淺談伺服技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用與發(fā)展

王樹(shù)勇

摘 要：文章闡述了工業(yè)自動(dòng)化與伺服技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，表述了伺服技術(shù)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要意義，同時(shí)創(chuàng)造性提出廣義伺服系統(tǒng)的概念。在工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)自動(dòng)化對(duì)伺服系統(tǒng)提出了更高的要求，即：智能化、數(shù)字化和全面化。

關(guān)鍵詞：伺服技術(shù)；工業(yè)自動(dòng)化；工業(yè)4.0

在工業(yè)4.0的新時(shí)期，人類對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的需求不斷上升。在工業(yè)生產(chǎn)中所需要進(jìn)行的控制、組裝、拼合、檢測(cè)、校驗(yàn)、調(diào)度、優(yōu)化和決策等各個(gè)環(huán)節(jié)，均有提高產(chǎn)能、降低損耗、確保安全和保證質(zhì)量的需要。工業(yè)自動(dòng)化正是為實(shí)現(xiàn)上述需求應(yīng)運(yùn)而生的一類綜合性高新技術(shù)。在工業(yè)革命3.0時(shí)代，以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用為代表的高新技術(shù)極大推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程，伺服技術(shù)也承接著工業(yè)革命3.0的浪潮飛速發(fā)展，在機(jī)械、電器、電子、石化、冶金、電力、交通、印刷、汽車、食品等行業(yè)起到巨大的促進(jìn)作用。

與此同時(shí)，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，伺服技術(shù)也得到長(zhǎng)足的發(fā)展。狹義的伺服技術(shù)僅限在電力電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、大規(guī)模集成電路和微處理技術(shù)等傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而廣義的伺服技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)與新型的各個(gè)行業(yè)。文章將重點(diǎn)探討廣義的伺服技術(shù)在全行業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用。

1 工業(yè)自動(dòng)化概述

工業(yè)自動(dòng)化是人類一直追求的夢(mèng)想，它的存在不但能減少人力等投入、釋放勞動(dòng)壓力，更重要的是提高生產(chǎn)效率，為人類社會(huì)創(chuàng)造更多的財(cái)富。凡是上述兩目的而進(jìn)行的工業(yè)改造，均被稱為工業(yè)自動(dòng)化。從工業(yè)3.0開(kāi)始，人類就不斷追求以更少的人力完成生產(chǎn)工作。生產(chǎn)設(shè)備不但要代替人完成體力勞動(dòng)，更需要代替人完成腦力勞動(dòng)。在起始階段，工業(yè)自動(dòng)化主要是指機(jī)電一體化。隨著工業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化朝著高精度化、無(wú)線化、智能化、數(shù)字化方向高速發(fā)展，其發(fā)展歷程可大致分為三個(gè)階段：

1.1 20世紀(jì)50年代至80年代

二戰(zhàn)結(jié)束后，全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。為適應(yīng)減輕勞動(dòng)成本及批量生產(chǎn)的需要，零件制造業(yè)出現(xiàn)了大量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的各類數(shù)控機(jī)床和流水線。同時(shí)各類CAD、CAM軟件出現(xiàn)并投入生產(chǎn)一線，使原本需要人工作業(yè)的所有工序均能通過(guò)機(jī)械實(shí)現(xiàn)，大幅提高工業(yè)生產(chǎn)效益。

1.2 80年代末至21世紀(jì)初

隨著電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。受市場(chǎng)需求影響，各個(gè)工業(yè)行業(yè)均不同程度開(kāi)展并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。各行各業(yè)出現(xiàn)了大量自動(dòng)化設(shè)備，生產(chǎn)流程可由中樞計(jì)算機(jī)程序控制。不但提高生產(chǎn)效益，減少損耗，而且還能減少勞動(dòng)者的負(fù)擔(dān)。

1.3 21世紀(jì)初至今

隨著智能科技興起與新型硬件的研發(fā)，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入高度智能化時(shí)期。以智能機(jī)器人生產(chǎn)為代表的新型工業(yè)自動(dòng)化正逐步推動(dòng)工業(yè)4.0模式。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為核心的工業(yè)4.0，將帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入更高更廣的發(fā)展空間。

2 伺服技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。分為狹義的伺服系統(tǒng)和廣義伺服系統(tǒng)兩種。狹義的伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。廣義伺服系統(tǒng)，是物體的一切變量輸出都能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化而自動(dòng)變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。輸入變量參數(shù)不僅限于物體的機(jī)械位移或位移速度、加速度等傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變量，更包含了如電磁波、衛(wèi)星定位等綜合參數(shù)。在工業(yè)4.0時(shí)代，廣義伺服系統(tǒng)與其他反饋系統(tǒng)的界限將變得模糊，技術(shù)手段將更加強(qiáng)大。

伺服技術(shù)最早起源于軍事需求，為了達(dá)到以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載，在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下為實(shí)現(xiàn)由近端輸入軸同步控制遠(yuǎn)端輸出軸并跟蹤電信號(hào)目的，人們開(kāi)發(fā)了機(jī)電伺服系統(tǒng)。主要應(yīng)用于軍事船舶的自動(dòng)駕駛和火炮的控制發(fā)射，及引申至飛船與導(dǎo)彈的制導(dǎo)。后來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)被逐步應(yīng)用于民用工業(yè)，如自動(dòng)機(jī)床、針式打印機(jī)等。但由于其存在發(fā)熱大，不易維修等缺點(diǎn)，一直未能得到廣泛應(yīng)用。隨著控制理論的發(fā)展與技術(shù)工藝升級(jí)，人們陸續(xù)發(fā)明直流伺服電機(jī)、永磁交流伺服電機(jī)、無(wú)刷直流伺服電機(jī)等。特點(diǎn)和成本上的差異，使不同類型伺服電機(jī)能應(yīng)用于不同工業(yè)中。

隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)伺服技術(shù)正逐漸成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的新推動(dòng)技術(shù)。視覺(jué)伺服系統(tǒng)是指利用一個(gè)或者多個(gè)攝像機(jī)來(lái)感知機(jī)器人的位置/姿態(tài)，從而對(duì)其位置/方向進(jìn)行精確控制。它涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究，如：計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)計(jì)算等。視覺(jué)伺服區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)電伺服，在技術(shù)上更依賴于數(shù)據(jù)收集的精度和電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

3 伺服技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用

伺服技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中最大的應(yīng)用就是電機(jī)伺服的應(yīng)用，最主要表現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)應(yīng)用。其主要作用在于接受來(lái)自裝置的系統(tǒng)指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部位跟隨指令脈沖進(jìn)行相應(yīng)改變，并確保快速性與準(zhǔn)確性。

3.2 現(xiàn)代包裝行業(yè)中應(yīng)用

在包裝機(jī)械中，伺服技術(shù)有著巨大應(yīng)用。如接縫式裹包機(jī)，伺服系統(tǒng)可以根據(jù)包裝流水線的位移，對(duì)包裝產(chǎn)品實(shí)行橫縱切割。如牙膏擰蓋機(jī)，伺服系統(tǒng)可將擰蓋速度與牙膏物料輸送速度同步，同時(shí)也能對(duì)擰蓋力度進(jìn)行設(shè)定，包裝牙膏蓋的擰裝既不存在松懈同時(shí)也能提高生產(chǎn)速度。如可調(diào)式明膜三維包裝機(jī)，為包裝盒包裝塑料膜，采用伺服驅(qū)動(dòng)控制送膜的長(zhǎng)度和速度。

3.3 機(jī)器人視覺(jué)伺服應(yīng)用

新型機(jī)器人生產(chǎn)主要采用的是視覺(jué)伺服。機(jī)器人利用視覺(jué)硬件收集、分析和判斷產(chǎn)品，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令，機(jī)器人再根據(jù)指令對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種不同的工藝處理。另外，機(jī)器人可與數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)作業(yè)，將機(jī)器人的視覺(jué)伺服與數(shù)控機(jī)床的電機(jī)伺服結(jié)合一起，利用中樞系統(tǒng)指揮，協(xié)同作業(yè)。

3.4 光伏發(fā)電行業(yè)伺服應(yīng)用

在光伏發(fā)電設(shè)備中，伺服技術(shù)主要負(fù)責(zé)根據(jù)太陽(yáng)能板接收能量的角度、強(qiáng)度和頻率，判斷日光能量實(shí)時(shí)效應(yīng)。反饋指令給太陽(yáng)能接收板，使其及時(shí)調(diào)整角度與方向，減少材料損耗，提高發(fā)電效益。有別于傳統(tǒng)的機(jī)電伺服與視覺(jué)伺服，光伏發(fā)電中的伺服系統(tǒng)能根據(jù)太陽(yáng)電磁波產(chǎn)生的變化而發(fā)出指令，避免在陰天或太陽(yáng)磁暴等非正常天氣對(duì)太陽(yáng)能接收板的損耗和誤導(dǎo)。借助大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，采取最佳光伏發(fā)電方案，創(chuàng)造最大效益。

3.5 其他伺服技術(shù)應(yīng)用

此外，在其他工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中，伺服技術(shù)同樣發(fā)揮著巨大作用。如利用海洋洋流水壓變化，伺服系統(tǒng)調(diào)整捕魚(yú)打撈船舶的速度和方向。根據(jù)風(fēng)速和方向變化，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作等。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章綜述了工業(yè)自動(dòng)化和伺服技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)列舉分析伺服技術(shù)在傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、機(jī)器人視覺(jué)伺服及其他方面的應(yīng)用，表明伺服技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)展的重要性。在工業(yè)4.0的新時(shí)代，機(jī)電伺服技術(shù)不斷改造升級(jí)，在工業(yè)自動(dòng)化中繼續(xù)扮演重要角色。以視覺(jué)伺服和衛(wèi)星定位伺服為代表的新型伺服技術(shù)將工業(yè)自動(dòng)化帶入更高級(jí)別的時(shí)代。總而言之，伺服技術(shù)將會(huì)為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

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