四個(gè)不同工業(yè)時(shí)代的鍛壓設(shè)備及其特點(diǎn)
四個(gè)不同工業(yè)時(shí)代的鍛壓設(shè)備及其特點(diǎn) 工業(yè)1.0是指從18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中葉的第一次工業(yè)革命,,瓦特改良了蒸汽機(jī),,從而開創(chuàng)了機(jī)器代替人工的工業(yè)浪潮,創(chuàng)造了機(jī)器工廠的“蒸汽時(shí)代”,。工業(yè)1.0使用的機(jī)器都是以水力和蒸汽機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng),,雖然效率并不高,但是因?yàn)槭状问褂脵C(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動(dòng),,經(jīng)濟(jì)社會(huì)從以農(nóng)業(yè),、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到以工業(yè)、機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新模式,,因此具有重大的劃時(shí)代意義,。 工業(yè)2.0是指從19世紀(jì)70年代至20世紀(jì)初的第二次工業(yè)革命,。在工業(yè)1.0中,,使用水力和蒸汽的機(jī)器滿足不了人類社會(huì)高速發(fā)展的需求,新的能源動(dòng)力和機(jī)器引導(dǎo)了第二次工業(yè)革命的發(fā)生,。在工業(yè)2.0中,,得益于內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)的問世,電器得到了廣泛的使用,,將人類帶入分工明確,、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時(shí)代”,,機(jī)械設(shè)備由繼電器、電氣自動(dòng)化控制,,交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),。通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離,開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的高效新模式,。汽車,、輪船、飛機(jī)等交通工具得到了飛速發(fā)展,,機(jī)器的功能也變得更加多樣化,。并且,得益于電話機(jī)的發(fā)展,,人類之間的通訊變得簡(jiǎn)單快捷,,信息在人類之間的傳播為第三次工業(yè)革命奠定了基礎(chǔ)?! 」I(yè)3.0是指從20世紀(jì)50年代開始一直延續(xù)至今的第三次工業(yè)革命,。在升級(jí)工業(yè)2.0的基礎(chǔ)上,廣泛應(yīng)用電子與信息技術(shù),,使制造過程自動(dòng)化控制程度進(jìn)一步提高,。生產(chǎn)效率、良品率,、分工合作,、機(jī)械設(shè)備壽命都得到了前所未有的提高。在此階段,,工廠大量采用由PC,、PLC/單片機(jī)等電子、信息技術(shù)自動(dòng)化控制的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn),。自此,機(jī)器能夠逐步替代人類作業(yè),,不僅接管了相當(dāng)比例的體力勞動(dòng),,還接管了部分腦力勞動(dòng)?! 」I(yè)4.0概念是德國(guó)政府2013年《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》確定的十大未來項(xiàng)目之一,,并已上升為國(guó)家戰(zhàn)略,旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新,。工業(yè)4.0代表著一種新的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)方式,,被定義為“萬物互聯(lián)環(huán)境下的智能生產(chǎn)”,通過信息流與實(shí)物流的深度融合建立一種新的生產(chǎn)方式,。工業(yè)4.0以及智能制造是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),?! ∪绻f工業(yè)1.0是蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的“蒸汽時(shí)代”,那么工業(yè)2.0就是交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“電氣時(shí)代”,,工業(yè)3.0則是交流伺服同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“數(shù)控時(shí)代”,,而工業(yè)4.0將開啟一個(gè)精彩的產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng)的“網(wǎng)絡(luò)智能化時(shí)代”。事實(shí)上,,中國(guó)目前仍處于工業(yè)2.0的后期,。對(duì)中國(guó)企業(yè)來講,工業(yè)1.0要淘汰,,工業(yè)2.0要補(bǔ)課,,工業(yè)3.0要普及,工業(yè)4.0要在有條件的情況下盡可能做一些示范,?! 」I(yè)1.0的蒸汽錘 蒸汽錘是工業(yè)1.0——“蒸汽時(shí)代”鍛壓設(shè)備的典型代表,如圖1所示,。它利用蒸汽作為動(dòng)力,,能量利用率非常低,通常僅為3%左右,,為了提供驅(qū)動(dòng)錘頭所需的蒸汽,,需要燃燒大量的煤用以產(chǎn)生蒸汽,同時(shí)也會(huì)消耗大量的水資源,,并且會(huì)排放出大量的二氧化碳(CO2)及其他有害氣體,,不但資源、能量利用率低,,而且還會(huì)污染空氣,。蒸汽錘工作環(huán)境惡劣,配套設(shè)施龐大且復(fù)雜,,日常維修,、保養(yǎng)工作量較大,工作效率低,。因鍋爐,、管路、鍛錘等系統(tǒng)多而復(fù)雜,,加上設(shè)備老化,,故障率極高,更可怕的是易出現(xiàn)突然停氣現(xiàn)象,,致使錘頭下落或無法抬起,,易造成人身事故。在工作中,,系統(tǒng)氣壓偏低時(shí),,鍛錘無法操縱,;系統(tǒng)氣壓過高時(shí),錘頭又會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)不穩(wěn)定的情況,,難以控制其運(yùn)動(dòng),。因此,生產(chǎn)加工環(huán)境相當(dāng)惡劣,,不利于技術(shù)人員長(zhǎng)期正常工作,,工作效率低,能源耗費(fèi)大,,難以適應(yīng)正常生產(chǎn)工藝的要求,。目前,蒸汽錘設(shè)備已經(jīng)基本被淘汰或者改造為電液錘,?! ? 工業(yè)2.0的機(jī)械壓力機(jī)與液壓機(jī) 工業(yè)2.0——“電氣時(shí)代”鍛壓設(shè)備的主流產(chǎn)品是指采用交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)。具體來講,,圖2所示的機(jī)械壓力機(jī)以交流異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,,采用帶和齒輪組合的減速方式,通過飛輪存儲(chǔ)能量,,根據(jù)離合器的接合與分離來控制機(jī)械壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)和停止,,而電動(dòng)機(jī)一直不停地旋轉(zhuǎn)。所以,,滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線往往固定不變,,通常滑塊運(yùn)動(dòng)曲線為正弦曲線形式,,難以滿足不同材料鍛壓時(shí)對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線柔性化的需求,。因?yàn)闄C(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中需要靠離合器和制動(dòng)器完成滑塊的運(yùn)動(dòng)控制,會(huì)多消耗20%左右的離合與制動(dòng)能量,,而且飛輪空轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)消耗一定的能量,,所以機(jī)械壓力機(jī)存在嚴(yán)重的能量損耗。此外,,離合器和制動(dòng)器內(nèi)部的摩擦材料屬于易消耗零部件,,需要經(jīng)常更換和維護(hù),導(dǎo)致使用和維護(hù)費(fèi)用比較高,。離合器和制動(dòng)器的動(dòng)作需要壓縮空氣作為動(dòng)力源,動(dòng)作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的排氣噪聲,?! 」I(yè)2.0的液壓機(jī)是采用交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵,然后通過液壓閥控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)液壓缸的直線運(yùn)動(dòng),。液壓機(jī)按照機(jī)身的類型可分為三梁四柱式液壓機(jī)與框架式液壓機(jī)兩大類,,如圖3和圖4所示,。 工業(yè)2.0的液壓機(jī)采用交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),,因?yàn)槠鋯?dòng)時(shí)間長(zhǎng),,啟動(dòng)電流是額定電流的5~7倍,電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)調(diào)速,,從而造成工業(yè)2.0所使用的液壓機(jī)在工作時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓泵的交流異步電動(dòng)機(jī)不停地進(jìn)行旋轉(zhuǎn),,而液壓缸的運(yùn)動(dòng)與停止則通過液壓閥控制液壓泵輸出的油液流入液壓缸內(nèi)部或者流回油箱來實(shí)現(xiàn),往往造成空載能耗大,,液壓油容易發(fā)熱,。 3 工業(yè)3.0的交流伺服壓力機(jī) 交流伺服壓力機(jī)為工業(yè)3.0——“數(shù)控時(shí)代”的鍛壓設(shè)備,,結(jié)構(gòu)如圖5所示,。依靠交流伺服電動(dòng)機(jī)提供壓力機(jī)工作所需的驅(qū)動(dòng)力,交流伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),,啟動(dòng)電流不會(huì)超過額定電流,,而且具備頻繁啟停的物理特性,每分鐘可以允許啟停十幾次或幾十次,,因此,,傳動(dòng)系統(tǒng)中不需要裝配控制滑塊運(yùn)動(dòng)和停止的離合器與制動(dòng)器,從而大大簡(jiǎn)化了交流伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),,避免了離合器與制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)的能量消耗,。伺服壓力機(jī)由簡(jiǎn)潔的構(gòu)造驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)組成,交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),,依靠曲柄連桿等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交流伺服電動(dòng)機(jī)與滑塊之間的傳動(dòng),。先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)使壓力機(jī)保持了既有的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),改變了滑塊工作特性不可調(diào)的特點(diǎn),,使得機(jī)械驅(qū)動(dòng)成形裝備具有了柔性化以及智能化的特性,,工作性能和工藝適應(yīng)性也得到了很大提升?! ‰S著交流伺服壓力機(jī)在汽車,、電子等行業(yè)的推廣和應(yīng)用,交流伺服壓力機(jī)的柔性和節(jié)能性等優(yōu)良特性在高精度,、難成形零件加工方面表現(xiàn)出了其他壓力機(jī)無可比擬的優(yōu)越性,。交流伺服鍛壓設(shè)備憑借其高效率、高智能,、高柔性,、高精度、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),,成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鍛壓設(shè)備研究的熱點(diǎn),。但是,,我國(guó)目前依然處于落后水平,主要表現(xiàn)在整體技術(shù)水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力方面,。在高端沖壓裝備,、產(chǎn)品種類、制造質(zhì)量,、產(chǎn)品品質(zhì)控制,、能源再利用以及環(huán)境保護(hù)等方面,我國(guó)的技術(shù)水平和世界先進(jìn)水平之間的差距還非常大,,尤其在大型交流伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)等方面,。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大噸位直驅(qū)型伺服式智能鍛壓設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)、能量管理,、伺服控制,、沖壓加工工藝曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)以及高速傳輸線設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),在我國(guó)仍然屬于研究起步階段,?! ? 工業(yè)4.0的智能鍛壓設(shè)備 伺服式智能鍛壓設(shè)備符合“智能一代”的思想,取代了傳統(tǒng)機(jī)械中的變速箱,、飛輪等變量控制方式,,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源(包含位置、速度,、力矩等進(jìn)行數(shù)字化)的伺服控制,,構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng),由此實(shí)現(xiàn)制造裝備節(jié)能高效,、智能可靠地運(yùn)行,。《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略2011~2020》中對(duì)于“機(jī)械驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)科學(xué)”發(fā)展的論述認(rèn)為:隨著材料,、機(jī)械,、電力電子及控制技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展和制造技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式將朝向以交流伺服為代表的智能化,、節(jié)能化驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展,。目前、隨著現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論的完善和永磁材料的應(yīng)用發(fā)展,,出現(xiàn)了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī),,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩輸出和更低的保養(yǎng)費(fèi)用?! ∵@些關(guān)于電動(dòng)機(jī)的研究為伺服驅(qū)動(dòng)提供了很好的基礎(chǔ),。采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),智能化精準(zhǔn)控制,,建立產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng),,構(gòu)建高性能的塑性成形設(shè)備,是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件高效,、高性能成形的重要一環(huán),,是智能鍛壓設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)?! 碓矗赫浴跺憠菏謨?cè)》
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