探究運動控制新技術在機械自動化中的應用

于淼 張志娟

摘 要：通過對運動控制新技術和機械自動化進行分析，著重探討了運動控制新技術在機械自動化中的應用。主要分析了4種典型運動控制新技術，分別為直線電機驅動技術、全閉環交流伺服驅動技術、可編程計算機控制器技術和運動控制卡技術，有助于提高我國運動控制新技術在機械自動化中的應用價值。

關鍵詞：運動控制新技術;直線電機驅動技術;全閉環交流伺服驅動技術;可編程計算機控制技術;機械自動化;應用

中圖分類號：TH-39 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0103-05

在工業領域中離不開各種機械設備的使用，并且為了追求產品生產的高效率、高質量、低成本，隨著電子技術、計算機技術、智能技術等各種先進技術的發展，機械自動化技術隨之發展。相比于傳統的機械生產方式，自動化技術的使用在很大程度上提高生產效率，降低加工成本，還能夠解放勞動力，屬于當前工業領域中使用非常廣泛的技術[1-3]。在機械自動化中需要使用運動控制技術，從而實現機械中相關的控制工作，使得工業領域達到更高水平發展[4-5]。隨著運動控制技術的不斷發展，國內外提出了不同的運動控制新技術，各種新技術的出現使得運動控制能夠提高機械自動化的發展。本文為了提高運動控制新技術在機械自動化中的應用水平，探討了幾種不同的具有代表性的運動控制新技術的應用。

1 運動控制技術

隨著相關學科技術的不斷發展，運動控制以電機驅動為基礎，屬于一種多學科交叉技術。其主要作用是能夠在復雜的條件之下，將預先設定的指令或者控制方案變為期望的機械運動，從而可達到精準的位置控制、轉矩控制或者速度控制[6]。如今在機械自動化中，很多方面都需要使用到運動控制技術。一般情況下，運動控制系統主要有3個部分組成，首先是占有核心地位的控制器，然后還需要電動機和功率驅動裝置;圖1即為其基本組成結構。

運動控制的種類不止一種，按照執行機構不同可以將其分為3種不同類別，如氣壓、液壓和電機運動控制。在這3種類別中其中電動運動控制使用范圍最廣，并且使用活躍度最高[7]。電機運動控制技術中將電動機作為控制對象，電力半導體器件應用作為基礎，其中需要使用自動控制理論、電機技術、電子技術、電力電子技術、檢測和傳感技術等，可以看出運動控制技術需要使用的相關技術非常多，屬于一種多學科交叉技術，圖2即為電機運動控制的基本結構圖。當這些相關技術不斷發展之后，運動控制技術也會相應的變得更加強大。如今，運動控制技術不斷發展，出現了不同的運動控制新技術，這些新技術的使用將會給機械自動化帶來更多的優勢和改善。

2 運動控制新技術在機械自動化中的應用

隨著機械自動化的不斷使用，其存在的一些問題也在逐漸顯現，只有通過不斷創新，提高機械技術的綜合性能，才能使得機械自動化處于不斷發展之中。近年來，國內外學者對運動控制技術進行更新，提出了更多的新技術應用于機械自動化中，比如直線電機驅動技術、全閉環交流伺服驅動技術、可編程計算機控制器技術、運動控制卡技術等，通過這些運動控制新技術的應用，提高了機械自動化的使用效果。于是本文將針對這幾種運動控制新技術，將其應用到機械自動化中進行分析。

2.1 直線電機驅動技術

從當前的發展來看，直線電機驅動技術在機械自動化的應用非常普遍，而且國內外比較重視直線驅動技術在自動化機床中的應用。主要原因在于直線驅動技術能夠在機床中發揮重要作用，促進自動化機床的高效率工作。比如能夠減少在機床工作臺上相互傳遞所需要的時間，縮短傳動鏈的長度，甚至使得距離傳送變為零。從而大大節約了傳遞時間，正因為該優勢特點，直線電機驅動技術在機械自動化中也被稱為“零傳動”[8]。通過直線電機驅動技術，不僅能夠節約傳送時間，增強機械自動化在制作指標上的整體性能，而且還能夠提升傳輸性能，所以相比于傳統的驅動傳輸技術，直線電機驅動技術對機械自動化更為有利。

另外，由于使用直線驅動的方式，能夠增加機床的傳動剛度，繼而在很大程度上能夠增加機床的運轉速度，就會提高機床加工的效率。在機械自動化中使用這種技術能夠從總體上提升工作效率，在于其拆除多余部件，這種做法還能夠降低工作期間的摩擦度和噪聲。直線電機驅動技術雖然能夠使得機械自動化的加工過程變得更加迅速，但是這種方式并不完美，其中還存在需要改進的地方，比如需要對機床進行分析之后才能夠確定將直線電機驅動技術運用其中。由于直線電機驅動技術的優勢更為明顯，能夠提高當前機械自動化的發展，所以在當前加工領域中，對直線電機驅動技術的重視程度比較低。

而且直線電機驅動技術在機械自動化中應用的主要優勢還有精度高、響應速度快、生產速度快等。在機械自動化的機床中由于傳統的絲杠使用，會增加傳動間隙和誤差，通過使用直線電動驅動技術之后，能夠取消這種絲杠的使用，從而能夠提高生產過程中定位精度。另外，這些傳動件所需要的響應時間會比較大，正因為取消了絲杠等機械傳動件，所以就會提高響應速度。

2.2 全閉環交流伺服驅動技術

在機械自動化中使用傳統的全閉環控制，這種方式特別容易造成產品的加工精確度不高現象，為了解決這個問題，研究者實現了一種全閉環交流伺服驅動技術，這種技術的使用恰好能夠完美的解決這個問題[9]。將全閉環交流伺服驅動技術應用到機械自動化中最重要的一個優勢在加工過程，能夠全程穩定的保持加工水平的精度控制，從而盡可能地降低生產誤差，使其在誤差范圍之內。另外，在有些機械自動化中，使用的齒輪等零件存在間隙過大的問題，如果在其中使用全閉環交流伺服驅動技術，不僅能夠解決其中間隙過大的問題，而且還能夠處理傳動中的時間延誤問題，能夠從整體上提高運動控制的性能。

在全閉環交流伺服驅動技術中最為核心的部件是驅動器，通過驅動器的使用，能夠減少其他上位控制器的使用，所以將會簡化機械自動化中所使用的零件，可以說驅動器是當前高水平機電加工的最好選擇。當前處于信息化時代，信息化水平不斷提高，促使了數字式的交流伺服系統的發展，并且該系統將會是以后發展的方向、趨勢，因為該系統的主要優勢在于使用簡單、操作方便、性能強大，所以對使用者的要求不會過高，將會有比較廣泛的應用范圍。全閉環交流伺服驅動技術的使用，加之信息化的不斷發展，數字式交流伺服系統中核心部件為精度非常高的數字處理器。處理器作為系統運行的大腦，其發出的指令使用數字信號進行表達，然后還需要使用電機軸后端設置光電編碼器，從而得到位置信息，最后形成一個閉環控制系統。在系統中使用數字處理器進行處理分析，使得機械自動化變得更加高效，能夠全自動高效的對整個系統進行綜合調度，另外，通過使用這種技術，還能夠對系統進行實時跟蹤，發現數據的變化趨勢，有利于操作人員對系統運行狀況的了解。

如今，全閉環交流伺服驅動技術的應用非常廣泛，其中主要在許多精密的機電加工領域中使用較多。由于這種技術的使用效果非常好，能夠降低機械自動化控制的誤差，或者是解決其他方面造成的加工精度下降問題，能夠對機械自動化加工過程中出現的誤差進行實時的、靈活的補償。該技術的使用能夠從整體上提高機械自動化的精確度，進而增強生產能效，所以在不斷發展過程中，逐漸替代了傳統的全閉環控制技術。國外對全閉環交流伺服驅動技術的應用更為深入，已經出現了一種非常完美的全閉環數字式伺服系統，這種系統的控制原理如圖3所示。這種系統能夠克服半閉環控制系統的缺陷，能夠消除機械傳動上的間隙，補償即系傳動件的制造誤差，具有更高的精度，能夠在很大程度上提高機械自動化的精度。

2.3 可編程計算機控制器技術

傳統的計算機控制不能同時執行多個任務，并且控制速度受到應用程序的限制，于是就會導致運行速度慢，不能實現實時性的運行效果，就會導致機械自動化生產過慢。自從可編程序控制器的發明，該控制器的優勢十分明顯。隨著微電子技術和計算機技術的不斷發展，可編程控制器已經在發生了比較大的變化，其功能和性能變得更加優異，能夠在軟硬件的設計中實現重要作用，并且逐步發展成可編程計算機控制器。該控制器屬于新一代的控制器，相比于傳統的可編程序控制器，可編程計算機控制器趨于多樣化的應用軟件或者分時多任務操作系統，能夠解決可編程序控制器控制速度受限制、不能實現實時控制要求的問題[10]。因為傳統的可編程序控制器大多使用單任務的時鐘掃描或者監控程序，用這樣一種方式對自身的邏輯進行運算，然后采集和刷新相關狀態，所以就不能實現實時控制，并且控制速度會依賴于應用程序大小;而可編程計算機控制器使用的是分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，無論程序長短如何，應用程序運行的時間與之無關。只與操作系統的循環周期有關，所以該控制器的控制速度不會受到應用程序的制約，而且能夠實現實時控制的要求。

機械自動化中涉及到不同的應用軟件，在軟件開發過程中使用可編程計算機控制器技術能夠帶來很多便利。因為可編程計算機控制器器中的應用程序使用多任務模塊構成，于是能夠根據實際的控制項目中不同部分的功能要求，分別制定不同控制程序模塊。這些模塊屬于一個獨立個體，能夠獨立運行;但是模塊之間的數據具有相互關聯，能夠實現多任務并行運行的效果。

可編程計算機控制器技術在機械自動化的應用中還處于發展階段，從當前看來，該技術具有的優勢十分明顯，體現了不同技術之間的相互融合，從而具有強大的功能性。隨著其應用范圍的不斷增加，可編程計算機控制器技術的應用效果將會更加強大，在未來的發展中具有很大的發展潛力。

2.4 運動控制卡技術

近年來，運動控制卡技術在機械自動化具有廣泛的應用，它是一種基于工業PC機上實施的整體單元控制，具有較強的適應性，能夠對速度進行有效控制，用于不同運動控制場合的上位控制單元[11]。運動控制卡技術之所以具有廣泛應用，是因為能夠滿足新型數控系統的各種要求，比如開放性、標準化等，能夠對不同機械設備的自動化控制系統進行研究和改造，而且PC機的廣泛使用，同樣會提高相應控制卡的使用。因為控制卡技術能夠充分發揮PC機的強大功能。

運動控制卡技術在應用過程中，其中最為關鍵的運動控制核心就是專業運動控制芯片或高速DSP，這些核心部件主要是對大部分的步進電機進行控制[12]。運動控制卡技術的使用，會基于PC機進行使用，這兩者關系屬于主從式的控制結構，其中PC機主要負責監控工作，還有人機交互界面的管理，而運動控制卡的主要任務是完成運動控制的所有細節，比如對相應信號的檢測等。從中可以看出，運動控制卡和PC機在控制過程中不會同時進行，而是屬于一種從屬控制關系。運動控制卡技術還具有非常豐富的公開函數數據庫，這些數據庫能夠提供給用戶根據自身需求在Windows和DOS系統平臺上自行開發一種控制系統，該優勢同樣也促進了運動控制卡技術在機械自動化中的應用。

由于運動控制卡技術具有明顯的優勢，使其在國外機械自動化的控制系統中具有廣泛的應用，使得運動控制卡成為了一種專門行業。有很多科研人員對其進行深入的、廣泛的研究，并且在國內外不斷的研究過程中，已經出現了不同的運動控制卡產品，并且應用到不同行業中的自動化機械設備中。

3 運動控制新技術在機械自動化中的應用現狀

隨著運動控制新技術的不斷使用，技術的功能變得更加強大，能夠提高機械自動化的控制精度，使得機械加工過程變得更加迅速和有效。從當前來看，雖然運動控制新技術能夠在機械自動化中發揮不錯的應用效果，但是在應用過程中還是存在一定的問題，比如人才的缺乏、機械設備更新慢等，由于存在這些問題，導致運動控制新技術不能最大限度地發揮其在機械自動化中的應用。下面將對運動控制新技術的應用現狀進行分析。

由于我國機械自動化還處于發展階段，其中所需要的優秀專業人才較缺。只有經驗豐富的專業人才才能夠更好地掌握運動控制技術在機械自動化中應用，提高其應用效果，并且不斷對應用過程進行研究，完善應用效果。但是由于我國缺乏相關的優秀人才，使得運動控制新技術不能更好的發揮應用價值。另外，有些專業技術人員缺乏對理論知識的學習和掌握，導致在實際的操作過程中容易出現各種問題。而且各種技術在不斷更新，運動控制新技術的應用也處于不斷更新之中，有些技術人員沒有與時俱進，不會進行自主學習，使得該技術在機械自動化的應用受到限制，更是缺乏與應用創新的關聯。還有些企業為了節約成本，只需要技術人員能夠掌握機械自動化設備的操作即可，沒有對其進行深入培訓，企業忽略了自動化生產不能完全提高人工操作。正因為這些人為的因素導致運動控制新技術不能完美的實現應用價值，于是在今后的發展中，企業和技術人員需要認識到，為了運動控制新技術的不斷發展，需要對其應用的整個過程有著熟練的掌握，努力提高自身的專業實力，對新技術進行不斷創新應用，盡可能發揮技術的應用的價值。

阻礙運動控制新技術的應用價值除了人為因素之外，還有外在因素。比如在機械自動化中應用運動控制新技術，必然有些機械不能滿足該技術的應用要求，于是需要使用更多其他的新設備。但是由于工業水平發展有限，限制了自動化機械設備的不斷更新，也就使得機械自動化水平較低。然后還有企業沒有對購買的新設備進行及時保養和維修，導致機械設備在加工過程中某些零件出現問題，所以就會降低機械自動化加工的效率和影響產品的質量等問題。為了解決這些問題，提高機械自動化中運動控制新技術的應用，不僅需要提高新技術的發展水平，同時還需要提高機械自動化相關設備的水平。另外，提高相關工作人員的知識儲備和技術能力也不能忽視。

4 結語

相比于傳統的機械生產，機械自動化的應用具有很多優勢，比如能夠在很大程度上提高加工效率、降低成本、降低勞動力等，屬于當代自動化處理的又一大創新技術，加之運動控制新技術應用到機械自動化中，使得機械自動化生產水平得以全面提升。機械自動化中應用使用運動控制新技術還處于發展階段，其中存在的一些問題限制了機械自動化的發展，隨著各種技術的不斷更新發展，運動控制新技術的應用需要進一步研究，希望能夠全面提高該技術在機械自動化中的應用價值。

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