交流伺服压力机及其关键技术

交流伺服压力机及其关键技术

摘要：交流伺服压力机具有高生产率、高柔性、高精度和节能环保等优点，成

为目前先进锻压设备研究的热点。交流伺服电机驱动是目前成形装备发展的一个

新方向，不但可以实现成形装备柔性化和智能化，还可以提高生产率和产品质量、节能环保。

关键词：交流伺服驱动；压力机；技术

成形机械是制造业的重要装备之一，是汽车、电器机械、仪器仪表、国防工

业等行业的最主要装备之一。伺服压力机以其高柔性、智能性、高效性、高精度

和环保技能的优点，成为锻压机床未来的一个主要发展趋势。以交流伺服压力机

采用的交流伺服电机启动电流是不会超过额定电流的，并且交流伺服电机又允许

频繁启停，因此交流伺服压力机的传动系统中不需要离合器和制动器，从而大大

简化了结构，节约了离合器与制动器动作时的能量。

一、交流伺服压力机的结构

交流伺服压力机的结构主要由主传动、执行机构和辅助机构等组成。交流伺

服压力机主传动机构的主要作用是将锻压所需的能量从伺服电机传到执行机构，

常见的传动方式有齿轮传动、带传动、螺杆传动和液压传动等。执行机构的主要

作用是带动滑块做往复运动，完成锻压过程，常见的执行机构有曲柄－滑块机构

和曲柄楔块机构等。辅助机构的主要作用是提高交流伺服压力机工作的可靠性、

扩大伺服压力机的工艺用途等，常见的辅助机构有平衡缸、制动器、顶料装置、

位置检测装置等。目前伺服压力机按传动方式可分为伺服电机直接驱动的压力机、伺服电机－减速－螺杆传动压力机、电机－减速－曲柄连杆传动压力机、数控

回转头压力机和螺旋压力机等。

二、交流伺服压力机的优点

交流伺服压力机不同于普通的机械压力机，它具有很多普通机械压力机无法

具有的优点。

1、锻压过程伺服控制，可以实现智能化、数控化、信息化加工。针对不同的加工材料和加工工艺，可以采用不同的工作曲线。锻压能量可以实现伺服控制，

可以在需要的范围内数字设定滑块的工作曲线，有效提高压力机的工艺范围和加

工性能。锻压参数可以实现实时记录，易于实现压力机的信息化管理。交流伺服

压力机操作简单可靠，伺服控制性能好。

2、节能效果显著。在工作状态下，交流伺服压力机本身的耗能就比普通机械压力机低。交流伺服压力机可以去除离合器等装置，没有了离合器结合耗能。在

滑块停止时，伺服电机停止转动。相比于普通机械压力机，其消除了飞轮空转消

耗的能量，有效节省能源。在压力机低速运行时，伺服压力机相对于普通机械压

力机的节能效果将更为突出。

3、滑块运动数控伺服。滑块的运动曲线可以根据需求进行设定。在锻压阶段，可以调节降低滑块的运动速度，实现低速锻压的工作要求。在回程阶段，可以调

节提高滑块的运动速度，实现滑块对急回的工作要求。通过伺服控制滑块的运动

曲线，有利于提高锻件精度，延长模具寿命。

三、流伺服压力机关键技术

1、大功率交流伺服电机及其控制技术。大功率交流伺服电动机的开发，长期以来，交流伺服电机仅作为控制系统中的执行电机，功率一般只有数百瓦。大功

率交流伺服电机的出现还是近十多年的事。作为伺服系统中的电动机，它至少要

满足条件：（1）转动惯量小，具有良好的动态性能；（2）具有良好的控制性能，可以实现电磁制动；（3）转矩大，转矩脉动小。交流伺服传动大致分为异步和

同步两种，见表。

永磁同步电机具有体积小、功率密度大、动态性能好、效率高、调速范围宽

等一系列优点，得到了迅速发展和广泛的应用。已经成为伺服系统的主流之选。

目前，调速同步电机容量达到10 MW，商品化的永磁同步伺服电机单机容量已经

超过500 kW，力矩伺服电机输出扭矩超过10000 NM。

电子电力器件等硬件技术的发展，交流伺服电机驱动控制单元的价格远高于

电机本身。大规模集成电路、大功率整流模块以及其它电子电力元器件的发展，

性能不断提高，价格不断下降，促进了大功率交流伺服驱动技术的实现和推广，

为在锻压装备领域采用交流伺服驱动提供了可能

2、无飞轮压力机传动系统设计。由于成形加工大多是周期间断负荷，传统的

传动系统设计的核心是飞轮；设计的主要依据是能量，校核力。设计的大致步骤是：（1）计算工作周期内总的能量消耗（含工作能耗、摩擦能耗、弹性变形能、离合器能耗、空程和飞轮空转能耗等）；（2）设计飞轮，使其在每个周期内在

额定速度降落（一般不超过20 %）时所释放的能量等于周期的总能耗；（3）根

据总能耗选择电机，并校核有关参数。伺服压力机没有专门的飞轮，其传动系统

设计的特殊性在于：（1）电机转子以及运动部件折合到电机轴的总等效转动惯

量较普通压力机小很多，压制力主要靠电机的瞬时扭矩产生；（2）由于电动机

速度经常处于较大的变化状态，需要考虑运动部件的惯性负载。伺服压力机的设

计主要依据是力，校核能量。具体的设计步骤为：（1）计算压力机工作行程时

的最大总负荷（包括工作负荷、摩擦负荷等）；（2）根据最大工作负荷、传动

比选择电机的最大负荷；（3）综合考虑电机过载倍数、传动比等因素设计或选

择电机。完全不考虑运动系统惯性，所设计的传动系统所需电动机的容量将会很大，从而增加了设备造价。设计时充分考虑运动系统的惯性，允许曲轴在工作过

程中转速适当降低，释放部分能量，有利于减少电机容量，从而降低造价。根据

实例计算，按照这一思路设计，电机容量可以减少30 %以上。

3、调速能量的回收。伺服压力机电机减速采用电磁制动，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，就只能通过电阻消耗，不但降低了效率，而且要增设电阻箱和冷却系统。能量回收可以采用以下方法。

电容储存。在驱动电路中增设一组大容量电容，储存制动时产生的电能；在

压制时，再将电能释放出来，供电机使用。这种方法不但省电，更大的好处是减

少了工作行程时短时大电流对电网的冲击。根据自行研制的25 t 伺服压力机样机

的试验结果表明，由于电容的作用，电网的冲击电流下降了80 %以上。这种方法

的缺点是大容量电容价格不菲，体积也很庞大。

多机直流互联。若车间有多台伺服压力机同时工作，可以考虑在驱动电路的

直流层面联网，同样可以达到节能和降低峰值电流冲击的作用，还可省去逆变装

置和电容器，但在实际应用中将会受条件的限制。

4、重载高效螺旋传动技术。在伺服电机驱动的成形装备中，广泛采用螺旋副

将旋转运动转换为直线运动。鉴于伺服传动的要求，目前多采用滚珠丝杠。但滚

珠丝杆承载能力毕竟有限，而且价格昂贵，开发低成本重载高效精密螺旋副成了

伺服成形装备亟待解决的问题之一。AMINO公司在大吨位伺服压力机中对滑动螺

旋副的材料、热处理、润滑等方面进行了改进，整机的机械传动效率达到了75 %，采用双螺杆，压力机输出压力据称可达50000 kN。新型滑动螺旋传动副的开发的