2.3 智能机器的实施途径

发展智能机器有三大实施途径：分散多动力、伺服电直驱和集成一体化，其目标是数字高节能、节材高效化和简洁高可靠。

2.3.1 分散多动力

分散多动力，狭义上是指机器采用单独的动力源来驱动每个自由度动作的方式，即每个自由度使用各自独立的动力源，每个自由度全面深度地传感机器内部信息，每个自由度均可柔性地实现控制。广义上来讲就是机器的每个自由度的运动零部件可采用一个或者多个独立的动力源来驱动。可供采用的动力源类型包括机械、液压、气动等，多个传动零部件同时带动下一级的同一零部件，例如双边齿轮传动、多根三角带传动、行星齿轮传动、多点机械压力机以及多液压缸的液压机等，图2-4所示为典型的分散多动力锻压设备。也就是说机器的每一个自由度的动作依靠动力源、传动机构和各类传感器之间构成的控制回路来完成。分散多动力的思想使机器实现了全面传感——信息深度自感知的基本功能，智能化装备准确感知企业、车间、系统、设备、产品的运行状态，从而实现动力源、传动机构的数字化控制，机器的高效、节能运行。

大吨位锻压设备若采用集中动力源则存在输出特性单一、动力特性固定、可调节性差等缺点，完成不同工件加工时的实际负荷差异大，往往会造成严重的能量浪费。智能型的集中动力源的规格大、造价高、能量利用率低，甚至目前还没有制造出来的产品；传统的集中动力源，动力特性单一，动力源的能量与运动的传递路线长，机械整体传动系统结构复杂且庞大；传动系统中摩擦与间隙等非线性因素多，机器工作可靠性差。因此，集中动力源无法满足智能化锻压设备生产过程高效、柔性、节能、高质量的要求，无法实现对机器内各个环节的能量与运动特性的实时监控。

伺服压力机在工作中受到的负载是典型的冲击负载，只是在模具接触工件并进行加工时承受较高的工作负荷，而其他较长的时间段内只受运动部件的摩擦力和重力的影响，这段工作基本没有负载要求。如果按照短时的冲击负载情况来选择单个伺服电动机直驱压力机运转，势必会造成电动机容量的增大，成本过高。因此，现有的伺服压力机驱动经常采用多电动机及增力机构，如图2-5所示。

1．多电动机驱动

多电动机驱动即采用多台电动机分别驱动多套传动系统带动同一个滑块完成锻压工作。大吨位的伺服式热模锻压力机需要大功率的伺服电动机，但受限于伺服电动机技术的发展，伺服电动机的功率很难做得非常大。即便是那些大功率的伺服电动机，价格也非常高。为了降低单个电动机的功率，可以采用多边布局，采用多电动机进行驱动的方案，这将显著降低伺服式热模锻压力机的成本。图2-6所示的SE4-2000伺服压力机采用了4台电动机进行驱动的方案，能够同时运转驱动滑块运动。

2．多齿轮分散传动

大中型机械压力机所需的减速比高达30～90，甚至上百，当采用普通的齿轮减速方式（一级齿轮减速比最多7～9级）时，需要将齿轮做得很大，导致减速的齿轮传动系统体积庞大，质量大，惯性大，动作灵敏性差，生产成本高，大尺寸的齿轮切削加工费用高，传动效率低，消耗材料多，不利于装配和运输等。多齿轮分散传动方案具有低惯量轻量化的特点，可以提高压力机的承载力，降低转动部分的转动惯量，减小压力机传动部分的尺寸。

采用多齿轮分散传动方案，可以大大降低传动部分的质量，降低传动机构在工作时的转动惯量。以400t热模锻压力机为例，根据计算，采用多齿轮传动方案的质量仅为普通齿轮减速方式质量的30%左右，转动惯量为普通齿轮减速方式的20%。图2-7所示传动方案，采用4个齿轮分散驱动中心齿轮，有利于实现传动过程中的多齿啮合，提高传递转矩和传动平稳性，降低质量和转动惯量。

3．多套传动机构同步传动

为了实现多套传动机构的同步，可以在传动齿轮间加过桥齿轮，从而使传动机构能够实现同步工作，保证滑块在运动过程中不产生偏转和倾覆。图2-8所示为在两套/多套传动机构间安装的过桥齿轮。

4．行星齿轮传动

图2-9所示的行星齿轮传动具有传动效率高，承载能力强，传递功率大，传动比大，结构紧凑，传动平稳等优点，非常适合应用于伺服式热模锻压力机。采用了行星齿轮后可以明显减小压力机的体积，使布局更为紧凑，同时也有利于提高热模锻压力机的锻压能力，提高传动平稳性。

5．典型设备

捷克专家拉瓦克杰和泽克勒姆设计了一种25MN直驱式压力机，采用双边电动机进行驱动，行星齿轮机构传动。图2-10所示为株式会社放电精密加工研究所（Hoden Seimitsu Kako，HSK）研发的一种滚珠丝杆型同步伺服压力机，其公称压力为5000kN，压力机创新性地采用4个交流伺服电动机作为动力源，4套滚柱丝杠副作为传动机构来驱动滑块，此种结构可以随时调整滑块平行度，而且偏心负载时，滑块平行度误差可以控制在0.03mm/m以内，很好地解决了机床偏载问题。德国惠特（Heitkamp&Tumann）公司和希尔文罗压力机（Synchro Press）公司也研发了类似的滚珠丝杠直驱型伺服压力机，如图2-11所示。

米克森蒂申克（Mitsantisuk C）等研究了一种机器人机械臂，采用模态空间的方法建立了该系统的两电动机驱动模型并进行了仿真研究。伊藤（Itoh M）等提出了一种应用于两电动机驱动系统的振动抑制方法，并对模型中的位置环控制影响进行了仿真研究。奥巴（Ohba Y）等研究了系统的共振频率，并基于两电动机驱动系统建立了一种新型具有摩擦的可逆模型。德国通快公司设计了一种新型双电动机螺旋副伺服直驱式回转头压力机，该压力机采用两个交流伺服同步电动机作为动力源，且两个电动机的转子分别与两个螺母固定连接，通过两个伺服电动机的转动实现滑块的上下往复运动。西安交通大学赵升吨等人研发的新型对轮旋压设备如图2-12所示，该旋压设备的各旋轮均采用单独

动力驱动的方式，各旋轮纵向各有一台伺服电动机驱动，横向分组驱动。有效地降低了对动力源的要求，并简化了传动结构，提高了系统的可靠性。而且，该设备除主轴采用变频电动机外，其余装置均由伺服电动机驱动，并采取直驱方式构建运动系统。这种方式有效地利用了伺服电动机可控性好、功率密度大等优点，并缩短传动链，提高了设备的精度。

刘福才等通过仿真实例研究了多电动机同步协调运转控制方法，指出了电气同步控制系统中需要解决的实际问题。李耿轶等讨论了普通机床和数控机床双轴与多轴交流电动机的同步控制方法。西安交通大学研发的1600kN两电动机双肘杆伺服压力机如图2-13所示，采用自主研制的由内环主从控制方式、外环带有误差偏置补偿的双闭环控制策略的伺服压力机控制系统，实现滑块位移精度为0.1mm，并使得两电动机的输出转矩瞬时差控制在额定转矩的0.3%以内。

多电动机驱动方式可以有效分散电动机动力，避免出现单个大容量电动机及其驱动器设计制造成本过大的问题。同时，多电动机驱动有时也可以更好地平衡压力机传动结构的受力。通过设计合理的增力机构可以使压力机滑块运动具备低速锻冲、快速空程的运动特性。压力机中常用的增力机构包括曲柄连杆增力机构、肘杆增力机构、多连杆增力机构、螺旋增力机构、混合输入增力机构等。

6．分散多动力需要解决的关键科技问题

分散多动力需要解决的关键科技问题包括：

1）不同类型、形式的动力源及其组合下，智能型分散多动力设计理论的建立。

2）以重量最轻、体积最小、能量利用率最高、经济性最好等为优化目标的分散多动力优化模型的建立与求解算法的研究。

3）新原理的不同类型智能型动力源的研发。

4）机器常用智能型分散多动力源的数据库的建立与完善。

5）新原理的分散多动力的标准化传动部件的研发。

6）新原理的分散动力机械传动方案的数据库的建立与完善。

7）标准化、系列化、模块化、信息化的高性能和高可靠性的机器常用的智能型分散多动力的功能部件的研发。

8）工业实际中量大面广的典型机器的分散多动力技术方案的确定及其推广。

9）智能型分散多动力部件的全生命周期的全面传感、优化决策与可靠执行的远程服务网络的构建与合理布局方案研发。

2.3.2 伺服电直驱

直接驱动与零传动是由电动机直接驱动执行机构、驱动工作部件（被控对象）完成相应的动作，取消了系统动力装置与被控对象或执行机构之间的所有机械传动环节，缩短了系统动力源与工作部件、执行机构之间的传动距离。直驱系统是真正意义上的机电一体化。直接驱动的3个层次为：直驱被控对象；直驱执行元件，精简传动环节；短流程工艺与直驱设备一体化。结合交流伺服电气控制系统，进行机器实时运行状态数据的实时检测和识别，并对所采集的实时运行参数进行相应的分析和实时处理，从而可以使系统根据机器的实时运行状态自动做出判断与选择，系统更加简洁，机器工作效率可以得到大幅度提高。

在传统机械装备中，从动力源到工作部件之间的动力传动，需要通过一整套复杂的运动转换和机械传动机构来实现，这些运动转换和机械传动机构在实现动力传动的同时会带来一系列的问题，如造成较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后等，使得机械装备的加工精度、运行可靠性降低；传动环节存在机械摩擦，产生机械振动、噪声及磨损等必定会增加维护、维修的时间和成本；复杂的传动环节会造成锻压装备的工作效率下降、工作成本升高。传统机械设备多采用交流异步电动机驱动，其启动电流是额定电流的5～7倍，且不能频繁启动，不能满足每分钟需启停十几次或几十次的生产工艺要求，必须带有离合器和制动器。长期以来，针对机械传动环节的传动性能开展了很多研究和改进，虽取得了一定的节能效果，传动性能得到了优化，但并未从根本上解决问题。

目前机械设备上可以采用的电动机有交流异步电动机、变频调速电动机、开关磁阻电动机和交流伺服电动机等。

1）交流异步电动机是目前工业设备上应用最广泛的电动机。交流异步电动机具有结构简单、价格便宜、牢固耐用和维护方便等优点，但也有电动机频繁启停时发热严重、启动电流过大等缺点。目前国内常见的传统机械设备都是采用交流异步电动机作为驱动源，这种热模锻压力机需要离合器和制动器等，能量利用率低。将交流异步电动机直接应用热模锻压力机会带来很多问题，由于不能实现频繁启动，严重影响了热模锻压力机的控制性能。

2）变频调速电动机是利用变频器驱动的电动机的总称。变频器主要通过控制半导体元件的通断把电压和频率不变的交流电变成电压和频率可变化的交流电源。变频调速电动机具有调速效率高、噪声低、调速范围宽、适应不同工况下的频繁变速等优点，非常适合应用于需要频繁启停或变速的场合。但是，目前变频调速电动机技术也有很多的问题。我国发电厂的电动机供电电压高于功率开关器件的耐压水平，造成电压上的不匹配。变频调速系统由于大量使用了电子元器件，造价较高。由于目前变频调速电动机主要应用于小功率场合，因此变频调速电动机在热模锻压力机上的应用受到了限制，但随着变频调速电动机的发展及相关电子元器件价格的降低，变频调速系统在热模锻压力机伺服驱动上将会得到更多的应用。

3）开关磁阻电动机是一种新型的调速电动机。开关磁阻电动机具有结构简单、可靠性高、成本低、动态响应好等优点，但也具有转矩脉动大、振动和噪声大等缺点。西安交通大学的赵升吨教授等在将开关磁阻电动机应用于热模锻压力机方面做了很多研究工作。由开关磁阻电动机驱动的伺服式热模锻压力机与传统热模锻压力机最大的区别是没有离合器和飞轮等。开关磁阻电动机通过一级或多级齿轮减速驱动工作机构运动，由工作机构带动滑块做上下往复直线运动，完成工件的锻压工作。

4）交流伺服电动机的控制速度和位置精度非常准确，通过控制电压信号来控制电动机的转矩和转速。伺服电动机的抗过载能力强，非常适合应用于有转矩波动或快速起动的场合。伺服电动机的响应速度快、发热少、噪声低、工作稳定。但伺服电动机目前也存在价格高等缺点，尤其是大功率的伺服电动机，造价非常高。目前的伺服压力机多采用交流伺服电动机作为动力源，在伺服压力机领域，日本的小松、天田和会田，德国的舒勒等公司生产的伺服压力机处于世界领先水平。

1．典型的伺服电直驱锻压设备

现有的交流伺服电动机直接驱动的机械压力机的传动机构主要有四种：

1）由伺服电动机带动丝杠旋转，使多杆机构推动滑块完成冲压工作。

2）由伺服电动机带动曲柄旋转，使多杆机构推动滑块完成冲压工作。

3）由直线电动机直接驱动滑块完成冲压工作。

4）由直线电动机经一级增力肘杆机构驱动滑块完成冲压工作。

工业4.0的锻压设备采用伺服电动机直接驱动与零传动，锻压过程采用智能化伺服控制，可以实现智能化、数控化、信息化加工。锻压时的工作曲线可以根据需求进行设置，对打击能量进行伺服控制，可以有效拓宽锻压设备的工艺范围，提高锻压设备的工艺性能。在工作时，实时监测记录设备的锻压参数，对伺服式锻压设备进行信息化管理，实现真正意义上的机电软一体化。

1997年，世界上第1台800kN伺服压力机HCP3000由日本小松公司生产问世。从那以后，日本、德国、西班牙和中国纷纷开始研制伺服压力机，相继生产出各种类型的伺服压力机。日本会田和小松公司将传统机械压力机驱动部分更换为伺服电动机驱动，开发出小型伺服压力机。德国舒勒公司将偏心驱动与伺服驱动技术相结合，开发了新型伺服压力机。西班牙法格公司开发了伺服电动机直接驱动的曲柄压力机。日本网野公司推出了大型机械连杆式伺服压力机和液压式伺服压力机。液压式伺服压力机及其驱动原理如图2-14所示，采用交流伺服电动机通过减速器和特殊驱动螺杆驱动液压缸进行直线运动，不使用液压泵和伺服阀等，电能消耗是普通压力机的1/3、发热少、75dB以下的低噪声和低振动且工作用油少。德国舒勒公司研发了一种新型直线锻锤，如图2-15所示，其摒弃了传统的动力源，使用直线电动机提供能量，将直线电动机的动子和锻锤的锤头直接相连，并利用锤头自身的重力势能使得锤头高速运动，从而实现对锻件的打击。

日本会田（AIDA）工程技术公司研发了一种采用直线电动机为动力源、传动方式为直接驱动、主要用于小型精密零件加工的新型成形压力机（见图2-16），其最大工作压力为5kN，对制品加压压力小，成形过程中几乎没有噪声，进一步实现了高精度化成形。该压力机甚至可以在对环境条件要求较高的半导体制造工程等生产线上使用。此外，该成形机操作简便，对模具不需要机械限位装置，容易实现质量控制。

山田多比（DOBBY）公司与发那科（FANUC）公司联合开发了一种智能型高精度直线电动机驱动压力机，压力机采用示教式数控技术，下死点精度可控制在5μm之内，驱动直线电动机为下置式结构，这种下传动方式使机床具备良好的、便捷的操作性，改善了生产加工环境，如图2-17所示。

华中科技大学研发了一种新型同步直驱式伺服压力机，公称压力为1000kN，率先采用低速大转矩新型伺服电动机直接驱动，如图2-18所示。提出了适用于伺服压力机的高性能曲线规划方法，能够实现滑块运动曲线的高精度控制。开展了多电动机同步控制策略研究，采用电子虚拟主轴控制策略，实现了多电动机位置同步精确控制，将两电动机最小偏差控制在0.18°以内。

西安交通大学和广东锻压机床厂有限公司共同设计了一种新型双电动机直驱式伺服压力机，主工作机构如图2-19所示。以分散多动力、伺服电直驱的思想为主导，运用两个开关磁通永磁电动机作为动力源，电动机直接与曲轴连接实现零传动，取消了复杂的飞轮、离合器与制动器传动机构，提高了传动效率；控制系统采用速度环+电流环双闭环控制策略，可以控制滑块实现快速空行程-慢速冲压-快速回程的动作，运动控制精度高，大大提高了生产效率。

张瑞等认为电动螺旋压力机的综合刚度是影响锻压成形工艺效率的重要因素之一，对六种电动螺旋压力机的结构、成形工艺效率和综合刚度进行了定性分析，阐明了双端轴承伺服直驱型电动螺旋压力机具有高刚度的机理。

苏州大学的王金娥等提出一种直线电动机驱动式肘杆-杠杆二次增力数控压力机，如图2-20所示，由下置直线伺服电动机提供驱动力，传动机构对称布置，采用肘杆-杠杆二次增力机构，弥补了目前直线电动机驱动式压力机重心偏高、动力学性能不好、动态稳定性差和噪声大等不足。

2017年，扬力集团在机床展览会上展出了GM-315K数控门式万能液压机，通过取消压力控制、速度控制等液压回路简化了液压传动系统，采用伺服电动机直接驱动液压泵，实现滑块运动的高精度控制，且滑块运动速度控制更加平稳，解决了传统液压机滑块运动过程中存在的振动、冲击等问题。采用伺服电动机直接驱动，系统噪声低、发热量小、工作效率高、重复定位精度高，不需要额外安装空调等设备进行液压系统冷却，能耗大大降低。液压机采用伺服电动机驱动液压泵、液压系统与液压缸，可以不再使用节流阀和溢流阀等，通过实时监测数字压力表和电动机泵转数、转速反馈值，实时监控液压机运动和压力。可根据速度与位置的预设值、压力表实时反馈值来控制电动机转数和转速，实现对液压缸的无级调速和调压，实现液压系统由阀控向智能数控的转化。

2．伺服电动机直接驱动关键科技问题

伺服电动机直接驱动关键科技问题包括：

1）不同机器的直接驱动或近直驱的动力学理论的研究。

2）适合不同使用机器的高性能新原理的伺服电动机的研发。

3）典型机器的伺服电动机直驱或近直驱的方案的研究。

4）不同行业的标准化、系列化的直驱与近直驱的功能部件的研发。

5）大功率伺服电动机用驱动器与控制器的研发。

6）大功率伺服电动机的储能方式与器件的研发。

7）伺服电动机与机械减速器合理匹配理论的研究。

8）伺服电动机与机械减速器、液压泵、气泵一体化产品的研发。

9）典型机器直驱与近直驱系统的能量与运动转换过程的计算机仿真软件的研制。

10）典型工业行业或领域的整体直驱与近直驱技术的规划。

2.3.3 集成一体化

集成一体化是基于全生命周期理念，在机器功能及其关键零部件结构两个层面，进行机械、电气与软件的全面与深度的融合，实现机器的智能、高效、精密、低能耗的可靠运行。机器实现精准控制自执行，系统具备高可靠性，也就是系统安全执行各项决策，实时对设备状态、车间和生产线的计划自行做出优化、调整。

集成一体化是基于智能机器的3个基本要素，进行机械传动、液压传动、气压传动、电气传动使各自内部零部件相互融合，研发出资源利用率高的环境友好型产品。

集成一体化有6个层次：复杂与大型的高性能机械零件的整体化，传动系统的零件一体化，机器的每个自由度的动力源与传动系统的一体化，机器每个自由度的动力源与传动、工作机构的一体化，智能激振器与全面传感器嵌入机械零部件的一体化，智能材料、工艺与设备的一体化。

1．典型的集成一体化锻压设备

20世纪90年代末期，美国国家宇航局（NASA）已经将自行研制的飞轮储能系统应用于低地球轨道卫星，飞轮储能系统同时具备电源和调姿调控功能。1998年夏，美国进一步开展复合材料在飞轮储能系统的应用研究，并开始进入试制阶段。日本交通公害研究院对一款混合动力汽车采用蓄电池和超级电容组合储能方式，并对整车制动能量回收系统进行了仿真和台架试验研究。拉瓦克杰和泽克勒姆研讨了直驱式压力机的能量回收与储存方法。安东尼（Gee A M）等人分析了电池、超级电容、飞轮等几种能量储存方式。易布拉欣（Ibrahim H）等人提出了一种利用压缩气体进行电能储存的技术。

舒勒（Servoline）伺服冲压生产线（见图2-21）采用伺服直接驱动技术，冲压线配备装载机、横杆机械手和尾线系统，可用于大规模批量生产和小批量生产，很好地解决了多品种生产问题。针对热冲压零部件的生产，舒勒提出并开发了一种高效热成形技术，该技术是实现汽车轻量化生产的关键技术之一。建立完善的售后服务APP系统，也是舒勒智能冲压车间的理念之一。据报道，舒勒的伺服冲压生产线目前在中国有10条，欧洲有16条。图2-22所示为舒勒横杆机器人4.0，它具备超强的灵活性，弥补了原机器人无法定义速度和运动曲线的不足，极大地提高了生产速度和产出率，是装载、卸料以及现有生产线改造的理想之选。

德国舒勒公司研制的一种交流伺服直线电动机驱动的新型直线锻锤，如图2-23所示，将动力源、传动系统与工作机构三者有机地集成复合在一起。利用交流伺服直线电动机取代传统的气缸或液压缸，将锤头直接与电动机动子相连，无中间传动机构。由于直线电动机取代了气缸或是液压缸，这也省去了较多的管路系统及各种密封零部件，大大降低了结构的复杂性，增强了系统的集成化。在一定程度上降低了系统的故障率。由于电动机的运动和所通电流的大小、方向、相位有着直接关系，而现阶段，对于电流的控制系统已十分发达，所以相对于控制气压或是油压，控制电动机就显得方便很多。

纪锋等设计了由异步电动机、飞轮和双向变流器三大模块组成的直流并联型飞轮储能装置，以空间矢量脉宽调制技术为基础，提出了飞轮调节阶段和保持阶段的双模式双闭环控制策略，设计并研制了直流并联型飞轮电池用的控制器，通过负载试验验证了控制策略的可行性并进行了控制器参数优化等。余俊等为自主研发的2000kN曲柄连杆伺服压力机设计了一套电容储能系统。韦统振等提出制动能量综合回收利用方法以及超级电容器储能单元储能量和充放电变流器功率优化设计方法。西安交通大学研究了压力机减速制动过程中能量储存的方式，并研制了外转子开关磁通永磁电动机和飞轮一体式储能系统。电子飞轮集成结构如图2-24所示，将电动机转子与飞轮集成为一体。

图2-25所示为扬力集团自主研发的HFP 2500t热模锻压力机全自动生产线，高度集成了主电动机变频驱动、现代化智能控制等先进技术，产品稳定性好，可靠性和生产效率高。

赵国栋等基于虚拟现实制作软件（Virtools）的渲染引擎和C++语言编写的可视化集成仿真引擎，开发了锻造液压机成套设备可视化集成平台，实现了对成套设备组成、基本运动、工艺过程和工作性能的可视化仿真。

图2-26所示为西安交通大学赵升吨等人研制的交流伺服驱动轴向推进滚轧成形设备，该设备是根据工艺与装备一体化的研究思路，为开展花键轴的轴向推进增量式成形工艺而设计并研制的新型特种成形设备。它主要由实现滚轧模具旋转功能和径向位置调整功能的滚轧系统、实现花键轴坯料前后夹紧及轴向推进的推进系统、实现对花键轴坯料快速加热的感应加热系统、实现对装置中动作执行元件进行精确控制的伺服控制系统构成。

2．集成一体化的关键科技问题

集成一体化的关键科技问题包括：

1）不同机器集成一体化的动力学设计理论的研究。

2）适用类型机器的高性能新原理的交流伺服电动机的研发。

3）典型机器的一体化驱动与传动方案的研究。

4）不同行业的标准化、系列化、信息化与网络化的一体化的功能部件的研发。

5）大功率伺服电动机用驱动器与智能控制器的研发。

6）大功率伺服电动机的储能方式与器件的研发。

7）伺服电动机与机械减速器合理匹配理论的研究。

8）伺服电动机与机械减速器、液压泵、气泵的一体化产品的研发。

9）典型机器的集成一体化的能量与运动转换过程的计算机仿真软件的研制。

10）典型工业行业或领域智能机器的集成一体化的规划。

11）典型材料、工艺与设备一体化。