文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司董事、總經(jīng)理

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所技術(shù)士、 江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司顧問

伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

（連載一）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司董事、總經(jīng)理

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所技術(shù)士、 江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司顧問

總序

江蘇中興西田數(shù)控科技有限公于2011年9月正式成立，該公司由一支熱愛鍛壓事業(yè)，并在中日鍛壓行業(yè)里工作多年的資深專業(yè)技術(shù)和管理團隊所組成，公司以“振興中國鍛壓事業(yè)為己任 打造高端裝備制造新品牌”為公司目標，即將推出CPTEK-興鍛的鍛壓機械品牌，力爭將國際上最先進的伺服、多工位和冷溫擠壓等新型鍛壓設(shè)備和周邊自動化裝置等推向市場，為國內(nèi)汽車、家電和電子等行業(yè)提供最具性價比的先進金屬沖壓成形解決方案，并打造出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中高端鍛壓設(shè)備民族品牌。因此，我們愿意同國內(nèi)同行一起交流，共同成長，并將我們團隊所掌握的專業(yè)知識盡可能地獻給國內(nèi)熱愛和關(guān)注鍛壓事業(yè)的讀者。

當今沖壓機械已進入了一個日新月異的嶄新時代，即已經(jīng)開始邁入了智能化沖壓機械的新時代。人們在開始考慮“讓沖床按照自己的意愿運轉(zhuǎn)”的時候，雖然還不能隨心所欲達到我們所希望的動作，但沖床機械的發(fā)展還是一點點、一步步地向著我們的目標接近。

如今沖床的運轉(zhuǎn)可以按照人們的設(shè)定來進行，相信在不遠的將來，沖壓加工的CAE仿真分析結(jié)果技術(shù)也會直接引進到?jīng)_壓機械中來。

那么，今天在加工現(xiàn)場使用的沖壓機械是什么樣的呢？對曲軸式、連桿式?jīng)_床來說，人們可以任意改變的除了閉模高度的調(diào)節(jié)、緩沖器壓力等之外，就只有每分鐘的行程數(shù)SPM了。對于只能上下運轉(zhuǎn)的沖床來說，能夠按照人們的希望來設(shè)定其運轉(zhuǎn)的就是數(shù)控伺服沖床了（伺服的原意就是希臘語中奴隸的意思，可謂伺候，服務(wù)的馴服工具。以下省略數(shù)控，簡稱伺服沖床）。

伺服沖床可以設(shè)定在下死點附近逆轉(zhuǎn)，也可以設(shè)定在一個行程的加工狀態(tài)時停止0.1～0.5s。迄今為止，沖壓產(chǎn)品的精度、品質(zhì)或者說是皺褶、裂紋還有彎曲的回彈（彈性反彈）等等的發(fā)生仍然困擾著人們。伺服沖床具有可以讓難度大的沖壓加工變?yōu)楹唵位耐瑫r，使沖壓產(chǎn)品的品質(zhì)和精度得到了顯著的提高。

但是，如果今天人們沒有充分地理解伺服沖床、不會靈活地運用其具有的任意性，雖然被叫做伺服沖床，但也不過是和從前沒有什么兩樣，只是停留在單純的擁有伺服電機驅(qū)動的機械式?jīng)_床概念上而已。雖然伺服沖床具有可以任意地改變其運轉(zhuǎn)模式的性能，但根據(jù)使用者的水平可以使結(jié)果大不相同，因而也就分成了有效果者和沒效果者。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展我國的沖壓加工行業(yè)的競爭也會日趨激烈，人海戰(zhàn)術(shù)已被逐步淘汰，一旦跟不上時代的進步就會滿盤皆輸、企業(yè)就會衰退甚至倒閉。為了在競爭中取勝，在這個行業(yè)里，提高沖壓加工的技術(shù)水平絕對是大勢所趨的。

綜上所述，我們計劃從伺服沖床的必要性開始，依次對伺服沖床的構(gòu)造和特征、伺服沖床可以做到的和做不到的事情、伺服沖床的靈活使用方法及靈活使用的效果等等進行講解，并在本雜志上順序刊登。

本系列連載預(yù)定是先對體現(xiàn)新時代的伺服式曲軸沖床的結(jié)構(gòu)原理和使用方法進行簡明的解說后，再談伺服沖床的使用方法。本文的閱讀對象是現(xiàn)在已從事與沖壓加工有關(guān)的技術(shù)人員、技術(shù)工人、模具設(shè)計，模具技工以及準備進入到這個領(lǐng)域的人，也可以為在校學習的學生作為教科書來使用。

考慮讀者需求，將在幾處設(shè)有能夠運用計算機的地方。這是因為考慮到通過自己動手進行實際的計算，可以幫助我們更深刻地理解沖壓加工和沖壓機械以及伺服沖床。

伺服沖床有必要嗎？伺服沖床是什么？

對于這兩個問題的詳細內(nèi)容將在連載中明確地說明，簡單地概括起來就是“依靠電腦數(shù)字控制（CNC）驅(qū)動的沖壓機械”。有些讀者可能會想沖壓機械并沒有必要用數(shù)控；有的認為，即使有必要數(shù)字控制，但對于理由又不太清楚；認為沖壓機械的數(shù)字控制絕對必要的讀者顯然是比較少的。

首先，為什么說是必要的，讓我們把沖壓加工的范圍稍微擴大來考慮一下：

對于金屬材料來說，每一種材料都有適合它的加工速度。然而，這種適合的速度范圍卻是很小的，如果用不適合這種材料的速度加工時，金屬材料就會做出拒抗反應(yīng)，加工的精度和品質(zhì)當然就都會變壞。相反，選擇了合適加工速度的結(jié)果就是加工精度良好，品質(zhì)也提高。

在這里可以提出一個問題，不知各位讀者有沒有這樣的經(jīng)驗。在鏜床上用鉆頭給金屬材料鉆孔時，我們必須根據(jù)金屬材料的材質(zhì)、硬度、鉆頭的直徑還有開孔的內(nèi)表面的粗糙度、精度來確定鉆頭的回轉(zhuǎn)速度，同時鉆頭的鉆進速度也要隨之改變（這里所講的鉆進速度用鉆頭在旋轉(zhuǎn)一周時切入的量來表示）。這個經(jīng)驗告訴我們要改變的是什么。那就是進行改變鉆頭切削速度的操作，也就是說在進行金屬加工時，人們要根據(jù)經(jīng)驗或按照別人告訴的加工速度進行著改變加工速度的操作。

鏜床以外的機械如銑床、車床也是同樣，無論是改變主軸的回轉(zhuǎn)數(shù)或改變送進速度的條件，都是在進行改變切削速度的操作。也就是說，在機械加工中，要通過改變切入量和送進量將切削刀具行走速度調(diào)整到最合適。

總之，機械加工都是通過對各種各樣的速度條件進行細微的調(diào)整來選定最適合的數(shù)值，從而進行切削加工的。那么沖壓加工又是怎樣的呢？

在我們的讀者當中可能很少有人注意到，無論是在進行沖壓加工，還是在設(shè)計模具，都要考慮適合金屬材料的加工速度或沖壓速度的因素。這不是大家的問題，因為至今沖壓加工的速度是不能改變，這不是需要考慮的問題。

當沖壓成形的產(chǎn)品精度和品質(zhì)不良時，很多的操作工人和技術(shù)人員就會說“因為模具不好，所以精度和質(zhì)量都上不去”。把問題歸罪于模具，最終的結(jié)論是模具設(shè)計者的問題，成了模具設(shè)計人員的責任。于是就開始了模具的各種各樣的修正，有時還要進行部分的設(shè)計變更，通過艱辛的努力，有時也可能會達到要求的精度和質(zhì)量。當修改以后的模具的沖壓產(chǎn)品達到了精度和質(zhì)量的要求時，最終的結(jié)論就是，精度不高的原因就是模具不好。然后隨之而來的是這個模具損傷得很快，這個模具給產(chǎn)品造成了很多劃痕等等，將產(chǎn)品的品質(zhì)問題又歸結(jié)到模具上。

由此可以看出，實際上沖壓加工的速度在很大程度上是影響產(chǎn)品精度、品質(zhì)的原因。因此，我們有必要考慮產(chǎn)品的精度與加工速度的關(guān)系，即被加工金屬材料的加工速度，也就是金屬材料的變形速度左右著沖壓加工產(chǎn)品精度和質(zhì)量的好壞。目前為止，認為沖壓加工的速度是不能改變的，可以改變的只有沖床每分鐘行程數(shù)的人占有相當大的比例，這也是很正確的。

但是，在機械技術(shù)和電子控制技術(shù)不斷進步的今天，沖壓機械的加工速度也可以改變了，事實上由于選擇了最合適的速度使得沖壓產(chǎn)品的精度和品質(zhì)得到了很大的改善，而且模具的磨損也減少了。不僅如此，沖壓加工時的噪聲降低了5～10dB，整個沖壓工廠的噪聲得到了大幅度降低的實例有很多。因為噪聲的根源是沖壓加工時發(fā)生的振動，使用了伺服沖床后減少了振動，從而降低了噪聲。

總之，伺服沖床是具有能夠提高沖壓產(chǎn)品精度和品質(zhì)，能夠降低沖壓工廠的振動噪聲，能夠延長模具壽命、延長模具維修間隔，從而達到降低模具成本等效果的沖壓機械。

沖壓機械與沖壓加工的關(guān)系

也許有的人會說，沖床不就是進行沖壓加工的機器嘛，除此以外還有什么呢？實際上因為沖壓加工的內(nèi)容不同，沖床被設(shè)計和制作成了很多種類。沖床在進行沖壓加工時是專用機械，只有在更換了使用的模具后才能改變加工的內(nèi)容。使用時就是專用機，如果沖床的操作人不能正確理解和使用，就會使沖床損壞或造成故障。所以，不論是沖床的操作人員、模具的設(shè)計者，還是沖壓工廠的管理者都要對沖床構(gòu)造的特征和弱點有充分的認識。

再說說沖床加工三要素：第一個要素是模具；第二個是沖壓機械；那么第三個要素就是被加工的材料了。在這三個要素中，哪一個要素出現(xiàn)問題，都不能加工出好品質(zhì)的沖壓產(chǎn)品。相信有很多人都有這樣的體會。

本章中我們將從沖壓加工角度介紹第二要素的沖壓機械。

機械式?jīng)_床構(gòu)造的再認識

在沖壓機械中，使用最多的是曲軸式?jīng)_床，這在世界各地大概是同樣的傾向。首先，曲軸式機械沖床的構(gòu)造和作用是很明了的，我們考慮一下是不是可以將其構(gòu)造稍作改變，機械式?jīng)_床就可以變成數(shù)控沖床了呢，圖1是典型的一根曲軸的沖床，我們稱其單曲軸沖床，現(xiàn)就這個結(jié)構(gòu)進行說明：

1a是沖床的工作臺，其與滑塊同樣左右著模具的性能，也左右著沖壓產(chǎn)品的精度和品質(zhì)。

1b是滑塊，隨著曲軸的回轉(zhuǎn)作上下運動?；瑝K的強度和剛性（在后面解釋）決定著模具的性能，也決定著沖壓產(chǎn)品的精度和品質(zhì)。

圖1 最典型的通用型曲軸式?jīng)_床構(gòu)造

2a是曲軸。

2b是滑塊連桿，它是將曲軸的運轉(zhuǎn)傳達到滑塊的裝置，在與模具配合時用其來調(diào)節(jié)閉模高度。

3a是電機，其帶動飛輪轉(zhuǎn)動，為沖壓加工提供能量。電機分為不能改變轉(zhuǎn)數(shù)的和可以稍稍變化轉(zhuǎn)數(shù)的電機，但這些都不是伺服電機。

3f是曲軸的主齒輪。

3e是從動齒輪，用來驅(qū)動主齒輪。

4是飛輪，其通過電機來旋轉(zhuǎn)，作用是在儲存加工所用的能量的同時，使曲軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生力（扭矩）

5a是離合器，其作用是將飛輪的回轉(zhuǎn)力（扭矩）傳遞或切斷。這是決定沖床性能的最重要的構(gòu)造之一。離合器中藏有剎車片，可以停止曲軸的回轉(zhuǎn)，也是決定沖床性能的重要裝置之一，是沖床安全性最重要的結(jié)構(gòu)，同時左右著非常停止的性能。這個裝置必須有很高的可靠性。

10是機架，沖床的結(jié)構(gòu)件之一，是用來承受沖壓時的負荷，支撐曲軸。最近一般是用鋼板焊接而成的。

數(shù)控伺服沖床的原理和構(gòu)造基礎(chǔ)

在沖壓機械中，曲軸沖床占有95％的份額，其是沖床的代表機種，已經(jīng)有了150年以上的歷史。

日本是在1990年開發(fā)數(shù)控伺服沖床的，1995年前后迅速發(fā)展。當初，歐美的沖床制造廠家制造的沖床都是沒有NC化（數(shù)字控制）的，大家都認為像沖床這樣又大又重的驅(qū)動裝置用伺服電機是不能帶動的。2000年后歐洲的制造廠家看到了日本已經(jīng)把數(shù)控技術(shù)運用到了通用沖床上，也開始了數(shù)控沖床的研發(fā)和制造，隨后包括中國在內(nèi)的東南亞的沖壓機械制造廠也逐步開始制造數(shù)控沖床了。

從1995～2005年前后，使用中的沖壓機械的大部分還是帶有離合器的機械式?jīng)_床，到了2008年伺服沖床就成了新設(shè)置沖床的潮流了。最近，在日本制造中的機械式?jīng)_床有30％以上是伺服沖床?，F(xiàn)在日本的伺服沖壓機械的總臺數(shù)（包括用伺服電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)塔沖床）已經(jīng)超過4000臺，今后公稱能力超過20000kN的大型沖床也逐漸數(shù)控伺服化，而且這項技術(shù)的應(yīng)用已擴展到了100kN以下的小型沖床、桌式?jīng)_床。

本文中把采用了下面構(gòu)造的沖壓機械作為數(shù)控伺服沖床，在后文中我們只限定把使用了電動式伺服電機的沖床定義為數(shù)控伺服沖床。

伺服電機的種類和數(shù)控沖床的種類

數(shù)控伺服沖床按照沖床的驅(qū)動構(gòu)造和伺服電機的種類分為下面的幾種:

（1）電氣式伺服電機驅(qū)動的沖壓機械，這種沖壓機械是用連接接頭將伺服電機與球頭連桿和驅(qū)動齒輪聯(lián)結(jié)，從而增大曲軸結(jié)構(gòu)或連桿結(jié)構(gòu)的力量來帶動滑塊的運轉(zhuǎn)。

（2）電氣式伺服電機驅(qū)動油壓泵再帶動齒輪轉(zhuǎn)動的沖壓機械，這種沖壓機械的方式是用伺服電機驅(qū)動油泵旋轉(zhuǎn)，再用油泵產(chǎn)生的油壓力驅(qū)動油壓氣缸來帶動滑塊的運轉(zhuǎn)。

上述用的兩種伺服電機中既有使用交流電源，使回轉(zhuǎn)數(shù)隨著周波數(shù)的變化而改變的AC交流伺服電機，也有使用直流電源通過電流的控制等方法使其回轉(zhuǎn)數(shù)變化的DC直流伺服電機。

（3）油壓伺服驅(qū)動式?jīng)_壓機械，一般是指用普通馬達來驅(qū)動油壓泵，用電氣式伺服閥控制高壓油的流量，驅(qū)動油壓氣缸方式的沖壓機械。這種方法50年前就開始使用了，多應(yīng)用于油壓式折彎機上。

通用馬達和伺服電機的特性與沖壓機械

一般機械經(jīng)常使用的電機（通用馬達）的回轉(zhuǎn)數(shù)是由極數(shù)（有2極、4極、6極等）和電源周波數(shù)（50Hz）來確定回轉(zhuǎn)數(shù)，要變速就必須通過另外的電氣式的或機械式的變速裝置來實現(xiàn)。如果讓這種裝有用普通馬達帶動的變速裝置來改變通用沖床的速度，也就是說沖床的飛輪從靜止狀態(tài)到全速運轉(zhuǎn)的增速時間即使是小型沖床也需要數(shù)十秒，大型沖床則需要幾分鐘。如果讓回轉(zhuǎn)中飛輪的回轉(zhuǎn)次數(shù)增加到兩倍都需要十秒到數(shù)十秒，而在沖壓加工中需要在1min內(nèi)增減速度十次，這是不可能的。但伺服電機具備從停止狀態(tài)到全速運轉(zhuǎn)只需要0.1～0.5s的能力，如果電子控制設(shè)計的合適，在1min內(nèi)可以達到數(shù)十次。如果速度的變化量比較小，伺服電機可以使更頻繁地變速成為可能，也就是說伺服電機是由數(shù)控電路忠實響應(yīng)的電機。具有正確的速度控制和角度控制的伺服電機，大的可以使用在鋼鐵廠的壓延機上，使用在印刷輪轉(zhuǎn)機上；小的可以用在手表、半導(dǎo)體制造機械等超小型機械上。無論是哪一種伺服電機都是在回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)方向及回轉(zhuǎn)力（扭矩）的指令下動作，動作的結(jié)果與指令值進行演算、比較后反應(yīng)到發(fā)出的指令上，然后將這個結(jié)果再演算、再比較再發(fā)出下一個指令，就這樣在指令值和結(jié)果比較中回轉(zhuǎn)驅(qū)動，并被使用到必要的地方?？傊?，是反應(yīng)了控制結(jié)果的叫做反饋電路的控制方法驅(qū)動著馬達運轉(zhuǎn)的。

在數(shù)控伺服沖床上伺服電機就是用了指令和結(jié)果的比較來反饋控制的。沖壓機械的數(shù)控伺服化也就是說，由高可靠性的馬達和指令值發(fā)生裝置、傳感器檢出的位置和力的數(shù)值與指令值的差進行演算的裝置，再加上在馬達上的電壓、電流或周波數(shù)的出力裝置，指令值的增幅裝置等構(gòu)成。

忠實地追隨指令的回轉(zhuǎn)型伺服馬達可分成AC（交流型）伺服電機、DC（直流型）伺服電機和變頻（交流型）伺服電機。直線運轉(zhuǎn)的伺服電機有直線運轉(zhuǎn)型AC伺服電機。

圖2 低速高扭矩伺服電機

直流型伺服電機必須有供給電機回轉(zhuǎn)用的電刷，因為電刷的磨損必須要定期檢查和維修。因此DC伺服電機的用途受到了限制。原來使用了DC型的，有的現(xiàn)已被 AC型取代了。因沒有電刷的AC型具有保養(yǎng)簡單，致使伺服電機系統(tǒng)的整體費用下降的特長，最近的伺服沖壓機械很多都采用了AC伺服電機。

伺服電機大致有兩種，第一種是被廣泛使用的高速回轉(zhuǎn)、低回轉(zhuǎn)力（高速低扭矩）的馬達；第二種伺服電機雖然歷史短，但很適合沖壓機械低速回轉(zhuǎn)、高回轉(zhuǎn)力（低速高扭矩）的馬達，如圖2所示。

目前，高速低扭矩伺服電機的最高回轉(zhuǎn)數(shù)在2000～3000次之間，加壓停止時間很短。多數(shù)的低速高扭矩伺服電機的最高轉(zhuǎn)速在400～1000次之間，加壓停止時間比高速型的長，如果改變了加壓力停止時間就可變?yōu)?.5s左右。因此，能夠在多少時間加壓、并停止必須向沖壓機械制造廠確認。也有不能加壓停止的伺服電機，不可擅自設(shè)定。當不正確使用時，伺服電機或控制基板就有被燒損的可能，一定要充分注意。

從下一期開始，我們會只限定在把伺服電機驅(qū)動的機械式?jīng)_床作為數(shù)控伺服沖床來考慮，著重對板材成形的數(shù)控沖床進行直接和間接說明。