淺談伺服技術在工業自動化中的應用與發展

王樹勇

摘 要：文章闡述了工業自動化與伺服技術的發展歷程和現狀，表述了伺服技術對工業自動化發展的重要意義，同時創造性提出廣義伺服系統的概念。在工業4.0時代，工業自動化對伺服系統提出了更高的要求，即：智能化、數字化和全面化。

關鍵詞：伺服技術；工業自動化；工業4.0

在工業4.0的新時期，人類對工業自動化的需求不斷上升。在工業生產中所需要進行的控制、組裝、拼合、檢測、校驗、調度、優化和決策等各個環節，均有提高產能、降低損耗、確保安全和保證質量的需要。工業自動化正是為實現上述需求應運而生的一類綜合性高新技術。在工業革命3.0時代，以電子計算機技術應用為代表的高新技術極大推動了工業自動化的進程，伺服技術也承接著工業革命3.0的浪潮飛速發展，在機械、電器、電子、石化、冶金、電力、交通、印刷、汽車、食品等行業起到巨大的促進作用。

與此同時，隨著應用范圍的不斷擴大，伺服技術也得到長足的發展。狹義的伺服技術僅限在電力電子技術、電機制造技術、大規模集成電路和微處理技術等傳統工業生產領域，而廣義的伺服技術應用于傳統與新型的各個行業。文章將重點探討廣義的伺服技術在全行業中的發展與應用。

1 工業自動化概述

工業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效率，為人類社會創造更多的財富。凡是上述兩目的而進行的工業改造，均被稱為工業自動化。從工業3.0開始，人類就不斷追求以更少的人力完成生產工作。生產設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，工業自動化主要是指機電一體化。隨著工業技術不斷創新和發展，工業自動化朝著高精度化、無線化、智能化、數字化方向高速發展，其發展歷程可大致分為三個階段：

1.1 20世紀50年代至80年代

二戰結束后，全球經濟進入高速發展時期。為適應減輕勞動成本及批量生產的需要，零件制造業出現了大量進行標準化生產的各類數控機床和流水線。同時各類CAD、CAM軟件出現并投入生產一線，使原本需要人工作業的所有工序均能通過機械實現，大幅提高工業生產效益。

1.2 80年代末至21世紀初

隨著電子計算機和互聯網的迅速發展，工業化進入了新的發展時期。受市場需求影響，各個工業行業均不同程度開展并實現自動化。各行各業出現了大量自動化設備，生產流程可由中樞計算機程序控制。不但提高生產效益，減少損耗，而且還能減少勞動者的負擔。

1.3 21世紀初至今

隨著智能科技興起與新型硬件的研發，工業生產進入高度智能化時期。以智能機器人生產為代表的新型工業自動化正逐步推動工業4.0模式。以云計算、大數據和移動互聯網為核心的工業4.0，將帶動工業自動化進入更高更廣的發展空間。

2 伺服技術發展現狀

伺服系統又稱隨動系統，是一種用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。分為狹義的伺服系統和廣義伺服系統兩種。狹義的伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），其結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。廣義伺服系統，是物體的一切變量輸出都能夠跟隨輸入目標的任意變化而自動變化的自動控制系統。輸入變量參數不僅限于物體的機械位移或位移速度、加速度等傳統的運動變量，更包含了如電磁波、衛星定位等綜合參數。在工業4.0時代，廣義伺服系統與其他反饋系統的界限將變得模糊，技術手段將更加強大。

伺服技術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，人們開發了機電伺服系統。主要應用于軍事船舶的自動駕駛和火炮的控制發射，及引申至飛船與導彈的制導。后來，這項技術被逐步應用于民用工業，如自動機床、針式打印機等。但由于其存在發熱大，不易維修等缺點，一直未能得到廣泛應用。隨著控制理論的發展與技術工藝升級，人們陸續發明直流伺服電機、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用于不同工業中。

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

3 伺服技術在工業自動化中的應用現狀

3.1 傳統數控機床中應用

伺服技術在工業自動化中最大的應用就是電機伺服的應用，最主要表現在數控機床的生產應用。其主要作用在于接受來自裝置的系統指令，驅動機床移動部位跟隨指令脈沖進行相應改變，并確保快速性與準確性。

3.2 現代包裝行業中應用

在包裝機械中，伺服技術有著巨大應用。如接縫式裹包機，伺服系統可以根據包裝流水線的位移，對包裝產品實行橫縱切割。如牙膏擰蓋機，伺服系統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定，包裝牙膏蓋的擰裝既不存在松懈同時也能提高生產速度。如可調式明膜三維包裝機，為包裝盒包裝塑料膜，采用伺服驅動控制送膜的長度和速度。

3.3 機器人視覺伺服應用

新型機器人生產主要采用的是視覺伺服。機器人利用視覺硬件收集、分析和判斷產品，并對數據進行處理，根據處理結果對機器人發出指令，機器人再根據指令對產品進行各種不同的工藝處理。另外，機器人可與數控機床聯動作業，將機器人的視覺伺服與數控機床的電機伺服結合一起，利用中樞系統指揮，協同作業。

3.4 光伏發電行業伺服應用

在光伏發電設備中，伺服技術主要負責根據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。反饋指令給太陽能接收板，使其及時調整角度與方向，減少材料損耗，提高發電效益。有別于傳統的機電伺服與視覺伺服，光伏發電中的伺服系統能根據太陽電磁波產生的變化而發出指令，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。借助大數據和云計算，采取最佳光伏發電方案，創造最大效益。

3.5 其他伺服技術應用

此外，在其他工業自動化行業中，伺服技術同樣發揮著巨大作用。如利用海洋洋流水壓變化，伺服系統調整捕魚打撈船舶的速度和方向。根據風速和方向變化，調整風力發電機的工作等。

4 結束語

文章綜述了工業自動化和伺服技術的發展及應用現狀，通過列舉分析伺服技術在傳統數控機床、包裝機械、機器人視覺伺服及其他方面的應用，表明伺服技術在工業自動化中發展的重要性。在工業4.0的新時代，機電伺服技術不斷改造升級，在工業自動化中繼續扮演重要角色。以視覺伺服和衛星定位伺服為代表的新型伺服技術將工業自動化帶入更高級別的時代。總而言之，伺服技術將會為工業自動化的發展發揮重要作用。

參考文獻

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