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)。
工業(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)。
工業(yè)4.0概念是德國政府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)。
如果說工業(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，中國目前仍處于工業(yè)2.0的后期。對(duì)中國企業(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。
工業(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。
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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。
工業(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，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。
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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。
隨著交流伺服壓力機(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)，成為國內(nèi)外先進(jìn)鍛壓設(shè)備研究的熱點(diǎn)。但是，我國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)，在我國仍然屬于研究起步階段。
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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。
這些關(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)。
來源：摘自《鍛壓手冊(cè)》
