探究運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用

于淼 張志娟

摘 要：通過對運(yùn)動控制新技術(shù)和機(jī)械自動化進(jìn)行分析，著重探討了運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用。主要分析了4種典型運(yùn)動控制新技術(shù)，分別為直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)和運(yùn)動控制卡技術(shù)，有助于提高我國運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動控制新技術(shù);直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù);全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù);可編程計(jì)算機(jī)控制技術(shù);機(jī)械自動化;應(yīng)用

中圖分類號：TH-39 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0103-05

在工業(yè)領(lǐng)域中離不開各種機(jī)械設(shè)備的使用，并且為了追求產(chǎn)品生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量、低成本，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械自動化技術(shù)隨之發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)方式，自動化技術(shù)的使用在很大程度上提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，還能夠解放勞動力，屬于當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域中使用非常廣泛的技術(shù)[1-3]。在機(jī)械自動化中需要使用運(yùn)動控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械中相關(guān)的控制工作，使得工業(yè)領(lǐng)域達(dá)到更高水平發(fā)展[4-5]。隨著運(yùn)動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外提出了不同的運(yùn)動控制新技術(shù)，各種新技術(shù)的出現(xiàn)使得運(yùn)動控制能夠提高機(jī)械自動化的發(fā)展。本文為了提高運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用水平，探討了幾種不同的具有代表性的運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用。

1 運(yùn)動控制技術(shù)

隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動控制以電機(jī)驅(qū)動為基礎(chǔ)，屬于一種多學(xué)科交叉技術(shù)。其主要作用是能夠在復(fù)雜的條件之下，將預(yù)先設(shè)定的指令或者控制方案變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動，從而可達(dá)到精準(zhǔn)的位置控制、轉(zhuǎn)矩控制或者速度控制[6]。如今在機(jī)械自動化中，很多方面都需要使用到運(yùn)動控制技術(shù)。一般情況下，運(yùn)動控制系統(tǒng)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(jī)和功率驅(qū)動裝置;圖1即為其基本組成結(jié)構(gòu)。

運(yùn)動控制的種類不止一種，按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同可以將其分為3種不同類別，如氣壓、液壓和電機(jī)運(yùn)動控制。在這3種類別中其中電動運(yùn)動控制使用范圍最廣，并且使用活躍度最高[7]。電機(jī)運(yùn)動控制技術(shù)中將電動機(jī)作為控制對象，電力半導(dǎo)體器件應(yīng)用作為基礎(chǔ)，其中需要使用自動控制理論、電機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測和傳感技術(shù)等，可以看出運(yùn)動控制技術(shù)需要使用的相關(guān)技術(shù)非常多，屬于一種多學(xué)科交叉技術(shù)，圖2即為電機(jī)運(yùn)動控制的基本結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)這些相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展之后，運(yùn)動控制技術(shù)也會相應(yīng)的變得更加強(qiáng)大。如今，運(yùn)動控制技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了不同的運(yùn)動控制新技術(shù)，這些新技術(shù)的使用將會給機(jī)械自動化帶來更多的優(yōu)勢和改善。

2 運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用

隨著機(jī)械自動化的不斷使用，其存在的一些問題也在逐漸顯現(xiàn)，只有通過不斷創(chuàng)新，提高機(jī)械技術(shù)的綜合性能，才能使得機(jī)械自動化處于不斷發(fā)展之中。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對運(yùn)動控制技術(shù)進(jìn)行更新，提出了更多的新技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械自動化中，比如直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)、運(yùn)動控制卡技術(shù)等，通過這些運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)械自動化的使用效果。于是本文將針對這幾種運(yùn)動控制新技術(shù)，將其應(yīng)用到機(jī)械自動化中進(jìn)行分析。

2.1 直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

從當(dāng)前的發(fā)展來看，直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在機(jī)械自動化的應(yīng)用非常普遍，而且國內(nèi)外比較重視直線驅(qū)動技術(shù)在自動化機(jī)床中的應(yīng)用。主要原因在于直線驅(qū)動技術(shù)能夠在機(jī)床中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)自動化機(jī)床的高效率工作。比如能夠減少在機(jī)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?yōu)榱?。從而大大?jié)約了傳遞時間，正因?yàn)樵搩?yōu)勢特點(diǎn)，直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在機(jī)械自動化中也被稱為“零傳動”[8]。通過直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，不僅能夠節(jié)約傳送時間，增強(qiáng)機(jī)械自動化在制作指標(biāo)上的整體性能，而且還能夠提升傳輸性能，所以相比于傳統(tǒng)的驅(qū)動傳輸技術(shù)，直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)對機(jī)械自動化更為有利。

另外，由于使用直線驅(qū)動的方式，能夠增加機(jī)床的傳動剛度，繼而在很大程度上能夠增加機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，就會提高機(jī)床加工的效率。在機(jī)械自動化中使用這種技術(shù)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(jī)驅(qū)動技術(shù)雖然能夠使得機(jī)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(jìn)的地方，比如需要對機(jī)床進(jìn)行分析之后才能夠確定將直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)運(yùn)用其中。由于直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯，能夠提高當(dāng)前機(jī)械自動化的發(fā)展，所以在當(dāng)前加工領(lǐng)域中，對直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的重視程度比較低。

而且直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在機(jī)械自動化中應(yīng)用的主要優(yōu)勢還有精度高、響應(yīng)速度快、生產(chǎn)速度快等。在機(jī)械自動化的機(jī)床中由于傳統(tǒng)的絲杠使用，會增加傳動間隙和誤差，通過使用直線電動驅(qū)動技術(shù)之后，能夠取消這種絲杠的使用，從而能夠提高生產(chǎn)過程中定位精度。另外，這些傳動件所需要的響應(yīng)時間會比較大，正因?yàn)槿∠私z杠等機(jī)械傳動件，所以就會提高響應(yīng)速度。

2.2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)

在機(jī)械自動化中使用傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制，這種方式特別容易造成產(chǎn)品的加工精確度不高現(xiàn)象，為了解決這個問題，研究者實(shí)現(xiàn)了一種全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)，這種技術(shù)的使用恰好能夠完美的解決這個問題[9]。將全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械自動化中最重要的一個優(yōu)勢在加工過程，能夠全程穩(wěn)定的保持加工水平的精度控制，從而盡可能地降低生產(chǎn)誤差，使其在誤差范圍之內(nèi)。另外，在有些機(jī)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(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)，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(yùn)動控制的性能。

在全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)中最為核心的部件是驅(qū)動器，通過驅(qū)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(jī)械自動化中所使用的零件，可以說驅(qū)動器是當(dāng)前高水平機(jī)電加工的最好選擇。當(dāng)前處于信息化時代，信息化水平不斷提高，促使了數(shù)字式的交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，并且該系統(tǒng)將會是以后發(fā)展的方向、趨勢，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的主要優(yōu)勢在于使用簡單、操作方便、性能強(qiáng)大，所以對使用者的要求不會過高，將會有比較廣泛的應(yīng)用范圍。全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)的使用，加之信息化的不斷發(fā)展，數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)中核心部件為精度非常高的數(shù)字處理器。處理器作為系統(tǒng)運(yùn)行的大腦，其發(fā)出的指令使用數(shù)字信號進(jìn)行表達(dá)，然后還需要使用電機(jī)軸后端設(shè)置光電編碼器，從而得到位置信息，最后形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中使用數(shù)字處理器進(jìn)行處理分析，使得機(jī)械自動化變得更加高效，能夠全自動高效的對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)度，另外，通過使用這種技術(shù)，還能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時跟蹤，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢，有利于操作人員對系統(tǒng)運(yùn)行狀況的了解。

如今，全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，其中主要在許多精密的機(jī)電加工領(lǐng)域中使用較多。由于這種技術(shù)的使用效果非常好，能夠降低機(jī)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?qū)C(jī)械自動化加工過程中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行實(shí)時的、靈活的補(bǔ)償。該技術(shù)的使用能夠從整體上提高機(jī)械自動化的精確度，進(jìn)而增強(qiáng)生產(chǎn)能效，所以在不斷發(fā)展過程中，逐漸替代了傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制技術(shù)。國外對全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用更為深入，已經(jīng)出現(xiàn)了一種非常完美的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的控制原理如圖3所示。這種系統(tǒng)能夠克服半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，能夠消除機(jī)械傳動上的間隙，補(bǔ)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(jī)械自動化的精度。

2.3 可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制不能同時執(zhí)行多個任務(wù)，并且控制速度受到應(yīng)用程序的限制，于是就會導(dǎo)致運(yùn)行速度慢，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時性的運(yùn)行效果，就會導(dǎo)致機(jī)械自動化生產(chǎn)過慢。自從可編程序控制器的發(fā)明，該控制器的優(yōu)勢十分明顯。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)在發(fā)生了比較大的變化，其功能和性能變得更加優(yōu)異，能夠在軟硬件的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)重要作用，并且逐步發(fā)展成可編程計(jì)算機(jī)控制器。該控制器屬于新一代的控制器，相比于傳統(tǒng)的可編程序控制器，可編程計(jì)算機(jī)控制器趨于多樣化的應(yīng)用軟件或者分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠解決可編程序控制器控制速度受限制、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制要求的問題[10]。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的可編程序控制器大多使用單任務(wù)的時鐘掃描或者監(jiān)控程序，用這樣一種方式對自身的邏輯進(jìn)行運(yùn)算，然后采集和刷新相關(guān)狀態(tài)，所以就不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，并且控制速度會依賴于應(yīng)用程序大小;而可編程計(jì)算機(jī)控制器使用的是分時多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺，無論程序長短如何，應(yīng)用程序運(yùn)行的時間與之無關(guān)。只與操作系統(tǒng)的循環(huán)周期有關(guān)，所以該控制器的控制速度不會受到應(yīng)用程序的制約，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時控制的要求。

機(jī)械自動化中涉及到不同的應(yīng)用軟件，在軟件開發(fā)過程中使用可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)能夠帶來很多便利。因?yàn)榭删幊逃?jì)算機(jī)控制器器中的應(yīng)用程序使用多任務(wù)模塊構(gòu)成，于是能夠根據(jù)實(shí)際的控制項(xiàng)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(dú)立個體，能夠獨(dú)立運(yùn)行;但是模塊之間的數(shù)據(jù)具有相互關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并行運(yùn)行的效果。

可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)在機(jī)械自動化的應(yīng)用中還處于發(fā)展階段，從當(dāng)前看來，該技術(shù)具有的優(yōu)勢十分明顯，體現(xiàn)了不同技術(shù)之間的相互融合，從而具有強(qiáng)大的功能性。隨著其應(yīng)用范圍的不斷增加，可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)的應(yīng)用效果將會更加強(qiáng)大，在未來的發(fā)展中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.4 運(yùn)動控制卡技術(shù)

近年來，運(yùn)動控制卡技術(shù)在機(jī)械自動化具有廣泛的應(yīng)用，它是一種基于工業(yè)PC機(jī)上實(shí)施的整體單元控制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)λ俣冗M(jìn)行有效控制，用于不同運(yùn)動控制場合的上位控制單元[11]。運(yùn)動控制卡技術(shù)之所以具有廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槟軌驖M足新型數(shù)控系統(tǒng)的各種要求，比如開放性、標(biāo)準(zhǔn)化等，能夠?qū)Σ煌瑱C(jī)械設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和改造，而且PC機(jī)的廣泛使用，同樣會提高相應(yīng)控制卡的使用。因?yàn)榭刂瓶夹g(shù)能夠充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。

運(yùn)動控制卡技術(shù)在應(yīng)用過程中，其中最為關(guān)鍵的運(yùn)動控制核心就是專業(yè)運(yùn)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(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制[12]。運(yùn)動控制卡技術(shù)的使用，會基于PC機(jī)進(jìn)行使用，這兩者關(guān)系屬于主從式的控制結(jié)構(gòu)，其中PC機(jī)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控工作，還有人機(jī)交互界面的管理，而運(yùn)動控制卡的主要任務(wù)是完成運(yùn)動控制的所有細(xì)節(jié)，比如對相應(yīng)信號的檢測等。從中可以看出，運(yùn)動控制卡和PC機(jī)在控制過程中不會同時進(jìn)行，而是屬于一種從屬控制關(guān)系。運(yùn)動控制卡技術(shù)還具有非常豐富的公開函數(shù)數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫能夠提供給用戶根據(jù)自身需求在Windows和DOS系統(tǒng)平臺上自行開發(fā)一種控制系統(tǒng)，該優(yōu)勢同樣也促進(jìn)了運(yùn)動控制卡技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用。

由于運(yùn)動控制卡技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，使其在國外機(jī)械自動化的控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，使得運(yùn)動控制卡成為了一種專門行業(yè)。有很多科研人員對其進(jìn)行深入的、廣泛的研究，并且在國內(nèi)外不斷的研究過程中，已經(jīng)出現(xiàn)了不同的運(yùn)動控制卡產(chǎn)品，并且應(yīng)用到不同行業(yè)中的自動化機(jī)械設(shè)備中。

3 運(yùn)動控制新技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著運(yùn)動控制新技術(shù)的不斷使用，技術(shù)的功能變得更加強(qiáng)大，能夠提高機(jī)械自動化的控制精度，使得機(jī)械加工過程變得更加迅速和有效。從當(dāng)前來看，雖然運(yùn)動控制新技術(shù)能夠在機(jī)械自動化中發(fā)揮不錯的應(yīng)用效果，但是在應(yīng)用過程中還是存在一定的問題，比如人才的缺乏、機(jī)械設(shè)備更新慢等，由于存在這些問題，導(dǎo)致運(yùn)動控制新技術(shù)不能最大限度地發(fā)揮其在機(jī)械自動化中的應(yīng)用。下面將對運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

由于我國機(jī)械自動化還處于發(fā)展階段，其中所需要的優(yōu)秀專業(yè)人才較缺。只有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人才才能夠更好地掌握運(yùn)動控制技術(shù)在機(jī)械自動化中應(yīng)用，提高其應(yīng)用效果，并且不斷對應(yīng)用過程進(jìn)行研究，完善應(yīng)用效果。但是由于我國缺乏相關(guān)的優(yōu)秀人才，使得運(yùn)動控制新技術(shù)不能更好的發(fā)揮應(yīng)用價值。另外，有些專業(yè)技術(shù)人員缺乏對理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，導(dǎo)致在實(shí)際的操作過程中容易出現(xiàn)各種問題。而且各種技術(shù)在不斷更新，運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用也處于不斷更新之中，有些技術(shù)人員沒有與時俱進(jìn)，不會進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，使得該技術(shù)在機(jī)械自動化的應(yīng)用受到限制，更是缺乏與應(yīng)用創(chuàng)新的關(guān)聯(lián)。還有些企業(yè)為了節(jié)約成本，只需要技術(shù)人員能夠掌握機(jī)械自動化設(shè)備的操作即可，沒有對其進(jìn)行深入培訓(xùn)，企業(yè)忽略了自動化生產(chǎn)不能完全提高人工操作。正因?yàn)檫@些人為的因素導(dǎo)致運(yùn)動控制新技術(shù)不能完美的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價值，于是在今后的發(fā)展中，企業(yè)和技術(shù)人員需要認(rèn)識到，為了運(yùn)動控制新技術(shù)的不斷發(fā)展，需要對其應(yīng)用的整個過程有著熟練的掌握，努力提高自身的專業(yè)實(shí)力，對新技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新應(yīng)用，盡可能發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用的價值。

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

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械生產(chǎn)，機(jī)械自動化的應(yīng)用具有很多優(yōu)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(dāng)代自動化處理的又一大創(chuàng)新技術(shù)，加之運(yùn)動控制新技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械自動化中，使得機(jī)械自動化生產(chǎn)水平得以全面提升。機(jī)械自動化中應(yīng)用使用運(yùn)動控制新技術(shù)還處于發(fā)展階段，其中存在的一些問題限制了機(jī)械自動化的發(fā)展，隨著各種技術(shù)的不斷更新發(fā)展，運(yùn)動控制新技術(shù)的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究，希望能夠全面提高該技術(shù)在機(jī)械自動化中的應(yīng)用價值。

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