金丰公司伺服冲床发展现况及未来趋势
     作者：金丰机器工业股份有限公司 生产部厂长 郭光辉
    (本文章发表于日刊工业プレス技术 2012年11月号)

引言

传统金属成形制造技术中，机械式冲床得到大量的应用，近年来随着产业需求，如:粉末成形、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形及高精度成形等技术开发，对冲压设备的机能做出了更大的挑战；随着电子技术、控制技术及IT技术等进步，先进厂商遂结合切削工具机应用多年的伺服电动机，开发出更具弹性伺服冲床，以伺服电动机直接作为冲床动力源，透过螺杆、曲柄连杆及肘杆等方式，将电机驱动动能转化至滑块的直线运动，应用伺服电动机可应用程序编辑特性，实现滑块运动达成可控制，以满足冲压加工的弹性及智能等需求，被誉为第三代冲床，目前已成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流之一。

全球伺服冲床发展现状

上世纪末日、欧等工业发达国家兴起投入伺服电机驱动冲压机械的研发工作，这种伺服冲床与传统机械式冲床相比。具有节能环保、结构简单、生产效率高、滑块运动弹性广、产品精度高及新材料成形性佳等优点。这类冲床于日本已非常普及，在汽车零件及电子零件等难成形零件加工、高精度加工应用中，已经显示了其机能之优越性，日本在伺服冲床研发设计、制造技术及商品化等方面，于国际间皆位处领先位置。日本厂商有AIDA，KOMATSU、AMINO、AMADA、FUJI-STEEL、放电精密，H&F及YAMADA DOBBY等厂家，相继发展出不同传动方式及应用产业的伺服冲床，在日本的冲压行业已经把伺服冲压当作了支撑未来日本经济发展的国策，在日本制造中的机械式冲床有30%以上是伺服冲床，是全球伺服冲床制造最为积极的国家，目前生产伺服冲床的冲压能力已达25000KN。

其他区域冲压设备于伺服冲压领域发展虽然较晚，不过一些冲压设备厂商亦相继投入这行列中，发展速度不显逊色，美国的WIEDEMANN和W.A.WHITNEY公司、德国的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司，西班牙的FAGOR和瑞士的RASKIN公司都对伺服压力机进行了研究，但以SCHULER为代表，发展最快，SCHULER 公司于2010年推出新一代伺服驱动冲床，此新落料与成形冲床公称能力范围从2500~30000KN，采用了SDT可编辑伺服直接驱动技术，搭配高性能扭矩电动机、指定模具及周边自动化设施，无飞轮及离合剎车器，让作业增加很高的灵活度。

台湾金丰、协易及中国济二、齐二、广锻、江苏中兴西田数控等亦有伺服冲床相关产品，产品冲压能力已达10000KN；其中江苏中兴西田数控为中、日两国所共同投资，全力发展伺服数控冲床。

伺服冲床具有滑块速度可控、难成形材料易制性、节能环保、一机多功之弹性及智能化等优点，因此各国皆投入此领域研究发展及应用，伺服冲压设备已是未来各国竞相发展的重要冲压装备。

伺服冲床的应用

伺服冲床主要应用于引伸、冲裁、弯曲、冷锻及压印等生产线以及试模冲床。因采用计算机控制，利用数字技术及回馈控制方法达到高级精度控制：既可对冲床滑块位置进行控制，透过监控系统及补偿控制，滑块的位置重复控制精度±0.01mm；因运动模式可采用程序编辑，可对滑块速度及轨迹进行控制，大幅降低冲压域的速度，降低冲压噪音及震动，改善了冲压的工作环境，延长模具使用寿命；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；难成形材料如镁合金、铝合金及钛合金等，配合模具设计及周边系统控制，使新材料易于成形。

金丰伺服冲压设备发展

金丰自2002年即投入伺服冲压设备相关研究及开发，第一代产品CM1-110参加2005年台湾第二届数控工具机研究开发创新产品荣获佳作奖，这是台湾第一台发布的伺服冲床，其主要传动模式由小型伺服电动机为主要动力源，透过减速及扭矩放大机构的设计，将动力传递至滑块作各种曲线模式的运动，因当时冲压设备专属伺服电动机研究开发尚未成熟，所以只能以较小动力的伺服电动机透过扭矩放大机构作应用，因机构内部零件制作不易及后续大型伺服电动机被开发量产应用，因此此机型未作商品化，但金丰对于控制系统、界面传输整合及监控系统等研究有了深入研究成果，这使台湾伺服冲压设备迈入新的里程。

CM1系列CNC数字化成形冲床          CF1系列单曲轴直驱式数字化成形冲床

2005年起随着国外大型伺服电动机相继开发上市，使得冲压设备动力传递变得更简单化，因而有CF1系列C形单曲轴直驱式数字化成形冲床、GTX-S系列门型双曲轴伺服冲床、iLS1系列、SL1系列及DLS系列多用途连杆式伺服冲床等产品相继开发及商品化上市，并已成功销售至北美及东南亚等地区，因此在伺服冲压设备领域的产品线逐步扩大及予以完善。

DLS多用途连杆式伺服冲床           iLS1多用途连杆式伺服冲床

开发的伺服冲床机构传递模式有伺服电动机+齿轮+曲轴、伺服电动机+皮带轮+齿轮+连杆、伺服电动机+减速机构+省力连杆+曲轴等三种模式，可适用于不同产业应用，iLS1系列多用途连杆式伺服冲床于2011年TIMTOS荣获工具机研发创新竞赛佳作奖；i-motion连杆伺服冲床技术开发计划(SL1系列)则于2010年通过台湾经济部科技研发发展项目审查，透过政府单位、产学、研等单位共同合作开发新一代伺服冲压设备，

其主要特色有:

1、省力连杆式传动技术:省力连杆式传动技术，不仅可以放大伺服马达扭矩，以达到能力发生点时工作所需扭矩。更可透过省力连杆技术，有效降低伺服马达扭力规格克服直驱式伺服冲床对大扭力伺服马达的需求，达到采用市贩标准规格品目的，借此有效降低伺服马达成本。

2、下死点稳定度监控技术: 透过在滑块上方安装一传感器，根据实际滑块下死点位置实时回馈讯号给控制器，若回馈的讯号超过用户设定标准，即会驱动滑块下死点调整机构对滑块下死点位置进行补正，透过此项技术不仅可以确保下死点位置不会随着润滑或温度变化因而变动，进而影响加工精度，确保加工质量。

3、冲击力监视系统技术:经由于滑块板四角边缘安装传感器，进而量测于实际冲压时，工件受到冲压力作用后，传递至滑块板四角之冲击力，依据四角传感器量测的冲击力差异值，依据此量化数值，调整模具前后左右位置，进而使工件质心位置与冲床滑块中心呈一直线，借此提高加工成品精度及提升模具寿命。

4、i-motion连杆伺服冲床技术: i-motion不仅以伺服马达与省力连杆机构取代离合刹车器，避免离合刹车器因摩擦与空转造成的能量损耗，更以省力连杆降低马达容量，进而达到节能目的。

实务冲压所产出展现成效则有:

1、采用减速机构的减速比，提升马达需求转速降低马达需求扭矩，搭配省力连杆机构，可将需求的伺服马达功率降低到直驱式40%以下。

2、采用省力连杆能够于能力发生点时，透过特殊连杆角度与架构，有效放大伺服马达(输入端)所输入的扭矩，达到满足冲压(输出端)扭矩的需求。

3、取消了飞轮及离合刹车器，使结构简化，因此电能消耗大大降低。节能可达到和30%~60%。

4、行程中可对滑块速度进行控制和调节，因此在冲压中段控制滑块使其停顿，并降低其进入板料时的速度，从而达到减少噪音的目的，通常降噪效果可达10分贝左右。另外，还能减轻滑块进入板料时的冲击，进而延长模具的使用寿命。

5、滑块行程和速度能够任意调整，可以以程序设定在接近下死点加工的成形动作为缓速，而在加工区域前与成型完离开之速度为快速移动。如此一来，即使将加工区域速度放慢到成形理想速度，也可较以往提升约1/3的生产效率。

i-motion连杆伺服冲床技术开发计划产品，SL1-200以镁合金(AZ31B)手机外壳为产品做实物冲制，使用模内加热曲线模式得到良好的映证，取得难成形材料的作业参数。

金丰伺服冲压设备开发瓶颈

金丰目前伺服冲床开发仍局限于3000KN以内产品，大型化是未来趋势，目前主要因素为台湾对于冲压设备低转速高扭矩专用的电动机，尚未有大功率产品开发，制限往大型化低成本的冲压设备开发；伺服冲压设备无飞轮及离剎装置，作业中缺少能量储存系统及回升电流能量储存装置，大容量的电容能量储存系统装置可反馈冲压时能量，大容量的电容储存能量系统开发目前仍有技术瓶颈；成形工艺作业参数因研究及应用不足，产业使用仍有疑虑，在推展伺服冲床上需对使用厂商作教导及协助规划如模具及周边系统的搭配；锻造设备应用在锻造时有在下死点高位如25mm开始冲压，造成作业时间长，使得电动机需保持长时间的大电力，对于电动机发热问题尚未有对策。

金丰伺服冲压设备未来发展

金丰对于伺服冲床未来开发有几个方向:

一、大型化:汽车产业冲压生产线因汽车轻量化需求，使得高张力钢板应用持续增加，在传统机械式冲床不易成形的材料，需借助伺服自由运动模式予以克服，伺服大型化是无法避免发展趋势，目前已规划的冲床为SDS、SL2-SV及SL4-SV。

二、伺服锻造机:锻造机械要克服电机发热及大电力保持问题，将有效达到长行程及精密冲压。

三、大容量能量储存系统:冲压造成能量补充及回充，让伺服冲床达到节电措施及能量的再利用。

四、难成形材料应用:3C产业及汽车轻量化多采轻合金应用，透过材料应用研究，协助厂商提升产品升级。

五、高精度:冲压设备多采机构克服大容量电动机能力不足，但接口增加将造成运转的下死点变位问题，位置自动侦测及补偿系统的开发予以弥补下死点变位问题，让制品精度提高。

总结

伺服冲床具有精密复合、弹性、高效及节能环保等特性，应用上越来越广泛，在目前产业发展强调智能及绿色趋势，是符合趋势的先进冲压设备，后续搭配IT及云端技术、自动化设备等软硬件设施，将会产生很大的经济及社会效益，因此伺服冲床在产业应用越来越重要，其发展是未来重要趋势之一。

金丰在伺服冲压领域虽面临诸多瓶颈，技术上尚未能赶上先进设备厂，但仍将加速技术研发克服瓶颈，以赶上此世界装备技术发展之潮流。

金丰集团创立于1948年，其前身是金丰铁工厂，目前已发展成为一家国际化企业。经过一个甲子的淬炼茁壮，金丰集团已成为台湾现在最大的冲锻装备制造厂，2011年集团营收金额超过70亿台币。金丰集团营运总部设在台湾中部的彰化市，主要产品及服务为冲锻压力机及零件之研究开发、生产制造、工程规划及维护修理等业务。生产基地分布在台湾彰化、浙江宁波及江苏淮安等三地，集团人数超过1200人，产业应用领域甚广，横跨运输、家电、机械、五金、3C（计算机、通讯和消费电子产品等电子产品）等多个领域，营销网点遍及全球五大洲，产品销售遍布全球50多个国家和地区，超过3500家的全球客户皆为各领域翘楚，运输产业有丰田、本田、福特等；家电产业有奇异、伊莱克斯、海尔等；3C产业有华硕、鸿海、伟创力等。产品质量广受各界信赖与肯定。

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