速看|什么樣的伺服控制技術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”，使得液壓機廣泛應用在國民生產的各行各業(yè)。
隨著現(xiàn)代制造技術的不斷發(fā)展，制造行業(yè)產品競爭越來越激烈，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)綠色液壓機的設計和制造。
液壓機的系統(tǒng)和整機結構經過近幾十年的發(fā)展已經較為成熟，國內外液壓機的研究重點主要集中在伺服控制技術、綠色節(jié)能技術、集成化技術、機液混合驅動技術、多工位液壓機技術以及其他輔助技術等方面。
一、伺服控制技術
伺服控制是近幾十年發(fā)展起來的一種精密驅動技術，其核心技術是使物體的位置、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與液壓系統(tǒng)相結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動，減少控制閥回路，調節(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。控制器根據(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。
伺服驅動液壓機依靠調節(jié)伺服電機的轉速，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，伺服電機轉速為零；滑塊加壓和回程時伺服電機的轉速由設定速度確定；滑塊在保壓時伺服電機的轉速僅彌補泵和系統(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速。
圖2在工作過程中的轉速區(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，伺服控制技術應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1個脈沖對應的角度，單單考慮伺服電機其控制精度可以達到1/1024圈，結合相應的傳感器，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?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)不同生產工業(yè)和模具進行優(yōu)化設置，可設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”?；瑝K運動方式可以是往復式、在下死點停留等復雜運動方式，如圖3所示日本學者采用往復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沖頭往復式沖壓
◆ 效率高
可以在較大范圍內設定滑塊行程次數(shù)，滑塊速度和行程調節(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，大大提高生產效率。
◆ 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。沒有離合器結合能耗，滑塊停止后，電機停轉，也沒有了電機、皮帶輪空轉，能耗顯著降低。在普通機械壓力機中，飛輪空轉耗能約占總能耗的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，結果證明伺服液壓機節(jié)能32%~42%。
盡管伺服控制技術在液壓機上展現(xiàn)了強大的生命力，目前仍然有很多關鍵技術需要完善：
A 研制具有自主知識產權的大功率伺服電機和驅動控制單元；
B 開發(fā)采用伺服電機直接驅動的液壓機主油泵；
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，并已經形成系列產品，國內天鍛、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
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)能技術是提高液壓機的能量利用率，并降低液壓泄漏，該技術也成為衡量液壓機的一項重要指標，綠色節(jié)能技術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：
◆ 能量轉換元件的轉換損失。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換元件類型有關，還與工況、運行工作點以及磨損情況等因數(shù)有關。
◆ 液壓回路傳輸損失。過剩流量和過剩壓力是產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。
◆ 液壓源與負載不適應而產生的匹配損失。液壓機的噸位在設計之初已經固定，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換效率；二是選擇設計合理的液壓系統(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公司都將電子控制與液壓泵變量控制相結合，得到較好的節(jié)能效果，如前文提到的伺服控制技術，與此同時液壓泵與原動機的一體化和自由活塞內燃機的結合使用具有高效率、噪聲低等優(yōu)點，受到國內外研究人員的重視。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、負載感應閥控制、負載感應泵控制、泵容積控制和泵回轉數(shù)控制階段，其發(fā)展趨勢由閥控制逐漸轉為泵控制。
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、變頻調速技術、液壓變壓器技術和二次調節(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的融合，如將變頻調速技術、能量回收技術和二次調節(jié)技術的結合在一起將會有更好的節(jié)能效果。
3、水壓傳動技術
水液壓技術其實是在第一次工業(yè)革命中興起的古老技術，是液壓傳動技術的初始階段，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，而隨著世界各國對節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，許多科學又把目光投向了水這一環(huán)保工作介質。
液壓傳動技術向水液壓傳動技術的發(fā)展研究，不是技術的簡單的重復和循環(huán)，而是要向更高的階段發(fā)展.從經濟性、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。
它的主要優(yōu)點有：
1)成本較低;
2)對生產產品無污染;
3)抗燃性好;
4)可壓縮性小。
但是要想將水壓技術得到真正意義上的工業(yè)應用必須解訣防腐、氣蝕、潤滑、防凍等關鍵技術，這給液壓機帶來了挑戰(zhàn)和機遇。
三、集成化技術
1、電機與閥一體化
電磁直驅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換器是永磁直線力馬達，用它來直接驅動閥芯，與傳統(tǒng)伺服閥相比，它取消了噴嘴-當班前置級，用先進的位移傳感器替代了工藝負載的機械反饋裝置，簡化了結構提高了可靠性，大大降低了制造成本。該閥已廣泛應用于壓鑄、冶金等重工業(yè)設備上。
MOOG DDV伺服閥結構圖
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，該結構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，如結構緊湊、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品，國內在這方面的產品較少，下圖為燕山大學設計的一種軸向柱塞液壓電機泵。這種結構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，在電機轉子內部設置有斜盤式軸向柱塞泵，其泵的進油口和出油口分別設在泵體兩端，整個流道環(huán)繞在泵體側壁，通過流體在泵內循環(huán)流動以帶走電機定、轉子以及各種摩擦等產生的熱量，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構圖
四、機液復合驅動技術
機械壓力機和液壓機的設計人員和制造者，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。把液壓驅動和機械驅動同時應用在一臺壓力機上成為近幾年研究的熱點，國內外有很多類似的專利，下圖為一種典型的機械液壓復合式壓力機。
1液壓系統(tǒng)2伺服電機3機械連桿4滑塊5機身
圖/機械液壓復合式壓力機機
空行程采用伺服電機驅動曲柄連桿機構，在連桿完全豎直處于鎖模狀態(tài)時液壓系統(tǒng)驅動油缸進行公稱力壓制。機械液壓復合式壓力機將空行程與公稱力行程單獨驅動，空行程采用伺服電機驅動機械連桿，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動增壓缸
基于空行程與工作行程單獨驅動原理，可以設計很多節(jié)能型液壓缸，上圖為一種結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，整體結構設計巧妙，緊湊。
國內外在近幾年在機械液壓復合驅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開發(fā)出來，但仍需經過一段時間的各種試驗并不斷完善。相信在可以預見的將來，這種新型壓力機將會有產品供應市場，滿足用戶需要。
五、多工位液壓機技術
汽車覆蓋件和結構件生產過程需要沖壓、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備分別逐步完成各個工序，由于設備分散布置，坯料需要中間輸送，降低了生產效率，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備，是多臺壓機的集成，一般由線頭單元、送料機構、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多工位液壓機結構，如下圖所示，采用整體焊接的框架結構，將多個液壓缸有序的排列，配合自動。上下料技術可以快速的完成零件從坯料到產品的的沖壓制造。
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，進而減少設備占地面積；
b 減少設備中間的送料程序和操作人員；
c 提高生產效率；
d 減少投資成本。
六、其他輔助技術
1、自動送料技術
自動送料技術主要服務于多工位液壓機，采用多軸關節(jié)型機器人快速吸取工件，完成工件的翻轉并準確將工件放置在下一個工序。
自動送料是自動生產線的基本條件之一，由于產品的尺寸、形狀、結構、材料物理性能的不同，自動送料機構的種類很多。
按照送料機構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。一般的送料機構都是根據(jù)某一工況進行單獨設計，通用性較差，設計和維護都需要專業(yè)技術人員，隨著機器人技術的發(fā)展，基于人體關節(jié)學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移，配合圖像處理技術可以實現(xiàn)智能化制造，如檢測零件質量和缺陷。
機械手 圖像檢測技術
2、智能拉深墊技術
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，對于一些結構簡單和淺拉深工件，基本能滿足要求，但是對于具有復雜內部結構、非對稱式零件，恒定壓邊力已經不能滿足拉深要求，智能拉深墊技術因此應運而生。
分區(qū)域變壓邊力裝置壓邊缸施力點
數(shù)控技術的不斷發(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，可以滿足復雜零件的拉深成形。上圖（右）為一種液壓驅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轉動，螺母1將絲杠的旋轉運動轉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，伺服驅動技術的與液壓泵、液壓閥以及拉深墊等部件的結合，提高了液壓機的控制精度和響應速度，降低了成本和能耗，新型液壓器件、水壓技術、節(jié)能型液壓系統(tǒng)、集成化技術以及機械液壓復合驅動技術的應用都將使傳統(tǒng)的液壓技術擺脫高能耗缺點，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、電機學、控制學等多個學科的技術融合，這個給傳統(tǒng)的液壓技術注入了新的血液。
