王樹勇

摘 要：文章闡述了工業(yè)自動化與伺服技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，表述了伺服技術(shù)對工業(yè)自動化發(fā)展的重要意義，同時創(chuàng)造性提出廣義伺服系統(tǒng)的概念。在工業(yè)4.0時代，工業(yè)自動化對伺服系統(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)自動化；工業(yè)4.0

在工業(yè)4.0的新時期，人類對工業(yè)自動化的需求不斷上升。在工業(yè)生產(chǎn)中所需要進行的控制、組裝、拼合、檢測、校驗、調(diào)度、優(yōu)化和決策等各個環(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)自動化正是為實現(xiàn)上述需求應(yīng)運而生的一類綜合性高新技術(shù)。在工業(yè)革命3.0時代，以電子計算機技術(shù)應(yīng)用為代表的高新技術(shù)極大推動了工業(yè)自動化的進程，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)起到巨大的促進作用。

與此同時，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴大，伺服技術(shù)也得到長足的發(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)與新型的各個行業(yè)。文章將重點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)自動化概述

工業(yè)自動化是人類一直追求的夢想，它的存在不但能減少人力等投入、釋放勞動壓力，更重要的是提高生產(chǎn)效率，為人類社會創(chuàng)造更多的財富。凡是上述兩目的而進行的工業(yè)改造，均被稱為工業(yè)自動化。從工業(yè)3.0開始，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，更需要代替人完成腦力勞動。在起始階段，工業(yè)自動化主要是指機電一體化。隨著工業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，工業(yè)自動化朝著高精度化、無線化、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)濟進入高速發(fā)展時期。為適應(yīng)減輕勞動成本及批量生產(chǎn)的需要，零件制造業(yè)出現(xiàn)了大量進行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的各類數(shù)控機床和流水線。同時各類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機械實現(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

隨著電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，工業(yè)化進入了新的發(fā)展時期。受市場需求影響，各個工業(yè)行業(yè)均不同程度開展并實現(xiàn)自動化。各行各業(yè)出現(xiàn)了大量自動化設(shè)備，生產(chǎn)流程可由中樞計算機程序控制。不但提高生產(chǎn)效益，減少損耗，而且還能減少勞動者的負擔(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)進入高度智能化時期。以智能機器人生產(chǎn)為代表的新型工業(yè)自動化正逐步推動工業(yè)4.0模式。以云計算、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)為核心的工業(yè)4.0，將帶動工業(yè)自動化進入更高更廣的發(fā)展空間。

2 伺服技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是一種用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(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)的任意變化而自動變化的自動控制系統(tǒng)。輸入變量參數(shù)不僅限于物體的機械位移或位移速度、加速度等傳統(tǒng)的運動變量，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)手段將更加強大。

伺服技術(shù)最早起源于軍事需求，為了達到以小功率指令信號去控制大功率負載，在沒有機械連接的情況下為實現(xiàn)由近端輸入軸同步控制遠端輸出軸并跟蹤電信號目的，人們開發(fā)了機電伺服系統(tǒng)。主要應(yīng)用于軍事船舶的自動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，這項技術(shù)被逐步應(yīng)用于民用工業(yè)，如自動機床、針式打印機等。但由于其存在發(fā)熱大，不易維修等缺點，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，人們陸續(xù)發(fā)明直流伺服電機、永磁交流伺服電機、無刷直流伺服電機等。特點和成本上的差異，使不同類型伺服電機能應(yīng)用于不同工業(yè)中。

隨著移動機器人技術(shù)的發(fā)展，視覺伺服技術(shù)正逐漸成為工業(yè)自動化發(fā)展的新推動技術(shù)。視覺伺服系統(tǒng)是指利用一個或者多個攝像機來感知機器人的位置/姿態(tài)，從而對其位置/方向進行精確控制。它涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的研究，如：計算機視覺、機器人、自動控制、實時計算等。視覺伺服區(qū)別于傳統(tǒng)的機電伺服，在技術(shù)上更依賴于數(shù)據(jù)收集的精度和電子計算機的運算速度。

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

3.1 傳統(tǒng)數(shù)控機床中應(yīng)用

伺服技術(shù)在工業(yè)自動化中最大的應(yīng)用就是電機伺服的應(yīng)用，最主要表現(xiàn)在數(shù)控機床的生產(chǎn)應(yīng)用。其主要作用在于接受來自裝置的系統(tǒng)指令，驅(qū)動機床移動部位跟隨指令脈沖進行相應(yīng)改變，并確?？焖傩耘c準(zhǔn)確性。

3.2 現(xiàn)代包裝行業(yè)中應(yīng)用

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

3.3 機器人視覺伺服應(yīng)用

新型機器人生產(chǎn)主要采用的是視覺伺服。機器人利用視覺硬件收集、分析和判斷產(chǎn)品，并對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)處理結(jié)果對機器人發(fā)出指令，機器人再根據(jù)指令對產(chǎn)品進行各種不同的工藝處理。另外，機器人可與數(shù)控機床聯(lián)動作業(yè)，將機器人的視覺伺服與數(shù)控機床的電機伺服結(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)主要負責(zé)根據(jù)太陽能板接收能量的角度、強度和頻率，判斷日光能量實時效應(yīng)。反饋指令給太陽能接收板，使其及時調(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)的機電伺服與視覺伺服，光伏發(fā)電中的伺服系統(tǒng)能根據(jù)太陽電磁波產(chǎn)生的變化而發(fā)出指令，避免在陰天或太陽磁暴等非正常天氣對太陽能接收板的損耗和誤導(dǎo)。借助大數(shù)據(jù)和云計算，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)電機的工作等。

4 結(jié)束語

文章綜述了工業(yè)自動化和伺服技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，通過列舉分析伺服技術(shù)在傳統(tǒng)數(shù)控機床、包裝機械、機器人視覺伺服及其他方面的應(yīng)用，表明伺服技術(shù)在工業(yè)自動化中發(fā)展的重要性。在工業(yè)4.0的新時代，機電伺服技術(shù)不斷改造升級，在工業(yè)自動化中繼續(xù)扮演重要角色。以視覺伺服和衛(wèi)星定位伺服為代表的新型伺服技術(shù)將工業(yè)自動化帶入更高級別的時代?？偠灾欧夹g(shù)將會為工業(yè)自動化的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

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