文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

（連載二）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造和定義在日本，伺服沖床的定義已由日本工業(yè)規(guī)格（JIS）確定了，除去日本鍛壓工業(yè)協(xié)會(huì)管理下的沖壓設(shè)備制造廠家之外，還有在日本銷售的臺(tái)灣沖壓設(shè)備制造廠家和團(tuán)體也一起制定了這個(gè)定義。這個(gè)定義認(rèn)為，只是僅僅安裝了伺服電機(jī)的沖床不一定能叫伺服沖床。而中國(guó)的伺服沖床還剛剛起步，到目前為止伺服沖床仍沒(méi)有明確的定義，因此需要考慮盡快制定。過(guò)去由于沖壓機(jī)械造成的人身事故（有留下重度傷殘的災(zāi)難性事故，也有直接導(dǎo)致死亡的最惡性事故），發(fā)生頻率是很高的。這些事故大多數(shù)是由于沒(méi)有在沖床上安裝安全裝置造成的，非常危險(xiǎn)。也存在機(jī)器上雖然安裝了安全裝置，卻沒(méi)有接通電源的情況，使安全裝置沒(méi)有得到正確的使用而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。對(duì)于以往帶有摩擦板式離合器及制動(dòng)器的機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)來(lái)說(shuō)，安裝光線式安全裝置和防護(hù)欄等，能正確地得到使用就可以有效地降低人身事故的發(fā)生率。摩擦板式離合器和制動(dòng)器的沖壓機(jī)械的事故發(fā)生率較低的原因，是因?yàn)椴僮魅藛T的手或身體任何部分接近正在運(yùn)轉(zhuǎn)的模具或是進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域都會(huì)被檢出，隨即向沖床發(fā)出非常狀態(tài)停止信號(hào)，摩擦板式制動(dòng)器就能緊急停止。當(dāng)然，首要的條件是摩擦板式制動(dòng)器需要處于OFF的工作狀態(tài)。

與此不同的是，由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)著沒(méi)有制動(dòng)器的伺服沖床，其緊急停止過(guò)程是對(duì)伺服電機(jī)的發(fā)電回路進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其緊急減速（可叫做回生制動(dòng)）的同時(shí)，伺服電機(jī)自身強(qiáng)力的電磁回路使伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)被強(qiáng)制停止的方法來(lái)進(jìn)行制動(dòng)。

如果對(duì)這種“安全性高性能良好的伺服沖床”進(jìn)行定義的話，就需要有如下的基本條件：

⑴有伺服控制裝置，能夠安全地、正確地起動(dòng)的沖壓機(jī)械。

⑵有安全裝置，能夠確保操作人員安全的沖壓機(jī)械。

⑶有緊急停止機(jī)構(gòu)，能夠使其安全地急速停止的沖壓機(jī)械。

在本文中，筆者將把“由伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，由伺服的控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)械”作為伺服沖床，對(duì)其獨(dú)特機(jī)能和安全性進(jìn)行重點(diǎn)論述，同時(shí)也要講述關(guān)于伺服沖床的靈活使用方法以及如何利用伺服沖床的特性來(lái)靈活使用模具。

沖壓機(jī)械是在充分地考慮了操作人員安全的前提下制造的優(yōu)質(zhì)沖床，日常都需要保持良好的狀態(tài)。但如果不能正確地使用，也會(huì)發(fā)生對(duì)操作人員身體造成傷害的重大事故。同樣，雖然使用了計(jì)算機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)伺服沖床，也不能存有因?yàn)橛辛怂欧刂茩C(jī)構(gòu)就不會(huì)發(fā)生事故的心理，這一點(diǎn)我們要充分注意。也就是說(shuō)，無(wú)論是對(duì)伺服沖床還是以往的機(jī)械式?jīng)_床，進(jìn)行日常的嚴(yán)格管理和正確操作都是非常必要的。

優(yōu)質(zhì)沖床到底是什么樣的沖床呢？可以簡(jiǎn)單的概括為以下9方面：

⑴由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)人員，在遵守有關(guān)安全的法律法規(guī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑵由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的技師，對(duì)機(jī)械的零部件進(jìn)行正確的加工。

⑶由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的技師，對(duì)機(jī)械進(jìn)行正確的組裝。

⑷由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的技師，對(duì)機(jī)械進(jìn)行正確的運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整。

⑸由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的質(zhì)檢人員，對(duì)機(jī)械進(jìn)行正確的檢查。

⑹由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)人員，對(duì)機(jī)械進(jìn)行正確的安裝和試運(yùn)行工作。

⑺由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的機(jī)械保養(yǎng)人員，正確地進(jìn)行日常的檢查，使機(jī)械終保持良好的狀態(tài)。

⑻由具備沖壓機(jī)械正確知識(shí)的機(jī)械操作人員，進(jìn)行正確的運(yùn)轉(zhuǎn)操作。

⑼沖床的操作人員要愛(ài)惜沖床并謹(jǐn)慎操作，要對(duì)沖床進(jìn)行正確的檢查，發(fā)現(xiàn)異常要停止運(yùn)轉(zhuǎn)并及時(shí)向機(jī)械設(shè)備的管理人員報(bào)告。

以上的前6方面是由沖床制造廠義不容辭來(lái)?yè)?dān)當(dāng)?shù)?，?方面是沖床使用廠家的責(zé)任。

那么，上面提到的有關(guān)沖壓機(jī)械的正確知識(shí)，在今后的連載中將逐步詳細(xì)說(shuō)明。在這里只是強(qiáng)調(diào)各個(gè)崗位上的擔(dān)當(dāng)人員要對(duì)自己的責(zé)任有清醒地認(rèn)識(shí)，要讓正確地進(jìn)行生產(chǎn)操作成為每個(gè)人必須履行的自覺(jué)行動(dòng)。

為了制造出優(yōu)良的沖床并使好的沖床得到正確的使用，許多國(guó)家都制定了相關(guān)的法律，美國(guó)和德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家以及日本都有相關(guān)詳細(xì)的法律，如果違反了要受到很嚴(yán)重的處罰。在中國(guó)關(guān)于沖壓機(jī)械及其安全使用的法律法規(guī)還不是太完備，必須要加快這方面的法規(guī)和條例的完善。

本文連載中涉及的沖壓機(jī)械是伺服沖床，跟以往的沖床相比控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，沖壓機(jī)械因采用了數(shù)控技術(shù)就成為了伺服沖床，具有正確的知識(shí)就更為重要，尤其在安全上要比以往的普通沖床更加注意才可以。

以伺服電機(jī)作為動(dòng)力源的沖床分類

用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源的沖壓機(jī)械大致可以分為以下三大類：

電動(dòng)式伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服沖床，這類沖床是將驅(qū)動(dòng)圓柱螺紋或曲軸的齒輪與伺服電機(jī)連接，用曲軸機(jī)構(gòu)或連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)的沖床。

電動(dòng)式伺服電機(jī)油壓泵驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)械，是用伺服電機(jī)帶動(dòng)油壓泵，再用油壓力驅(qū)動(dòng)油壓氣缸的沖壓機(jī)械。

油壓伺服驅(qū)動(dòng)式?jīng)_壓機(jī)械，是用通用電機(jī)帶動(dòng)油壓泵、電動(dòng)式伺服閥來(lái)控制油壓泵產(chǎn)生高壓油從而驅(qū)動(dòng)油壓氣缸的沖壓機(jī)械，油壓伺服式彎折機(jī)就是屬于這種方式。

前兩種沖壓機(jī)械使用的伺服電機(jī)也分成兩大類，第一類的電源是使用交流電源，利用頻率數(shù)的變化來(lái)改變伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)，也就是可以改變速度的AC伺服電機(jī)；第二類是使用直流電源，利用電流、電壓等改變回轉(zhuǎn)數(shù)的DC伺服電機(jī)。本文僅對(duì)電動(dòng)式伺服電機(jī)的沖壓機(jī)械進(jìn)行說(shuō)明。

伺服沖床的控制和使用種類

伺服電機(jī)發(fā)出有關(guān)回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)力（力矩）等的指令，再把動(dòng)作的結(jié)果（包含途中的過(guò)程）與指令值的差別相比較，然后再做出修改或不修改的指令內(nèi)容并反映到下一個(gè)指令中，從而控制沖床的動(dòng)作。

基本上，我們把這種信號(hào)一次又一次發(fā)出，然后反映到控制結(jié)果的方法叫做反饋控制，現(xiàn)在的伺服沖床基本上是用這種預(yù)先定好結(jié)果來(lái)控制的方法，最近又被稱為反饋推進(jìn)控制的方法，也就是說(shuō)使用在先預(yù)定結(jié)果的前提下來(lái)決定指令值的控制方法。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，采用一軸控制的方法是最基本的，就是由一臺(tái)伺服電機(jī)和一套控制裝置來(lái)控制一個(gè)加壓機(jī)構(gòu)（如一根曲軸、一個(gè)滑塊）的速度、位置、力。但是由于沖壓機(jī)械的加壓機(jī)構(gòu)有曲軸、螺桿軸（圓形螺紋、切削螺紋和旋壓螺紋等）等，因而根據(jù)沖壓機(jī)械的用途選擇一軸驅(qū)動(dòng)、二軸驅(qū)動(dòng)、三軸驅(qū)動(dòng)等復(fù)數(shù)軸驅(qū)動(dòng)的方法。

綜上所述，又可以歸納出現(xiàn)在伺服沖床的使用種類：

⑴一根曲軸和一臺(tái)伺服電機(jī)組合的單曲軸沖床，簡(jiǎn)稱單點(diǎn)沖床。這是伺服沖床使用最多的一種形式，多數(shù)的沖壓制造廠家都在制造。

⑵兩根曲軸和一臺(tái)伺服電機(jī)組合的雙曲軸沖床，簡(jiǎn)稱雙點(diǎn)沖床。這種方式的沖床也有一些制造廠開(kāi)始在制造，但是滑塊的平行控制是非常難以做到并做好的。

⑶兩根曲軸和兩臺(tái)伺服電機(jī)組合的雙曲軸沖床，也簡(jiǎn)稱為雙點(diǎn)沖床。能夠制造這樣方式的伺服沖床制造廠家還不多，但是滑塊的平行可以控制得好。

⑷三根曲軸和兩臺(tái)伺服電機(jī)組合的三曲軸沖床，也簡(jiǎn)稱為三點(diǎn)沖床。能夠制造這樣方式的伺服沖床制造廠相對(duì)更少，鍛造用沖床、順?biāo)图庸び脹_床等高剛度的沖床采用這個(gè)方式。

⑸一根螺紋軸和一臺(tái)伺服電機(jī)組合的單點(diǎn)沖床，多用于小型、小能力的沖床機(jī)械上。

⑹一根螺紋軸和一兩臺(tái)到四臺(tái)伺服電機(jī)組合的雙點(diǎn)沖床、四點(diǎn)沖床，如用一根螺紋軸驅(qū)動(dòng)的兩點(diǎn)連桿式?jīng)_床、用一根螺紋軸驅(qū)動(dòng)的四點(diǎn)連桿式?jīng)_床。這種沖床主要用來(lái)生產(chǎn)大型部件，如車門(mén)、車身的沖壓成形的沖床上大多采用這樣的形式，熱鍛用的螺旋沖床也有采用這種方式的。

⑺兩根螺紋軸和兩臺(tái)伺服電機(jī)組合的雙點(diǎn)沖床，可實(shí)現(xiàn)只有滑塊左右的平行控制或只有前后的平行控制。

⑻四根螺紋軸和四臺(tái)伺服電機(jī)組合的四點(diǎn)沖床，這一種形式可對(duì)滑塊的前后和左右同時(shí)進(jìn)行平行控制。

⑼五根螺紋軸和五臺(tái)伺服電機(jī)組合的五點(diǎn)沖床，在四點(diǎn)加壓的滑塊中心再追加一點(diǎn)，這與三點(diǎn)沖床一樣可以起到加強(qiáng)滑塊剛度的效果。

近期市場(chǎng)上出現(xiàn)的伺服沖床在增加加壓軸數(shù)的同時(shí)，又分別配置了各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安裝上?；瑝K的平行加壓。而且，沖壓機(jī)械也和工作加工機(jī)械一樣實(shí)現(xiàn)了平行控制。在國(guó)外，2軸加壓、3軸加壓、4軸加壓、5軸加壓等各顯特征的沖壓機(jī)械也在制造中。

伺服電機(jī)控制和沖床靜態(tài)精度的關(guān)系

伺服電機(jī)的控制回路基本上由幾部分組成，即使多軸的情況也沒(méi)有各自獨(dú)立的控制回路，一種方式是特定（固定）一根軸作為主導(dǎo)，其他的軸（即使是復(fù)數(shù)軸也同樣）是從屬關(guān)系，從屬軸的控制方法總是要跟隨主導(dǎo)軸，在某一刻檢出各個(gè)軸位置時(shí)最先行的軸或最落后的軸，這時(shí)確定出主導(dǎo)軸。除此以外，其他軸就都是從屬軸，就要采用追隨的控制方法。

還有一種方式是，主導(dǎo)軸隨時(shí)都可能改變。確定了主導(dǎo)軸，其他的軸就是從屬關(guān)系。這種方式可以將所有的軸控制在幾乎同樣的位置。軸在數(shù)量增加時(shí)檢出各個(gè)軸的位置，對(duì)哪個(gè)軸在先哪個(gè)軸在后進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論確定主導(dǎo)軸，再算出各軸與主導(dǎo)軸的差，然后再分別發(fā)出調(diào)整各自位置的指令，這是需要一定時(shí)間的。這樣，其控制裝置就要對(duì)快速演算提高速度，或者對(duì)于控制對(duì)象軸盡可能減少，使得得出結(jié)論的時(shí)間盡量縮短。一般認(rèn)為，前者提高演算速度方式比較多。

多軸控制的伺服沖床主要采用兩種控制方式，一種是向每一個(gè)軸逐次發(fā)出指令，每一根軸各自逐次進(jìn)行反饋的控制方式。還有一種是同時(shí)向各軸發(fā)出指令，各軸同時(shí)進(jìn)行反饋的控制方式。

一個(gè)主導(dǎo)控制軸，其他作為從屬軸的情況，因?yàn)楦髯缘奈恢?、速度的差異，必須要?yīng)答良好的伺服裝置（電機(jī)和控制回路），同時(shí)必須對(duì)沖壓機(jī)械回轉(zhuǎn)部分（軸承、齒輪的嚙合等）的間隙（縫隙、游離或者空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)也可稱之為失落運(yùn)動(dòng)）實(shí)行嚴(yán)格的管理和維修保養(yǎng)。

要達(dá)到伺服控制的目的，就是要將期望的性能得到更好地發(fā)揮應(yīng)用，除了上面所講的機(jī)械精度外，控制軟件也起著非常重要的作用。

電子信號(hào)的速度可達(dá)到每秒30萬(wàn)千米的高速，而在動(dòng)態(tài)的機(jī)器方面，從質(zhì)量很大且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（有時(shí)也用GD2表示）的控制軸角度來(lái)看，必須對(duì)其巨大的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行時(shí)停時(shí)轉(zhuǎn)，必須對(duì)機(jī)械的遲緩和馬達(dá)的力矩相匹配的加速率和減速率進(jìn)行控制。那么被回轉(zhuǎn)部件的重量越大、部件的直徑越大，越難以被轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要機(jī)械設(shè)計(jì)者、電氣設(shè)計(jì)者和計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)者具備協(xié)調(diào)性很好的綜合技術(shù)能力。伺服控制軟件設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)越多，就越能體會(huì)到其中的奧秘和悟性，會(huì)少走彎路，設(shè)計(jì)出精確的優(yōu)異結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō)，伺服電機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)（速度為零）開(kāi)始，到達(dá)定格速度需要0.05～0.5s，這個(gè)特性有時(shí)用自起動(dòng)周波數(shù)來(lái)表示?；瑝K的速度在一個(gè)行程中，可以任意頻繁地被改變，是伺服沖床最重要的特性之一。沖床的公稱能力越大，伺服電機(jī)就越重、越大，這時(shí)的自起動(dòng)周波數(shù)也就越大、越慢。這個(gè)特性不但影響從零速度到規(guī)定速度的起動(dòng)時(shí)間，也同樣影響從規(guī)定速度到零速度的停止時(shí)間。伺服電機(jī)的定格速度與最高速度有著非常緊密地聯(lián)系，如果最高速度在2000～3000r/min的高速情況下，定格速度也很高。當(dāng)然，根據(jù)電機(jī)不同會(huì)有所不同，有的伺服電機(jī)的定格速度可以達(dá)到最高速度的1/3～1/2。

在這里我們要反復(fù)強(qiáng)調(diào)的是，一個(gè)熟知機(jī)械特性的人設(shè)計(jì)出來(lái)的軟件和只有控制電路經(jīng)驗(yàn)的人設(shè)計(jì)出來(lái)的軟件對(duì)于發(fā)揮伺服沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)特性即滑塊的運(yùn)轉(zhuǎn)模式及滑塊的位置精度會(huì)有很大的差別。因此一臺(tái)伺服沖床只有把在對(duì)沖壓機(jī)械和沖壓加工十分了解的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的軟件配備上去才能算得上是好的沖床。

圖1 2500t多連桿式伺服壓力機(jī)

選擇伺服沖床非常重要的一點(diǎn)就是，伺服沖床多軸之間的相關(guān)關(guān)系精度要在1μm，這就要求機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)類部分、控制電路方面、檢出系統(tǒng)以及電腦軟件各自的精度都必須有所保證。在伺服沖床方面，至今為止還沒(méi)有達(dá)到工作機(jī)械的精度，但使用了位置分解能（位置最小測(cè)定單位）為0.05μm的檢出器后，可將沖床滑塊和工作臺(tái)的平行度控制在±3μm以內(nèi)，這樣的順?biāo)图庸_床已經(jīng)問(wèn)世。

綜上所述，構(gòu)成沖壓機(jī)械每一個(gè)部件的剛度都要高，每一個(gè)部件都需要有高精度的加工，沖壓機(jī)械的組裝精度也要精準(zhǔn)，這樣就可以制造出與工作機(jī)械一樣的伺服沖壓機(jī)械來(lái)。

如圖1所示為用于沖壓加工高精度汽車車身件的大型伺服壓力機(jī)——由株式會(huì)社網(wǎng)野制造的2500t多連桿式伺服壓力機(jī)，用于汽車車身外板的高精度加工，可以實(shí)現(xiàn)控制滑塊速度、滑塊多種運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、途中加壓停止、下死點(diǎn)加壓停止和往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)機(jī)制等運(yùn)轉(zhuǎn)功能。