速看|什么樣的伺服控制技術(shù)讓液壓機才能不被淘汰？
現(xiàn)代液壓機發(fā)展趨勢
液壓機是一種利用液體靜壓力來加工各種材料的機械，它常用于壓制工藝和壓制成形工藝，如鍛壓、沖壓、冷擠、校直、彎曲、翻邊、薄板拉深、粉末冶金、壓裝等等。從1795年第一臺水壓機發(fā)明到現(xiàn)在，液壓機經(jīng)歷了200多年的改進和創(chuàng)新，由于其具有加工工藝“萬能性”，使得液壓機廣泛應(yīng)用在國民生產(chǎn)的各行各業(yè)。
隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，制造行業(yè)產(chǎn)品競爭越來越激烈，為了提高液壓機的市場競爭力，傳統(tǒng)液壓機必須克服油液泄漏、油溫升高、傳動精度低、能耗大等缺點，提高液壓機的控制精度和效率，實現(xiàn)綠色液壓機的設(shè)計和制造。
液壓機的系統(tǒng)和整機結(jié)構(gòu)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)外液壓機的研究重點主要集中在伺服控制技術(shù)、綠色節(jié)能技術(shù)、集成化技術(shù)、機液混合驅(qū)動技術(shù)、多工位液壓機技術(shù)以及其他輔助技術(shù)等方面。
一、伺服控制技術(shù)
伺服控制是近幾十年發(fā)展起來的一種精密驅(qū)動技術(shù)，其核心技術(shù)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化。伺服液壓機就是將伺服控制技術(shù)與液壓系統(tǒng)相結(jié)合的一種新型壓力機，它指的是主傳動油泵采用伺服電機驅(qū)動，減少控制閥回路，調(diào)節(jié)主油泵完成對滑塊精確控制。
圖1伺服控制液壓機原理
圖1為伺服液壓機圓體，液壓機的主油缸上腔安裝有壓力傳感器，在液壓機滑塊處安裝位移傳感器?？刂破鞲鶕?jù)壓力反饋信號、位置反饋信號、壓力給定信號、位置給定信號、速度給定信號等計算出伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而控制液壓泵的輸出，以進行壓力、速度、位置控制。
伺服驅(qū)動液壓機依靠調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速，來控制液壓機的壓力、速度、位置等參數(shù)，取消了液壓控制回路中的壓力控制閥、流量控制閥等元件，簡化了液壓控制回路。伺服驅(qū)動液壓機在滑塊快降、滑塊靜止在上限位進行上下料時，伺服電機轉(zhuǎn)速為零；滑塊加壓和回程時伺服電機的轉(zhuǎn)速由設(shè)定速度確定；滑塊在保壓時伺服電機的轉(zhuǎn)速僅彌補泵和系統(tǒng)的泄漏。傳統(tǒng)液壓機在整個工作過程中電機始終處于恒定轉(zhuǎn)速。
圖2在工作過程中的轉(zhuǎn)速區(qū)別
圖2為在整個工作過程中，傳統(tǒng)液壓機與伺服控制液壓機電機轉(zhuǎn)速的區(qū)別，圖中1為滑塊快降階段，2為滑塊加壓工作階段，3為保壓階段，4為滑塊回程階段，5為滑塊靜止時的上下料階段。
與傳統(tǒng)液壓機相比，伺服控制技術(shù)應(yīng)用在液壓機上主要有以下優(yōu)點：
◆ 精度高
伺服電機主要靠脈沖來定位，每接受1個脈沖就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，單單考慮伺服電機其控制精度可以達到1/1024圈，結(jié)合相應(yīng)的傳感器，可以實現(xiàn)對滑塊任意位置的精確控制。伺服液壓機相較傳統(tǒng)液壓機運動曲線可以優(yōu)化，適當(dāng)?shù)幕瑝K曲線可以抑制板材壓制過程回彈，提高之間精度。
◆ 柔性高
滑塊運動曲線可根據(jù)不同生產(chǎn)工業(yè)和模具進行優(yōu)化設(shè)置，可設(shè)計特殊的工作特性曲線，進行高難度高精度加工，實現(xiàn)滑塊“自由移動”。滑塊運動方式可以是往復(fù)式、在下死點停留等復(fù)雜運動方式，如圖3所示日本學(xué)者采用往復(fù)式運動曲線壓制薄板制件，能有效的抑制變形曲率較大處褶皺現(xiàn)象。
圖3沖頭往復(fù)式?jīng)_壓
◆ 效率高
可以在較大范圍內(nèi)設(shè)定滑塊行程次數(shù)，滑塊速度和行程調(diào)節(jié)方便，能根據(jù)成形工藝，滑塊可在最小行程工作，借助自動送料技術(shù)，大大提高生產(chǎn)效率。
◆ 節(jié)能
伺服液壓機和機械壓力機相比省去飛輪、離合器，采用直接傳動，傳動環(huán)節(jié)大大減少，潤滑量減少，可維護性強。沒有離合器結(jié)合能耗，滑塊停止后，電機停轉(zhuǎn)，也沒有了電機、皮帶輪空轉(zhuǎn)，能耗顯著降低。在普通機械壓力機中，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的6%~30%，離合器(主要指摩擦離合器)耗能約占總能量的20%，伺服液壓機沒有飛輪和離合器，這部分能量得以節(jié)省。日本某公司曾進行過3000 kN液壓機連續(xù)工作功耗對比試驗，結(jié)果證明伺服液壓機節(jié)能32%~42%。
盡管伺服控制技術(shù)在液壓機上展現(xiàn)了強大的生命力，目前仍然有很多關(guān)鍵技術(shù)需要完善：
A 研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率伺服電機和驅(qū)動控制單元；
B 開發(fā)采用伺服電機直接驅(qū)動的液壓機主油泵；
C 研究能量回收系統(tǒng)；
D 開發(fā)專用控制系統(tǒng)；
E 開發(fā)智能化成形工藝庫。
目前日本網(wǎng)野、德國力士樂、穆格、威格士等國際著名液壓元件制造公司都已開發(fā)了交流伺服液壓機，并已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，國內(nèi)天鍛、合鍛、興迪等企業(yè)目前也研發(fā)出了系列伺服液壓機，并且也推向了市場。下圖就是興迪源機械自主研發(fā)的Y63伺服水脹成形液壓機，該液壓機采用高壓液體對空心件或者管坯向外成形，并使其逐漸貼合模具型腔，成形為指定形狀和尺寸的零件，開口高度大，可實現(xiàn)軸線長度較大零件的成形。
二、綠色節(jié)能技術(shù)
盡管液壓機有能量密度高、工藝萬能性、成本低等優(yōu)點，但是能耗大、能量利用率低、噪聲大、液壓油泄漏對環(huán)境污染大等問題，一直阻礙其發(fā)展。綠色節(jié)能技術(shù)是提高液壓機的能量利用率，并降低液壓泄漏，該技術(shù)也成為衡量液壓機的一項重要指標，綠色節(jié)能技術(shù)將會成為未來液壓機的一個重要發(fā)展方向。
液壓傳動中系統(tǒng)的能量傳遞過程為：電能、化學(xué)能-機械能-液壓能-機械能，如圖4所示。
圖4 液壓系統(tǒng)中的能量損失
液壓系統(tǒng)的能量損失可分為三類：
◆ 能量轉(zhuǎn)換元件的轉(zhuǎn)換損失。包括液壓泵和液壓馬達中的機械摩擦損失、壓力損失和容積損失，這些能耗主要形成溫升轉(zhuǎn)化為熱量，而熱能不可逆，不能加以回收利用。能量損耗的多少不僅與能量轉(zhuǎn)換元件類型有關(guān)，還與工況、運行工作點以及磨損情況等因數(shù)有關(guān)。
◆ 液壓回路傳輸損失。過剩流量和過剩壓力是產(chǎn)生液壓回路能量損失的根本原因。液壓傳動系統(tǒng)中，節(jié)流控制是實現(xiàn)各種控制功能的基本方法，但液阻不可避免的會產(chǎn)壓降，這種壓降必然是一種能量損耗，這部分能量主要以熱能的形式傳遞到環(huán)境中，不可回收，這些能耗主要與液壓回路有關(guān)。
◆ 液壓源與負載不適應(yīng)而產(chǎn)生的匹配損失。液壓機的噸位在設(shè)計之初已經(jīng)固定，在不同工件加工過程往往會出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，這必然造成液壓源供給系統(tǒng)的能量大于需求，而造成能量浪費，此外一般液壓機的有效工作行程僅為總行程的1/3甚至更小，空行程階段主缸充滿高壓油液，造成能量浪費，這也是油溫升高的另一個重要原因。
根據(jù)分析可知，要實現(xiàn)液壓機的節(jié)能可以從下面兩個方面考慮：一是選擇合適高效的液壓元件，改善和提高元件的能量轉(zhuǎn)換效率；二是選擇設(shè)計合理的液壓系統(tǒng)，改善和提高液壓系統(tǒng)回路的效率。
目前國內(nèi)外對液壓機綠色節(jié)能的研究重點主要集中在以下幾個方面：
1、節(jié)能型液壓元件
節(jié)能型液壓元件主要集中在液壓泵和液壓控制閥。世界四大液壓元件生產(chǎn)公司都將電子控制與液壓泵變量控制相結(jié)合，得到較好的節(jié)能效果，如前文提到的伺服控制技術(shù)，與此同時液壓泵與原動機的一體化和自由活塞內(nèi)燃機的結(jié)合使用具有高效率、噪聲低等優(yōu)點，受到國內(nèi)外研究人員的重視。液壓控制閥多采用節(jié)流原理，造成壓降損失，而基于磁流變液和電流變液的控制閥，利用磁場和電場改變流體粘性達到改變回路壓強的方法無壓降損失，節(jié)能效果明顯，給液壓節(jié)能技術(shù)提供了新的思路。
2、節(jié)能型液壓系統(tǒng)
日本研究人員江木正夫曾根據(jù)節(jié)能效果將液壓系統(tǒng)節(jié)能化的發(fā)展劃分為五個階段，即節(jié)流閥控制、負載感應(yīng)閥控制、負載感應(yīng)泵控制、泵容積控制和泵回轉(zhuǎn)數(shù)控制階段，其發(fā)展趨勢由閥控制逐漸轉(zhuǎn)為泵控制。
泵節(jié)能的核心思想是液壓源提供的功率與負載匹配，基于這一思想出現(xiàn)了很多節(jié)能系統(tǒng)，如混合動力技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、液壓變壓器技術(shù)和二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及能量回收系統(tǒng)(如下圖)。未來液壓節(jié)能系統(tǒng)可能是一些先進技術(shù)的融合，如將變頻調(diào)速技術(shù)、能量回收技術(shù)和二次調(diào)節(jié)技術(shù)的結(jié)合在一起將會有更好的節(jié)能效果。
3、水壓傳動技術(shù)
水液壓技術(shù)其實是在第一次工業(yè)革命中興起的古老技術(shù)，是液壓傳動技術(shù)的初始階段，而后隨著石油工業(yè)的發(fā)展，液壓油取代了水作為工作介質(zhì)，而隨著世界各國對節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，許多科學(xué)又把目光投向了水這一環(huán)保工作介質(zhì)。
液壓傳動技術(shù)向水液壓傳動技術(shù)的發(fā)展研究，不是技術(shù)的簡單的重復(fù)和循環(huán)，而是要向更高的階段發(fā)展.從經(jīng)濟性、環(huán)保性、難燃性、與工作環(huán)境的相容性以及可持續(xù)發(fā)展等方面考慮，自來水(或海水)都是一種理想的工作介質(zhì)。
它的主要優(yōu)點有：
1)成本較低;
2)對生產(chǎn)產(chǎn)品無污染;
3)抗燃性好;
4)可壓縮性小。
但是要想將水壓技術(shù)得到真正意義上的工業(yè)應(yīng)用必須解訣防腐、氣蝕、潤滑、防凍等關(guān)鍵技術(shù)，這給液壓機帶來了挑戰(zhàn)和機遇。
三、集成化技術(shù)
1、電機與閥一體化
電磁直驅(qū)閥是一種將電機與普通液壓閥集成在一起的新型液壓閥，如下圖所示，該閥的該閥的電機械轉(zhuǎn)換器是永磁直線力馬達，用它來直接驅(qū)動閥芯，與傳統(tǒng)伺服閥相比，它取消了噴嘴-當(dāng)班前置級，用先進的位移傳感器替代了工藝負載的機械反饋裝置，簡化了結(jié)構(gòu)提高了可靠性，大大降低了制造成本。該閥已廣泛應(yīng)用于壓鑄、冶金等重工業(yè)設(shè)備上。
MOOG DDV伺服閥結(jié)構(gòu)圖
2、電機與泵一體化
液壓電機泵是一種將液壓泵與原動機高度融合的新型液壓動力元件，該結(jié)構(gòu)形式的電機泵比傳統(tǒng)的通過聯(lián)軸器將兩者進行聯(lián)接的電機--泵裝置更具有優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)緊湊、功率重量比大、體積小、噪音和振動低、可靠性高等等，電機內(nèi)置省去聯(lián)軸器整體尺寸減少20%，工作噪聲減少10dB以上，德國Voith Turbo H L Hydraulic公司與日本大金公司均有這方面的系列產(chǎn)品，國內(nèi)在這方面的產(chǎn)品較少，下圖為燕山大學(xué)設(shè)計的一種軸向柱塞液壓電機泵。這種結(jié)構(gòu)是將永磁同步電動機與斜盤式軸向柱塞泵高度集成，以永磁同步電動機為基礎(chǔ)，在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)置有斜盤式軸向柱塞泵，其泵的進油口和出油口分別設(shè)在泵體兩端，整個流道環(huán)繞在泵體側(cè)壁，通過流體在泵內(nèi)循環(huán)流動以帶走電機定、轉(zhuǎn)子以及各種摩擦等產(chǎn)生的熱量，起到散熱冷卻的作用。
1前端蓋2大軸承3進油口4泵套5殼體6斜盤7電機轉(zhuǎn)子8回程盤9滑靴10柱塞11缸體12配流盤13小軸14電機定子15后端蓋16小軸承17回油口
軸向柱塞液壓電機泵結(jié)構(gòu)圖
四、機液復(fù)合驅(qū)動技術(shù)
機械壓力機和液壓機的設(shè)計人員和制造者，長期以來圍繞機械壓力機和液壓機的優(yōu)點和不足，爭論不休，各抒己見。但是有一點是無可爭辯的事實，那就是兩者都在揚長去短，吸收對方的優(yōu)點逐漸完善本身。把液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動同時應(yīng)用在一臺壓力機上成為近幾年研究的熱點，國內(nèi)外有很多類似的專利，下圖為一種典型的機械液壓復(fù)合式壓力機。
1液壓系統(tǒng)2伺服電機3機械連桿4滑塊5機身
圖/機械液壓復(fù)合式壓力機機
空行程采用伺服電機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)，在連桿完全豎直處于鎖模狀態(tài)時液壓系統(tǒng)驅(qū)動油缸進行公稱力壓制。機械液壓復(fù)合式壓力機將空行程與公稱力行程單獨驅(qū)動，空行程采用伺服電機驅(qū)動機械連桿，有效的降低了液壓能在空行程階段的浪費，并最大限度的保留了機械壓力機快速精確定位的優(yōu)點，空行程電機為伺服電機，提高了控制精度。
1大電機2內(nèi)缸體3行星絲杠4外缸體5行星減速器6小電機7活塞桿
空行程與工作行程單獨驅(qū)動增壓缸
基于空行程與工作行程單獨驅(qū)動原理，可以設(shè)計很多節(jié)能型液壓缸，上圖為一種結(jié)合行星絲杠和伺服電機的增壓缸，空行程采用小功率電機驅(qū)動，工作行程采用大功率電機配合行星減速器和增壓腔，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，緊湊。
國內(nèi)外在近幾年在機械液壓復(fù)合驅(qū)動方面作了大量工作，其中以德國和日本的研究成果具有代表性。盡管兩國的設(shè)計方案不同，德國是以機械傳動(即曲柄一連桿系統(tǒng))作為壓力機的主傳動，日本則相反把液壓系統(tǒng)作為主傳動，但是兩種模式的基本宗旨都是把機械壓力機和液壓機的優(yōu)點綜合應(yīng)用到一臺壓力機上。不少公司(其中不乏知名的大企業(yè))和科研單位在這方面投入了大量人力、財力，事情本身就足以反映出這項科研開發(fā)項目的重要意義。具有實用性的樣機已經(jīng)開發(fā)出來，但仍需經(jīng)過一段時間的各種試驗并不斷完善。相信在可以預(yù)見的將來，這種新型壓力機將會有產(chǎn)品供應(yīng)市場，滿足用戶需要。
五、多工位液壓機技術(shù)
汽車覆蓋件和結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程需要沖壓、翻邊、整形、沖孔等多個沖壓工藝，對于某些高強鋼板還需要熱成形，以前都是采用單工位壓力設(shè)備分別逐步完成各個工序，由于設(shè)備分散布置，坯料需要中間輸送，降低了生產(chǎn)效率，增加了占地面積，對于熱成形工件，中間需要二次加熱，浪費能源。
多工位壓力機是先進的壓力機設(shè)備，是多臺壓機的集成，一般由線頭單元、送料機構(gòu)、壓力機和線尾部分組成。最快節(jié)拍可達25次/分以上、可滿足高速自動化生產(chǎn)多工位液壓機結(jié)構(gòu)，如下圖所示，采用整體焊接的框架結(jié)構(gòu)，將多個液壓缸有序的排列，配合自動。上下料技術(shù)可以快速的完成零件從坯料到產(chǎn)品的的沖壓制造。
多工位液壓機具有如下優(yōu)勢：
a 多道工序在一臺液壓機中不同工位完成，減少液壓機的數(shù)量，進而減少設(shè)備占地面積；
b 減少設(shè)備中間的送料程序和操作人員；
c 提高生產(chǎn)效率；
d 減少投資成本。
六、其他輔助技術(shù)
1、自動送料技術(shù)
自動送料技術(shù)主要服務(wù)于多工位液壓機，采用多軸關(guān)節(jié)型機器人快速吸取工件，完成工件的翻轉(zhuǎn)并準確將工件放置在下一個工序。
自動送料是自動生產(chǎn)線的基本條件之一，由于產(chǎn)品的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)、材料物理性能的不同，自動送料機構(gòu)的種類很多。
按照送料機構(gòu)的的控制方式的不同，一般可分為：機械式、電氣式、液壓與氣壓式和組合式。一般的送料機構(gòu)都是根據(jù)某一工況進行單獨設(shè)計，通用性較差，設(shè)計和維護都需要專業(yè)技術(shù)人員，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，基于人體關(guān)節(jié)學(xué)而研制的多自由度機械手得到的迅速發(fā)展，其通用性強，控制精度高，配合圖像處理技術(shù)可以達到非常高的自動化程度，基本上實現(xiàn)無人操作。
圖示為愛普生公司研究的6自由度組裝機器人它可以實現(xiàn)不同工序之間坯料的快速轉(zhuǎn)移，配合圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)智能化制造，如檢測零件質(zhì)量和缺陷。
機械手 圖像檢測技術(shù)
2、智能拉深墊技術(shù)
拉深墊是液壓機的輔助部件，它板材在板材拉深過程提供合適的壓邊力。傳統(tǒng)的拉深過程，拉深墊一般采用液壓式或氣壓式，整個拉深過程壓邊力恒定，對于一些結(jié)構(gòu)簡單和淺拉深工件，基本能滿足要求，但是對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、非對稱式零件，恒定壓邊力已經(jīng)不能滿足拉深要求，智能拉深墊技術(shù)因此應(yīng)運而生。
分區(qū)域變壓邊力裝置壓邊缸施力點
數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，催生了數(shù)控液壓墊的出現(xiàn)，它可以根據(jù)板料成形工藝要求實時控制壓邊力，即各點的壓邊力可以設(shè)置不同值并可對壓邊力進行分段控制。上圖（左）為舒樂公司研制的分區(qū)域變壓邊力拉深墊裝置，可以滿足復(fù)雜零件的拉深成形。上圖（右）為一種液壓驅(qū)動的多點變壓拉深墊，可以根據(jù)工件的拉深特性編排壓邊力工藝，該種拉深墊能較好的控制拉深行程的壓邊力大小，保證工件加工質(zhì)量。
1螺母2絲杠3頂出桿4伺服電機5制動器
圖/電動伺服式拉深墊
隨著交流伺服電機的發(fā)展，以伺服電機驅(qū)動的電動拉深墊具有高效率、高精度、智能化和綠色環(huán)保等特點，上圖為一種電動伺服式拉深墊，伺服電機4通過同步帶帶動絲杠2轉(zhuǎn)動，螺母1將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為項冠的上下運動。由于取消了中間傳動環(huán)節(jié)，其控制精度和傳動效率大大提高，與液壓和氣壓墊相比，電動伺服式拉深墊具有更高的可控性和更小的空間以及綠色環(huán)保節(jié)能優(yōu)點。
結(jié)論
從前面的分析中可以看出，智能化與綠色節(jié)能化是未來液壓機的兩大發(fā)展主題，伺服驅(qū)動技術(shù)的與液壓泵、液壓閥以及拉深墊等部件的結(jié)合，提高了液壓機的控制精度和響應(yīng)速度，降低了成本和能耗，新型液壓器件、水壓技術(shù)、節(jié)能型液壓系統(tǒng)、集成化技術(shù)以及機械液壓復(fù)合驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用都將使傳統(tǒng)的液壓技術(shù)擺脫高能耗缺點，朝著綠色節(jié)能化方向發(fā)展。現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展已不單單依賴于液壓行業(yè)自身的發(fā)展，它包含多個學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，未來液壓機的發(fā)展要更多的依賴于材料學(xué)、電機學(xué)、控制學(xué)等多個學(xué)科的技術(shù)融合，這個給傳統(tǒng)的液壓技術(shù)注入了新的血液。
