智能液压机研究现状及关键技术

严建文，刘家旭，陈汝昌，翟 华，李贵闪，王玉山

（1.合肥合锻机床股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250022；3.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策执行，实现设计制造过程和制造装备智能化，是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成[1]。其产品形态和服务模式包括关键智能制造技术、高端制造装备、智能设计和制造服务软件、服务于制造的云计算或物联网智能服务业等，是引领第三次工业革命的制造业变革的重要技术。

智能液压机[2]属于高端制造装备，主要针对液压机设计制造和使用过程，利用信息感知、决策判断、安全执行等先进智能技术，形成人类专家与智能机器共同组成的人机系统，实现产品、工具、环境和工人等资源的最佳组织与优化配置，扩大、延伸和部分取代人类在液压成形制造过程中的体力与脑力劳动。

1 国内外研究现状

1.1 智能液压机发展现状

20 世纪50年代以来，数控、机器人和计算机辅助设计等先进技术相继诞生，逐步引入制造过程，实现了产品多样化柔性制造的初级阶段。传感技术的发展和普及，为大量获取制造数据和信息提供了便捷手段。人工智能技术发展为生产数据与信息的分析和处理提供了有效的方法。信息技术和自动化技术使制造业发展模式、运行效率等发生了深刻变化。制造业智能化变革已引发新的工业革命。

在智能制造快速发展大背景下，随着电子和信息技术的发展，液压机设计制造和使用技术迅速发展，信息感知、决策判断、安全执行等先进智能技术已应用到液压机设计制造领域，形成新型智能液压机，逐步实现工艺、机床、环境和工人等资源的自组织与优化，替代工人在恶劣环境下工作，减轻工人劳动强度，提高产品质量。

智能液压机由于涉及机械、计算机、智能控制等多学科领域知识，需要集中力量进行研发，国内目前仅有合肥合锻、扬州捷迈等少数企业开展研究，主要关键技术尚未突破，还未形成成熟产品。目前主要通过信息化、数字化等手段对传统液压机进行产品技术升级，扩大产品的功能范围，实现液压机功能复合化，逐步提升自动化和智能化水平。

在国家科技重大专项支持下，合肥合锻机床股份有限公司集成机器人、自动送料、网络控制和智能模具数据库等技术，自主研制的汽车冲压生产线已成功替代了国外进口产品，生产效率及质量与国外同类产品相当。研发的超高强度汽车结构件热冲压机不仅具有高速冲压功能，还具有等温淬火功能，实现了功能复合，是国内首条超高强度汽车结构件热冲压生产线，为国产汽车安全性提供了重大装备。扬州捷迈开发的六自由度移动回转压头龙门式液压机，主油缸作上下运动外，还可同时或分别正反旋转，上压头和下工作台可同时或分别左右移动，被国内外造船行业广泛采用。

国际上发达国家积极开展智能液压机研究，力士乐、穆格等液压元件公司用交流伺服驱动技术改造液压传动系统，组成一种新的交流伺服电机控制液压系统，运用于折弯机、液压机，称作第三代液压机。它具有传动系统简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动智能可调、降噪节能显著等优点。随着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成形零件加工领域中的应用及其优良的节能性，已经成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流之一[2，3]。德国舒勒公司开发出双伺服直驱技术（TST），其下属SMG 液压机公司和Simufact 加工模拟操作软件和服务公司2012年建立技术合作关系，客户可以购买工艺过程特定的、集成的软件解决方案，能够在电脑上规划并优化整个制造流程。

1.2 智能液压机发展趋势

智能液压机主要发展趋势有：

（1）智能化。滑块运动曲线可根据不同生产工艺和模具要求（如冲裁、拉伸、板料挤压和级进模冲压等）进行在线优化设置，可设计特殊的工作特性曲线，进行高难度、高精度加工，实现滑块“自由运动”。

（2）效率高。可以在较大范围内设定滑块行程次数，滑块速度和行程调节方便，能根据成形工艺，滑块可在最小行程工作，借助多工位技术和自动送料技术，大大提高生产效率。

（3）精度高。通过伺服控制技术，液压机运动可以精确控制，一般均装有滑块位移检测装置，滑块的任意位置可以准确控制；滑块运动特性可以优化，例如拉伸、弯曲及压印时，适当的滑块曲线可减少回弹，提高制件精度。

（4）功能复合化。针对等温锻造、超塑成形等新工艺，利用滑块和模具空间，构建温度可控加热环境，将锻造、冲压工艺和热处理工艺进行复合，实现一机多用，保证产品质量。

（5）噪声低。智能液压机简化了传动系统，降低了噪声。通过设定滑块的低噪声运动曲线有助于降低冲裁噪声，与传统的冲裁相比，新型的两步冲裁工艺可降低噪声至少10dB。

（6）节能效率高。伺服液压机采用直接传动，传动环节大大减少，润滑量减少，可维护性强。滑块停止后，电机停转，能耗显著降低。合锻公司曾进行过2000kN 伺服液压机连续工作功耗对比试验，结果表明伺服液压机可节能40%以上。

（7）所见即所得。通过现代软件技术实现工艺操作模拟，在电脑上规划并优化整个制造流程，用户使用和操作更加直观。

智能液压机比传统液压机的使用范围更广，产品附加值高，可以应用于金属板件冲压、等温锻造、粉末压制、橡胶硫化、纤维板热压、校直、压装、注塑等精密成形工艺。

2 智能液压机关键技术

2010年，我国智能制造装备产业销售收入已超过3000 亿元，“十二五”期间，智能制造装备产业年均增长率有望超过25%。到2015年，智能制造装备市场规模将超过1 万亿元，占高端装备制造业比重将达到20%。未来5～10年将是以智能装备产业为核心的智能制造产业的高速发展期。智能液压机是锻压机床中利润附加值较高的产品，目前只占较小部分，是今后液压机行业发展的主要产品方向。

智能液压机开发的主要关键技术如下：

（1）采用伺服电机直接驱动液压机的主油泵研发。目前大功率伺服电机直接驱动的液压泵还存在很多技术难点，要求液压泵的转速调节范围非常大，液压泵即使在10rpm 以下都可正常工作，一般液压泵最低转速为600rpm，难以实现大范围调速要求。

（2）大功率交流伺服电机及驱动控制系统[3]。大功率交流伺服电机的出现是近十年产生的新产品。目前主要应用开关磁阻电动机（SMR），具有简单可靠、可在较宽的转速和转矩范围内高效四象限运行、响应速度快和成本低等优点。随着驱动控制系统性能提高，价格下降，促进了大功率交流伺服驱动技术的实现和推广，为在锻压装备领域采用交流伺服驱动提供了可能。其缺点是：转矩存在较大波动、振动大；系统具有非线性特征，控制成本高，功率密度低等[1-3]。研究重点是开发具有自主知识产权的大功率交流伺服电机控制技术及相关应用技术。

（3）专用控制系统。通过伺服电机转速的变化实现对液压机压力、位置的闭环控制技术尚不成熟。传统的液压机都是通过比例阀、比例伺服阀对液压、位置进行控制，需要研究专门的泵控系统控制算法，使液压系统在1～25MPa 之间都具有高稳定性与高精度。由于现有的液压机多是采用PLC 控制，但智能液压机采用液压、速度闭环程序控制，运算量大，普通的PLC 很难满足工艺柔性化需要，必须开发采用工业PC 的专用控制系统。

（4）能量回收及能量管理系统[4，5]。为了尽可能减少能量损失，需要把滑块自重下降的势能、油缸卸压产生的能量回收再利用，目前尚没有这方面的成熟做法与经验。在能量管理方面，由于瞬时功率比平均功率大很多倍，在大型智能液压机中要做好能量调配，避免对电网造成冲击。

（5）基于智能液压机的成形工艺优化[6]。零件的材料、形状不同，其生产工艺也相应不同。如镁合金杯形件反挤压成形，滑块在一个工作循环内需经历四种不同的速度，工艺控制系统应能完成动作要求。智能液压机与各种成形工艺优化结合，了解最佳工艺路径，才能发挥出优越性。研究各种成形工艺的成形机理，建立适合该成形工艺的优化参数，对于提高产品质量和生产效率、降低生产成本非常重要。

（6）智能液压机机身优化设计。和传统液压机相比，智能液压机由于具有节能、降噪、功能复合等优点，其机身设计需要考虑的因素更多，主要包括各种可能出现的热加工影响、极限工况、工作频次、零件的复杂性等。长期以来，国内工程技术人员主要采用经验法与相似产品类比法进行设计，所进行的设计计算实际上仅起到校核作用，国内锻压机床产品存在体积大、质量重、控制精度差等缺点，钢材消耗是锻压机床制造企业产品成本控制的关键因素之一。目前有关的优化软件对机床系统动态加工过程考虑不多，锻压机床可靠性问题没有得到很好解决，寿命降低，增加维护成本。因此伺服液压机的机身设计需要形成锻压机床刚度、强度和动态性能约束下的设计方法和技术体系，缩短与发达国家产品设计制造上的差距。

（7）服务于智能液压机设计、制造的软件。目前信息化和数字化融入智能液压机设计制造过程十分有限，部分制造企业处于“甩图板”阶段，企业信息化建设有待加强。智能液压机设计阶段需要有限元、优化软件进行多场耦合计算，模拟热加工工艺运行进程，给用户以直观感受。运行中需要强大的智能工艺数据库、专家库、远程故障诊断等软件支撑作在线工艺计算，实现工艺最佳。运行后及时统计相关制造信息和设备运行信息，保护设备正常运行。在这些领域国内缺乏相关软件，急需组织力量研发，为智能液压机发展提供配套服务。

3 结论

智能液压机属于高档数控装备。和传统液压机相比具有功能复合、结构简单、效率高、质量高、降噪节能显著等优点，改变了传统液压机工作特性不可调等缺点，具有柔性化、智能化特点，工作性能和工艺适应性大大提高。

智能液压机关键技术包括：采用伺服电机直接驱动液压机的主油泵研发、大功率交流伺服电机及驱动控制系统开发、专用控制系统、能量回收及能量管理系统的研究、基于智能液压机的成形工艺优化、智能液压机机身优化设计、服务于智能液压机设计制造的软件等技术。通过关键技术发展，促进智能液压机总体技术水平的提升。

[1]科技部.智能制造科技发展“十二五”专项规划.2012.

[2]俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2006-12：494-499.

[3]孙友松，何寄平，方 雅，等.交流伺服驱动与成形装备节能[J].锻压装备与制造技术，2009，44（5）：31-36.

[4]苏文海，姜继海，邓 攀.直驱式电液伺服闭式回路的噪声分析[J].机床与液压，2010，38（10）：34-38.

[5]李贵闪，严建文，翟 华，等.大型薄板冲压液压机的全吨位低噪声冲裁缓冲装置[J].锻压装备与制造技术，2011，46（02）：42-43.

[6]张贵成，符起贤，黄尧坤.数控伺服压力机的特点及其研究[J].机电工程技术，37（11）：104-107.