浅谈伺服技术在工业自动化中的应用与发展

王树勇

摘 要：文章阐述了工业自动化与伺服技术的发展历程和现状，表述了伺服技术对工业自动化发展的重要意义，同时創造性提出广义伺服系统的概念。在工业4.0时代，工业自动化对伺服系统提出了更高的要求，即：智能化、数字化和全面化。

关键词：伺服技术；工业自动化；工业4.0

在工业4.0的新时期，人类对工业自动化的需求不断上升。在工业生产中所需要进行的控制、组装、拼合、检测、校验、调度、优化和决策等各个环节，均有提高产能、降低损耗、确保安全和保证质量的需要。工业自动化正是为实现上述需求应运而生的一类综合性高新技术。在工业革命3.0时代，以电子计算机技术应用为代表的高新技术极大推动了工业自动化的进程，伺服技术也承接着工业革命3.0的浪潮飞速发展，在机械、电器、电子、石化、冶金、电力、交通、印刷、汽车、食品等行业起到巨大的促进作用。

与此同时，随着应用范围的不断扩大，伺服技术也得到长足的发展。狭义的伺服技术仅限在电力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路和微处理技术等传统工业生产领域，而广义的伺服技术应用于传统与新型的各个行业。文章将重点探讨广义的伺服技术在全行业中的发展与应用。

1 工业自动化概述

工业自动化是人类一直追求的梦想，它的存在不但能减少人力等投入、释放劳动压力，更重要的是提高生产效率，为人类社会创造更多的财富。凡是上述两目的而进行的工业改造，均被称为工业自动化。从工业3.0开始，人类就不断追求以更少的人力完成生产工作。生产设备不但要代替人完成体力劳动，更需要代替人完成脑力劳动。在起始阶段，工业自动化主要是指机电一体化。随着工业技术不断创新和发展，工业自动化朝着高精度化、无线化、智能化、数字化方向高速发展，其发展历程可大致分为三个阶段：

1.1 20世纪50年代至80年代

二战结束后，全球经济进入高速发展时期。为适应减轻劳动成本及批量生产的需要，零件制造业出现了大量进行标准化生产的各类数控机床和流水线。同时各类CAD、CAM软件出现并投入生产一线，使原本需要人工作业的所有工序均能通过机械实现，大幅提高工业生产效益。

1.2 80年代末至21世纪初

随着电子计算机和互联网的迅速发展，工业化进入了新的发展时期。受市场需求影响，各个工业行业均不同程度开展并实现自动化。各行各业出现了大量自动化设备，生产流程可由中枢计算机程序控制。不但提高生产效益，减少损耗，而且还能减少劳动者的负担。

1.3 21世纪初至今

随着智能科技兴起与新型硬件的研发，工业生产进入高度智能化时期。以智能机器人生产为代表的新型工业自动化正逐步推动工业4.0模式。以云计算、大数据和移动互联网为核心的工业4.0，将带动工业自动化进入更高更广的发展空间。

2 伺服技术发展现状

伺服系统又称随动系统，是一种用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。分为狭义的伺服系统和广义伺服系统两种。狭义的伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。广义伺服系统，是物体的一切变量输出都能够跟随输入目标的任意变化而自动变化的自动控制系统。输入变量参数不仅限于物体的机械位移或位移速度、加速度等传统的运动变量，更包含了如电磁波、卫星定位等综合参数。在工业4.0时代，广义伺服系统与其他反馈系统的界限将变得模糊，技术手段将更加强大。

伺服技术最早起源于军事需求，为了达到以小功率指令信号去控制大功率负载，在没有机械连接的情况下为实现由近端输入轴同步控制远端输出轴并跟踪电信号目的，人们开发了机电伺服系统。主要应用于军事船舶的自动驾驶和火炮的控制发射，及引申至飞船与导弹的制导。后来，这项技术被逐步应用于民用工业，如自动机床、针式打印机等。但由于其存在发热大，不易维修等缺点，一直未能得到广泛应用。随着控制理论的发展与技术工艺升级，人们陆续发明直流伺服电机、永磁交流伺服电机、无刷直流伺服电机等。特点和成本上的差异，使不同类型伺服电机能应用于不同工业中。

随着移动机器人技术的发展，视觉伺服技术正逐渐成为工业自动化发展的新推动技术。视觉伺服系统是指利用一个或者多个摄像机来感知机器人的位置/姿态，从而对其位置/方向进行精确控制。它涉及多个学科领域的研究，如：计算机视觉、机器人、自动控制、实时计算等。视觉伺服区别于传统的机电伺服，在技术上更依赖于数据收集的精度和电子计算机的运算速度。

3 伺服技术在工业自动化中的应用现状

3.1 传统数控机床中应用

伺服技术在工业自动化中最大的应用就是电机伺服的应用，最主要表现在数控机床的生产应用。其主要作用在于接受来自装置的系统指令，驱动机床移动部位跟随指令脉冲进行相应改变，并确保快速性与准确性。

3.2 现代包装行业中应用

在包装机械中，伺服技术有着巨大应用。如接缝式裹包机，伺服系统可以根据包装流水线的位移，对包装产品实行横纵切割。如牙膏拧盖机，伺服系统可将拧盖速度与牙膏物料输送速度同步，同时也能对拧盖力度进行设定，包装牙膏盖的拧装既不存在松懈同时也能提高生产速度。如可调式明膜三维包装机，为包装盒包装塑料膜，采用伺服驱动控制送膜的长度和速度。

3.3 机器人视觉伺服应用

新型机器人生产主要采用的是视觉伺服。机器人利用视觉硬件收集、分析和判断产品，并对数据进行处理，根据处理结果对机器人发出指令，机器人再根据指令对产品进行各种不同的工艺处理。另外，机器人可与数控机床联动作业，将机器人的视觉伺服与数控机床的电机伺服结合一起，利用中枢系统指挥，协同作业。

3.4 光伏发电行业伺服应用

在光伏发电设备中，伺服技术主要负责根据太阳能板接收能量的角度、强度和频率，判断日光能量实时效应。反馈指令给太阳能接收板，使其及时调整角度与方向，减少材料损耗，提高发电效益。有别于传统的机电伺服与视觉伺服，光伏发电中的伺服系统能根据太阳电磁波产生的变化而发出指令，避免在阴天或太阳磁暴等非正常天气对太阳能接收板的损耗和误导。借助大数据和云计算，采取最佳光伏发电方案，创造最大效益。

3.5 其他伺服技术应用

此外，在其他工业自动化行业中，伺服技术同样发挥着巨大作用。如利用海洋洋流水压变化，伺服系统调整捕鱼打捞船舶的速度和方向。根据风速和方向变化，调整风力发电机的工作等。

4 结束语

文章综述了工业自动化和伺服技术的发展及应用现状，通过列举分析伺服技术在传统数控机床、包装机械、机器人视觉伺服及其他方面的应用，表明伺服技术在工业自动化中发展的重要性。在工业4.0的新时代，机电伺服技术不断改造升级，在工业自动化中继续扮演重要角色。以视觉伺服和卫星定位伺服为代表的新型伺服技术将工业自动化带入更高级别的时代。总而言之，伺服技术将会为工业自动化的发展发挥重要作用。

参考文献

[1]丁信忠.基于工业以太网的总线型交流伺服系统关键技术研究[D].山东：山东大学，2012.

[2]肖永清.谈工业控制电气伺服驱动技术及其发展[J].机床电气，2012（5）.

[3]李阳.基于结构光的机器人视觉伺服控制的研究[D].山东：青岛科技大学，2014.