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董事、总经理

小松勇·日本小松技术士事务所技术士、 江苏中兴西田数控科技有限公司顾问

伺服冲床的构造及使用方法全析

（连载一）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司董事、总经理

小松勇·日本小松技术士事务所技术士、 江苏中兴西田数控科技有限公司顾问

总序

江苏中兴西田数控科技有限公于2011年9月正式成立，该公司由一支热爱锻压事业，并在中日锻压行业里工作多年的资深专业技术和管理团队所组成，公司以“振兴中国锻压事业为己任 打造高端装备制造新品牌”为公司目标，即将推出CPTEK-兴锻的锻压机械品牌，力争将国际上最先进的伺服、多工位和冷温挤压等新型锻压设备和周边自动化装置等推向市场，为国内汽车、家电和电子等行业提供最具性价比的先进金属冲压成形解决方案，并打造出具有完全自主知识产权的中高端锻压设备民族品牌。因此，我们愿意同国内同行一起交流，共同成长，并将我们团队所掌握的专业知识尽可能地献给国内热爱和关注锻压事业的读者。

当今冲压机械已进入了一个日新月异的崭新时代，即已经开始迈入了智能化冲压机械的新时代。人们在开始考虑“让冲床按照自己的意愿运转”的时候，虽然还不能随心所欲达到我们所希望的动作，但冲床机械的发展还是一点点、一步步地向着我们的目标接近。

如今冲床的运转可以按照人们的设定来进行，相信在不远的将来，冲压加工的CAE仿真分析结果技术也会直接引进到冲压机械中来。

那么，今天在加工现场使用的冲压机械是什么样的呢？对曲轴式、连杆式冲床来说，人们可以任意改变的除了闭模高度的调节、缓冲器压力等之外，就只有每分钟的行程数SPM了。对于只能上下运转的冲床来说，能够按照人们的希望来设定其运转的就是数控伺服冲床了（伺服的原意就是希腊语中奴隶的意思，可谓伺候，服务的驯服工具。以下省略数控，简称伺服冲床）。

伺服冲床可以设定在下死点附近逆转，也可以设定在一个行程的加工状态时停止0.1～0.5s。迄今为止，冲压产品的精度、品质或者说是皱褶、裂纹还有弯曲的回弹（弹性反弹）等等的发生仍然困扰着人们。伺服冲床具有可以让难度大的冲压加工变为简单化的同时，使冲压产品的品质和精度得到了显著的提高。

但是，如果今天人们没有充分地理解伺服冲床、不会灵活地运用其具有的任意性，虽然被叫做伺服冲床，但也不过是和从前没有什么两样，只是停留在单纯的拥有伺服电机驱动的机械式冲床概念上而已。虽然伺服冲床具有可以任意地改变其运转模式的性能，但根据使用者的水平可以使结果大不相同，因而也就分成了有效果者和没效果者。

随着经济的发展我国的冲压加工行业的竞争也会日趋激烈，人海战术已被逐步淘汰，一旦跟不上时代的进步就会满盘皆输、企业就会衰退甚至倒闭。为了在竞争中取胜，在这个行业里，提高冲压加工的技术水平绝对是大势所趋的。

综上所述，我们计划从伺服冲床的必要性开始，依次对伺服冲床的构造和特征、伺服冲床可以做到的和做不到的事情、伺服冲床的灵活使用方法及灵活使用的效果等等进行讲解，并在本杂志上顺序刊登。

本系列连载预定是先对体现新时代的伺服式曲轴冲床的结构原理和使用方法进行简明的解说后，再谈伺服冲床的使用方法。本文的阅读对象是现在已从事与冲压加工有关的技术人员、技术工人、模具设计，模具技工以及准备进入到这个领域的人，也可以为在校学习的学生作为教科书来使用。

考虑读者需求，将在几处设有能够运用计算机的地方。这是因为考虑到通过自己动手进行实际的计算，可以帮助我们更深刻地理解冲压加工和冲压机械以及伺服冲床。

伺服冲床有必要吗？伺服冲床是什么？

对于这两个问题的详细内容将在连载中明确地说明，简单地概括起来就是“依靠电脑数字控制（CNC）驱动的冲压机械”。有些读者可能会想冲压机械并没有必要用数控；有的认为，即使有必要数字控制，但对于理由又不太清楚；认为冲压机械的数字控制绝对必要的读者显然是比较少的。

首先，为什么说是必要的，让我们把冲压加工的范围稍微扩大来考虑一下：

对于金属材料来说，每一种材料都有适合它的加工速度。然而，这种适合的速度范围却是很小的，如果用不适合这种材料的速度加工时，金属材料就会做出拒抗反应，加工的精度和品质当然就都会变坏。相反，选择了合适加工速度的结果就是加工精度良好，品质也提高。

在这里可以提出一个问题，不知各位读者有没有这样的经验。在镗床上用钻头给金属材料钻孔时，我们必须根据金属材料的材质、硬度、钻头的直径还有开孔的内表面的粗糙度、精度来确定钻头的回转速度，同时钻头的钻进速度也要随之改变（这里所讲的钻进速度用钻头在旋转一周时切入的量来表示）。这个经验告诉我们要改变的是什么。那就是进行改变钻头切削速度的操作，也就是说在进行金属加工时，人们要根据经验或按照别人告诉的加工速度进行着改变加工速度的操作。

镗床以外的机械如铣床、车床也是同样，无论是改变主轴的回转数或改变送进速度的条件，都是在进行改变切削速度的操作。也就是说，在机械加工中，要通过改变切入量和送进量将切削刀具行走速度调整到最合适。

总之，机械加工都是通过对各种各样的速度条件进行细微的调整来选定最适合的数值，从而进行切削加工的。那么冲压加工又是怎样的呢？

在我们的读者当中可能很少有人注意到，无论是在进行冲压加工，还是在设计模具，都要考虑适合金属材料的加工速度或冲压速度的因素。这不是大家的问题，因为至今冲压加工的速度是不能改变，这不是需要考虑的问题。

当冲压成形的产品精度和品质不良时，很多的操作工人和技术人员就会说“因为模具不好，所以精度和质量都上不去”。把问题归罪于模具，最终的结论是模具设计者的问题，成了模具设计人员的责任。于是就开始了模具的各种各样的修正，有时还要进行部分的设计变更，通过艰辛的努力，有时也可能会达到要求的精度和质量。当修改以后的模具的冲压产品达到了精度和质量的要求时，最终的结论就是，精度不高的原因就是模具不好。然后随之而来的是这个模具损伤得很快，这个模具给产品造成了很多划痕等等，将产品的品质问题又归结到模具上。

由此可以看出，实际上冲压加工的速度在很大程度上是影响产品精度、品质的原因。因此，我们有必要考虑产品的精度与加工速度的关系，即被加工金属材料的加工速度，也就是金属材料的变形速度左右着冲压加工产品精度和质量的好坏。目前为止，认为冲压加工的速度是不能改变的，可以改变的只有冲床每分钟行程数的人占有相当大的比例，这也是很正确的。

但是，在机械技术和电子控制技术不断进步的今天，冲压机械的加工速度也可以改变了，事实上由于选择了最合适的速度使得冲压产品的精度和品质得到了很大的改善，而且模具的磨损也减少了。不仅如此，冲压加工时的噪声降低了5～10dB，整个冲压工厂的噪声得到了大幅度降低的实例有很多。因为噪声的根源是冲压加工时发生的振动，使用了伺服冲床后减少了振动，从而降低了噪声。

总之，伺服冲床是具有能够提高冲压产品精度和品质，能够降低冲压工厂的振动噪声，能够延长模具寿命、延长模具维修间隔，从而达到降低模具成本等效果的冲压机械。

冲压机械与冲压加工的关系

也许有的人会说，冲床不就是进行冲压加工的机器嘛，除此以外还有什么呢？实际上因为冲压加工的内容不同，冲床被设计和制作成了很多种类。冲床在进行冲压加工时是专用机械，只有在更换了使用的模具后才能改变加工的内容。使用时就是专用机，如果冲床的操作人不能正确理解和使用，就会使冲床损坏或造成故障。所以，不论是冲床的操作人员、模具的设计者，还是冲压工厂的管理者都要对冲床构造的特征和弱点有充分的认识。

再说说冲床加工三要素：第一个要素是模具；第二个是冲压机械；那么第三个要素就是被加工的材料了。在这三个要素中，哪一个要素出现问题，都不能加工出好品质的冲压产品。相信有很多人都有这样的体会。

本章中我们将从冲压加工角度介绍第二要素的冲压机械。

机械式冲床构造的再认识

在冲压机械中，使用最多的是曲轴式冲床，这在世界各地大概是同样的倾向。首先，曲轴式机械冲床的构造和作用是很明了的，我们考虑一下是不是可以将其构造稍作改变，机械式冲床就可以变成数控冲床了呢，图1是典型的一根曲轴的冲床，我们称其单曲轴冲床，现就这个结构进行说明：

1a是冲床的工作台，其与滑块同样左右着模具的性能，也左右着冲压产品的精度和品质。

1b是滑块，随着曲轴的回转作上下运动。滑块的强度和刚性（在后面解释）决定着模具的性能，也决定着冲压产品的精度和品质。

图1 最典型的通用型曲轴式冲床构造

2a是曲轴。

2b是滑块连杆，它是将曲轴的运转传达到滑块的装置，在与模具配合时用其来调节闭模高度。

3a是电机，其带动飞轮转动，为冲压加工提供能量。电机分为不能改变转数的和可以稍稍变化转数的电机，但这些都不是伺服电机。

3f是曲轴的主齿轮。

3e是从动齿轮，用来驱动主齿轮。

4是飞轮，其通过电机来旋转，作用是在储存加工所用的能量的同时，使曲轴回转产生力（扭矩）

5a是离合器，其作用是将飞轮的回转力（扭矩）传递或切断。这是决定冲床性能的最重要的构造之一。离合器中藏有刹车片，可以停止曲轴的回转，也是决定冲床性能的重要装置之一，是冲床安全性最重要的结构，同时左右着非常停止的性能。这个装置必须有很高的可靠性。

10是机架，冲床的结构件之一，是用来承受冲压时的负荷，支撑曲轴。最近一般是用钢板焊接而成的。

数控伺服冲床的原理和构造基础

在冲压机械中，曲轴冲床占有95％的份额，其是冲床的代表机种，已经有了150年以上的历史。

日本是在1990年开发数控伺服冲床的，1995年前后迅速发展。当初，欧美的冲床制造厂家制造的冲床都是没有NC化（数字控制）的，大家都认为像冲床这样又大又重的驱动装置用伺服电机是不能带动的。2000年后欧洲的制造厂家看到了日本已经把数控技术运用到了通用冲床上，也开始了数控冲床的研发和制造，随后包括中国在内的东南亚的冲压机械制造厂也逐步开始制造数控冲床了。

从1995～2005年前后，使用中的冲压机械的大部分还是带有离合器的机械式冲床，到了2008年伺服冲床就成了新设置冲床的潮流了。最近，在日本制造中的机械式冲床有30％以上是伺服冲床。现在日本的伺服冲压机械的总台数（包括用伺服电机驱动的转塔冲床）已经超过4000台，今后公称能力超过20000kN的大型冲床也逐渐数控伺服化，而且这项技术的应用已扩展到了100kN以下的小型冲床、桌式冲床。

本文中把采用了下面构造的冲压机械作为数控伺服冲床，在后文中我们只限定把使用了电动式伺服电机的冲床定义为数控伺服冲床。

伺服电机的种类和数控冲床的种类

数控伺服冲床按照冲床的驱动构造和伺服电机的种类分为下面的几种:

（1）电气式伺服电机驱动的冲压机械，这种冲压机械是用连接接头将伺服电机与球头连杆和驱动齿轮联结，从而增大曲轴结构或连杆结构的力量来带动滑块的运转。

（2）电气式伺服电机驱动油压泵再带动齿轮转动的冲压机械，这种冲压机械的方式是用伺服电机驱动油泵旋转，再用油泵产生的油压力驱动油压气缸来带动滑块的运转。

上述用的两种伺服电机中既有使用交流电源，使回转数随着周波数的变化而改变的AC交流伺服电机，也有使用直流电源通过电流的控制等方法使其回转数变化的DC直流伺服电机。

（3）油压伺服驱动式冲压机械，一般是指用普通马达来驱动油压泵，用电气式伺服阀控制高压油的流量，驱动油压气缸方式的冲压机械。这种方法50年前就开始使用了，多应用于油压式折弯机上。

通用马达和伺服电机的特性与冲压机械

一般机械经常使用的电机（通用马达）的回转数是由极数（有2极、4极、6极等）和电源周波数（50Hz）来确定回转数，要变速就必须通过另外的电气式的或机械式的变速装置来实现。如果让这种装有用普通马达带动的变速装置来改变通用冲床的速度，也就是说冲床的飞轮从静止状态到全速运转的增速时间即使是小型冲床也需要数十秒，大型冲床则需要几分钟。如果让回转中飞轮的回转次数增加到两倍都需要十秒到数十秒，而在冲压加工中需要在1min内增减速度十次，这是不可能的。但伺服电机具备从停止状态到全速运转只需要0.1～0.5s的能力，如果电子控制设计的合适，在1min内可以达到数十次。如果速度的变化量比较小，伺服电机可以使更频繁地变速成为可能，也就是说伺服电机是由数控电路忠实响应的电机。具有正确的速度控制和角度控制的伺服电机，大的可以使用在钢铁厂的压延机上，使用在印刷轮转机上；小的可以用在手表、半导体制造机械等超小型机械上。无论是哪一种伺服电机都是在回转速度、回转角度、回转方向及回转力（扭矩）的指令下动作，动作的结果与指令值进行演算、比较后反应到发出的指令上，然后将这个结果再演算、再比较再发出下一个指令，就这样在指令值和结果比较中回转驱动，并被使用到必要的地方。总之，是反应了控制结果的叫做反馈电路的控制方法驱动着马达运转的。

在数控伺服冲床上伺服电机就是用了指令和结果的比较来反馈控制的。冲压机械的数控伺服化也就是说，由高可靠性的马达和指令值发生装置、传感器检出的位置和力的数值与指令值的差进行演算的装置，再加上在马达上的电压、电流或周波数的出力装置，指令值的增幅装置等构成。

忠实地追随指令的回转型伺服马达可分成AC（交流型）伺服电机、DC（直流型）伺服电机和变频（交流型）伺服电机。直线运转的伺服电机有直线运转型AC伺服电机。

图2 低速高扭矩伺服电机

直流型伺服电机必须有供给电机回转用的电刷，因为电刷的磨损必须要定期检查和维修。因此DC伺服电机的用途受到了限制。原来使用了DC型的，有的现已被 AC型取代了。因没有电刷的AC型具有保养简单，致使伺服电机系统的整体费用下降的特长，最近的伺服冲压机械很多都采用了AC伺服电机。

伺服电机大致有两种，第一种是被广泛使用的高速回转、低回转力（高速低扭矩）的马达；第二种伺服电机虽然历史短，但很适合冲压机械低速回转、高回转力（低速高扭矩）的马达，如图2所示。

目前，高速低扭矩伺服电机的最高回转数在2000～3000次之间，加压停止时间很短。多数的低速高扭矩伺服电机的最高转速在400～1000次之间，加压停止时间比高速型的长，如果改变了加压力停止时间就可变为0.5s左右。因此，能够在多少时间加压、并停止必须向冲压机械制造厂确认。也有不能加压停止的伺服电机，不可擅自设定。当不正确使用时，伺服电机或控制基板就有被烧损的可能，一定要充分注意。

从下一期开始，我们会只限定在把伺服电机驱动的机械式冲床作为数控伺服冲床来考虑，着重对板材成形的数控冲床进行直接和间接说明。