小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

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本文主要介紹伺服電機(jī)的種類、工作原理和驅(qū)動放大器。伺服沖床的動態(tài)精度是建立在靜態(tài)精度的基礎(chǔ)上的，只有保證沖床的靜態(tài)精度才會有良好的動態(tài)精度。

伺服電機(jī)的種類和驅(qū)動放大器

伺服電機(jī)的原理和界限

關(guān)于伺服電機(jī)的原理在第四期已經(jīng)講述過，正確地理解伺服電機(jī)的特性是正確進(jìn)行沖壓加工的重要前提，所以在這里再重復(fù)一下其中的一些內(nèi)容。伺服電機(jī)的原理如圖1所示，電磁線圈和電磁石（或磁石）之間靠相互吸引或排斥的相位移動來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的動作。

如圖1所示，通電后向定子線圈N1勵(lì)磁，切斷后再向N2勵(lì)磁，再切斷后又向N3勵(lì)磁……這樣逐次類推的勵(lì)磁，逐次吸引電磁石（稀土永久磁鐵）移動。

這樣磁鐵和定子線圈越多，伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力就會越大，但也不是沒有限制的，定子線圈和磁鐵不可能無限增加，因?yàn)殡姍C(jī)的大小是有限制的。為了使伺服電機(jī)更加小型化且增大扭矩，許多學(xué)者在研究將定子線圈的電壓增大使得電流變小，或者增強(qiáng)磁力。將來還將會涉及到電導(dǎo)體的伺服電機(jī)。

如圖1所示，勵(lì)磁的順序是順時(shí)針方向，伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)方向就是順時(shí)針方向。相反，勵(lì)磁的順序是逆時(shí)針方向，伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)方向就是逆時(shí)針方向了。伺服電機(jī)就是用電腦控制定子的勵(lì)磁順序、方向、勵(lì)磁的時(shí)間間隔、加速和減速等使電磁鐵N的移動距離和移動速度能夠任意變化，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制。勵(lì)磁的切換頻率越快，電磁鐵的移動速度就越快。相反，電磁鐵的移動速度就越慢。當(dāng)然，勵(lì)磁停止了，電機(jī)的回轉(zhuǎn)也就停止了。如果在停止時(shí)有很大的吸引力，伺服電機(jī)就會在那個(gè)位置保持停止?fàn)顟B(tài)，這就是伺服制動。當(dāng)沖床的滑塊在加壓狀態(tài)下停止的時(shí)候，伺服電機(jī)有很大的持續(xù)電流流過，電機(jī)和驅(qū)動變壓器就會持續(xù)發(fā)熱，超過了額定電流時(shí)就會燒損電機(jī)和變壓器。伺服電機(jī)性能的好壞受勵(lì)磁大小的影響，這是非常重要的技術(shù)要素。

電機(jī)的切換速度過慢或是用‘寸動’的動作形式停停動動、動動停停，稱作齒槽（Cogging）扭矩或者齒槽定位扭矩。伺服電機(jī)控制中的齒槽扭矩控制極為重要，可以通過系統(tǒng)控制來抑制齒槽扭矩的發(fā)生，但是電機(jī)在輸出大力矩的時(shí)候因?yàn)檗D(zhuǎn)速太慢，就會產(chǎn)生影響。一旦發(fā)生了齒槽扭矩現(xiàn)象，沖床就不能以正常的節(jié)奏運(yùn)轉(zhuǎn)，也會對驅(qū)動齒輪造成不利影響。

由此可見，選擇性能優(yōu)良的伺服電機(jī)的伺服沖床是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)沖壓加工的關(guān)鍵。

真正伺服電機(jī)的定子線圈和磁鐵比圖1中的線圈和磁鐵多很多，通過控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)、低速地運(yùn)轉(zhuǎn)。但是回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)最實(shí)用的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)變速是在最高回轉(zhuǎn)速度的5％ 10％以內(nèi)。

在安裝模具（更換模具或進(jìn)行模具調(diào)整時(shí)）時(shí)用手動脈沖發(fā)生器進(jìn)行微速運(yùn)轉(zhuǎn)，但是這種低速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，只限于微速調(diào)整，并不能進(jìn)行公稱能力的沖壓加工。

圖1 伺服電機(jī)（回轉(zhuǎn)型）的動作原理

伺服電機(jī)的種類和界限

伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由硅鋼片（有一部分是使用鑄鐵）和強(qiáng)力磁鐵以及輸出軸構(gòu)成的，都是金屬，所以電機(jī)的質(zhì)量很大。使用在沖壓機(jī)械上的具有大回轉(zhuǎn)力輸出軸的電機(jī)要在10年、20年甚至30年以上的時(shí)間里穩(wěn)定輸出必要的扭矩，其壽命就必須長久。因此，要考慮到與輸出軸相結(jié)合部分的連接裝置的強(qiáng)度和精度，這樣會使這部分體積顯得很大。

伺服電機(jī)也具有回轉(zhuǎn)慣性力的機(jī)械特性，停止時(shí)有保持停止?fàn)顟B(tài)的慣性力，回轉(zhuǎn)時(shí)具有繼續(xù)回轉(zhuǎn)的慣性力。這個(gè)回轉(zhuǎn)力（GD2）是由轉(zhuǎn)子的直徑D的平方和質(zhì)量G的乘積決定的。當(dāng)伺服電機(jī)的GD2小的時(shí)候，電機(jī)加速和減速較容易，回轉(zhuǎn)角和回轉(zhuǎn)位置的控制精度也比較好。原因是慣性受定子直徑D的二次方和質(zhì)量G的一次方的影響，D小的伺服電機(jī)比較容易控制，但是電機(jī)的回轉(zhuǎn)力（扭矩）也小，因此，必須根據(jù)所需要的電機(jī)扭矩來確定合適的直徑。

轉(zhuǎn)子的質(zhì)量與直徑的2次方成比例，與軸長度的乘積成比例。但是，轉(zhuǎn)子變短時(shí)，強(qiáng)力磁鐵的長度也要變短，使磁力變小。且輸出軸受到軸承，防塵密封圈，輸出端耦合器等部分的影響，變小也是有極限的。如圖1所示，轉(zhuǎn)子的直徑變小，其扭矩也變小。

綜上所述，伺服電機(jī)輸出力大，其轉(zhuǎn)子GD2變大，GD2變大使伺服電機(jī)的加、減速性能及定位性能等降低。為了補(bǔ)償這種性能的降低，就必須使伺服電機(jī)的功率增大。但是，從經(jīng)濟(jì)性、控制性等方面的制約來看，也是有極限的。在圖2中，可以看到從停止?fàn)顟B(tài)的加速度接近設(shè)定速度時(shí)的減速度，從設(shè)定速度開始減速的減速度，停止之前的減速度等也都是與其相匹配的理論公式來控制。

一般的伺服沖壓機(jī)械所用的伺服控制系統(tǒng)，是在電腦程序內(nèi)設(shè)定一個(gè)加速度理論公式，在控制盤內(nèi)固定下來。各種參數(shù)是在伺服沖床裝配完畢調(diào)試時(shí)使用沖床機(jī)械的GD2實(shí)際值把伺服系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。這些都與伺服電機(jī)的特性和控制盤的功率特性有著很大的關(guān)系。

如圖2所示，加速度曲線是一定的，減速度曲線和停止精度等都是在調(diào)整整體速度格式化后，根據(jù)設(shè)定速度使加速度曲線保持不變。因此，與沖床操作盤的設(shè)定速度方法不同，達(dá)到設(shè)定速度的時(shí)間是不一樣的，即實(shí)際加速時(shí)間和理論時(shí)間根據(jù)速度的變化而變化。伺服沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)模式有曲軸式運(yùn)轉(zhuǎn)、多連桿式運(yùn)轉(zhuǎn)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)方式的不同，沖床每分鐘的SPM次數(shù)也隨之而變。

伺服沖床可以提前設(shè)定幾種典型的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，有振動模式，自由往返模式，擠壓模式等。不同的沖床其加速，減速理論曲線也會不同，又由于GD2等多種變動因素，所以有的沖床只能實(shí)現(xiàn)部分功能，但是這些沖床都在市場上流通著，所以在選擇伺服沖床時(shí)，一定不要局限于傳統(tǒng)的固定概念，要充分認(rèn)識到伺服沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)特性是由于伺服電機(jī)和控制軟件的不同而不同。

圖2 伺服沖床速度控制的基本模式

伺服沖床機(jī)械的構(gòu)造和動態(tài)精度的關(guān)系

伺服沖床機(jī)械的靜態(tài)精度

在講動態(tài)精度之前，可以了解一下伺服沖床最基本的靜態(tài)精度。

很多人認(rèn)為，新的伺服沖床，在使用10、20年后其性能就會有不同程度上的變化，但是，制作出來的靜態(tài)精度非常好的沖床其老化速度就會慢許多，老化程度也比較輕。

優(yōu)良靜態(tài)精度沖床反映出的幾個(gè)方面：

⑴根據(jù)優(yōu)良的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)書（規(guī)格），由優(yōu)秀的設(shè)計(jì)技術(shù)人員設(shè)計(jì)。

⑵使用優(yōu)良的材料，嚴(yán)格按照規(guī)則來焊接，并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。

⑶使用優(yōu)良的加工機(jī)械，由優(yōu)秀的加工技能者，遵守操作基準(zhǔn)進(jìn)行加工。

⑷由優(yōu)秀的裝配技能者嚴(yán)格按照裝配基準(zhǔn)來裝配。

⑸優(yōu)秀的裝備技能者根據(jù)優(yōu)良的基準(zhǔn)書作業(yè)。

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⑹優(yōu)秀的沖床質(zhì)量檢察員，按照嚴(yán)格的檢查基準(zhǔn)進(jìn)行正確的檢查。

⑺優(yōu)良的搬運(yùn)條件安裝調(diào)試，正確運(yùn)轉(zhuǎn)，滿意地交給客戶。

實(shí)際上，靜態(tài)精度較好的沖床，每一個(gè)零部件都要高精度的加工，并保證完全合格，部分組裝和整體裝配都必須嚴(yán)格按照章程規(guī)則來組裝。一般來說，好的沖床使用10年，經(jīng)大修之后，就會恢復(fù)到?jīng)_床出廠時(shí)的性能。

正因?yàn)槿绱?，其靜態(tài)精度是非常重要的。靜態(tài)精度若不好，其動態(tài)精度也就根本談不上。具備高靜態(tài)精度和高動態(tài)精度的伺服沖床才能把伺服電機(jī)的特性發(fā)揮得淋漓盡致。相反，靜態(tài)精度和動態(tài)精度都不好的沖床，即使是伺服沖床，也趕不上一臺靜精度和動態(tài)精度較高的普通沖床。

伺服沖床機(jī)械的動態(tài)精度和模具

對于傳統(tǒng)的曲軸沖床很難進(jìn)行拉伸加工，但是在伺服沖床上簡單的拉伸加工事例很多，其特點(diǎn)就是動態(tài)精度高。

在第12期圖2所表示的拉伸加工，就是充分利用伺服機(jī)床的振動模式成功拉伸的典型事例，也說明了包括緩沖墊精度在內(nèi)的伺服沖床高動態(tài)精度。

伺服沖床機(jī)械的加壓機(jī)構(gòu)多數(shù)仍是曲軸式，即使是多連桿形式，其加壓的基本方式也是曲軸式。從伺服電機(jī)的輸出軸，到滑塊的下面，傳動部，滑動部，搖動部等有許多間隙。其中，曲軸回轉(zhuǎn)部的間隙，小型沖床一般在0.3～0.5mm，3000kN以上的中型沖床在0.5～0.8mm，5000kN以上的大型機(jī)械為1.0mm以上。除此之外的其他間隙合為綜合間隙，都在沖床的檢查表格中有所記載。

一般來說，綜合間隙主要指“縱向間隙”，并沒有標(biāo)出“橫向間隙”。但是實(shí)際上，“橫向間隙”對于伺服電機(jī)的角度控制精度有著非常大的影響。

回轉(zhuǎn)方向受到軸承軸瓦間隙的影響，伺服電機(jī)在回轉(zhuǎn)時(shí)滑塊的實(shí)際運(yùn)動并沒有得到正確的聯(lián)動，例如曲軸轉(zhuǎn)動一度，滑塊并沒有隨曲軸一起移動。也就是說，按照運(yùn)轉(zhuǎn)模式將數(shù)據(jù)輸入操作盤或者操作屏幕內(nèi)，實(shí)際的滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)并不是完全按照輸入的數(shù)據(jù)模式來同步運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)不能同步運(yùn)轉(zhuǎn)的量的大小，也就是由靜態(tài)精度的好壞所決定的。

結(jié)束語

伺服沖床制造時(shí)一定要在品質(zhì)和精度上超過普通的通用沖床。

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伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析（連載十）

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司