運(yùn)動控制技術(shù)在機(jī)械工業(yè)自動化中的應(yīng)用

摘要：在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的大環(huán)境下，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)受高新技術(shù)的影響，獲得了進(jìn)一步的優(yōu)化發(fā)展。在這種環(huán)境的影響下，機(jī)械工作這個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也慢慢開展了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)改革。因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，各國的機(jī)電一體化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。運(yùn)動控制技術(shù)是機(jī)電一體化中的重要構(gòu)成部分，其在當(dāng)前也獲得了較好的發(fā)展。文章重點(diǎn)介紹了計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)以及運(yùn)動控制卡技術(shù)多項(xiàng)極具象征性的新技術(shù)，而后對今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;機(jī)械工業(yè)自動化;運(yùn)動控制技術(shù)

中圖分類號：TH-39? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）04-0000-00

0 引言

由于受到高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的影響，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)獲得新的革新發(fā)展機(jī)遇。機(jī)械工業(yè)作為一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，新技術(shù)的應(yīng)用令其產(chǎn)品結(jié)合和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)了巨大改變。微計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，加快了機(jī)械工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化發(fā)展的速度。機(jī)電一體化技術(shù)持續(xù)性的改革，讓機(jī)電一體化產(chǎn)品在一定時(shí)間段都會有全新進(jìn)展。在現(xiàn)代生活與生產(chǎn)中，機(jī)電一體化技術(shù)起到了非常重要的作業(yè)，進(jìn)一步提高了人們的生活水平和工作效率，減少了材料消耗，提高了企業(yè)的核心競爭力。

1 機(jī)械自動化技術(shù)分析

伴隨著數(shù)控技術(shù)與工業(yè)自動化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，隨之衍生了運(yùn)動控制技術(shù)，其是通過對機(jī)械運(yùn)動部件的速度與位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，讓機(jī)械設(shè)備根據(jù)既定的運(yùn)動參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動任務(wù)。運(yùn)動控制器最初形態(tài)是可獨(dú)立運(yùn)作的專用控制器，具有能夠獨(dú)立完成運(yùn)動控制功能、人機(jī)交互功能以及工藝技術(shù)要求等諸多功能。

國內(nèi)工業(yè)的迅猛發(fā)展離不開現(xiàn)代機(jī)械研發(fā)與制造領(lǐng)域發(fā)展，通過在工業(yè)領(lǐng)域中運(yùn)用各項(xiàng)新技術(shù)與新型機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)我國工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展改革的效果。各項(xiàng)新型技術(shù)與新型機(jī)械設(shè)備的推廣程度與應(yīng)用效果，成為了一種衡量相關(guān)企業(yè)發(fā)展情況的標(biāo)準(zhǔn)。從某種角度上來說，在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中，機(jī)械自動化的高效運(yùn)用已經(jīng)成為了重要的發(fā)展目標(biāo)之一。

從一定程度上來說，應(yīng)用機(jī)械自動化技術(shù)令機(jī)械生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動化與智能化，從而有效減少了生產(chǎn)過程中的人力成本和物力成本，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率以及對資源的利用率，可以較好的推進(jìn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。不僅如此，企業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用機(jī)械自動化技術(shù)，在投入同等的生產(chǎn)資料的情況下，可以具有更高的產(chǎn)出，有效提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，并且還可以確保機(jī)械設(shè)備在智能化控制系統(tǒng)的管理下，實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)作。而且智能化監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱藏的機(jī)械故障，并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，以此為機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供保障[1]。此外，從國內(nèi)機(jī)械工業(yè)總體來看，傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)模式是一種粗放式生產(chǎn)模式，只能通過數(shù)量來彌補(bǔ)質(zhì)量上的不足。如此一來，企業(yè)生產(chǎn)就容易出現(xiàn)資源與能源浪費(fèi)情況，從而降低經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械自動化技術(shù)運(yùn)用于生產(chǎn)中，有助于創(chuàng)新并改進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，從而在投入相同的資源與能源情況下，大幅提高工業(yè)產(chǎn)出，并有效節(jié)約資源。

當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域中，主要應(yīng)用到了各種機(jī)械制造技術(shù)，同時(shí)在生產(chǎn)方面促使相關(guān)機(jī)械設(shè)備逐漸實(shí)現(xiàn)了自動化，進(jìn)而讓工業(yè)生產(chǎn)制造實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化，讓工業(yè)生產(chǎn)效率始終保持在較高水平。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與相關(guān)的傳感技術(shù)進(jìn)一步的融合發(fā)展，不僅為機(jī)械自動化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的運(yùn)用提供了強(qiáng)大動力，讓工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了有效的監(jiān)管與控制，還令此項(xiàng)技術(shù)獲得了進(jìn)一步的創(chuàng)新與優(yōu)化，讓其的實(shí)用性獲得加強(qiáng)[2]。特別是此項(xiàng)技術(shù)使用發(fā)展過程中和更多科技深度結(jié)合后，獲得了更加廣闊的發(fā)展空間，讓傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)巨大變革，并且在機(jī)械自動化技術(shù)的推進(jìn)下獲得了更好的發(fā)展。

但盡管自動化技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，并且因?yàn)樵诠I(yè)領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛運(yùn)用，促使工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了自動化、智能化及便捷化，但也正因?yàn)榇?，致使我國工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過度依賴自動化技術(shù)，加之受內(nèi)外部各方面因素的影響。除此之外，也有一些企業(yè)生產(chǎn)并不熱衷于自動化技術(shù)，在生產(chǎn)中較少運(yùn)用自動化技術(shù)，使自動化技術(shù)的有效運(yùn)用受到限制。因此，企業(yè)需要加強(qiáng)重視自身自動化技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展動因，從而采取對應(yīng)的措施來消除不利因素帶來的影響，進(jìn)而促使社會生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動化。當(dāng)然，自動化技術(shù)并不是完全成熟的，還存在些許不足，無法完全代替人工生產(chǎn)。因此，工業(yè)領(lǐng)域在重視自動化技術(shù)的運(yùn)用同時(shí)，同樣需要重視人工生產(chǎn)，把自動化技術(shù)與人工生產(chǎn)相結(jié)合，進(jìn)一步提高社會生產(chǎn)能力。

2 機(jī)械自動化中運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)械自動化技術(shù)在不斷的發(fā)展，相關(guān)的機(jī)電一體化在化工機(jī)械、冶金機(jī)械等行業(yè)中的重視度也日益提高。但是運(yùn)動控制技術(shù)在機(jī)電一體化技術(shù)中，又屬重要構(gòu)成部分，在機(jī)械自動化技術(shù)中運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，可以促使運(yùn)動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展。

2.1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

可編程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在我國歷經(jīng)了三十多年的發(fā)展歷程，并慢慢變成了一種比較完善的技術(shù)，同時(shí)隨著和計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子的結(jié)合，演變成了更為新型的可編程序計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)。相對比傳統(tǒng)控制器技術(shù)，這種技術(shù)可以更好的實(shí)現(xiàn)多重任務(wù)分時(shí)與即時(shí)操作、應(yīng)用軟件多樣化設(shè)計(jì)。不再是以往單任務(wù)分別以時(shí)鐘掃描、監(jiān)控程序?yàn)榛A(chǔ)處理自身和外部指令、信號狀態(tài)采集的過程，可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)大幅度提高了處理速度，符合信號出入通道實(shí)時(shí)性要求。依靠多任務(wù)分時(shí)處理運(yùn)行平臺，程序長短將不是運(yùn)行周期受影響的主控因素，而更多是循環(huán)周期，可以更好的體現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求[3]。因此說，可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)對行業(yè)工程應(yīng)用軟件開發(fā)有著較大幫助，在如數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)通信等方面具有快速、高效、相互獨(dú)立的優(yōu)勢。

2.2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用數(shù)字式交流伺服驅(qū)動技術(shù)能夠讓精準(zhǔn)度顯著提高，從而更加符合數(shù)字化控制模式的發(fā)展形勢。全閉環(huán)伺服驅(qū)動技術(shù)按照實(shí)現(xiàn)的手段和方式可以分為兩大類：

（1）通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。使用通訊型伺服驅(qū)動器和絕對值型伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)自動運(yùn)行，PLC或運(yùn)動控制器通過通訊的方式控制驅(qū)動器指令讓電機(jī)運(yùn)行至預(yù)設(shè)的位置，驅(qū)動器通過通訊反饋及負(fù)反饋確定電機(jī)的實(shí)時(shí)位置。缺點(diǎn)是僅僅能夠保障電機(jī)運(yùn)行到預(yù)設(shè)定位的位置，而機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)實(shí)際有沒有到位不能夠保證，而且由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)的加工和運(yùn)行誤差問題，不能確保實(shí)現(xiàn)高精度定位[4]。

（2）通過機(jī)械實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。通過在電機(jī)負(fù)載側(cè)的移動機(jī)構(gòu)上加裝絕對值編碼器（圓周運(yùn)動機(jī)構(gòu)）或位移傳感器（直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)），通過應(yīng)用PLC技術(shù)或運(yùn)動控制器技術(shù)選擇PID算法及控制器的方式，對伺服驅(qū)動器采用速度模式控制，并由外部的絕對值編碼器或位移傳感器反饋負(fù)反饋機(jī)械結(jié)構(gòu)當(dāng)前的實(shí)際位置來實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的方式。這種方式可以更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，提高運(yùn)行精度和效率，不受加工精度和傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度的影響，更加準(zhǔn)確控制預(yù)設(shè)的運(yùn)動位置。因?yàn)樵谡{(diào)試時(shí)不斷的要對PID參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整，調(diào)試過程相對繁瑣，但其定位精度較高，可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。

2.3 直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用

近些年來，數(shù)字化加工中心和數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中普遍應(yīng)用了直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，同時(shí)獲得機(jī)電行業(yè)的認(rèn)同。尤其是在西歐發(fā)達(dá)國家工業(yè)領(lǐng)域中，掀起了一場“直線電機(jī)熱”。對比以往的旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動而言，數(shù)字化加工中心與數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了直線電機(jī)用于直接驅(qū)動，具有的最大優(yōu)勢就是消除了由電機(jī)旋轉(zhuǎn)動力通過絲杠等傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成工作臺進(jìn)給直線運(yùn)動環(huán)節(jié)，直線電機(jī)能夠?qū)㈦娏χ苯愚D(zhuǎn)換作為進(jìn)給直線運(yùn)動的動力，這種傳動方式也因此稱作“零傳動”[5]。這種方式的運(yùn)用，讓機(jī)床創(chuàng)新獲得了原本旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動形式難以具備的優(yōu)勢與功能。而所具備的優(yōu)勢與功能主要體現(xiàn)在幾方面：

（1）快速反應(yīng)。因?yàn)樗欧到y(tǒng)中不再具有部分反應(yīng)時(shí)間比較久的機(jī)械傳動件，這大幅度提高了全閉環(huán)控制系統(tǒng)整體的效率，更加直接且快速;

（2）高精度。直線電機(jī)驅(qū)動不再具有因?yàn)榻z杠傳動系統(tǒng)制造與裝配精度問題而導(dǎo)致出現(xiàn)加工誤差與間隙問題，插補(bǔ)運(yùn)動中因傳動系統(tǒng)而可能出現(xiàn)的跟蹤誤差被減少，通過直線定位檢測反饋控制方式，使機(jī)床的進(jìn)給精度大幅度提升;

（3）高傳動剛度。因?yàn)椴扇≈苯域?qū)動方式在進(jìn)行氣動、變速、換向過程中，不會由于絲杠過細(xì)過長引起變形，絲杠絲母長期運(yùn)行產(chǎn)生磨損導(dǎo)致間隙過大而出現(xiàn)進(jìn)給精度下降的情況，有效提高了傳動系統(tǒng)的剛性;

（4）行程長度不再受限。導(dǎo)軌采用串聯(lián)直線電機(jī)，能夠不受限制的延長導(dǎo)軌的行程長度，具備了以往間接驅(qū)動系統(tǒng)不能比較的優(yōu)越性;

（5）噪音小。機(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音必須遠(yuǎn)小于國家有關(guān)部門發(fā)布的最大分貝要求，最大程度的保護(hù)操作工人的身體健康。采取直接電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)因?yàn)橄私z杠運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械噪音，并且其導(dǎo)軌也采取滾動導(dǎo)軌與磁懸浮導(dǎo)軌，所以在一定程度上減少了運(yùn)動中的噪音;

（6）效率高。去除了機(jī)械中間環(huán)節(jié)，機(jī)械傳動摩擦發(fā)熱而出現(xiàn)能力損耗的情況不再出現(xiàn)，傳動效率大大提高。

2.4 運(yùn)動控制卡技術(shù)應(yīng)用

此項(xiàng)技術(shù)主要在各類運(yùn)動控制中的上位控制單元方面獲得應(yīng)用，其是機(jī)械工業(yè)自動化發(fā)展中的一種運(yùn)動控制新技術(shù)，和新型數(shù)控系統(tǒng)的各種指標(biāo)和規(guī)范相符，并滿足包裝機(jī)械裝備以及印刷設(shè)備這類硬件平臺的改造需求，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人計(jì)算機(jī)憑借此項(xiàng)技術(shù)齊全的功能特征。此項(xiàng)技術(shù)通常是將專業(yè)運(yùn)動控制芯片當(dāng)做運(yùn)動控制的重點(diǎn)，一般情況下，運(yùn)動控制卡與個(gè)人計(jì)算機(jī)會形成主從式控制結(jié)構(gòu)。運(yùn)動控制卡將相對開放的視窗操作系統(tǒng)或磁盤操作系統(tǒng)等當(dāng)做控制系統(tǒng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)就控制著運(yùn)動軌跡規(guī)劃、鼠標(biāo)管理以及鍵盤管理等。此項(xiàng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)開放優(yōu)勢，所以在機(jī)械制造工業(yè)自動化較多領(lǐng)域中獲得應(yīng)用[6]。

3 今后的發(fā)展方向

3.1 大環(huán)境的影響

我國工業(yè)機(jī)械化程度已位于全球前幾，各大行業(yè)都在進(jìn)行機(jī)械化轉(zhuǎn)型，逐步向著智能化前幾，在國家大環(huán)境作用下，國內(nèi)企業(yè)發(fā)展日新月異。運(yùn)動控制技術(shù)有了更大的發(fā)展空間，有關(guān)專業(yè)人才開始從科班出來，且可以在企業(yè)環(huán)境下成長。運(yùn)動控制技術(shù)在機(jī)械自動化中地位越發(fā)重要，運(yùn)動控制將主要獲得以上幾方面的的發(fā)展。隨著今后科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)更加精密、高效率的運(yùn)動控制技術(shù)[7]。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新是發(fā)展的源動力

設(shè)備再精密、再先進(jìn)也離不開人的設(shè)計(jì)和人的控制等，運(yùn)動控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用都需要依靠人才。機(jī)械化實(shí)現(xiàn)從信息化向著智能化轉(zhuǎn)型，今后還將會有更加先進(jìn)的層次出來，這都離不開人的發(fā)展和培養(yǎng)。發(fā)展的最直接方式就是創(chuàng)新，特別是技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新，創(chuàng)新是技術(shù)持續(xù)領(lǐng)先的必要性方式。運(yùn)動控制技術(shù)更加如此，需要加強(qiáng)創(chuàng)新，在提高精密度與效率的同時(shí)，增強(qiáng)整個(gè)配套的能力。

4 結(jié)語

總之，機(jī)械工業(yè)自動化就是把現(xiàn)代電子信息技術(shù)和智能化技術(shù)作為載體，從而讓企業(yè)機(jī)械制造可以獲得又一次技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)自動化處理，可以在大幅度節(jié)省人力成本的同時(shí)，讓機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率也隨之提高。機(jī)械自動化當(dāng)中所運(yùn)用的運(yùn)動控制新技術(shù)，讓機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)水平獲得進(jìn)一步提高，且生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益都大幅度提升。運(yùn)動控制技術(shù)的應(yīng)用，是多項(xiàng)新型技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的革新，讓企業(yè)的競爭力和科學(xué)性都獲得提高。在提升各行業(yè)生產(chǎn)效率，降低能源消耗方面，都有著重要作用，可以推進(jìn)國內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)朝著更好的方向前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 段閃閃，劉曉光.機(jī)械工業(yè)自動化中的運(yùn)動控制技術(shù)的運(yùn)用研究[J].工程技術(shù)：文摘版，2019（8）：252.

[2] 潘琦，鄭淮棱.機(jī)械工業(yè)自動化中的運(yùn)動控制技術(shù)的運(yùn)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（16）：27.

[3] 徐曉龍.機(jī)械工業(yè)自動化中的運(yùn)動控制新技術(shù)[J].科學(xué)與財(cái)富，2019（2）：72.

[4] 王浩田.淺析機(jī)械工業(yè)自動化中運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2018（14）：232.

[5] 王明強(qiáng)，逄明輝，呂春全.機(jī)械自動化中的運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用探討[J].名城繪，2018（9）：410.

[6] 呂燕.工業(yè)自動化運(yùn)動控制技術(shù)的運(yùn)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（17）：109-110.

[7] 王英臣.PLC技術(shù)的工業(yè)自動化控制研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（18）：151-152.

收稿日期：2021-02-10

作者簡介：王天宇，男，河北石家莊人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。

Application of Motion Control Technology in Automation of Machinery Industry

WANG Tianyu

（North China University of Technology，? Shijiazhuang? Hebei? 050031）

Abstract： In the context of the continuous advancement of modern science and technology， traditional industries have been further optimized and developed under the influence of high technology. Under the influence of this environment， the traditional industry of mechanical work has slowly carried out a large-scale technical reform of mechatronics. Because of the rapid development of electronic computer technology， electronic power technology， and sensor technology， mechatronics products in various countries continue to emerge. Motion control technology is an important part of mechatronics， and it has also achieved better development at present. The article focuses on the computer controller technology， the fully closed loop AC servo drive technology， the linear motor drive technology and the motion control card technology many symbolic new technologies， and then prospects for the future development direction.

Keywords：mechatronics; machinery industry automation; motion control technology