（一）、伺服简介：
       1、定义
       （1）伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 
       （2）在自动控制系统中，使输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。
 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。
       2、伺服系统的组成
 　　伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。
       3、伺服系统的性能要求
       伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。
       4、 伺服系统的种类
       通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 
       伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 
       电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 
       这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。
       5、AC伺服系统
       电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 
       早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机简单，容易实现高性能的缘故，所以永磁同步电机的AC伺服系统应用更为广泛。 
       目前，在交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。 
       一类称为无刷直流电动机，它要求将方波电流直入定子绕组（BLDCM） 
       另一类称为三相永磁同步电动机，它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。（PM•SM） 
       无刷直流电动机(BLDCM)，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。 BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。 
[NextPage]       永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧，铝镍钴，钕铁硼以及SmCO5 Sm2CO17. 
       在转子上安装永磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。 
       根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状，根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙，如果采用系统永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。 
       综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下:： 
       控制原理相似，给定指令信号加到AC伺服系统的输入端，电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较，根据比较结果控制伺服的运动，直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。 
       两种永磁无刷电动机比较而言，方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声，在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化，从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用（尤其是在低速直接驱动场合）。因此，对于一般性能的电伺服驱动控制系统，选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流，可以获得更好的平稳性，具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床，工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。
       6、伺服系统的发展过程 
       伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。 
       由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。 
       1990年以前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。 
       正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域，如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。

 （二）、伺服压力机
       伺服压力机是在20 世纪90 年代国际上出现的一种与传统机械压力机完全不同概念的第三代压力机, 它是高新技术( 信息技术、自动控制、现代电工、新材料)与传统的机械技术的结合, 实现了冲压设备的数字控制。
 
       1、技术特点
       随着大功率交流伺服电机的研制成功和变频技术得到迅速的推广应用, 出现了滑块运动曲线可调的伺服压力机, 使得压力机的工作性能和工艺适用性大大提高,压力机朝着柔性化、智能化的方向发展。
       伺服压力机采用单个或多个交流伺服电机, 通过双驱动机构( 均载机构) 和对称增力机构, 直接驱动滑块的主传动结构形式; 控制系统采用计算机控制, 利用数字技术及反馈控制技术, 对压力机滑块位置、速度、运行轨迹实现控制, 使机械压力机具有柔性化、智能化的特点, 工作性能和工艺适应性大大提高, 是成形装备的一个重大突破。 
       与传统压力机相比，伺服压力机的特征如下：
       (1)提高生产率  行程长度可设定为生产必要的最小值。可维持与加工内容相适合的成形速度。
       (2)制品精度高  通过闭环反馈控制，始终保证下死点的精度。抑制产品出毛边，防止不良品的产生。
       (3)噪声低，模具寿命长  通过低噪声模式(即降低滑块与板料的接触速度)，与通用机械压力机相比，大幅减少噪声。而且模具的振动小，寿命长。
[NextPage]       (4)滑块运动的可控制性  使用者可利用此特点编制出适合于加工工艺的滑块运动方式，有效提高产品的精度和稳定性，提高模具寿命及生产率，而且可实现静音冲裁，甚至可以扩大加工范围(如镁合金的冲压加工等)，适于冲裁、拉深、压印和弯曲等工艺，以及不同材料的特性曲线。如可将滑块运行停止保压，其目的是提高制件的成形质量。
       (5)节能环保  取消了传统机械压力机的飞轮、离合器等耗能元件，减少了驱动件，简化了机械传动结构；润滑油量少，行程可控；由于电力消耗少，因此运行成本也大幅降低!
       与传统的压力机相比，伺服压力机不仅具有液压机的工作平稳，行程、压力可调的优点，还具有传统机械压力机结构简单、生产率高的优点。其独自的特点和优点：提高设备自动化、智能化水平，实现数字化控制，实现了普通机械压力机所不能达到的压力成形工艺，改善压力机的工作特性，节能环保，提高模具寿命，简化机械传动机构，安全性高，可靠性高，维修性好，设备通用性高，以及具有压力机运行信息管理功能和生产信息管理功能等。

       2．伺服压力机工作原理
       伺服压力机是利用永磁铁伺服电机具有的动力、变速与执行等多种功能，以及转速具有良好可控性的特点，直接(或通过齿轮传动)驱动冲压机构，采用自适应扭矩控制技术和计算机控制技术，利用数字技术(以及反馈控制技术)控制伺服电机的运转，可以精确地控制滑块相对于电机转角的位置，以便于独立控制滑块的位置和速度，用一种冲压机构实现为多种冲压工艺而设定的最适合的滑块运动模式，通过编制不同的程序，实现工艺所需的各种滑块运动曲线，获得不同的工伺：变形速度，保证了工件质量，提高了模具的寿命，是一种环保节能型压力机，实现了机械压力机的数字控制．使机械压力机真正跨人了数字化时代。
       由于伺服压力机具有制成品精度高、工作环境好，尤其是很好的节能性等优点，因此用伺服压力机逐步取代现有的机械压力机，对我国建设节约型社会将具有特殊的意义。

       3．国内外伺服压力机技术发展现状
       日本小松、网野、会田等公司，经过10多年的研发，在伺服压力机的理论研究上取得了很大进展，现在能生产最大2500t伺服压力机。现在日本几乎所有的压力机厂家都在开发研制这种新型锻压设备——伺服压力机。日本在伺服压力机研制、生产及商品化上处于国际领先水平，而国际上制造先进大国如德国尚处于研制阶段。
       10年前，日本网野公司开始了伺服压力机的开发研制，目前网野公司根据各种加工生产的需要，已经生产出了机械连杆伺服压力机(如附图所示)、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力机、液压式精密伺服压力机和液压式伺服压力机等多种类型的伺服压力机。压力机规格从40kN至IJ 25000kN机械连杆伺服压力机采用AC伺服电机作为驱动源，通过减速器驱动特殊螺杆、对称连杆带动滑块运动的压力机，采用了伺服电机通过特殊螺杆轴驱动对称连杆机构，带动滑块完成冲压运动。

       4．伺服压力机的应用前景
       伺服压力机主要用于拉深、冲裁、弯曲和冷锻等生产线及试模压力机。采用计算机控制，利用数字技术(以及反馈控制方法)达到高级精度控制：既可对压力机滑块位置进行控制(滑块的位置重复控制精度为±0.01mm)，也可对滑块速度进行控制，同时，还可对滑块的输出力进行控制(控制精度可达滑块的最大输出力的±1.6％)，从而使汽车制造中采用高强度钢板、铝合金板材的大型覆盖件的成形成为可能。与此同时，也可以控制压力机的滑块运动轨迹，这不但能提高模具寿命数倍，而且改善了压力机的工作环境，降低了噪声和振动，为拓展新的成形加工工艺和模具制造方法提供了广阔前景。
 
 
 （三）新型伺服压力机
       伺服冲压线和带伺服驱动的落料系统将改变冲压车间的未来。伺服冲压线的特点是最大的灵活性，高产率及换模时间短。冲压线上每台压力机的滑块运动曲线可以针对每个零件作单独调整，以适应成形工艺，模具和自动化。
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       新型伺服压力机采用了适应性很强的伺服驱动技术，将液压机的灵活性与机械压力机的高效率优点有机地结合起来，企业可以为他们的用户提供大小批量的各种不同的冲压件，生产能力大幅提高。日本小松公司和德国舒勒公司相继开发并已生产出了这种伺服压力机（见图2），目前在我国国内，一汽丰田汽车公司和广州丰田汽车公司已采用了这种设备。

图2  德国舒勒公司于2007年开发的新型伺服压力机

       伺服驱动系统最突出的特点就是：电动机直接与偏心曲柄齿轮相互连接，由于电动机的转速可以任意调节，从而可以任意地调节曲柄机构的运动速度，任意加快或减慢冲压速度。 
       伺服压力机的另一大特点是匹配性很高。由于伺服压力机的电动机转速是可以无级调节的，因此有可能在冲压过程中实现冲压运动和冲裁力的无级调节，使压力机的工作曲线与各种不同的应用要求相匹配。为了保证曲柄完成精确的运动，用户可以通过减速拉延加工实现或者保持恒定的冲压运动速度，这样不仅可以提高板材加工的质量，而且也可延长模具的使用寿命。 
       伺服压力机的转速变化及控制经过了合理的优化设计，并且采用了集成化的模块，按照模块化结构制造，如果不需要使用其伺服功能时，该机就可以像传统压力机一样工作，保持恒定的功率和行程。

  
高产率准备的伺服冲压线     在伺服冲压线内，横杆式送料机械手负责安全、快速的输送工件