伺服冲床的构造及使用方法全析

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床的构造及使用方法全析

（连载二）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床的构造和定义在日本，伺服冲床的定义已由日本工业规格（JIS）确定了，除去日本锻压工业协会管理下的冲压设备制造厂家之外，还有在日本销售的台湾冲压设备制造厂家和团体也一起制定了这个定义。这个定义认为，只是仅仅安装了伺服电机的冲床不一定能叫伺服冲床。而中国的伺服冲床还刚刚起步，到目前为止伺服冲床仍没有明确的定义，因此需要考虑尽快制定。过去由于冲压机械造成的人身事故（有留下重度伤残的灾难性事故，也有直接导致死亡的最恶性事故），发生频率是很高的。这些事故大多数是由于没有在冲床上安装安全装置造成的，非常危险。也存在机器上虽然安装了安全装置，却没有接通电源的情况，使安全装置没有得到正确的使用而导致了事故的发生。对于以往带有摩擦板式离合器及制动器的机械式冲压机来说，安装光线式安全装置和防护栏等，能正确地得到使用就可以有效地降低人身事故的发生率。摩擦板式离合器和制动器的冲压机械的事故发生率较低的原因，是因为操作人员的手或身体任何部分接近正在运转的模具或是进入到危险区域都会被检出，随即向冲床发出非常状态停止信号，摩擦板式制动器就能紧急停止。当然，首要的条件是摩擦板式制动器需要处于OFF的工作状态。

与此不同的是，由于伺服电机驱动着没有制动器的伺服冲床，其紧急停止过程是对伺服电机的发电回路进行转换使其紧急减速（可叫做回生制动）的同时，伺服电机自身强力的电磁回路使伺服电机的回转被强制停止的方法来进行制动。

如果对这种“安全性高性能良好的伺服冲床”进行定义的话，就需要有如下的基本条件：

⑴有伺服控制装置，能够安全地、正确地起动的冲压机械。

⑵有安全装置，能够确保操作人员安全的冲压机械。

⑶有紧急停止机构，能够使其安全地急速停止的冲压机械。

在本文中，笔者将把“由伺服电机作为动力源，由伺服的控制系统来驱动的冲压机械”作为伺服冲床，对其独特机能和安全性进行重点论述，同时也要讲述关于伺服冲床的灵活使用方法以及如何利用伺服冲床的特性来灵活使用模具。

冲压机械是在充分地考虑了操作人员安全的前提下制造的优质冲床，日常都需要保持良好的状态。但如果不能正确地使用，也会发生对操作人员身体造成伤害的重大事故。同样，虽然使用了计算机、数控系统来运转伺服冲床，也不能存有因为有了伺服控制机构就不会发生事故的心理，这一点我们要充分注意。也就是说，无论是对伺服冲床还是以往的机械式冲床，进行日常的严格管理和正确操作都是非常必要的。

优质冲床到底是什么样的冲床呢？可以简单的概括为以下9方面：

⑴由具备冲压机械正确知识的设计技术人员，在遵守有关安全的法律法规的基础上进行设计。

⑵由具备冲压机械正确知识的技师，对机械的零部件进行正确的加工。

⑶由具备冲压机械正确知识的技师，对机械进行正确的组装。

⑷由具备冲压机械正确知识的技师，对机械进行正确的运转调整。

⑸由具备冲压机械正确知识的质检人员，对机械进行正确的检查。

⑹由具备冲压机械正确知识的设计技术人员，对机械进行正确的安装和试运行工作。

⑺由具备冲压机械正确知识的机械保养人员，正确地进行日常的检查，使机械终保持良好的状态。

⑻由具备冲压机械正确知识的机械操作人员，进行正确的运转操作。

⑼冲床的操作人员要爱惜冲床并谨慎操作，要对冲床进行正确的检查，发现异常要停止运转并及时向机械设备的管理人员报告。

以上的前6方面是由冲床制造厂义不容辞来担当的，后3方面是冲床使用厂家的责任。

那么，上面提到的有关冲压机械的正确知识，在今后的连载中将逐步详细说明。在这里只是强调各个岗位上的担当人员要对自己的责任有清醒地认识，要让正确地进行生产操作成为每个人必须履行的自觉行动。

为了制造出优良的冲床并使好的冲床得到正确的使用，许多国家都制定了相关的法律，美国和德国、英国等欧洲国家以及日本都有相关详细的法律，如果违反了要受到很严重的处罚。在中国关于冲压机械及其安全使用的法律法规还不是太完备，必须要加快这方面的法规和条例的完善。

本文连载中涉及的冲压机械是伺服冲床，跟以往的冲床相比控制系统更加复杂，冲压机械因采用了数控技术就成为了伺服冲床，具有正确的知识就更为重要，尤其在安全上要比以往的普通冲床更加注意才可以。

以伺服电机作为动力源的冲床分类

用伺服电机作为动力源的冲压机械大致可以分为以下三大类：

电动式伺服电机驱动的伺服冲床，这类冲床是将驱动圆柱螺纹或曲轴的齿轮与伺服电机连接，用曲轴机构或连杆机构带动滑块运转的冲床。

电动式伺服电机油压泵驱动的冲压机械，是用伺服电机带动油压泵，再用油压力驱动油压气缸的冲压机械。

油压伺服驱动式冲压机械，是用通用电机带动油压泵、电动式伺服阀来控制油压泵产生高压油从而驱动油压气缸的冲压机械，油压伺服式弯折机就是属于这种方式。

前两种冲压机械使用的伺服电机也分成两大类，第一类的电源是使用交流电源，利用频率数的变化来改变伺服电机的回转数，也就是可以改变速度的AC伺服电机；第二类是使用直流电源，利用电流、电压等改变回转数的DC伺服电机。本文仅对电动式伺服电机的冲压机械进行说明。

伺服冲床的控制和使用种类

伺服电机发出有关回转角度、回转方向、回转力（力矩）等的指令，再把动作的结果（包含途中的过程）与指令值的差别相比较，然后再做出修改或不修改的指令内容并反映到下一个指令中，从而控制冲床的动作。

基本上，我们把这种信号一次又一次发出，然后反映到控制结果的方法叫做反馈控制，现在的伺服冲床基本上是用这种预先定好结果来控制的方法，最近又被称为反馈推进控制的方法，也就是说使用在先预定结果的前提下来决定指令值的控制方法。

伺服电机驱动控制中，采用一轴控制的方法是最基本的，就是由一台伺服电机和一套控制装置来控制一个加压机构（如一根曲轴、一个滑块）的速度、位置、力。但是由于冲压机械的加压机构有曲轴、螺杆轴（圆形螺纹、切削螺纹和旋压螺纹等）等，因而根据冲压机械的用途选择一轴驱动、二轴驱动、三轴驱动等复数轴驱动的方法。

综上所述，又可以归纳出现在伺服冲床的使用种类：

⑴一根曲轴和一台伺服电机组合的单曲轴冲床，简称单点冲床。这是伺服冲床使用最多的一种形式，多数的冲压制造厂家都在制造。

⑵两根曲轴和一台伺服电机组合的双曲轴冲床，简称双点冲床。这种方式的冲床也有一些制造厂开始在制造，但是滑块的平行控制是非常难以做到并做好的。

⑶两根曲轴和两台伺服电机组合的双曲轴冲床，也简称为双点冲床。能够制造这样方式的伺服冲床制造厂家还不多，但是滑块的平行可以控制得好。

⑷三根曲轴和两台伺服电机组合的三曲轴冲床，也简称为三点冲床。能够制造这样方式的伺服冲床制造厂相对更少，锻造用冲床、顺送加工用冲床等高刚度的冲床采用这个方式。

⑸一根螺纹轴和一台伺服电机组合的单点冲床，多用于小型、小能力的冲床机械上。

⑹一根螺纹轴和一两台到四台伺服电机组合的双点冲床、四点冲床，如用一根螺纹轴驱动的两点连杆式冲床、用一根螺纹轴驱动的四点连杆式冲床。这种冲床主要用来生产大型部件，如车门、车身的冲压成形的冲床上大多采用这样的形式，热锻用的螺旋冲床也有采用这种方式的。

⑺两根螺纹轴和两台伺服电机组合的双点冲床，可实现只有滑块左右的平行控制或只有前后的平行控制。

⑻四根螺纹轴和四台伺服电机组合的四点冲床，这一种形式可对滑块的前后和左右同时进行平行控制。

⑼五根螺纹轴和五台伺服电机组合的五点冲床，在四点加压的滑块中心再追加一点，这与三点冲床一样可以起到加强滑块刚度的效果。

近期市场上出现的伺服冲床在增加加压轴数的同时，又分别配置了各自独立的控制系统，实现了安装上模滑块的平行加压。而且，冲压机械也和工作加工机械一样实现了平行控制。在国外，2轴加压、3轴加压、4轴加压、5轴加压等各显特征的冲压机械也在制造中。

伺服电机控制和冲床静态精度的关系

伺服电机的控制回路基本上由几部分组成，即使多轴的情况也没有各自独立的控制回路，一种方式是特定（固定）一根轴作为主导，其他的轴（即使是复数轴也同样）是从属关系，从属轴的控制方法总是要跟随主导轴，在某一刻检出各个轴位置时最先行的轴或最落后的轴，这时确定出主导轴。除此以外，其他轴就都是从属轴，就要采用追随的控制方法。

还有一种方式是，主导轴随时都可能改变。确定了主导轴，其他的轴就是从属关系。这种方式可以将所有的轴控制在几乎同样的位置。轴在数量增加时检出各个轴的位置，对哪个轴在先哪个轴在后进行计算，得出结论确定主导轴，再算出各轴与主导轴的差，然后再分别发出调整各自位置的指令，这是需要一定时间的。这样，其控制装置就要对快速演算提高速度，或者对于控制对象轴尽可能减少，使得得出结论的时间尽量缩短。一般认为，前者提高演算速度方式比较多。

多轴控制的伺服冲床主要采用两种控制方式，一种是向每一个轴逐次发出指令，每一根轴各自逐次进行反馈的控制方式。还有一种是同时向各轴发出指令，各轴同时进行反馈的控制方式。

一个主导控制轴，其他作为从属轴的情况，因为各自的位置、速度的差异，必须要应答良好的伺服装置（电机和控制回路），同时必须对冲压机械回转部分（轴承、齿轮的啮合等）的间隙（缝隙、游离或者空转，空转也可称之为失落运动）实行严格的管理和维修保养。

要达到伺服控制的目的，就是要将期望的性能得到更好地发挥应用，除了上面所讲的机械精度外，控制软件也起着非常重要的作用。

电子信号的速度可达到每秒30万千米的高速，而在动态的机器方面，从质量很大且转动惯量（有时也用GD2表示）的控制轴角度来看，必须对其巨大的质量和转动惯量进行时停时转，必须对机械的迟缓和马达的力矩相匹配的加速率和减速率进行控制。那么被回转部件的重量越大、部件的直径越大，越难以被转动，伺服产品的设计需要机械设计者、电气设计者和计算机软件设计者具备协调性很好的综合技术能力。伺服控制软件设计人员经验越多，就越能体会到其中的奥秘和悟性，会少走弯路，设计出精确的优异结果。

一般来说，伺服电机从停止状态（速度为零）开始，到达定格速度需要0.05～0.5s，这个特性有时用自起动周波数来表示。滑块的速度在一个行程中，可以任意频繁地被改变，是伺服冲床最重要的特性之一。冲床的公称能力越大，伺服电机就越重、越大，这时的自起动周波数也就越大、越慢。这个特性不但影响从零速度到规定速度的起动时间，也同样影响从规定速度到零速度的停止时间。伺服电机的定格速度与最高速度有着非常紧密地联系，如果最高速度在2000～3000r/min的高速情况下，定格速度也很高。当然，根据电机不同会有所不同，有的伺服电机的定格速度可以达到最高速度的1/3～1/2。

在这里我们要反复强调的是，一个熟知机械特性的人设计出来的软件和只有控制电路经验的人设计出来的软件对于发挥伺服冲床的运转特性即滑块的运转模式及滑块的位置精度会有很大的差别。因此一台伺服冲床只有把在对冲压机械和冲压加工十分了解的基础上设计出来的软件配备上去才能算得上是好的冲床。

图1 2500t多连杆式伺服压力机

选择伺服冲床非常重要的一点就是，伺服冲床多轴之间的相关关系精度要在1μm，这就要求机械部分、驱动类部分、控制电路方面、检出系统以及电脑软件各自的精度都必须有所保证。在伺服冲床方面，至今为止还没有达到工作机械的精度，但使用了位置分解能（位置最小测定单位）为0.05μm的检出器后，可将冲床滑块和工作台的平行度控制在±3μm以内，这样的顺送加工冲床已经问世。

综上所述，构成冲压机械每一个部件的刚度都要高，每一个部件都需要有高精度的加工，冲压机械的组装精度也要精准，这样就可以制造出与工作机械一样的伺服冲压机械来。

如图1所示为用于冲压加工高精度汽车车身件的大型伺服压力机——由株式会社网野制造的2500t多连杆式伺服压力机，用于汽车车身外板的高精度加工，可以实现控制滑块速度、滑块多种运转机制、途中加压停止、下死点加压停止和往复循环运动机制等运转功能。