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永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机简介


永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机简介
 
一、项目背景及必要性
 
1、永磁同步直线伺服技术所处技术领域的现状与发展趋势
 
国务院于 2015 年 5 月 8 日公布《中国制造 2025》中明确提出到 2020 年,基本实现工业化,制造业大国地位进一步巩固,制造业信息化水平大幅提升。开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统。掌握一批重点领域关键核心技术,突破伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈,加快实现产业化。智能制造已经成为国际制造领域一种新的趋势。德国在 2011 年汉诺威博览会提出“第四次工业革命”以来,如今已经进入实施阶段。“第四次工业革命”的目标是工厂智能化。
 
2013 年美国以制造业回流为主题,开启智能时代的再工业化。日本在柔性制造的基础上,形成了当今比较成熟的智能化制造技术。中国目前制造业劳动力成本的不断上升,一些地区出现的“用工荒”也迫使制造企业向智能化方面转型。由于日、美、欧都将智能制造视为 21 世纪的制造技术和尖端科学,并认为是国际制造业科技竞争的制高点,且有着重大利益,所以他们在该领域的科技协作频繁,参与研究计划的各国制造业力量庞大,大有主宰未来制造技术的趋势。概括起来,当今世界制造业智能化发展呈现三大趋势:
 
①智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。主要体现在以下四个方面:一是建模与仿真使产品设计日趋智能化。建模与仿真通过减少测试和建模支出降低风险,通过简化设计部门和制造部门之间的切换压缩新产品进入市场的时间。二是以工业机器人为代表的智能制造装备在生产过程中应用日趋广泛。汽车、电子电器、工程机械等行业已大量使用工业机器人自动化生产线。三是全球供应链管理创新加速。信息技术的应用缩短了满足客户订单的时间,提升了生产效率,使得全球范围的供应链管理更具效率。四是智能服务业模式加速形成。企业通过嵌入式软件、无线连接和在线服务的启用整合成新的“智能”服务业模式,制造业与服务业之间的界限日益模糊,融合越来越深入。
 
②世界范围内智能制造国家战略空前高涨。世界主要工业化发达国家提早布局。日本于 1989 年提出智能制造系统,且于 1994 年启动了先进制造国际合作研究项目;美国于 1992 年执行新技术政策,大力支持包括信息技术和新的制造工艺、智能制造技术在内的关键重大技术;欧盟于 1994 年启动新的研发项目,突出了智能制造技术的地位。
 
③世界主要工业化国家将智能制造业作为重振制造业战略的重要抓手。
 
2011 年 6 月,美国正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”,2012年 2 月又出台“先进制造业国家战略计划”,提出通过加强研究和试验税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平台,以加快智能制造的技术创新;德国通过政府、弗劳恩霍夫研究所和各州政府合作投资于数控机床、制造和工程自动化行业应用制造研究;日本提出通过加快发展协同式机器人、无人化工厂,提升制造业的国际竞争力。
 
随着科学技术的飞速发展,先进制造技术正在向信息化、自动化、智能化方向发展,智能制造日益成为未来制造业发展的核心内容。根据国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,作为战略新兴产业之一的高端装备制造业主要包括航空产业、卫星及应用产业、轨道交通装备业、海洋工程装备以及智能制造装备五个细分领域。未来十年,中国智能装备制造业将迎来黄金增长,必然成为带动整个装备制造产业升级的重要引擎,成为战略性新兴产业发展的重要支撑。
 
2、我国具备发展智能制造业的有利条件
 
(1)我国具备发展智能制造业的产业基础。我国已取得了一大批相关的基础研究成果,掌握了长期制约我国产业发展的智能制造技术,如机器人技术、感知技术、复杂制造系统、智能信息处理技术等,攻克了一批长期严重依赖并影响我国产业安全的核心高端装备,如盾构机、自动化控制系统、高端加工中心等;建设了一批相关的国家级研发基地;培养了一大批长期从事相关技术研究开发工作的高技术人才。
 
(2)智能制造装备产业体系初步形成。随着信息技术与先进制造技术的高速发展,我国智能制造装备的发展深度和广度日益提升,以新型传感器、智能控制系统、工业机器人、自动化成套生产线为代表的智能制造装备产业体系初步形成,2010 年工业自动化控制系统和仪器仪表、数控机床、工业机器人及其系统等部分智能制造装备产业领域销售收入超过 3000 亿元。
 
(3)国家对智能制造的扶持力度不断加大。近年来,我国对智能制造的发展也越来越重视,越来越多的研究项目成立,研究资金也大幅增长。我国发布了《智能制造装备产业“十二五”发展规划》和《智能制造科技发展“十二五”专项规划》、《中国制造 2025》,并设立《智能制造装备发展专项》,加快智能制造装备的创新发展和产业化进程,推动制造业转型升级。
 
3、永磁同步直线伺服技术对所属领域技术进步的推动和促进作用
 
随着国防、航天、汽车和微电子等行业的快速发展,对基础的锻造加工工业提出了更高的要求,精密锻件的少削加工和无削加工是未来模锻设备能量超精密控制和滑块锤头超高响应方向发展。目前,国内传统的数控电动螺旋压力机基本上采用特制异步电动机利用变频调速通过齿轮传动或利用开关磁阻电机调速通过皮带或齿轮传动驱动惯量盘来积蓄能量,再通过丝杠和螺母副带动滑块释放能量,传动链长,其电机的转速、位置精确控制和快速响应已很难满足超精密和超高响应的要求。而采用永磁同步伺服直线电机直接驱动控制对象,在精确度、动态性、耐久性等方面具有明显的优势。永磁同步直线伺服驱动系统与滚珠丝杆系统的对比分析如下:
 
表 1   永磁同步直线伺服驱动系统与滚珠丝杆系统的对比分析
 
比较内容 永磁同步直线伺服驱动系统 旋转电机+滚珠丝杆
     
最大扭矩(N.m) 5800 2400
     
最大加速度(g) >10 <1
     
响应时间(ms) <5 >40
     
位置角度精度(°) 0.05 0.5
     
运行平稳性
     
效率 >95% <70%
     
使用寿命
     
成本
     
主要应用 高、精、尖应用场合 普遍应用
     
 
将直线伺服驱动系统应用于高档数控机床,在国际上已是一致认同的发展方向。如德国德马吉(DMG)、日本沙迪克(Sodick)等公司已经大范围推广使用,他们的技术成熟,充分展示了直线伺服电机的优越性。意大利菲赛普(FICEP)将永磁同步电机很好地应用在了螺旋压力机上,在我国,我公司首次将永磁同步伺服直线电机应用在数控电动螺旋压力机上,并已申请专利。我公司从事各种螺旋压力机的生产制造有近 60 年的历史,新产品的开发一直走在同行的前列。2003 年与华中科技大学联合研发,2006 年推出了国内第一台 J58K-250 数控电动螺旋压力机。2012 年与浙江大学成立联合研发中心,2013年开发出 J58ZH-400 数控直驱电动螺旋压力机。2015 年元月又与一派数控和英威腾合作,开发出 J58YT-400 组合式永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机,在今年 9 月上海举办的中国国际金属成形展览会上将推广。永磁同步直线伺服及其应用,涉及到永磁同步伺服直线电机、驱动器、精密装配、计算机控制等科学领域,湖北富升将积极响应国家政策,振兴民族产业。
 
二、永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机介绍
 
1、永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机诞生背景
 
1)现代装备的高效低耗要求
 
能源是人类赖以生存的基础,是社会经济可持续发展的物质保障。我国是人口大国和资源大国,但人均资源特别是能源资源相对匮乏,近年能源紧张状况特别明显,我国已由原能源出口国站变为能源进口大国。目前我国人均能源资源占有量仅为世界人均的一半,消耗已占到世界第二位,能源利用效率仅为 33%,远低于 43%的世界平均水平。随着工业化、城镇化加速发展,能源消费总量不断增加,石油和电力供应紧张已成为制约经济社会发展的一个重要因素。
 
从能源经济效率看,我国单位 GDP 能耗明显高于发达国家水平。我国主要工业产品的单位电耗比国外平均高出约 40%。国内外实践表明,电力节约是一种宝贵的资源,而且是一种更为经济的资源。每节约 1kW 容量的投资不到新增 1kW 容量造价的 20%;每节约 1kWh 电量的投资约占 1kWh 发电成本的 40%。
 
从电机产品的整个生命周期来看,电费的支出是采购支出的 100 倍。从能源技术效率看,我国能源生产、中间环节和终端使用环节效率都有很大节能潜力。特别是终端用电装备效率低。我国终端用电装备中包括风机、水泵、压缩机、机床等电机拖动系统的电耗约占全国用电总量的 60%。我国中小电动机平均效率为 87%,风机、水泵平均效率为 75%,均比国际先进水平低 5 个百分点,系统运行效率低近 20 个百分点。我国电机安装总功率约 7.5 亿 kw 以上,若系统效率提高 20%,一年可减少电力装机 1.5 亿 kW 以上,超过 7 个三峡工程的装机容量。

2)现代装备的简单可靠要求

随着现代化社会的快速发展,现代技术和现代装备也在日新月异的发生变化,越来越多的用户对现代装备提出了简单可靠、高速高效以及高精度的进一步要求。在现代机床方面,进入 21 世纪,作为装备制造业发展所必需的现代先进数控机床,在精度、效率、自动化技术上进入了新一轮竞赛。全世界都在竞相发展直驱机床,美、德、日在技术水平上、创新上走在前列,已有越来越多的机床制造商采用直线电机直接驱动。目前,直线电机及其伺服系统的核心关键技术都被国外所拥有,市场也基本被国外少数的几家直线电
机和伺服控制装置的专业制造公司所垄断,产品技术成熟、种类丰富,已产业化,并有较大规模的应用,但价格昂贵。

3)直驱技术及其应用
为了解决现代装备结构复杂、多级传动装备系统效率低,能源消耗大的问题。现代直驱技术得以发展。所谓直驱就是将新型旋转电机或直线电机直接耦合或连接到从动负载上实现驱动。由于取消了传统系统中的许多中间环节,如皮带或链条或钢丝绳或齿轮箱等部件,结构大大简化,从而使整个系统具有高效节能、高速高精度、智能可控、简单可靠、噪音小环境好等优点。直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术,用该技术生产的直驱装备被越来越多地应用到各行业中。产生了巨大的经济和社会效益。直驱装备技术如能在全世界应用,将不仅产生万亿的产值,而且每年将会为世界节电万亿度, 每年为世界节钢材千万吨。
 
目前,可被直驱装备取代的装备系统主要有:
 
机床类、风机、水泵类、多级驱动链联类、多级驱动绳联类、多级驱动带联类等等。
 
直驱装备主要的应用领域有:工业设备、自动化技术、交通输送、民用与医疗、空海与军用等等。
 
我公司 2012 年与浙江大学成立联合研发中心,2013 年开发出 J58ZH-400数控直驱电动螺旋压力机,直驱技术已经在螺旋压力机上实现了很好应用。

2、J58YT-400 永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机结构原理

图 1 永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机结构图

(1)基本结构

J58YT 系列数控电动螺旋压力机基本结构由机身部分、滑块部分、飞轮部分、电机部分、制动部分、顶料部分、润滑部分及数字化控制系统等组成(见图 1)。各部分的基本结构简要介绍如下:

①机身部分:2500 吨及以上吨位机身为分体结构,由机身上横梁、机身底座、左、右立柱分体铸钢件,通过拉杆和拉紧螺母实现的预应力组合机身结构。2500 吨以下吨位机身为整体铸钢结构,且均是采用有限元法对其强度、刚度进行了精确的模拟分析和计算,优化了机身的结构。
 
②滑块部分:由滑块和铜螺母等组成,铜螺母采用 ZCuZn25Al6Fe3Mn3 耐磨材料离心浇注而成,滑块四个角的镶条与机身内侧“X”型导轨通过人工配研,有效保证了导向精度。

③飞轮部分:由主螺杆、止推轴承、飞轮本体等组成,主螺杆采用 35CrMoV锻打材料经久耐用,飞轮主要是蓄能作用。

④电机部分:该永磁同步伺服直线电机的飞轮转子包括飞轮本体、磁钢基板以及导磁内圈(永磁体),导磁内圈固定在磁钢基板上沿飞轮本体的外圆周设置并用螺栓拉紧。定子组件由八个定子以及固定定子的定子座,定子座固定在机身横梁顶面电机固定板上,定子设置在飞轮转子的外圆周侧部,每个定子包括定子铁芯以及定子绕组,定子绕组设置在所述定子铁芯内。
 
⑤制动部分:由刹车支座、气缸、刹车弹簧、制动板等组成,通电时刹车松开,断电时刹车,安全性能高,工作风压 0.4—0.6MPa。主要在突然断电时的抱刹滑块。永磁同步伺服直线电机运行过程中的刹车是靠电机本身的电磁制动。
 
⑥顶料部分:下顶料由导套、顶杆、液压缸和液压站等组成,顶料力和顶料行程可根据用户实际需要确定,顶料力 10—20 吨,行程 100mm 以内。另外,根据用户需要可以在滑块底部配置上顶料,顶料力 10 吨以内,行程 30mm以内。
 
⑦润滑部分:由润滑站和管路等组成,滚动轴承、上导套以及推力轴承、推力轴承座采用油池式稀油循环润滑;导轨采用自动间歇式稀油润滑,供油量和润滑频次可以设定;主螺杆与铜螺母润滑采用自动间歇式油脂润滑。润滑系统具有润滑故障报警功能。
 
⑧设备安全防护:设置了“停止”、“急停”等应急按钮;行程制动装置,防止滑块下落,确保换模维修安全;滑块上、下极限位置设置行程限位保护开关;滑块上方安装有 4 个铝柱,用来吸收能量防止冲顶。
 
(2)工作原理
 
永磁同步伺服直线电机的定子线圈绕组通电后产生电磁力,直接驱动装有永磁体的飞轮,八个定子线圈绕组电磁力直驱飞轮过程中飞轮受力均衡,可以避免螺杆导套(铜套)产生偏磨。电机带动飞轮和螺杆加速旋转,通过螺旋副将螺杆的旋转运动转化为滑块的上下往复运动。接收到打击命令后,电机由静止状态启动,带动滑块加速下行,检测达到预先设置的打击能量时,利用飞轮储存的动能做功,使制件成形。飞轮释放能量后,电机立即反转,带动滑块返回至一定高度后,进入制动状态,使得滑块回到预先设定的打击行程位置。由于滑块回程时主要靠电机电磁力制动,机械制动器仅在突然断电时抱刹滑块,因而制动材料不易磨损。

3、DDR 永磁同步伺服直线电机

我公司与一派数控在2015年8月共同研发出DDR永磁同步伺服直线电机,成功地应用在数控电动螺旋压力机上,该技术创新性强:
 
①采用先进的 FEA 技术设计,电机结构得到优化,电磁推力波动为总推力 3%以下;
 
②独特的绕组和磁路设计提高了电机的功率密度,缩小了电机体积,增大了电机使用者的设计灵活性;
 
③应用水冷却技术,结合恒温冷却系统,使工艺系统温度恒定,减小了各结构因温度改变造成的形变和应力等不利影响,为永磁同步伺服直线电机的应用奠定了基础;
 
④真空灌胶工艺的使用,使电机的导热性能提高 45%,绝缘等级提高一个等级;

⑤自主设计开发了电机性能测试系统,保证了产品的质量品质和性能稳定性。
 

 
图 2 DDR 永磁同步伺服直线电机

表 2 DDR 永磁同步伺服直线电机技术参数
 
参数单位 符号 单位 数值
峰值力矩 Tp  Nm  5800
峰值电流 Ip Arms 200
连续力矩 Te Nm 2600
连续电流 Ie Arms 80
力矩常数 Kt Nm/Arms 32.5
转矩常数 Ke Vpp-peak/(1000r/min) 2778.8
线电阻 Rpp Ohm 0.04
线电感 Lpp mH 0.42
铜耗  Pcu W 480
极对数 P - 44
线径 D mm 1.50
匝数 N - 160
叠厚 H mm 100
齿槽转矩 Tc,max ±Nm 1.6
母线电压 Vdc V 850(3×660)
空载转速 N0 Rpm 300
额定转速 Ne rpm 300
槽极数 - - 24S22P-4

 
4、J58YT-400 永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机控制原理


 
图 3 伺服控制系统原理图


伺服控制系统原理:
 
电气主要元器件包括触摸屏、PLC 主控模块、PLC 模拟量输入输出扩展模块、变频器、电机编码器、滑块编码器、温度检测原件、永磁同步伺服直线电机。由触摸屏作为人机交互界面,用户可以对 PLC 内部的数据量参数进行修改,PLC 主控模块接收外部开关量信号包括急停、调模、合模等。同时 PLC主控模块采集滑块编码器信号,获得滑块的适时位置信号、速度信号,并经过计算通过开关量和模拟量控制变频器的加速、减速和停车。电机编码器采用磁编码器,变频器控制永磁同步伺服直线电机需要电机当前的磁极角度和转速,当采用了电机编码器信号后,电机就不需要去估算这些值,而是可以及时地获得这些值。由于该电机电流较大,故使用温度控制模块将电机温度适时反馈到 PLC 中。
 


图 4 变频器适时监测波形
变频器适时监测波形及说明:
 
①绿色线——电流值,峰值 211.5A;
 
②棕色线——斜坡给定频率 0—176HZ;
 
③红色线——实际运行频率 0—176HZ 超调,加速时间为 0.773s;
 
④黄色线——编码器数值,编码器转一圈有 4096 个脉冲,从3070-4096-0-4096-0-864 一共转了 1.46 圈,即加速行程 1.46×168=246mm。

5、J58YT-400 永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机的特点

①较高的打击速度,能量控制精确,减少模具损耗;

②运行加速快,在滑块 3/5 行程时就能达到设备的全能量;

③运行响应快,显著减少了循环时间,提高生产效率;

④不论是单行程还是不同能量的多行程均能可控编程,而且重复性高;

⑤设备结构简单,显著降低设备的维护时间;

⑥设备运行噪音低,绿色环保,节能 50%以上;

⑦零速时扭矩大,可实现薄锻件热成型的保压和闷模;

⑧电磁力刹车,制动响应快,停车迅速,安全可靠。

6、永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机技术难点

①大功率、大直径永磁同步伺服电机制造和安装

大功率电机线径粗,对线圈成形有难度;电机直径大,矽钢片和永磁体制造过程中需辅以必要的工装夹具保证几何精度;装配过程中,由于电磁吸力大,电机气隙均匀性保证有一定难度。国内生产的永磁同步伺服电机多为几百瓦,最大十几个千瓦,本次项目新产品研发的永磁同步伺服电机达到 65KW、直径达到Φ1200mm。
 
②大功率永磁同步伺服电机的散热

功率大、电机发热大,需采用循环水降温散热,必要时加恒温散热系统,在结构设计方面增加难度。

③屏蔽驱动器、电机编码器对永磁同步伺服电机的信号干扰

电机功率大、电流增大,驱动器、电机编码器对永磁同步伺服电机的信号干扰,严重影响电机的运行,须做好电机和编码器的屏蔽。
 
④电机的防尘

对于大吨位电磁压力需设置超载保护装置,由于超载保护装置摩擦材料磨损过程中会产生金属粉尘,对电机永磁体的防尘防护增加了难度,防尘结构复杂。

7、J58YT-400 永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机物联网技术应用

《中国制造 2025》中特别提到,要深化互联网在制造领域的应用,实施工业云及工业大数据创新应用试点,建设一批高质量的工业云服务和工业大数据平台,推动软件与服务,设计与制造资源、关键技术与标准的开发共享。

我公司将物联网技术应用在永磁同步伺服直线电机驱动的电磁压力机上,打造智慧工厂方面作了大胆尝试,通过在 PLC 内置入 GPRS 无线通讯模块,利用相应传感技术和直接上传 PLC 运行数据,通过互联网将信息定时上传到制造商售后服务人员和用户相应人员的手机或电脑终端,提供安全可控乃至个性化适时在线监测、统计报表、安全防范、调度指挥、远程维保、定位追溯及领导桌面等管理和服务功能。
 
物联网是指通过各种信息传感设备,如传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。在这个网络中,物品能够彼此进行“交流”,而无人的干预。其实质是利用射频自动识别技术,通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。



图 5 热成形智能模锻监控流程

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