伺服冲压技术在数控转塔冲床中的创新与应用

李 兵，Bert Brahmer，王立勤，王菁华，宋志强，魏志国，张建设

（1.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250022；2.Voith Turbo H+L Hydraulic GmbH & Co.KG）

0 引言

数控转塔冲床源于1932年美国WIEDEMANN公司，该公司发明的多工位冲床的转盘式模具库及转塔冲床的基本工作原理一直延续至今。然而在其数十年的发展历程中，始终伴随着机械、液压、模具、电控等相关新技术的发展，在主传动系统、转盘模具系统、板料送进系统、电气控制系统等方面，不断进行着关键技术创新与升级，使其总体技术水平与性能持续提高。

作为冲压动力源的主传动系统，继由传统的机械型被液压型替代后，正朝着伺服电机驱动型方向转化。以此为主要特征的新一代高性能数控伺服转塔冲床，具有技术领先、精度高、加工范围广、冲压速度快、工艺适应性好、节能环保等优势，代表了数控转塔冲床的发展水平和方向。

目前，数控转塔冲床的国内需求大约3000 台/年，伺服电机驱动主传动式高性能机型约占两成并呈上升趋势。其中，济南铸造锻压机械研究所有限公司自主研发推出的SVR 专利技术的SP 型数控伺服转塔冲床（图1a），以及率先应用伺服冲压技术的日本 AMADA 等公司先进产品（图 1b），均显示了创新的技术特点与良好的市场前景。同时，目前仍作为主流机型的数控液压转塔冲床，也以德国VOITH H+L公司研发的应用DECV 阀技术的新一代HDM 型伺服液压系统，成为伺服液压式主传动技术升级的标志，使数控液压转塔冲床也快速步入新的伺服化发展阶段。其代表性产品主要有济南铸造锻压机械研究所有限公司最新推出的HPD 型数控液压转塔冲床（图 1c），以及德国 TRUMPF 公司的 Tupunch5000型数控液压转塔冲床（图 1d）。

图1 国内外数控伺服转塔冲床

1 SVR可变连杆专利技术的伺服主传动系统

1.1 概述

数控伺服转塔冲床的技术关键在于伺服主传动技术。济南铸造锻压机械研究所有限公司近年来在跟踪与分析国际先进伺服冲压技术的同时，在伺服电机驱动主传动系统技术方面，进行了持续深入的研究。不同于其他产品所采用的国外已有技术的主传动模式，创新提出并研制了连杆长度可变曲柄连杆传动机构及数控转塔冲床主传动系统，形成了独有发明专利（201110219184.7）的伺服主传动专利技术（图2a）。该技术突破传统设计与工艺模式，实现了以小功率高速伺服电机取代大扭矩伺服电机达到高效率、低能耗的技术创新，成为新一代数控转塔冲床行业的关键领先技术，开创了高效、柔性、绿色伺服冲压技术发展的新途径。

图2 伺服电机驱动主传动类型示意图

该专利主传动技术不仅与国际先进伺服主传动技术同步发展，且具有其独特的技术性能优势。如日本AMADA 等公司应用于数控转塔冲床的主要结构类型，一种是双伺服电机主传动系统（图2b），将同步控制的两台伺服电机分别连接于曲轴的两端的曲柄连杆机构，虽然结构相对简单，但必须采用大功率双力矩伺服电机，以满足公称压力和冲压速度的要求，使其制造成本及能耗较高。

另一种是单伺服电机主传动系统（图2c），将伺服电机通过丝杠传动副与曲柄肘杆机构相连，利用曲柄肘杆机构特有的增力特性，虽可降低伺服电机的负载扭矩，但结构比较复杂，公称压力和冲压速度也不及前者。

本专利主传动系统技术相比国内外同类产品的独特性在于，将单台通用伺服电机直驱曲柄连杆机构，并通过连杆长度可变的技术创新，不仅解决了采用小惯量低扭矩伺服电机取代高成本大功率力矩电机的难题，而且使通用伺服电机高速、高性能特性与数控转塔冲床快速、灵活的工艺特点完善结合，发挥出优异的高效、节能及柔性化技术性能优势。

1.2 创新点

（1）采用高转速、低扭矩的通用伺服电机直接与曲轴相连接，驱动连杆长度可变的曲柄连杆传动机构，在专用数控系统软件的控制下，可实现冲压与送进轴的联动控制运行的传动方案（图3a）。

连杆为内、外连杆的组合嵌入式结构，由气缸驱动摆杆式机械结构，在快速调节连杆长度的同时，带动垫块补偿连杆长度的变化，实现初始位置和打击位置两种长度的调节（图3b）。

将数控转塔冲床的换模与冲压时所需的两种滑块行程，分别通过可变的连杆长度与减小的曲轴偏心距的合理匹配，使公称力矩降低，进而减小其伺服电机的额定力矩和功率（图 3c）。

图3 长度可变连杆伺服主传动示意图

（2）长度可变连杆结构采用新型内连杆、外连杆嵌套的形式。在外连杆上开有导向槽，垫块可以在导向槽中自由滑动。内连杆、垫块分别由两侧的连接板连接，外连杆上安装具有导向作用的气缸，导向气缸与外连杆通过螺钉固定，导向气缸活塞杆与垫块固定；内连杆与外连杆之间安装压缩弹簧，弹簧力可以支撑内连杆、销轴、滑块以及打击头的重量。通过采用摆杆式机械结构，使得对于连杆长度的调节更加方便快速，只用一个气缸就可以实现初始位置和打击位置两种长度的调节，以满足特定工艺要求。

1.3 技术特点

（1）可变连杆及小偏心距曲轴设计，使伺服电机驱动力矩随之成倍减小，与上述日本AMADA 公司同类机型相比，满足同等公称压力（200kN）及冲压速率（1800hpm），本专利技术采用通用型高速低功率（16kW）伺服电机，较其大功率（54kW）双力矩伺服电机，具有显著的效率与节能优势。

（2）采用通用高速低扭矩伺服电机，在满足数控转塔冲床所需较大的模具提升及换位行程的同时，能够通过较小的加工行程实现满载荷冲压及快速步冲等功能，应用于SP 型数控伺服转塔冲床，其刻印速度 1800hpm，10mm 行程 1mm、25mm 间距步冲速度分别为1000hpm、500hpm，各指标均达到国际先进水平。

2 应用DECV阀技术的HDM型伺服液压系统

2.1 概述

过去的30 多年，液压主传动技术一直主导数控转塔冲床的发展。当前，作为新一代技术的伺服电机直接驱动的主传动系统，以其快速高效及节能降耗的特点，在高性能机型中有逐渐替代液压系统而成为主流的趋势。然而，作为目前仍为主导类型的数控液压转塔冲床，其液压主传动系统技术也朝着伺服直驱、快速高精度、闭环数控、节能易维护等方向进展。伺服电机驱动型液压系统技术，以其在冲压速度快、过载保护强、噪声控制好、大吨位性价比高等方面特点，使液压技术的内在优势得到进一步发挥，也共同引领了当前伺服冲压新技术的发展。

德国VOITH H+L 公司最新研制的HDM 型液压系统，采用了DECV 伺服电机直驱主阀型系统技术，使液压主传动技术的发展步入了一个新的阶段。该系统在冲压效率及精度、 技术性能与可靠性等方面较上一代产品有较大提升，实现了最大行程速度280mm/s、公称压力 300kN、位置精度 0.025mm、4mm行程冲头速度900hpm、1mm 行程冲头速度2800hpm等优良的技术特性，并在系统成本、能源效率和市场竞争力等方面优势明显。

2.2 技术特点

HDM 型液压系统主要由阀体油缸（图 4a）、液压站与电子控制器等三部分组成。由其液压原理图（图 4b） 可见，通过采用 DECV 主阀 1 和 80bar 低压回路控制，实现在40kN 以下冲压力时的快速节能运行；而在40kN 以上冲压力时，通过高压泵6 和转换阀2，控制285bar 高压回路连通油缸上腔，使高压泵只在较大载荷冲压时建立压力并直接作用于油缸活塞4。通过冲压力与冲压速度的合理匹配，只需配置11kW 主电机即可满足优良的技术性能，且明显降低系统成本并达到良好的能源效率。

HDM 液压系统的技术创新主要在于DECV 主控制阀（图4c），如何避免高压泵的高压及流速对控制阀的干扰也是其技术关键。该控制阀以德国VOITH H+L 公司成熟的机械拷贝阀为基础，不同于通常的伺服阀通过电磁线圈控制，而直接由专门研制的FL56 型伺服电机驱动，具有优化的磁电路与动态特性以及特有的机械结构。通过伺服电机精确检测和控制主阀阀芯位置，以及零侧隙齿轮齿条传动实现对阀芯的线性驱动，使NG10 规格的DECV阀的快速连续响应时间高达7ms。同时还具有故障安全功能，可对故障位阀芯进行精确的机械调整。

图4 DECV 阀技术的HDM 型液压系统示意图

HDM 型液压系统的技术创新还包括HS4 型电子控制器（图5a），它同时兼容并提升了以往版本的电子控制器，适用于德国VOITH H+L 公司多系列规格的液压系统。

HS4 型电子控制器基于32 位CPU 的CLC/PLC控制器，配置了RS-232、USB、以太网和现场总线如CAN、Profibus 等通用接口，以及数字I/O、阀控状态、位置和压力传感器等信号接口，另外还包含了直接驱动DECV 阀的SV2 模块。在专门设计的固件程序控制下，可实现快速步冲与成形、滚压、刻印等特殊工艺的编程，并可针对不同的工艺和模具类型调整优化相应的参数。同时，在线跟踪记录传感器数据和冲压状态信息，并适时将出现故障时的相关信息记录于USB 存储卡，用于故障分析与排除。专门用于调试和诊断的Punchmaster PC 软件，可通过HS4 型电子控制器在线跟踪加载数据或对已存储的数据离线分析（图5b），还可通过以太网接口实现远程维护。

图5 HS4 型电子控制器与Punchmaster 软件界面

上述可见，新一代DECV 阀技术的HDM 型液压系统，具有伺服驱动、高效率、低成本和调试、诊断与维护方便等特点，使数控液压转塔冲床性能与可靠性提升到新的水平。目前，应用DECV 阀技术并沿承高低压双回路系统设计，具有更高性能的HDE 型液压系统也已推出，它采用15kW 电机即可满足300kN 公称压力与3mm 行程冲头速度1800hpm 的要求，能够更好地发挥伺服液压技术特点并提高能源效率，节省功耗。

3 伺服冲压相关协同技术的创新与应用

综上所述，伺服电机驱动型主传动系统新技术的研发与应用，在技术领先、快速高效、性能提升、工艺优化及节能降耗等方面，使数控转塔冲床具有新的技术优势和性能特点。然而，为使伺服主传动核心技术充分发挥高性能优势，还要与数控转塔冲床的转盘选模系统、高速送进系统、数控系统及软件等技术协同配合与提升。上述SPH 型数控伺服转塔冲床，即融合了多项创新专利技术与设计，主要包括：

（1）分度工位功能扩展技术。通过增配分度工位的数量、扩展可分度模具类型及规格、提高其安装互换性以及多子模的应用，充分发挥可分度模具的特有优势。

（2）多子模性能提升技术。通过结构创新设计将多个标准模具组合集成构成多子模并安装于分度工位，不仅实现与标准A 工位模具通用且可互换安装，其中任意一套模具还可进行二次分度冲压，扩展转模的数量与效率，提高其适应性与经济性。

（3）转盘双排工位及选模技术。该技术创新实现了在单一独立型分度头配置的转盘上配置双排工位的功能，较国外现有技术具有结构紧凑、运转可靠、扩展性强等优势； 同时与主传动及转模结构创新设计，进行功能集成扩展，实现了内外排工位模具选择冲压功能。

为便于读者进一步了解以上技术内容，分述如下。

3.1 多重模具互换型分度工位及模具系统技术

3.1.1 概述

模具技术的提升也是数控转塔冲床发展的重要环节，为提高加工效率、扩展机床工艺性能，增模位规格数量的同时，可分度模位、双排标准模位及多子模等功能配置与应用，代表了先进模具技术，已广泛应用于国外高性能机型（图6a）。其中，分度模位上、下模套，由分别装于上、下转盘的两套蜗轮蜗杆驱动装置驱动，同步回转实现内装异形模具的分度（图 6b）。

但以上功能应用所需的相应机构及控制模式尚有以下问题：

（1）模具分度装置结构复杂，且多套配置，成本高；由于安装在转盘上，使其转动惯量增加，不利于快速运行。

图6 国外模具分度技术及转盘结构示意图

（2）分度工位传动机构通过转盘中轴分布于两端，分度工位数量的扩充不仅受其结构限制，同时因占用空间较大，分度工位的增加将明显减少标准模位数量，双排标准工位也只起到一定的补偿作用，模具数量的扩展必须通过增加转盘直径来满足。

本项目产品创新应用了发明专利（201110241 395.0）的多重模具互换型分度工位及模具系统技术（图7a）。同时，采用分度装置独立于转盘之外的形式，从而使单套蜗轮蜗杆驱动装置即可支持多套分度工位（见图7b），降低了以上功能带来的机械结构复杂程度，减轻了对转盘标准工位及回转性能的不利影响。

图7 本专利模具分度技术及转盘结构示意图

3.1.2 创新点

（1）对安装于转盘分度模位的上、下旋转套，采用E 型标准模（4-1/2″） 工位模孔并与大规格工位（3-1/2″）分度模座互换安装的结构创新设计。

（2）上分度工位模座装入转盘时，可直接安装D型（3-1/2″）异形模具（图 8a），以及通过标准模具转换套安装 C 型（2″）异形模具（图 8b）；上分度工位模座取出转盘时，可直接安装专利技术的6 个A 型（1/2″）多子模（图 8c），或 E 型（4-1/2″）标准成型模（图8d）。

图8 多重模具互换型分度工位结构示意图

3.1.3 技术特点

（1）该创新技术实现了多种类型模具的互换安装，且操作方便；使模具系统互换性提高、规格和数量扩充、工艺适应性增强、功能更完善；通过配置互换型转模及多子模的转盘，提高了模位的适用性，并可根据需要使模位数变换扩充。

（2）同现有技术相比，多重互换分度模位的使用，使系统整体结构简单，可有效利用转盘空间增加模位数量；在丰富模具功能的同时，极大简化了冲床控制机构；分度模位互换性极强，分度工位数量、位置可根据具体要求设置，受限制因素小。

3.2 双位变换冲压装置及双排模具系统技术

3.2.1 概述

数控转塔冲床双排模具结构可有效增加可供使用的模具数量，扩展设备加工工艺范围；国外现有技术中内外排工位的选择，采用一种可移动打击头实现，即由气缸带动变换位置的打击头移动装置完成，该装置安装于滑块上并随其上下运动（图9a）。目前绝大部分主流数控转塔冲床均设有模具分度工位，但由于该结构中打击头移动装置安装在冲压位置上方，模具回转装置只能安装在上、下转盘上，结构尤为复杂，且增加了转盘回转部件重量（图9b）。

本项目采用双位冲压的创新设计实现了双排模具、多子摸、互换型分度工位等功能（图9c），充分集成了上述伺服主传动及模具分度装置的功能并加以扩展与结构创新设计，形成了发明专利（201120306345.1）的双排模具系统技术（图 9d）。

图9 本专利与国外双排工位技术及转盘结构对比示意图

3.2.2 创新点

（1）如图10a 所示，将适用于单排模具的整体式滑块，变为可相对转动的两段组合结构，下端的打击

图10 双排工位技术及转盘结构示意图

杆头部为靴形，冲压位置有中心主冲位及单侧副冲位，主冲位固定于滑块中心，副冲位可通过分度机构驱动其变位装置围绕主冲位旋转定位；通过功能集成化创新设计，打击杆侧向上下两个销钉与分度驱动套内相应导槽构成打击杆转位的离合机构。

（2）转盘包括 A、B、C、D 四种标准类型工位及互换型分度工位，其中的A、B 型工位采用双排设计，可最大效度利用转盘空间，有效增加模位数量；通过配置双排A、B 工位即可将900mm 直径32 工位标准转盘扩充至 56（2MT）工位（图 10b）。

（3）通过伺服主传动滑块上下与上分度驱动套旋转，驱动打击杆的离合转位，实现内外模位及多子模的选择。当分度装置位于0°时，打击杆适于单排工位模具（图10c） 及双排工位中的前排模具（图10d）冲压；当分度装置位于180°时，副冲位可通过分度机构驱动其变位装置围绕主冲位旋转，定位于双排工位中的前排模具（图10e）冲压。在丰富数控转塔冲床模具配置、扩展设备工艺性能的同时，极大简化了数控转塔冲床结构。

3.2.3 技术特点

（1）整体结构简单，占用空间小，可最大限度利用转盘空间，有效增加模位数量；

（2）通过打击头的回转功能，既可实现多子模、双排模具选择冲压，更创造性地实现了多子模的二次分度冲压；在丰富冲床功能的同时，极大简化了冲床控制机构。

3.3 装载标准模及可分度的多子模技术

3.3.1 概述

在数控转塔冲床转盘模位数固定的基础上，为更有效增加可供使用的模具数量，扩展设备加工工艺范围，需要采用多子模（图 11a）。国外技术结构采用在外形尺寸等同D 工位上下模的模座基础上，内部安装专用的多支专用型小规格凸凹模（图11b）；并借助于专用的气缸锁定装置与模具回转装置实现子模的选择、冲压（图 11c）。上述多子模结构复杂，成本高，且只能装载特制的上模，增加了模具库存种类和数量。

本项目产品创新设计了一种可装载标准模具，并可实现二次分度冲压的专利（201120306344.7）技术的装载标准模及可分度的多子模。

图11 国外多子模技术及模具结构示意图

3.3.2 创新点

（1）本项目采用创新设计，将6 个1/2″标准模具组合集成构成多子模并安装于分度工位，并可实现分度冲压的多子工位复合模具装置（图12a）；模具更换时与标准模具无异，只需将上下模组件直接拔插入即可（图12b）；多子模采用的专利结构设计的同时，通过与可变连杆与模具分度功能的集成扩展实现了多子模二次分度（图12c）。

（2）通过变连杆机构、双冲头机构及分度装置对旋转副冲头驱动及离合控制等，实现两种冲压方式：

图12 本专利多子模技术及模具结构示意图

①多子模选定及零位冲压：包含多子模的上、下模座随转盘旋转至数控转塔冲床打击位时，多子模位中正前方的子模正好对应打击块的打击部位，副冲头锁定而分度装置独立旋转的方式可选择任一个子模进行零方位冲压（图 13a）。

②多子模二次分度冲压： 所有子模位均可安装非圆异形模具，其二次分度冲压时首先进行上述子模的选定（图13b），然后以副冲头与分度装置同步旋转的方式可使选定的子模实现二次任意分度（图13c）。

图13 本专利多子模冲压及控制方式示意图

3.3.3 技术特点

（1）可装载标准模具，模具安装方便快捷；减少了模具库存种类、数量。

（2）通过对模具上分度装置模套、滑块以及打击头等相关零部件的创新设计，并进行相关数控轴控制功能扩展，可实现子模分度冲压，极大扩展了多子模功能与转盘模具库容量及模具使用的工艺范围。

4 结束语

国际金属板材加工产业技术的发展趋势，主要特征体现为高速、高效、节能、高可靠性、复合化、智能化与网络化等。数控转塔冲床伺服冲压主传动技术，以其技术领先、精度高、加工范围广、冲压速度快、工艺适应性好、节能环保等特点，已成为其顺应高速节能化加工发展方向的核心技术，协同高速冲压工艺与模具技术、伺服驱动与控制技术、数控系统技术等，代表了数控转塔冲床的发展水平和方向。

近年来，济南铸造锻压机械研究所有限公司在积极跟踪国际先进数控伺服冲压技术的同时，着力于提高关键技术与核心技术的自主研发能力、 提升产品的技术水平、 加强创新和前瞻性技术的研究与应用。集成SVR 可变连杆等多项创新技术自主研制的SP 型数控伺服转塔冲床，在主要技术指标方面达到国外先进水平；应用DECV 阀技术的HPD 型数控伺服液压转塔冲床，代表了最新液压主传动技术水平。以上数控高效、柔性、节能等创新技术与产品的推出，不仅满足了金属板材加工行业对高性能设备需求，也为本行业领域提升技术水平，促进国产数控板材冲压设备的发展起到积极的作用。

[1]李 兵.数控伺服转塔冲床的最新发展—Servo V.R 可变连杆伺服主传动技术.锻压装备与制造技术，2012，47（3）：13-17.

[2]Bert Brahmer.Vorteile hydraulischer Antriebe beim Stanzen unbestritten.MM MaschinenMarkt，2013，（5）.