锻压设备的交流伺服直驱技术

文/赵升吨，吴春蕾，朱牧之，张超，张宗元，朱成成·西安交通大学机械工程学院

锻压设备的交流伺服直驱技术

文/赵升吨，吴春蕾，朱牧之，张超，张宗元，朱成成·西安交通大学机械工程学院

机械驱动与传动技术的前沿

中国国家自然科学基金委员会工程与材料科学部负责编写的《机械工程学科发展战略报告》（20112020）对在未来5～10年发展战略一节的论述中指出：“构建服务于各种功能要求的机械系统，为各行业提供功能强大的各类装备。面向国家重大需求，密切结合学科未来的发展趋势和科学前沿，规划出本学科未来5～10年的基本框架，优先发展领域和综合交叉领域”，所构筑的本学科基本体系以及11个优先资助领域之间的关系见图1。

图1 机械学科基本体系及各领域之间的关系

该报告认为，未来10～20年国际经济发展对制造的核心挑战主要表现在以下三方面：⑴支撑工业发展、具有极端功能的各类复杂机电装备；⑵高精度、高性能、高效率的多尺度制造原理与技术；⑶面向人类健康的生物制造。为此，复杂机电系统的功能原理与集成科学、高性能零件/构件的精密制造为优先发展领域。同时，鉴于生物制造的多学科交叉特性，选择生物制造与仿生制造科学为优先支持的交叉领域。

在上述11个优先资助的领域中，驱动与传动是机械学科的基础领域，不仅是科学原理到工程实现的桥梁，也是装备的基础，直接关系到运载、机器人、机床等机电系统的性能、可靠性与安全性。机械的传动与驱动装置主要承担着能量传输与分配，运动/力的变换与控制功能，是实现能量传输和运动/力控制目标的主要手段，是推动机电装备向高效、节能、高可靠、高精度、智能化方向发展过程中不可或缺的关键单元部件和系统。

由于驱动方式、传动介质和传动原理的多样性，造成机械驱动与传动的类型很多，各类型间的传动功率、传动精度关系曲线见图2。而多介质（机、电、液、气、磁、声、光等）多形式（机械、机电、机液、电液（气）、光电、功能材料）高效（低摩擦损耗、高效率、工况和环境变化适应性强）的空间运动和功率传递方式的驱动与传动研究内容见图3。

图2 典型驱动和传动方式的功率、精度关系曲线

图3 多介质多形式高效驱动与传动研究内容

未来5～10年机械驱动与传动领域的研究前沿，主要有以下3个方向：

⑴高效高可靠功率传递与能量调控。现代复杂机电系统正由单物理过程、单能量流形式向多物理过程、多能量流方向发展，形成了新型换能原理、高功效低耗散多能量流汇集及分配原理等研究前沿。研究驱动与传动在特殊环境与极端工况下服役行为和性能特性及寿命规律，把机、电、液、磁物理过程的能量流从汇集、分配、调制和变换层面进行协同组织，从而构筑新型传动方式。重点开展研究方向有混合动力传动的复合模式与参数匹配，直接驱动的高效部件的新原理新结构，特殊环境下传动装置的动态服役行为规律及其适应性设计，特殊环境下的寿命与可靠性评估及其试验方法等。

⑵精密复合运动与力控制的新原理新方法。

⑶智能结构与新型功能材料作动器的驱动机理。中国工程院院长周济在湖北武汉市召开的2011年中国机械工程学会的换届与学术大会上，做了主旨学术报告《“数控一代”机械产品创新工程》的战略意义和技术路线，其中将机械工程的发展历史划分为：蒸汽一代→电力一代→数控一代→智能一代。目前正处于数控一代，因此全国上下积极响应并开展交流伺服电动机直接驱动的机电装备技术研发工作，锻压设备的交流伺服直接驱动技术的研发势在必行。

交流伺服直接驱动技术的内涵及外延

机械装备主要由本体与控制两大部分组成。本体部分主要由动力装置、传动部件、工作部分三大系统组成，具体情况是：动力装置主要包括电动机、内燃机等；机械装备的传动部件是一个中间环节，它把原动机输出的能量和运动经过转换后提供给工作部分，如机械、电力、液体、气压等传动方式。只有当动力装置输出的能量及运动不能满足工作部分的要求时才需要设置传动部件这一中间环节；机械装备的工作部分用来执行机器规定功能的装置，如机械压力机的工作部分就是完成将传动系统输入的旋转运动转换成滑块的直线运动的曲柄连杆滑块机构。另外，液压机中的执行部件——直线运动缸就是液压机的工作部分，螺旋压力机中螺杆与大螺母构成的螺旋部件也是用来将传动部件输入的旋转运动转化为滑块的直线运动。

机械装备的控制部分是依据对机器工作部分的能量与动作要求，对动力装置及传动系统的相关参数进行检测、显示、调节的装置，如开关、传感器、控制阀、继电器、计算机、按钮等。目前的电气一代机器在运行时表现出的高能耗、低可靠性、可控性差的关键因素之一，就是动力装置采用的交流异步电动机存在着以下不足：

⑴启动与停止耗时太长。

⑵启动电流过大（额定电流的5～7倍），若频繁启停，那么电机发热严重。

⑶输出的转矩小。

⑷调速性能差。

由于电气一代机器的交流伺服电动机存在着上述的缺点，造成了在电气一代的机械装备中，电动机到工作部件需要传动系统经过一整套复杂的转换机构， 包括齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器与制动器等中间机械传动环节。这些机械传动环节会带来一系列的问题，如造成较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损，使得机械装备的加工精度、运行可靠性降低，增加了维护、维修的时间和成本，造成机械装备的使用效率下降、使用费用增加。

所以，一直以来对机械传动环节的传动性能都在进行不断地改进，并且获得了显著的效果，但并没有从根本上解决问题。随着电机及其驱动技术的发展，人们自然想到了“直接驱动”的方式。直接驱动的本质就是取消从动力装置（在工业实际中主要是电动机）到工作部件之间一切中间机械传动环节，由电动机直接驱动工作部件动作，实现所谓的“零传动”，或者严格定义直接驱动方式就是电动机不经过任何传动链直接驱动负载。

目前，很多直驱方式往往指“准直驱、近直驱、近零传动”。“直接驱动与零传动”的内涵就是取消从动力装置到工作机构之间一切中间机械传动环节，由电动机直接驱动工作部件（被控对象）动作，实现所谓“零传动”。交流伺服直接驱动技术的研究目的，就是综合电磁学、机械学、力学、材料学以及测量控制技术，研究和揭示电磁直驱的物理学本质，建立相应的直驱电机设计与控制理论，以及适用于电磁直驱的传动理论。从而为高端机电装备开发提供科学依据。如图4所示表示采用高性能的交流伺服电动机直接驱动负载，而省掉了原有的复杂皮带与齿轮传动系统。

图4 传统电气一代机器与直接驱动系统的原理

在交流伺服直驱式的系统中，由于交流伺服电动机承担着传统电气一代机器中的动力装置与传动系统的两部分功能，因此在数控一代中的交流伺服电动机即电—机械转换器成为了现代机械装备的核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是机电装备的动力源头。要提高现代机电设备的性能指标，实现“零驱动”，很大程度上就是要提高电—机械转换器的驱动能力。因此，高性能的电—机械转换器的研究开发是亟待解决的焦点问题。对新型高性能的交流伺服电动机即电—机械转换器的要求是：高频响、带负载能力强（特别是低速拖动能力强）、输出线性好、耐高压、耐高温、可靠性高。目前可用于直接驱动的旋转电机主要有：永磁同步电动机、交流变频电动机、步进电机、直流力矩电动机、变磁阻电动机、开关磁阻电机（SMR）、横向磁场电机（TFM）、开关磁通电机等。随着钕铁硼（Nd、Fe、B）永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为直接驱动用的主流电动机。

“直接驱动与零传动”的外延是指通过新型的电动机伺服直驱机电装备中的执行元件（如流体泵、流体阀、滑块、主轴、旋轮、工具、轧辊、车轮等），并通过对新型伺服电动机的运转状态进行自动调节控制，代替传统机械传动中的变速、变量、变向方式，实现机电装备的高效、节能、精密、柔性、可靠的运行！

直接驱动及“零传动”系统具备如下特点：

⑴定位精度高。直接驱动实现了电机与负载间的刚性耦合，因此消除了原来中间传动机构产生的传动误差，如齿轮、丝杠螺母等误差，提高了传动精度，也从根本上消除了非线性摩擦力和弹性形变的影响，不存在爬行现象，提高了定位精度和可重复性能。

⑵高速或低速大转矩和高加（减）速度。如数控机床要求具有超高速运转的大功率精密主轴，且要有一个反应速度快、高速轻便的进给驱动系统。因为数控机床直线进给行程较短，只有具有很高的加速度，才能瞬时达到设定的高速状态，也必须有很高的减速度才能在高速状态下瞬时准确停止，以保证加工要求的定位精度。一般冲压设备需要的速度不高，但是必须有很大的转矩，就需要驱动系统有低速大转矩性能。电动自行车、舰船也属于此应用领域，此种驱动方式同样需要高加（减）速度。

⑶动态响应速度快。直接驱动的响应能力可高于机械变速驱动100倍以上，因为一般系统的电磁时间常数远小于机械时间常数。这意味着直接驱动可具有更大的加（减）速度和更短的定位时间，以及更高的控制精度。采用传统驱动方式，由于受制造精度的限制，中间传动环节不可避免地会存在间隙死区，非线性摩擦力等，特别是细长的滚珠丝杠会产生弹性形变，这些都使系统的阶次变高，增加了非线性因素，限制了系统的带宽，会降低系统的动态性能，严重时可能产生机械谐振。

⑷机械刚度和可靠性高。取消了中间传动环节，不存在滞后问题，传动刚度可大大提高，保证了系统的传动精度和定位精度，减小了机械磨损、提高了系统可靠性。

⑸噪声低、保养费用低。运动部件减少，降低了噪声，磨损部件只剩下旋转或直线轴承，保养费用大大降低。如果考虑到电气部分增加保养的费用，也低于原来传动系统。

交流伺服直驱及传动技术国家需求也很迫切，我国将《高档数控机床及基础制造装备》做为“十六”个重大专项之一投巨资予以发展。而《高档数控机床及基础制造装备》2009年度第一批课题申报指南中启动的十三个中，就专门安排了电机及驱动装置方面的三个课题。另外投资600亿元的国家十六个重大专项之一《大型油气田及煤气层开发》确定了6大技术系列，20项重大技术。10项具有自主知识产权的重大装备和22项示范工程。其中10项具有自主知识产权的重大装备之一“模块化动态地层测试器”，采用了直驱式液压传动方式。

同时电磁直驱和传动技术，广泛用于轨道车辆、汽车、国防车辆运载系统、船舶、航天、航空、电梯、石油、液压元件之中。直接驱动包含的三个层面：直驱被控对象，如图5所示的电机直接驱动涡旋压缩机；直驱执行元件，精简传动部件如图6所示的电机与油泵一体化的装置；短流程工艺与直驱设备一体化，如图7所示的复合管材挤压装备。

图5 电动机直接驱动的一体化涡旋压缩机

图6 电动机与油泵一体化的装置

图7 大连交通大学研发的连续挤压装备及其护套连续包覆生产线

典型的交流伺服直接驱动锻压设备

直线电机直接驱动的冲床

目前机械压力机常用旋转式的交流异步电动机驱动方式，这样传动系统就需要离合器与制动器、皮带及齿轮传动部件，并且为获得足够的冲压力，还需配备一只储能的飞轮。工作机构还需要将旋转运动转变为滑块直线往复运动的曲柄连杆滑块机构。如图8所示的交流伺服直线式电动机直接驱动的下传动机械压力机中，电动机的动子就是直线运动的滑块，这种直线电机直接驱动的冲床除具备结构简单、可靠性好外，还具有以下优点：无离合器与制动器，节能振动噪声小，无摩擦材料消耗；省略了皮带轮、齿轮、曲柄、连杆、滑块等中间传动机构，提高了机械效率；脉冲式工作只需间歇通电，故节省电能；磨损小，可以长时期地保持高精度等特点；滑块做直线运动，工作受力均匀，可提高产品质量，节省原材料；利用电气伺服控制，操作方便，使用灵活，易于实现自动化生产；结构紧凑、体积小、重量轻等。

目前国内外在该领域研究工作较少，设计理论不是很完善。不少研究人员主要是从事电机专业的研究。由于大功率直线电动机的能量利用率低，可控性还需进一步完善，因此目前研究侧重点是直线电机的改进和完善。现在这种压力机的冲压力较小，只能对小型工件进行冲压，应用范围受到了限制，见图8。

图8 几种不同型式和吨位的直线电机直接驱动的压力机

旋转式交流伺服电动机直接驱动的机械压力机

机械压力机也就是我们常说的曲柄压力机，是依靠电动机作为原动机直接拖动的一种机械传动式机器。虽然形状和吨位大小不同，但工作原理及基本组成部分是相同的，如图9所示。通用型机械压力机的主要技术参数，由以下六部分组成：

图9 传统的机械压力机示意图

⑴工作机构，作用是将曲柄的旋转运动变为滑块往复运动。通常由曲柄、连杆和滑块组成，从而构成了曲柄连杆机构的工作形式。

⑵传动系统，包括皮带传动、齿轮传动。作用是传递电动机的运动和能量到工作机构，以满足工件成形的要求。

⑶操纵系统，作用是在电动机经常开动飞轮不断运转的条件下，控制工作机构的运动或停止，该系统通常是由离合器或者制动器组成的。

⑷能源系统，作用是提供工件变形所需的能量，包括电动机和飞轮两部件。

⑸机身，把机械压力机所有部分联结成一个整体组成一部完整的机器，并支承其自重。

⑹辅助及附属装置，包含两类：一类是保证压力机正常运转的辅助装置，如润滑系统、超载保护装置、滑块平衡装置、电路系统等；另一类是为了工艺方便和扩大压力机工艺应用范围的附属装置，如顶件装置等。

采用交流伺服电动机直接驱动的机械压力机见图10、11，省掉了离合器与制动器以及复杂的减速传动系统。这种交流伺服压力机通常是采用永磁式交流伺服同步电动机进行驱动的，其传动系统主要包括了连续旋转式（图11c）、丝杆驱动摆动式（图10，图11a、b）两种方式。其中，连续旋转式交流伺服压力机还保留着传统机械压力机中除去离合器与制动器之外的其余传动与工作机构，对原有压力机结构上的改动不大，所需的交流伺服电动机的功率和转矩明显比丝杠驱动摆动式伺服压力机小。

交流伺服压力机具备：高的生产率且行程可调，行程次数相应可以提高。在保证行程次数不变的情况下，可以提高非工作阶段行程速度，降低冲压阶段的锻冲速度并提高工件的加工质量；超柔性，具有自由运动功能，滑块运动速度和行程大小可以根据成形工艺要求而设定；高精度，采用滑块位移传感器实现全闭环控制，提高下死点的精度，补偿机身的变形和其他影响加工精度的间隙；降噪节能，滑块的运行完全由伺服电机控制，去除了传统压力机的离合器/制动器在启动和制动过程中产生的排气噪声和摩擦制动噪声；降噪环保同时减少了摩擦材料的使用，节能省材。

图10 交流伺服压力机

图11 几种典型的交流伺服机械压力机传动原理

据悉，东风汽车股份有限公司汽车分公司于2007年从网野（武汉）高科技有限公司引进由一台10000kN、四台6000kN机械连杆式伺服压力机组成一条覆盖件生产线，至今已经运行了17个月，主要承担了东风小霸王系列、东风之星系列、东风梦卡系列及DF1045中宽、B07、F91A等车型白车身中小型冲压件的生产任务，主要工艺包括下料、拉延、修边、冲孔、斜切、校正、弯边等，生产线的总效益958.98万元/年。

交流伺服电机直驱式旋压机

交流伺服电动机直接驱动的数控旋压机采用了两个独立的伺服轴工作台，由Y轴进给系统和回转轴系统组成。旋轮/切轮进给机构及主轴箱整体前进后退的丝杠导轨机构，均采用了精密滚珠丝杠、精密滚动直线导轨、伺服电机专用弹性联轴节等精密传动机构，保证了各个轴联动及各轴运动的匹配。西安交通大学研发的交流伺服电动机直接驱动的数控旋压机及其旋制出的工件。相对于传统的液压式旋压机而言，交流伺服电动机直接驱动式旋压机控制性能好、节能降噪、结构简单、维修工作量明显降低。

交流伺服直驱新技术的发展方向

⑴考虑非线性、时滞效应的电磁耦合能量传递机理研究，研究新型直驱电－机－液转换器电磁场、温度场、压力场、位移场的理论建模及数值模拟。

⑵极限工况下，如超高速、低速重载、高温、低温等恶劣工作环境下伺服直驱用电—机转换装置，直线与旋转用电机的原理及其设计理论。

⑶集成信息感知和智能控制适用于直驱的新型传动理论（电磁与机械传动的功能合理匹配）及其创新机构类型。

⑷适用于伺服直驱的恶劣工况下电器元件与机液传动功能部件（泵，阀，滚珠丝杠，线性导轨）的研发。

⑸伺服直驱的新型塑性成形技术。

⑹适用于伺服直驱的控制理论与技术。

⑺电磁直驱典型机电装备的研发。

结束语

目前全国从上至下都在积极地开展“数控一代”的研发工作，不少省的科技厅已设立科研课题大面积的开展这一工作，因此锻压设备的交流伺服直接驱动已势在必行。那么，强化研发人员的学科交叉的综合创新能力至关重要，尤其要组织锻压设备专业、电机专业、自控专业的相关人员共同进行难题攻关。

“伺服直接驱动与零传动”研究不能仅仅局限在电－机械转换器的研发上，应积极开展适用于“驱动与零传动”的创新型新工艺及传动部件的研发，机械工程领域的研究人员应强化学科交叉的理念，主动与电机、控制、计算机、材料等领域的人员密切协作，开展适用于不同场合直接驱动用新型电动机的研发。“伺服直接驱动技术”的理念，迫使机械领域的专家们不得不积极主动关注相关领域的科研成果，与其他领域的专家合作开展研究，为其开辟了新的研究领域与学科生长点，将电机、自动控制、电力电子、计算机、材料等领域的成果及时引入到塑性成形技术的领域。

“交流伺服直接驱动与零传动”也包含机械工程领域中的工艺—装备一体化的理念。当然，每种新技术也都有其适用的范围，在目前的科技状况下还做不到将“直接驱动与零传动”应用到任何机电液的装备中，但可很乐观地预测：“交流伺服直接驱动技术”是机电装备发展的必然趋势。

反馈服务编码6103

赵升吨，博导，原机械工程学院副院长，主要研究方向是机电一体化控制。