中國第一重型機(jī)械股份有限公司（黑龍江齊齊哈爾 161042）劉林峰

壓力機(jī)是金屬成形加工領(lǐng)域中大規(guī)模使用的沖壓設(shè)備，其中以機(jī)械式飛輪曲柄壓力機(jī)和液壓機(jī)應(yīng)用最為普遍。機(jī)械式飛輪曲柄壓力機(jī)具有易于制造，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于壓力機(jī)需要飛輪的儲能來滿足沖壓力的要求，而飛輪的巨大轉(zhuǎn)動慣量導(dǎo)致滑塊在一個(gè)循環(huán)周期的運(yùn)動速度不能被快速調(diào)整，因此滑塊的運(yùn)行曲線非常固定單一，特別是對深拉伸的工件（沖壓瞬間要求滑塊速度較慢）效率非常低；液壓機(jī)在深壓延時(shí)效果非常好，但是工作速度比較慢，且能耗較大。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，要求沖壓機(jī)械不僅能夠高效、高質(zhì)量地沖壓，而且應(yīng)具有更大的靈活性，能迅速、方便地改變滑塊的運(yùn)動曲線來滿足越來越復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)需求；同時(shí)要求壓力機(jī)能夠易于使用，易于維護(hù)，從產(chǎn)品整體生命周期來大大降低費(fèi)用。伺服壓力機(jī)正是在上述要求的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

近年來隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大廠商對壓力機(jī)的要求也越來越高，目前高端壓力機(jī)市場主要被外資企業(yè)占據(jù)，為了突破壟斷，國內(nèi)企業(yè)紛紛投入大量的物力與財(cái)力，努力提升自身的核心競爭力，中國第一重型機(jī)械股份有限公司就是其中的佼佼者，其研制的2500t新型壓機(jī)為目前國內(nèi)最大的伺服壓機(jī)之一，為我國的大型伺服壓機(jī)研制作出了巨大的貢獻(xiàn)。

一、伺服壓力機(jī)與傳統(tǒng)壓力機(jī)的比較

1.工作原理

機(jī)械壓力機(jī)工作時(shí)，由電動機(jī)通過皮帶驅(qū)動飛輪，經(jīng)過齒輪副和離合器帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使滑塊和上模直線下行。沖壓工作完成后滑塊回程上行，靠凸輪控制離合器脫開，同時(shí)制動器抱緊，使滑塊停止在上死點(diǎn)附近（見圖1）。

伺服壓力機(jī)是通過一個(gè)由運(yùn)動控制器控制的伺服電動機(jī)直接帶動偏心輪來實(shí)現(xiàn)滑塊的運(yùn)動過程。通過復(fù)雜的電氣控制，伺服壓力機(jī)可以任意規(guī)劃滑塊運(yùn)行的行程與速度曲線等，甚至在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也可達(dá)到壓力機(jī)的公稱噸位。

2.伺服壓力機(jī)與機(jī)械壓力機(jī)的對比

與傳統(tǒng)的壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)（見圖2）：

（1）提高生產(chǎn)率 機(jī)械壓機(jī)在沖壓過程中的電動機(jī)和飛輪速度會短時(shí)跌落，飛輪的速降釋放的動能轉(zhuǎn)化為工件變形所需要的能量，然后靠回程及上死點(diǎn)停止時(shí)電動機(jī)再向飛輪上補(bǔ)充能量，由于能量的補(bǔ)充需要時(shí)間，因此系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能完成的沖程次數(shù)是有限的；對于沒有飛輪的伺服壓力機(jī)，因不需要?jiǎng)幽芑謴?fù)過程，且其速度給定值可變，在保證沖壓速度一定狀態(tài)下其空程下降及回程中可使用較高的速度，因此生產(chǎn)率更高。

（2）提高成形質(zhì)量 機(jī)械壓力機(jī)在沖壓時(shí)，為了保證能可靠地完成沖壓過程，其飛輪上必須儲備有足夠的能量，因此飛輪的速度不能太低，這就造成了在沖壓過程中的速度也較高，工件的成形質(zhì)量較差；而伺服壓力機(jī)的運(yùn)動曲線能靈活地適應(yīng)不同的沖模和工件的成形工藝需求，在壓下過程中使用較慢的速度以達(dá)到良好的成形質(zhì)量。

（3）滿足多種工藝要求 由于伺服壓力機(jī)可根據(jù)要求設(shè)計(jì)和優(yōu)化滑塊運(yùn)動軌跡，因此可滿足不同材料、不同模具的多種工藝要求。

（4）減少機(jī)械設(shè)計(jì)和制造時(shí)間 與機(jī)械壓力機(jī)相比，由于沒有了飛輪、離合器/制動器及控制制動/離合裝置的設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，因此大幅減少了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造時(shí)間。

（5）減少機(jī)械沖擊、降低現(xiàn)場噪聲、提高模具壽命 傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)在工作時(shí)，是靠摩擦片的摩擦來使滑塊停在上死點(diǎn)，摩擦片是消耗件，需要定時(shí)更換；伺服壓力機(jī)通過電子凸輪曲線的設(shè)置，可以達(dá)到滑塊運(yùn)動的柔性化，減小對機(jī)械部分的沖擊，是靠電能使滑塊平滑停到上死點(diǎn)。因此，與機(jī)械壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)能顯著降低現(xiàn)場噪聲、減少模具振動并提高模具壽命，同時(shí)省去了摩擦片的更新費(fèi)用。

（6）節(jié)能環(huán)保 由于伺服壓力機(jī)取消了機(jī)械壓力機(jī)的飛輪、離合器等耗能元件，只在沖壓過程中消耗能量，因此大幅降低了能量消耗，其運(yùn)行成本也大幅降低。

（7）控制精度高，易于組成同步壓力機(jī)線 為了能使沖程結(jié)束后的滑塊準(zhǔn)確停到上死點(diǎn)，機(jī)械壓力機(jī)需要計(jì)算制動角，而這需要知道轉(zhuǎn)動慣量、摩擦及離合/制動器等數(shù)據(jù)，計(jì)算較復(fù)雜，且會隨工況不同而變化，每個(gè)沖次所用時(shí)間也各不相同；而對于伺服壓機(jī)，傳動系統(tǒng)能自動計(jì)算制動曲線且控制精確，其沖程次數(shù)控制精確，因此更容易組成需要節(jié)拍控制的由多臺壓力機(jī)組成的同步壓力機(jī)生產(chǎn)線。

二、西門子解決方案

一重伺服壓力機(jī)采用全套的西門子電氣控制解決方案，柜體布置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謩e如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)包含下列硬件：

（1）SIMOTION－D445是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。

（2）四臺主電動機(jī)及S120驅(qū)動器：帶動滑塊運(yùn)動，完成沖壓過程，由D445（圖中的SINAMI CS Int egr at ed）控制；主電動機(jī)采用大轉(zhuǎn)矩、高過載能力、高抗振性能的1FW3電動機(jī)。

（3）兩臺飛輪電動機(jī)及S120驅(qū)動器：負(fù)責(zé)能量管理，由一塊單獨(dú)的CU320（S120Fl yWheel）控制。

（4）電容柜負(fù)責(zé)能量管理，由一塊單獨(dú)的CU320（圖中的S120Pr echar ge_2）控制。

（5）DP－DP Coup l er 負(fù)責(zé)和S7－300PLC（控制整條壓力機(jī)線的節(jié)拍及輔助設(shè)備）通訊。

（6）觸摸屏完成壓機(jī)的動作控制，圖中暫由PC機(jī)代替（PG/PC）。

（7）PROFI NET網(wǎng)絡(luò)為時(shí)間要求苛刻的控制系統(tǒng)提供高速數(shù)據(jù)交換，因能量管理的需要，本系統(tǒng)要求較短的通信周期。

三、提升國產(chǎn)伺服壓力機(jī)競爭力

經(jīng)過中國一重和西門子工程師的共同努力，目前該伺服壓力機(jī)已完成調(diào)試工作，通過了帶負(fù)荷測試。整套控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動產(chǎn)生運(yùn)動曲線。合適的運(yùn)動曲線是整個(gè)伺服壓力機(jī)正常工作的前提，由于伺服壓力機(jī)可根據(jù)要求設(shè)計(jì)和優(yōu)化滑塊運(yùn)動軌跡，因此可滿足不同材料、不同模具的多種工藝要求。

（2）優(yōu)越的能量管理功能。伺服壓力機(jī)除了在沖壓時(shí)需要尖峰能量之外，還在加速和減速過程中有尖峰能量的出現(xiàn)。如果不對這些尖峰能量進(jìn)行管理而直接與電網(wǎng)相連，那么需要一個(gè)非常巨大的電網(wǎng)容量來容納這些能量尖峰，而這些能量尖峰的時(shí)間在一個(gè)周期里又都非常短，大部分時(shí)間所需的平均能量都不大，電網(wǎng)容量得不到充分利用而造成投資上的極大浪費(fèi)，同時(shí)尖峰能量又會對周邊的用電設(shè)備造成不良影響，因此需要找到合適的方法來平滑這些能量尖峰、降低系統(tǒng)對電網(wǎng)容量的需求并減少對其他用電設(shè)備的干擾。同時(shí)，為了保證壓力機(jī)系統(tǒng)能正常工作，從主電動機(jī)的角度看，在需要時(shí)系統(tǒng)還必須能提供所需的能量尖峰。

能量管理系統(tǒng)有兩種不同的儲能方式，一種為電容柜儲能（電能儲能），另一種為飛輪儲能（機(jī)械能儲能）。電容柜儲能的特點(diǎn)是控制簡單，對能量交換的響應(yīng)迅速，但其成本相對較高；飛輪儲能的特點(diǎn)是需要復(fù)雜的算法控制，對系統(tǒng)的響應(yīng)較慢、但其成本相對較低。通過兩種不同儲能方式的靈活選擇，可以構(gòu)成滿足不同噸位、不同需求的能量管理系統(tǒng)。本項(xiàng)目中采用了電容柜儲能和飛輪儲能混合的方式，既滿足了系統(tǒng)快速性的要求，又降低了成本。

（3）位置同步控制。由于機(jī)械本身的特點(diǎn)，要求四個(gè)主電動機(jī)之間的位置必須同步，西門子PROFI BUS－DP網(wǎng)絡(luò)所具有的“等時(shí)同步”功能為四個(gè)電動機(jī)的位置同步提供了可靠的保障。

（4）高速數(shù)據(jù)交換。無論四個(gè)電動機(jī)的位置同步還是能量管理的可靠運(yùn)作，都需要驅(qū)動器和控制器之間的高速數(shù)據(jù)交換，西門子公司的PROFI NET網(wǎng)絡(luò)為這些需求的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

中國一重2500t伺服壓機(jī)的成功運(yùn)行表明我國在大型伺服壓力機(jī)的制造方面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為振興我國的裝備制造業(yè)作出了杰出的貢獻(xiàn)。