瞄準(zhǔn)了伺服沖床和伺服沖壓線。尤其是，2012年10月底在漢諾威的大型國際機(jī)械展的鍛壓機(jī)械展廳內(nèi)，亮相的20余家鍛壓設(shè)備中幾乎都是清一色不同形式的伺服沖床，讓人眼花繚亂，深深感受到伺服沖床硬件的開發(fā)制造和伺服沖壓軟件工藝的開發(fā)對應(yīng)已經(jīng)成為智能裝備勢不可擋的新潮流。

國內(nèi)伺服沖床發(fā)展的現(xiàn)狀及制約因素

現(xiàn)狀

中國既是金屬成形機(jī)床生產(chǎn)大國也是消費(fèi)大國，2009年以來金屬成形機(jī)床國內(nèi)產(chǎn)品銷售收入已超過300億元，躍居世界第一位。然而，以伺服壓力機(jī)為代表的中高端機(jī)械壓力機(jī)的應(yīng)用卻剛剛起步。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)伺服壓力機(jī)的應(yīng)用尚處于起步階段，使用用戶也主要集中于汽車行業(yè)，從早期的合資整車廠引進(jìn)到目前零部件廠商及自主品牌整車廠商的部分采納，還有電子行業(yè)的零星應(yīng)用等等，但主要是引進(jìn)遲遲不能普及。因此，國內(nèi)的伺服沖床現(xiàn)狀還只是停留在論文、研發(fā)、樣機(jī)階段、很難達(dá)到量產(chǎn)和滿足國內(nèi)客戶的需求。

制約因素

長期以來，中國通過改革開放大量引進(jìn)外資，外資企業(yè)的電子、家電和汽車等制造行業(yè)使得中國工廠得到了迅速提升，還有廉價(jià)的勞動(dòng)力優(yōu)勢，這些因素綜合起來以驚人的速度推動(dòng)了金屬加工業(yè)的迅猛發(fā)展。然而，近年來日益增長的人工費(fèi)用壓力和高品質(zhì)需求的成本壓力，使得國內(nèi)應(yīng)該對伺服沖床的需求有更大的市場和應(yīng)用才合理，但是現(xiàn)狀不盡如人意。筆者經(jīng)過分析，認(rèn)為造成制約國內(nèi)伺服沖壓機(jī)械發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵因素，包括：

⑴低轉(zhuǎn)速、高力矩的大功率伺服電機(jī)國產(chǎn)化開發(fā)滯后。

⑵關(guān)鍵的伺服控制技術(shù)開發(fā)壁壘還沒有根本性的突破。

⑶大量重要模組、高精度零部件等還必須依賴進(jìn)口。

這些相關(guān)技術(shù)的不成熟等直接導(dǎo)致了整機(jī)或者關(guān)鍵模組、系統(tǒng)必須進(jìn)口，造成了居高不下的制造成本，使得伺服沖壓機(jī)械的性價(jià)比優(yōu)勢不能體現(xiàn)，讓國內(nèi)的企業(yè)只能望塵莫及。伺服沖壓機(jī)械導(dǎo)入的緩慢過程，也伴隨著專業(yè)技術(shù)人員對伺服技術(shù)的生疏和對伺服沖壓技術(shù)知識的認(rèn)識不足。因此，自伺服沖壓機(jī)械已經(jīng)問世20年的時(shí)間，在中國卻遲遲不能普及，確實(shí)與制造大國的地位非常不符。

圖1 CPTEK開發(fā)的低轉(zhuǎn)速、高扭矩伺服電機(jī)

圖2 CPTEK 開發(fā)的第一代110t伺服中高速沖床

圖3 CPTEK研發(fā)的第二代220t伺服通用沖床

挑戰(zhàn)伺服沖床的開發(fā)技術(shù)

現(xiàn)狀

江蘇中興數(shù)控科技有限公司（簡稱CPTEK），是集中了中、日一批志同道合，富有沖壓機(jī)械經(jīng)驗(yàn)的人士組成的年輕團(tuán)隊(duì)。自成立以來，就明確進(jìn)行伺服沖壓機(jī)械的開發(fā)與制造，在一年內(nèi)的時(shí)間研發(fā)出了低轉(zhuǎn)速、扭矩和大功率的伺服電機(jī)和獨(dú)自的伺服控制系統(tǒng)，并相繼研發(fā)制造出了兩代不同構(gòu)造和使用用途的伺服沖床。2011年參加了深圳、南京和北京的三大國際機(jī)床展，受到了眾多客戶和行業(yè)的高度關(guān)注，目前已經(jīng)進(jìn)入系列化和量產(chǎn)階段。

研發(fā)思路

⑴找準(zhǔn)技術(shù)差距。

⑵技術(shù)水平提升要循序漸進(jìn)，積累經(jīng)驗(yàn)。

⑶從最基本、最重要、最有可能的技術(shù)層面著手，先易后難逐步完善。

⑷立足國產(chǎn)化，堅(jiān)持走低成本路線。

⑸注重安全第一，功能第二的原則。

⑹吸收先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持獨(dú)立開發(fā)。

技術(shù)突破

⑴第一階段，開發(fā)感應(yīng)異步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的同時(shí)，開發(fā)永磁同步伺服電機(jī)。

⑵第二階段，研發(fā)利用同步皮帶減速模式的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)110t中高速伺服沖床。

⑶第三階段，研發(fā)利用齒輪減速結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)220t閉式通用伺服沖床。

⑷逐步改進(jìn)和研發(fā)穩(wěn)定的伺服控制系統(tǒng)，完善多種功能。

圖4 CPTEK研發(fā)的伺服沖床15吋超大觸摸顯示屏

展望

伺服技術(shù)、設(shè)備和工藝等適于多種多樣的塑性成形加工領(lǐng)域，如圖5所示，現(xiàn)實(shí)情況是影響伺服技術(shù)的制約因素還很多，包括沒有全部成熟的技術(shù)條件，加工成本過高等。但從長遠(yuǎn)來看，伺服沖床的發(fā)展空間是非常巨大的。未來一段時(shí)間里，對于伺服沖壓機(jī)械發(fā)展的展望如下：

圖5 各種形式的加工示意圖

⑴隨著伺服沖床關(guān)鍵技術(shù)的突破，滿足于客戶在噸位、工藝性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面多樣化需求的同時(shí)，伺服沖床必定會朝著客戶的具體需求，進(jìn)行定制開發(fā)和制造。

⑵隨著技術(shù)的不斷普及和客戶的經(jīng)驗(yàn)累計(jì)，伺服沖床必將走向數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，尤其是在伺服控制系統(tǒng)方面會更加趨向于多樣化和復(fù)合化。

⑶新設(shè)置的沖床機(jī)械中伺服沖床的比例會增加，在不遠(yuǎn)的將來新設(shè)置的沖床中伺服沖床將會達(dá)到30%以上，非常大的潛在市場會被逐步開拓，甚至也會帶來對原來的傳統(tǒng)沖床進(jìn)行伺服系統(tǒng)的移植技術(shù)改造和升級的商機(jī)。

⑷伺服沖床及周邊設(shè)備會進(jìn)行最佳組合，同步控制、適應(yīng)伺服沖壓工藝的綜合伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)，可真正實(shí)現(xiàn)伺服沖床節(jié)能、高效和高精度，為客戶提供更高的附加值。

總的來說，伺服沖床的發(fā)展趨勢，可歸納為：⑴直接驅(qū)動(dòng)的高效化；⑵高精度和高性能化；⑶能量儲存多樣化；⑷專用機(jī)向多用途邁進(jìn)；⑸小型化向大型化發(fā)展；⑹個(gè)性化向通用性轉(zhuǎn)變。