探究运动控制新技术在机械自动化中的应用

2022-04-01于淼张志娟

粘接 2022年2期

于淼张志娟

摘要：通过对运动控制新技术和机械自动化进行分析，着重探讨了运动控制新技术在机械自动化中的应用。主要分析了4种典型运动控制新技术，分别为直线电机驱动技术、全闭环交流伺服驱动技术、可编程计算机控制器技术和运动控制卡技术，有助于提高我国运动控制新技术在机械自动化中的应用价值。

关键词：运动控制新技术;直线电机驱动技术;全闭环交流伺服驱动技术;可编程计算机控制技术;机械自动化;应用

中图分类号：TH-39 文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0103-05

在工业领域中离不开各种机械设备的使用，并且为了追求产品生产的高效率、高质量、低成本，随着电子技术、计算机技术、智能技术等各种先进技术的发展，机械自动化技术随之发展。相比于传统的机械生产方式，自动化技术的使用在很大程度上提高生产效率，降低加工成本，还能够解放劳动力，属于当前工业领域中使用非常广泛的技术[1-3]。在机械自动化中需要使用运动控制技术，从而实现机械中相关的控制工作，使得工业领域达到更高水平发展[4-5]。随着运动控制技术的不断发展，国内外提出了不同的运动控制新技术，各种新技术的出现使得运动控制能够提高机械自动化的发展。本文为了提高运动控制新技术在机械自动化中的应用水平，探讨了几种不同的具有代表性的运动控制新技术的应用。

1 运动控制技术

随着相关学科技术的不断发展，运动控制以电机驱动为基础，属于一种多学科交叉技术。其主要作用是能够在复杂的条件之下，将预先设定的指令或者控制方案变为期望的机械运动，从而可达到精准的位置控制、转矩控制或者速度控制[6]。如今在机械自动化中，很多方面都需要使用到运动控制技术。一般情况下，运动控制系统主要有3个部分组成，首先是占有核心地位的控制器，然后还需要电动机和功率驱动装置;图1即为其基本组成结构。

运动控制的种类不止一种，按照执行机构不同可以将其分为3种不同类别，如气压、液压和电机运动控制。在这3种类别中其中电动运动控制使用范围最广，并且使用活跃度最高[7]。电机运动控制技术中将电动机作为控制对象，电力半导体器件应用作为基础，其中需要使用自动控制理论、电机技术、电子技术、电力电子技术、检测和传感技术等，可以看出运动控制技术需要使用的相关技术非常多，属于一种多学科交叉技术，图2即为电机运动控制的基本结构图。当这些相关技术不断发展之后，运动控制技术也会相应的变得更加强大。如今，运动控制技术不断发展，出现了不同的运动控制新技术，这些新技术的使用将会给机械自动化带来更多的优势和改善。

2 运动控制新技术在机械自动化中的应用

随着机械自动化的不断使用，其存在的一些问题也在逐渐显现，只有通过不断创新，提高机械技术的综合性能，才能使得机械自动化处于不断发展之中。近年来，国内外学者对运动控制技术进行更新，提出了更多的新技术应用于机械自动化中，比如直线电机驱动技术、全闭环交流伺服驱动技术、可编程计算机控制器技术、运动控制卡技术等，通过这些运动控制新技术的应用，提高了机械自动化的使用效果。于是本文将针对这几种运动控制新技术，将其应用到机械自动化中进行分析。

2.1 直线电机驱动技术

从当前的发展来看，直线电机驱动技术在机械自动化的应用非常普遍，而且国内外比较重视直线驱动技术在自动化机床中的应用。主要原因在于直线驱动技术能够在机床中发挥重要作用，促进自动化机床的高效率工作。比如能够减少在机床工作台上相互传递所需要的时间，缩短传动链的长度，甚至使得距离传送变为零。从而大大节约了传递时间，正因为该优势特点，直线电机驱动技术在机械自动化中也被称为“零传动”[8]。通过直线电机驱动技術，不仅能够节约传送时间，增强机械自动化在制作指标上的整体性能，而且还能够提升传输性能，所以相比于传统的驱动传输技术，直线电机驱动技术对机械自动化更为有利。

另外，由于使用直线驱动的方式，能够增加机床的传动刚度，继而在很大程度上能够增加机床的运转速度，就会提高机床加工的效率。在机械自动化中使用这种技术能够从总体上提升工作效率，在于其拆除多余部件，这种做法还能够降低工作期间的摩擦度和噪声。直线电机驱动技术虽然能够使得机械自动化的加工过程变得更加迅速，但是这种方式并不完美，其中还存在需要改进的地方，比如需要对机床进行分析之后才能够确定将直线电机驱动技术运用其中。由于直线电机驱动技术的优势更为明显，能够提高当前机械自动化的发展，所以在当前加工领域中，对直线电机驱动技术的重视程度比较低。

而且直线电机驱动技术在机械自动化中应用的主要优势还有精度高、响应速度快、生产速度快等。在机械自动化的机床中由于传统的丝杠使用，会增加传动间隙和误差，通过使用直线电动驱动技术之后，能够取消这种丝杠的使用，从而能够提高生产过程中定位精度。另外，这些传动件所需要的响应时间会比较大，正因为取消了丝杠等机械传动件，所以就会提高响应速度。

2.2 全闭环交流伺服驱动技术

在机械自动化中使用传统的全闭环控制，这种方式特别容易造成产品的加工精确度不高现象，为了解决这个问题，研究者实现了一种全闭环交流伺服驱动技术，这种技术的使用恰好能够完美的解决这个问题[9]。将全闭环交流伺服驱动技术应用到机械自动化中最重要的一个优势在加工过程，能够全程稳定的保持加工水平的精度控制，从而尽可能地降低生产误差，使其在误差范围之内。另外，在有些机械自动化中，使用的齿轮等零件存在间隙过大的问题，如果在其中使用全闭环交流伺服驱动技术，不仅能够解决其中间隙过大的问题，而且还能够处理传动中的时间延误问题，能够从整体上提高运动控制的性能。

在全闭环交流伺服驱动技术中最为核心的部件是驱动器，通过驱动器的使用，能够减少其他上位控制器的使用，所以将会简化机械自动化中所使用的零件，可以说驱动器是当前高水平机电加工的最好选择。当前处于信息化时代，信息化水平不断提高，促使了数字式的交流伺服系统的发展，并且该系统将会是以后发展的方向、趋势，因为该系统的主要优势在于使用简单、操作方便、性能强大，所以对使用者的要求不会过高，将会有比较广泛的应用范围。全闭环交流伺服驱动技术的使用，加之信息化的不断发展，数字式交流伺服系统中核心部件为精度非常高的数字处理器。处理器作为系统运行的大脑，其发出的指令使用数字信号进行表达，然后还需要使用电机轴后端设置光电编码器，从而得到位置信息，最后形成一个闭环控制系统。在系统中使用数字处理器进行处理分析，使得机械自动化变得更加高效，能够全自动高效的对整个系统进行综合调度，另外，通过使用这种技术，还能够对系统进行实时跟踪，发现数据的变化趋势，有利于操作人员对系统运行状况的了解。

如今，全闭环交流伺服驱动技术的应用非常广泛，其中主要在许多精密的机电加工领域中使用较多。由于这种技术的使用效果非常好，能够降低机械自动化控制的误差，或者是解决其他方面造成的加工精度下降问题，能够对机械自动化加工过程中出现的误差进行实时的、灵活的补偿。该技术的使用能够从整体上提高机械自动化的精确度，进而增强生产能效，所以在不斷发展过程中，逐渐替代了传统的全闭环控制技术。国外对全闭环交流伺服驱动技术的应用更为深入，已经出现了一种非常完美的全闭环数字式伺服系统，这种系统的控制原理如图3所示。这种系统能够克服半闭环控制系统的缺陷，能够消除机械传动上的间隙，补偿即系传动件的制造误差，具有更高的精度，能够在很大程度上提高机械自动化的精度。

2.3 可编程计算机控制器技术

传统的计算机控制不能同时执行多个任务，并且控制速度受到应用程序的限制，于是就会导致运行速度慢，不能实现实时性的运行效果，就会导致机械自动化生产过慢。自从可编程序控制器的发明，该控制器的优势十分明显。随着微电子技术和计算机技术的不断发展，可编程控制器已经在发生了比较大的变化，其功能和性能变得更加优异，能够在软硬件的设计中实现重要作用，并且逐步发展成可编程计算机控制器。该控制器属于新一代的控制器，相比于传统的可编程序控制器，可编程计算机控制器趋于多样化的应用软件或者分时多任务操作系统，能够解决可编程序控制器控制速度受限制、不能实现实时控制要求的问题[10]。因为传统的可编程序控制器大多使用单任务的时钟扫描或者监控程序，用这样一种方式对自身的逻辑进行运算，然后采集和刷新相关状态，所以就不能实现实时控制，并且控制速度会依赖于应用程序大小;而可编程计算机控制器使用的是分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，无论程序长短如何，应用程序运行的时间与之无关。只与操作系统的循环周期有关，所以该控制器的控制速度不会受到应用程序的制约，而且能够实现实时控制的要求。

机械自动化中涉及到不同的应用软件，在软件开发过程中使用可编程计算机控制器技术能够带来很多便利。因为可编程计算机控制器器中的应用程序使用多任务模块构成，于是能够根据实际的控制项目中不同部分的功能要求，分别制定不同控制程序模块。这些模块属于一个独立个体，能够独立运行;但是模块之间的数据具有相互关联，能够实现多任务并行运行的效果。

可编程计算机控制器技术在机械自动化的应用中还处于发展阶段，从当前看来，该技术具有的优势十分明显，体现了不同技术之间的相互融合，从而具有强大的功能性。随着其应用范围的不断增加，可编程计算机控制器技术的应用效果将会更加强大，在未来的发展中具有很大的发展潜力。

2.4 运动控制卡技术

近年来，运动控制卡技术在机械自动化具有广泛的应用，它是一种基于工业PC机上实施的整体单元控制，具有较强的适应性，能够对速度进行有效控制，用于不同运动控制场合的上位控制单元[11]。运动控制卡技术之所以具有广泛应用，是因为能够满足新型数控系统的各种要求，比如开放性、标准化等，能够对不同机械设备的自动化控制系统进行研究和改造，而且PC机的广泛使用，同样会提高相应控制卡的使用。因为控制卡技术能够充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡技术在应用过程中，其中最为关键的运动控制核心就是专业运动控制芯片或高速DSP，这些核心部件主要是对大部分的步进电机进行控制[12]。运动控制卡技术的使用，会基于PC机进行使用，这两者关系属于主从式的控制结构，其中PC机主要负责监控工作，还有人机交互界面的管理，而运动控制卡的主要任务是完成运动控制的所有细节，比如对相应信号的检测等。从中可以看出，运动控制卡和PC机在控制过程中不会同时进行，而是属于一种从属控制关系。运动控制卡技术还具有非常丰富的公开函数数据库，这些数据库能够提供给用户根据自身需求在Windows和DOS系统平台上自行开发一种控制系统，该优势同样也促进了运动控制卡技术在机械自动化中的应用。

由于运动控制卡技术具有明显的优势，使其在国外机械自动化的控制系统中具有广泛的应用，使得运动控制卡成为了一种专门行业。有很多科研人员对其进行深入的、广泛的研究，并且在国内外不断的研究过程中，已经出现了不同的运动控制卡产品，并且应用到不同行业中的自动化机械设备中。

3 运动控制新技术在机械自动化中的应用现状

随着运动控制新技术的不断使用，技术的功能变得更加强大，能够提高机械自动化的控制精度，使得机械加工过程变得更加迅速和有效。从当前来看，虽然运动控制新技术能够在机械自动化中发挥不错的应用效果，但是在应用过程中还是存在一定的问题，比如人才的缺乏、机械设备更新慢等，由于存在这些问题，导致运动控制新技术不能最大限度地发挥其在机械自动化中的应用。下面将对运动控制新技术的应用现状进行分析。

由于我国机械自动化还处于发展阶段，其中所需要的优秀专业人才较缺。只有经验丰富的专业人才才能够更好地掌握运动控制技术在机械自动化中应用，提高其应用效果，并且不断对应用过程进行研究，完善应用效果。但是由于我国缺乏相关的优秀人才，使得运动控制新技术不能更好的发挥应用价值。另外，有些专业技术人员缺乏对理论知识的学习和掌握，导致在实际的操作过程中容易出现各种问题。而且各种技术在不断更新，运动控制新技术的应用也处于不断更新之中，有些技术人员没有与时俱进，不会进行自主学习，使得该技术在机械自动化的应用受到限制，更是缺乏与应用创新的关联。还有些企业为了节约成本，只需要技术人员能够掌握机械自动化设备的操作即可，没有对其进行深入培训，企业忽略了自动化生产不能完全提高人工操作。正因为这些人为的因素导致运动控制新技术不能完美的实现应用价值，于是在今后的发展中，企业和技术人员需要认识到，为了运动控制新技术的不断发展，需要对其应用的整个过程有着熟练的掌握，努力提高自身的专业实力，对新技术进行不断创新应用，尽可能发挥技术的应用的价值。

阻碍运动控制新技术的应用价值除了人为因素之外，还有外在因素。比如在机械自动化中应用运动控制新技术，必然有些机械不能满足该技术的应用要求，于是需要使用更多其他的新设备。但是由于工业水平发展有限，限制了自动化机械设备的不断更新，也就使得机械自动化水平较低。然后还有企业没有对购买的新设备进行及时保养和维修，导致机械设备在加工过程中某些零件出现问题，所以就会降低机械自动化加工的效率和影响产品的质量等问题。为了解决这些问题，提高机械自动化中运动控制新技术的应用，不仅需要提高新技术的发展水平，同时还需要提高机械自动化相关设备的水平。另外，提高相关工作人员的知识储备和技术能力也不能忽视。

4 结语

相比于传统的机械生产，机械自动化的应用具有很多优势，比如能够在很大程度上提高加工效率、降低成本、降低劳动力等，属于当代自动化处理的又一大创新技术，加之运动控制新技术应用到机械自动化中，使得机械自动化生产水平得以全面提升。机械自动化中应用使用运动控制新技术还处于发展阶段，其中存在的一些问题限制了机械自动化的发展，随着各种技术的不断更新发展，运动控制新技术的应用需要进一步研究，希望能够全面提高该技术在机械自动化中的应用价值。

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