我们有了伺服压力机 "用于自动化机器，以恒定的力精确地将产品装入机器。 说明：
网上有许多产品目录和术语表，但其中大多数列出了制造商的规格，并没有提供设计人员真正想知道的信息，例如 "如何使用伺服压力机 "或 "电动缸能否替代伺服压力机"。灰色区域的标准。目前，很少有资料能达到以下程度
在本说明中，我们将尝试超越单纯的规格比较，从机器设计者的角度出发，澄清作为专用机器的伺服压力机与使用廉价电动执行器的简单压入系统之间的界限。
我根据自己的经验和最新的市场调查，总结了伺服压力机与传统液压和气动压力机的物理区别，并补充了 "刚性陷阱 "和 "控制响应性 "等实际要点，这些要点无法仅从目录规格中看出。
伺服压力机的基本原理和工作原理。
了解结构（滚珠丝杠和伺服电机）
深入了解伺服压力机的内部工作原理是了解其控制性能的局限性和特点的第一步。 伺服压力机基本上由产生旋转力的 "交流伺服电机"、将旋转运动转换为直线运动的 "滚珠丝杠（或滚柱丝杠）"、实际推动工件的 "滑块（杆）"以及支撑这些部件的 "机架 "组成。
一般的感应电机只是不停地转动，而伺服电机则能以极高的速度和精度跟随和控制指令的旋转角度、速度和扭矩。 当电机旋转时，滚珠丝杠通过联轴器或同步带旋转。 滚珠丝杠的螺母部分固定在滑枕上，当螺母随着丝杠轴的旋转线性移动时，滑枕也随之上下（或前后）移动。
这里的关键因素是动力传输效率。 在滚珠丝杠中，大量钢球（滚珠）被安装在丝杠轴和螺母之间并进行滚动接触，从而将摩擦系数降至极限。 这样就能将电机产生的扭矩转化为推力，机械效率可达 901 TP3T 或更高。
与液压缸相比，由于流体阻力和填料滑动阻力造成的损失较小，因此从电机电流值估算推力的线性度较高，从而实现了精细的力控制。 在高推力型号中，有时会使用带有精密滚子的 "滚柱螺杆 "来代替滚珠。 这样做是为了增加接触面积，提高刚性和承载能力。
称重传感器（载荷控制）的作用和重要性。
伺服压力机被称为 "有手感的压力机"，其主要原因是配备了称重传感器。 称重传感器是将应变片连接到应变体上的传感器，应变体在受力时会发生轻微变形，称重传感器主要安装在滑枕末端或受驱动机构反作用力影响的区域。
在压入过程中，实时检测 "现在压入了多少牛顿的力 "对于保证质量极为重要。 通过称重传感器的反馈信号，控制器可以持续监控当前的负载值。
例如，反馈控制可用于在达到设定负载时停止运行，或将其保持在恒定力上。 下面就是一个例子。
如果没有称重传感器，仅凭电机电流值来估算载荷，减速器润滑脂粘度和导轨摩擦阻力的变化都会产生误差，从而无法得知准确的压入力。 配备高精度称重传感器的伺服压力机可读取满刻度 0.51 TP3T 至 11 TP3T 的载荷精度，即使是几牛顿的微小载荷波动也不会漏掉。 这样就能立即检测到因工件尺寸超出公差范围或工件中夹有异物而导致的异常载荷，防止次品流出。
使用不同的控制方法（位置控制和负载控制）
伺服压力机有两种主要运行模式："位置控制 "和 "负载控制"。这些设备可以在加工过程中无缝切换，从而实现像人工作业一样的灵活加工。
位置控制用于将滑枕移动到指定坐标（高度）。 例如，在接近运动中，滑枕高速移动到工件前方，然后在接触前减速。 它还可用于在对零件进行严格尺寸控制的压装过程中，在不撞击机械挡块的情况下准确地停在指定深度（触底位置）。
另一方面，负载控制接收称重传感器的反馈值，并调整电机扭矩以达到指定的力。 它适用于即使工件高度存在个体差异也需要恒定力的情况，或需要保持压力一段时间（压力保持）以等待粘合剂固化或树脂蠕变和变形的情况。
在实践中，这些功能会组合成一个序列。 例如，最初在 "位置控制 "中进行高速接近，当与工件接触并检测到负载增加时（触摸传感器功能），速度降低到参考点，最后在 "负载控制 "中，对目标力施加压力并作出完成判断。 通过这种方式伺服压力机的最大优势在于，通过使用不同的控制装置，既能缩短交货时间，又能稳定加工质量。
与液压和气动技术相比的优势
在自动设备的设计中，伺服压力机通常作为动力源与气动压力机（气缸）和液压压力机进行比较。 下表比较了它们各自在物理和经济方面的特点，并说明了在哪些情况下应选择伺服压力机。
| 比较项目 | 气动压力机（气缸） | 液压机 | 伺服压力机（电动） |
| 动力源 | 压缩空气（可压缩流体） | 液压流体（不可压缩流体） | 电源（交流伺服电机） |
| 推力控制 | 低（仅调节器设置。对波动不敏感） | 高（可使用压力控制阀，但有响应延迟） | 天价 (通过称重传感器进行高速 FB 控制） |
| 速度控制 | 困难（负载波动导致突然加速和停止） | 可能（流量控制阀） | 自如 (可用任意波形控制） |
| 定位精度 | 低（取决于机械塞子） | 中等（取决于油温和阀门反应） | 天价 (±0.01 毫米或更小） |
| 能源效率 | 低 (效率 10-20%，待机功率大） | 低到中（如果水泵持续运行，则为低） | 高 (仅在运行时消耗。效率 80% 或更高) |
| 环境绩效 | 排气噪音、油雾。 | 漏油风险、废油处理、噪音 | 干净、安静。 |
| 初期费用 | 低价 | 中 | 高价 |
| 运行成本 | 高（空气泄漏、压缩机电费） | 中型（电力和液压油更换） | 低 (仅电费）。 |
| 物联网/数据管理 | 困难（需要外部传感器） | 困难（主要是模拟管理） | 标准 (可存储所有数据）。 |
参考资料来源：Janome Industrial Equipment (https://www.janomeie.com/column/servopress/detail.html)、按压锁定技术 (https://www.presslocktech.com/blog/clinching-machine-pneumatic-hydraulic-servo) *翻译成日语确认。
虽然气动装置的初始成本很低，但由于空气的可压缩性（类似弹簧的特性），气动装置不适合精密压装，因为它们在压装开始时会以很大的力量跳出，或在释放负载时会迅速加速。 此外，能量转换效率较低，运行成本可能是电动马达的五倍。 液压很容易产生大推力，但漏油风险、泵噪音和维护需要都是问题。
虽然伺服压力机的初始成本较高，但由于其仅在运行期间耗电，因此可大幅降低运行成本。 此外，所有位置和载荷数据都可以记录下来，这在要求可追溯性的现代制造业中非常重要、总成本优势，包括质量保证成本有
与电动缸（简化伺服）的区别
市场上还有一些被称为 "电动缸 "和 "机械缸 "的产品，因为这些产品也使用伺服电机和滚珠丝杠、从广义上讲，它是一种伺服压力机。 然而，在工业机械设计领域、这些都需要明确区分对待。
伺服压力机（专用机）"是 "全套设备"，主要用于压装。 它们预装了一个 C 形或门形的高刚性框架、一个高精度称重传感器、一个安全栅栏和一个带有压入波形确定功能的专用控制器。包括框架在内的整个系统的刚性和精度都由制造商提供保证，因此在购买后可立即进行高精度的压装。是
相比之下，"电动缸（组件产品）"主要作为执行直线运动的 "组件 "提供。 它们价格低廉，产品种类繁多，但可能需要选择称重传感器，或者只能进行简单的电流控制（推力控制）。最大的区别在于 "刚性 "保证。
使用电动缸时，设计人员必须自己提供承受反作用力的框架或支架。 如果框架的刚度较低，在加压过程中框架就会发生偏移，从而导致误差。 因此，虽然电动缸在简单的推力和定位方面具有成本效益，但对于需要严格控制载荷的压入过程，必须选择专用的伺服压力机，或者在充分了解情况下将电动缸、称重传感器和高刚性框架结合使用。
自动机械设计中的伺服压力机选择
压入力（选择法）和安全系数的计算
在选择与自动设备匹配的伺服压力机时，首先要计算需要多大的推力（千牛顿）。压入所需的力应根据实际情况估算，而不是依靠过去的经验法则或直觉。
圆柱形零件压装所需的理论推力。 F(N) 一般可通过以下公式估算出来
F = μ-P-A = μ-P-π-d-L
这里的每个变量如下。
F： 压入力（牛顿）
μ：摩擦系数（铁对铁，无润滑时约为 0.15-0.2，有润滑时约为 0.05-0.1）
d：轴的直径（毫米）
L：压接装置的有效长度（毫米）
P： 接触面上的压力（兆帕）
接触压力 P是轴和孔之间的紧固余量（过盈量） δ 和材料的杨氏模量。 E 材料力学"。蹩脚的配方计算公式如下
选择过程中需要考虑的最重要因素是 "摩擦系数 "的不确定性。根据表面粗糙度和润滑条件的不同，该值几乎可以变化一倍。 因此，在计算结果中必须始终留有余量。
在实际选择中，对于通过计算确定的所需最大推力、1.5 倍至 2 倍建议选择额定推力为 例如，如果计算值为 3 千牛，则选择额定推力为 5 千牛或更高的型号。这一安全系数对于应对因部件公差变化和突然载荷（如咬合）而增加的推力以及延长滚珠丝杠等机器的使用寿命至关重要。
刚性（框架和导轨）对精度的影响。
仅根据 "额定推力 "或 "重复定位精度 "等目录规格来选择型号，可能会在现场出现意想不到的问题。 许多原因如下压力机和安装支架缺乏 "刚性 是
当伺服压力机以几千牛顿的力对工件施加压力时，压力机框架本身也会因反作用力而变形。 特别是在悬臂式 "C 型框架 "的情况下，框架会发生变形，从而在加压时使框架口张开（张口现象）。 这将导致滑枕的末端向前方上方偏离或轴中心偏移一个角度。
在微米单位的精密压入配合中，这一变形量是不可忽略的误差因素。 例如，即使称重传感器正确检测到载荷，如果框架偏移 0.1 毫米，则实际压入深度可能比传感器指示的深度浅 0.1 毫米（但如果系统是全封闭的，并由线性刻度控制，则可以补偿这一误差）。
因此，如果需要高精度的压装，就必须使用变形小的 "龙门（四柱）框架"，或者通过购买单个电动缸来自行设计极其坚固的框架。制造商生产的特殊伺服压力机（包装型）与普通电动缸的主要区别之一是精度有保证，包括机架刚性。
通过波形测定防止缺陷泄漏（质量保证）
伺服压力机的最大优势是可以在加工过程中实现数据可视化，并立即做出正确或错误的决策。 其核心功能是 "波形判断"。 该功能以位置（行程）为横轴、负载为纵轴绘制图形（波形），并监测形状是否正常。
只看 "最终载荷是否正常 "并不能说明过程中发生了什么。 例如，即使在压入开始时由于芯片被咬住而导致载荷暂时跳高，或者在过程中载荷被释放，但如果只看最终达到的点，载荷仍可能在正常值范围内。 这可能会导致有缺陷的产品被遗漏。
波形判断功能将正常波形路径设置为一个包络线，如果波形偏离包络线，哪怕是瞬间偏离，也会被标记为 NG，该功能还能监测特定位置部分的平均负载值。 这样就能确保检测出潜在的缺陷，如 "工件已装入，但实际上已发生咬合"、"工件以一定角度插入 "或 "压合太紧或太松"，从而防止这些缺陷进入下一道工序。
使用可追溯性（数据存储）
可追溯性是现代制造业的一项基本要求，尤其是对于汽车零件和医疗设备等关键安全部件而言，必须证明每件产品的生产时间、条件和结果。
伺服压力机可将所有循环处理数据（日期和时间、决策结果、最大位置和负载值以及波形数据本身）存储为数字数据。 专用伺服压力机标配 LAN 端口和各种现场网络（EtherNet/IP、CC-Link IE Field、PROFINET 等），用于将数据自动传输到 PC 或主机服务器。
万一产品在市场上出现故障，可以调用生产时的压配波形，并根据生产时的序列号进行验证，从而快速确定是生产过程出现了问题，还是元件或设计造成了其他因素。 这种 "证明质量 "的能力是赢得质量控制部门和最终用户信任的有力武器，也是应对产品责任（PL）立法的有效措施。
伺服压力机操作和主要制造商。
故障排除（使用注意事项）和对策
在伺服压力机操作过程中，"过冲 "是最令设计人员头疼的现象之一。 这是指在达到目标载荷或位置的一瞬间，没有停下来，走得太远的现象。
特别是在压入过程中，工件触底（就位）时，负载会迅速上升。 此时，压力机机架和驱动系统（滚珠丝杠和皮带）会像弹簧一样发生偏转并储存能量。 即使发出了停止信号，电机也试图停止，但挠度被立即释放的动力和机械惯性会在控制未跟上的情况下将载荷推到设定值之外。 这可能会导致工件承受过大的负载，造成工件断裂或开裂。
第一个有效的对策是适当设定 "接近速度 "和 "加压速度"。 在接触前高速行驶，在接触前或接触后的加压阶段充分减速，可最大限度地减少因惯性和反应延迟造成的转向过度。 使用刚性车架也能有效防止因偏转造成的能量积累。 有些车型能够预测负载的到来，并通过在专用控制器上设置参数，提前开始减速。
安全措施（STO 和制动器）的基本知识
伺服压力机可产生几千牛至几十千牛的强大压力、它们是危险的机器，一旦出错就会造成严重的工业事故。 因此，它严格遵循国际安全标准（ISO 12100 和 ISO 13849-1）。安全设计至关重要。 是
特别重要的是安全扭矩关闭 (STO) 功能。 这可以通过使用紧急停止按钮或光幕 当电机出现故障时，该功能会从硬件上切断对电机的供电（扭矩），而不涉及控制电路（软件）。 即使控制器失控，也能通过物理方式切断电源，从而确保安全。 *光幕对压力机等安全措施至关重要。区域传感器和光幕是不同的安全措施。 情况将会如此。
还有垂直安装和使用时，必须选择 "带抱闸电机"。 这样做是为了防止在断电或紧急停车时发生意外，因为此时滑块会因重力而下落，卡住操作员的手指。 此外，由于抱闸会随着时间的推移而失去抱闸力，因此设计者有责任在启动前检查时实施 "抱闸检查功能"，以检查抱闸力是否足够，或将定期检查操作作为一项规则。
主要国内制造商名单及各公司的特点
在日本，有许多制造商都能提供高质量的伺服压力机相关产品，即使以全球标准来看也是如此。 概括地说，有具备先进分析功能和框架刚性的 "专业机械制造商（A 类）"，也有性价比高且可作为组件集成的 "执行器制造商（B 类）"。
下表概述了主要制造商的规格和功能。
| 生产商 | 类别 | 系列名称 | 最大推力准则 | 负载检测方法 | 特点和选择点 |
| THK | B | 印刷机系列（PC/PCT） | 1.6 千牛 - 250 千牛 | 电流 / (OP: 称重传感器) | 推力大，结构紧凑。
滚珠花键和滚珠丝杠的一体化结构使其尽管体积小，却具有与液压系统相当的大推力。它是一种罕见的产品，可通过部件（Cat.B）覆盖专用机床（Cat.A）领域。 |
| 原子能机构（IAI） | B | 机器人气缸 (RCS 3/4) | 20 N - 50 kN | 内部称重传感器 | [成本绩效]。
标配称重传感器，实现成本与性能的完美平衡。简单压力机应用的事实标准。软件简单易用。 |
| SMC | B | 电动执行机构（LEY/LEYG） | 100 N - 数 kN | 电流控制 | [气动替代品冠军]。
与气动缸尺寸兼容，是廉价 "电气化 "的理想选择。适用于简单的推力管理，而非复杂的波形测定。 |
| 菊花 | A | JP 5 系列 / JP-S2 | 0.5 kN - 120 kN | 高精度称重传感器 | [完整的台式压力机］
配有 C 型框架。直观的用户界面和丰富的判断功能。精密部件装配的标准，购买后即可放心使用。 |
| 第一电通 | A | 伺服压力机（DSP） | ~ 50 千牛 | 高精度称重传感器 | [最好的可追溯性
应用电动拧紧机（螺母拧紧机）技术。多用于汽车发动机装配和其他要求苛刻和高可靠性的生产线。 |
| 核心技术 | A | 交流伺服压力机（CP/CS） | 1 kN - 200 kN | 高精度称重传感器 | [系统建议能力]。
作为一家专业机床制造商，该公司擅长提出包括 C 型框架在内的整套系统建议和工具交换。 |
| Sintokogio | B | 伺服气缸（CYAP） | 1 kN - 100 kN | 内部称重传感器 | [稳健而精确]。
由铸造设备制造商制造，设计坚固耐用，主要用于替换液压缸；属于 B 类，但性能接近 A 类。 |
选择提示：.
- 波形数据的质量保证 "是一项绝对要求。那么您应该选择 A 类（如 Janome、Daiichi Dentsu）或带称重传感器的 B 类（IAI、Sintokogio）。
- 如果您只是想 "控制位置和力"、"方便设置更改 "或 "降低成本"，那么 SMC 和 THK 的 B 类产品就是最佳解决方案。
- 如果您 "需要大推力（10 吨或以上），但又不想使用液压系统"，THK 的 PC 系列或 Sintokogio 就是很好的选择。
选择伺服压力机的成功设计要点。
以下是本文讲解的要点摘要。
- 与气动和液压压力机相比，伺服压力机在质量保证（可追溯性）方面具有压倒性优势，因为它们可以同时监测和控制位置和负载。
- 伺服压力机的运行成本最低，耗电较少，从长期总拥有成本（TCO）来看，有可能收回初始投资。
- 在选择机型时，选择安全系数为理论所需推力 1.5 至 2 倍的机型是延长使用寿命和稳定运行的关键。
- 机架的刚度与精度直接相关，因此如果需要微米级的精度，则应考虑使用高刚度（A 类）的专用机床或龙门框架。
- A 类（专用机器）"一经推出就能做出先进的决策，但价格昂贵。B 类（执行器）"价格低廉，但需要设计机架和构建程序的工时。
- 简单的速度设置可能会导致超调，因此有必要进行程序设计，以确保适当使用接近速度和加压速度。
- 作为安全措施，必须选择具有 STO 功能的放大器，并在垂直安装时采用防坠落制动器。
- 通过利用波形确定功能（如包络监测），可以在后端流程中省略检查，从而建立一条不生产次品的生产线。
- 除目录规格外，制造商还应提供 "借用的实际设备 "或 "工作实验样本"，以便在决定型号前检查实际负载波形。
- 更换液压系统时应注意 "保持时间"。对于长期保持压力的应用，应检查防止马达发热的措施，以及是否可以保持制动器。
- 事先检查通信功能（现场网络）标准是否与公司使用的 PLC（三菱、欧姆龙、Keyence 等）兼容。
- 例如，Janome 和 Daiichi Dentsu 采用的是 "质量导向和完成导向 "方法，而 IAI 和 THK 采用的是 "成本导向和嵌入式 "方法。
- 不同制造商生产的称重传感器的精度（分辨率）各不相同，应根据要控制的公差（± 多少牛顿）来选择。
- 虽然滚珠丝杠越来越免维护，但定期润滑仍是必要的，自动润滑装置的使用值得考虑。
- 最终，明确伺服压力机的用途（质量数据还是仅仅电气化？）
上图