1.4.2 典型伺服成形裝備

1.全電動伺服注塑機

塑料注射機是一種用途最為廣泛的塑料成型設備。常見的注塑機多為液壓式，由多個執行機構（液壓缸、液壓馬達）分別實現合模、預塑、注射和頂出等動作。較高質量的注塑機對速度、壓力和位置等參數均有更高的要求，采用電液伺服控制。

采用伺服機械驅動的全電動伺服注塑機，完全去除了液壓系統，以多臺交流伺服電動機取代了液壓執行機構，直線位移由滾珠絲杠實現。其壓力、位置和速度的控制取得了比液壓伺服系統更高的精度和很好的節能效果。全電動伺服注塑機是最早開發的伺服成形裝備，日本日精公司在1983年就開發了首臺全電動伺服注塑機，發展為ES系列產品，較傳統液壓式節能25%～60%，1997年推向市場，1998年獲日本年度優秀產品獎。最新開發的全電動伺服注塑機，絲杠與電動機轉子軸為一體化結構，傳動鏈十分簡單，如圖1-3所示。我國東莞市東華機械有限公司亦在2002年試制成功TTL-50 U-200 U 系列全電動伺服注塑機。目前國內已有包括寧波海天集團股份公司在內的多家公司生產全電動伺服注塑機。

2.伺服液壓機

圖1-4所示為采用泵控伺服液壓機的液壓系統圖，它是在原普通液壓機的基礎上改進而成，如圖1-5所示為2000kN直接泵控伺服液壓機的外觀圖。改進的主要原理為：

1）將原普通異步電動機改為交流永磁同步伺服電動機，仍采用定量泵組成泵控伺服液壓源。

2）保留原來的液壓控制系統，如方向控制、充液控制等。

3）在主缸和壓邊缸分別裝有比例壓力閥，實現兩缸的自動壓力控制。

4）在主缸和壓邊缸分別安裝位移傳感器，在液壓系統中安裝壓力傳感器，與伺服電動機、控制器結合組成位置、速度和壓力的閉環控制。

進行了拉深工藝的對比試驗，結果表明，泵控伺服機械壓力機不僅性能大幅提高，而且較普通液壓機節能20.7%。

3.伺服壓鑄機

傳統800 t壓鑄機液壓系統液壓源部分原理圖如圖1-6所示。其動力源部分由一臺37 kW的三相異步電動機驅動兩個雙聯定量泵組成。V101為卸荷溢流閥，當系統需要高壓小流量時，V101卸荷閥開起使大泵P1卸荷，可在一定程度上減少部分溢流損耗；或當系統壓力到達一定數值時，V101外控油路作用，自動開起，使大泵 P1卸荷。當系統需要低壓大流量時，V101卸荷閥關閉，大泵通過單向閥與小泵一起提供系統所需流量。系統壓力由比例壓力閥 V103調定，系統流量由比例流量閥V102調定。系統主要執行機構為3個液壓缸：注射液壓缸、合模液壓缸和頂出液壓缸。設有蓄能器，為注射液壓缸高速運動時提供壓力油。

將圖1-6中的三相異步電動機M101更換為永磁同步伺服電動機，型號為SMM2520220W，為油冷電動機，該電動機采用了強迫油循環冷卻技術，減小了電動機體積，增大了功率密度；將雙聯泵P101更換為Eckerle （艾克樂）柱塞泵，型號為EIPC5-100RA23-10，排量為100 mL/r，油源部分保留比例溢流閥 V103作為安全閥用，其余去掉不用；電氣控制部分和機內參數需做相應改動，改造后的壓鑄機液壓源部分液壓原理圖如圖1-7所示。

經過實際對比測試，改造后的壓鑄機節電46.3%，生產效率提高5%，制品質量也得到提高。

4.伺服電動折彎機

板料折彎機是應用極為廣泛的彎曲設備，早在20世紀80年代已經實現了數控化，普遍采用電液伺服加光柵形成閉環控制。折彎工藝從編程到彎曲過程模擬、控制、修正等均實現了高度的自動化。交流伺服電動機驅動的全電動折彎機的出現，使其工作性能得到了進一步提高。

日本小松（ KOMATSU）公司在1995年就開發了PAS系列交流伺服折彎機，目前規格已達350～1250kN。除節能、結構簡單等交流伺服電動機驅動普遍的優點外，突出的特點是克服了液壓系統速度切換時的短暫停頓現象，滑塊運動更加敏捷；當采用4個獨立的驅動單元驅動時，可以方便地補償機身和滑塊的變形，提高制件精度。據稱，與液壓驅動的折彎機相比，生產效率提高了47%，運行成本降低了35%，節電15%，試折用材料消耗減少了8%～14%。如圖1-8所示為小松公司的四點折彎機。

5.伺服螺旋精壓機

圖1-9所示為廣東工業大學開發的630kN伺服螺旋精壓機，其工作性能類似液壓機，以靜壓力工作。伺服電動機經行星減速器減速帶動螺桿旋轉，經固定在滑塊內的螺母使滑塊上下運動。通過光柵檢測位移和速度，實現閉環控制，還可通過電動機電流實現壓力控制。該機采用了自行研制的新型復合材料螺母，傳動效率均較青銅螺母有較大幅度的提高。

日本AIDA公司的A-SF壓力機屬于這類產品，目前最大噸位為800kN。伺服電動機帶動兩個直徑不同的帶輪，具有不同的傳動比，利用離合器來切換。空行程時，減速比小，絲杠以較高速度旋轉；工作行程時，減速比大，絲杠轉速慢，增力比也大。這種傳動方式可以降低對電動機的要求。滑塊上有位移傳感器，反饋位移信號。日本小松公司的HCP型伺服機械壓力機的傳動原理與此類似。

6.伺服電動數控回轉頭壓力機

數控回轉頭壓力機的發展已經有數十年的歷史。最初多采用機械驅動，步沖頻率比較低，通常在200次/min以下。20世紀末期，數控回轉頭壓力機越來越多地采用液壓伺服驅動技術，步沖頻率提高到600次/min以上。隨著伺服電動機驅動的數控回轉頭壓力機的出現，其性能有了進一步的提高。其主要優點是取消了液壓系統，消除了油液泄漏；系統無須預熱，可直接快速起動；節電30%～40%；步沖頻率較液壓伺服驅動進一步提高。如圖1-10所示為日本AMADA公司AE-NT系列伺服數控回轉頭壓力機的單電動機傳動系統，伺服電動機通過滾珠絲杠-連桿機構驅動滑塊。公稱工作頻率為900spm，在行程1in 時，達到370spm。該公司推出的EM2510NT產品，采用雙伺服電動機驅動，聲稱為 “世界上最快的數控回轉頭壓力機”。其步沖頻率達1800 spm。

7.伺服電動螺旋壓力機

螺旋壓力機是目前我國模鍛的主力設備，據中國鍛壓協會的統計，其數量占我國全部模鍛設備的37%，超過熱模鍛壓力機和鍛錘的總和。其中，摩擦螺旋壓力機歷史最久，應用也最為廣泛，除鍛壓行業外，在建材等行業也有應用。由于摩擦壓力機存在效率低、能耗高、工作可靠性差（需經常維護）和控制性能不好等問題，早已被我國政府列為淘汰產品，尤其不適用于大噸位壓力機，但由于造價方面的優勢，中小噸位，尤其小噸位螺旋壓力機目前仍以摩擦壓力機為主。

為提高摩擦壓力機的效率和打擊能力，先后制造出了液壓螺旋壓力機、電動螺旋壓力機和離合器式螺旋壓力機等，均取得了很好的效果。近些年來，由于電力電子技術的發展和交流伺服驅動技術在螺旋壓力機中的應用，新型電動螺旋壓力機表現出突出的優勢，成了螺旋壓力機的主要發展方向。

新型電動螺旋壓力機的傳動方式主要有三種形式，如圖1-11所示。其中圖1-11 a 和圖1-11 b分別采用帶傳動和齒輪傳動，進行一次減速，圖1-11 c為直接傳動，電動機軸直接與螺桿相連，采用低速轉矩電動機。所采用的電動機亦有三種：①永磁同步電動機，如日本ENOMOTO公司的產品；②開關磁阻電動機，如青島青鍛鍛壓機械有限公司的產品；③變頻異步電動機，如德國Lasco、Weingarten以及中國武漢新威奇科技有限公司的產品。新型電動螺旋壓力機無論采用何種電動機，均采用了伺服驅動方式。

新型電動螺旋壓力機的節能效果十分顯著，ENOMOTO公司聲稱其永磁同步電動機驅動的螺旋壓力機較摩擦壓力機節能50%以上。Weingarten公司聲稱其變頻異步電動機驅動的螺旋壓力機的效率提高了3倍。新型電動螺旋壓力機的主要節能環節在于：

1）用高效率的齒輪傳動或帶傳動取代了低效率的摩擦傳動。摩擦壓力機摩擦盤的傳動效率僅為50%～55%，而齒輪傳動和帶傳動的效率均在95%以上。采用電動機直接傳動形式，這部分的效率更高。

2）電動機減速和制動采用了電磁制動，制動能量可以回收利用。

3）對采用變頻電動機的壓力機，由于采用變頻器，能使電動機始終處于最佳狀態工作（轉差率為5%～7%），即使在換向時，也不會有太大的電流，發熱量大幅降低，電動機效率提高。對于采用同步電動機（包括開關磁阻電動機）的壓力機，電動機起動轉矩大、效率高、能量損失較異步電動機小。

4）在待機狀態下，電動機停止轉動，沒有能量消耗；而摩擦壓力機的摩擦盤卻始終旋轉，消耗不少能量。

伺服驅動技術在螺旋壓力機中的應用不僅大大減少了能量消耗，而且提高了設備的自動化水平，增加了飛輪速度的測量裝置，因而打擊能量和其他參數也可得到更加精確的控制。這就為螺旋壓力機向更加大型化、節能化發展鋪平了道路。2007年投入使用的355 MN 電動螺旋壓力機為目前世界上噸位最大的螺旋壓力機，采用500 kW變頻電動機驅動，由德國SMS Meer公司制造。

8.伺服機械壓力機

機械壓力機在鍛壓設備中用途最廣，產量也最大。伺服機械壓力機用伺服電動機取代了感應電動機，取消了傳動系統中的飛輪、離合器和制動器，工作性能得到了大幅度的提高。目前，最大設計噸位達到了50 MN。

圖1-12所示為廣東工業大學與宏興機械公司聯合開發的1100kN伺服機械壓力機及其傳動原理圖，主電動機為永磁交流伺服電動機，通過兩極齒輪減速，驅動曲軸旋轉，取消了龐大的機械飛輪，只有在工作時電動機才旋轉，待機時電動機不通電，完全不耗能。而伺服電動機的制動器平時亦不工作，無耗能，僅斷電后才制動。通過控制伺服電動機的轉速和轉矩，使滑塊的運動曲線可調；設有滑塊封閉高度調解裝置，以調節壓力機封閉高度；通過位移傳感器以實現滑塊的位移和速度反饋。