光机电一体化技术的现状及发展趋势
1、光机电一体化技术概要
光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现,使用和发展的技术。光机电一体化技术是由机械技术与激光一微电子等技术揉合融汇在一起的新兴技术。它与传统的机械产品比较,有很大的不同。光机电一体化是一门跨学科的边缘科学,它是激光技术、微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术。其各个组成部分如机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、传感技术、电力电子技术、接口技术、模拟量与数字量交换技术以及软件技术等在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求,这就需要取长补短,不断向理想化方向发展。光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合,是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面:光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品,具有很高功能和附加值;光机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。从20 世纪90年代开始,光机电一体化技术引导着一场新的变革,光机电一体化是由光学、微电子、信息和机械及其他相关技术交叉与融合而构成的综合性高新技术,是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。从加工系统到医疗仪器、从家用电器到军事装备都离不开它。信息、材料、能源、空间、海洋等
高科技领域的技术发展和产业化、传统产业的技术改造、武器装备的现代化都要用到光机电一体化技术。光机电一体化包括产品和技术两个方面。光机电一体化产品是包含光学技术、机械技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和通讯技术的高科技产品;光机电一体化技术是指其技术原理和光机电一体化产品。光机电一体化产品具有结构简单、功能多、效率高,能耗低等特点,光机电一体化产品与传统的机械产品比较,具有以下特点:
( 1)综合性与系统性:
(2)多层次,覆盖面广;
(3）结构简化,方便操作;
(4)精度提高,功能增加;
(5)高可靠性,高稳定性和高使用寿命;
(6)产品开发上的只是密集性。光机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结品,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然,与光机电一体化相关的技术还有很多,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,光机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。
二、光机电一体化技术特征
光机电一体化系统主要由动力、机构、执行器、计算机和传感器五个部分组成,相互构成一个功能完善的柔性自动化系统。其中计算机软硬件和传感器是光机电一体化技术的重要组成要素。光机电一体化产品与传统的机械产品比较,具有以下技术特征。
(1)体积小,重量轻,适应性强,操作更方便
(2)功能增加,精度大幅提高,光机电一体化系统包括以激光、电脑等现代技术集成开发的自动化、智能化机构设备、仪器仪表和元器件。
(3)部分硬件实现软件化,智能化程度提高,传统机械设备一般不具有自维修或自诊断功能。
(4)产品可靠性得到提高,使用寿命增长,从而提高了产品的可靠性和稳定性。
(5)融合了多种学科新技术,光机电一体化产品的研究开发涉及到许多学科和专业知识,包括数学、物理学、化学、声学、机械工程学、电力电子学、电工学、系统工程学、光学、控制论、信息论和计算机科学等。光机电一体化技术将光电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,衍生出许多功能更强、性能更好的新一代技术装备。
(6)产品系统性增强,使光机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。
三、国内外光机电一体化的发展概况简要
光电子技术是在20世纪60年代激光器问世之惇后,电子技术与瓜果电子技术的自然结合与扩展,它不仅拓展了传统电子技术的功能,并使之有更强的适应性。目前,信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成。光通信、光存储和光电显示技术的兴起,特别是它们在近﹑20年来的飞速发展,已使人们认识到光电子学技术的重要性和它广阔的发展前景,并且成为光电子领域的支柱产业。光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着巨大的作用,当今:工业化的世界各国无不把发展光电子技术列为国家高技术重点发展目标。美国政府已将光子学确定为国家发展的重点,认为光子学对国家安全与经济竞争有着深远的意义和潜力,并把光子学列为当前20项关键技术之一。德国政府已确定光子学是21世界初对保持德国在国际市场上先进地位至关重要的九大关键技术之一。日本早在1980年,就成立了日本光产业技术振兴协会,1981年通产省就雄心勃勃地组建了光子技术研究所,日本科技厅也一再把量子波光技术列为重大项目,并予以支持。澳大利亚集团10个重要单位的力量成立了瓜果女子联合研究中心,重点开拓信心技术和新产品。1986年我国启动的863计划中,将光电子器件及其集成技术列为信息领域的三大主题之一,光机电一体化技术也别列为国家"十五"高新技术重点扶持项目。
四、光机电一体化的发展趋势
1．光机电一体化技术已经渗透到各个学科、领域,成为一种新兴的学科,并逐渐成为一种产业,而这些产业作为新的经济增长点越来越受到高度重视。
2）智能化赋予光机电产品一定的智能,使它具有人的判断推理,逻辑思考,自主决策能力。例如在CNC数控机床上增加了人一机对话功能,使之了智能I/O通道和智能工艺数据库,给使用、操作和维护带来了极大的方便。随着人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为光机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化光机电一体化产品不断涌现。现在,模糊控制技术已经相当普遍,甚至还出现了混沌控制的产品。
3）模块化由于光机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、1电气接口、动力接口、环境接口的光机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置这样可利用标准单元迅速开发出新产品。同时也可以扩大生产规模,这需要制定各项标准。一边各部件、单元的匹配和接口。光机电一体化产品模块化的发展促进了新产品的开发,品种不断增多,花样不断翻新,缩短了开发周期。
以驱动为核心的驱动模块单元,一伺服为核心的运动控制模块单元,以两根单线把各功能单元连接起来的总线或现场总线等,已形成了标准化的产品。
4）网络化20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。各种网络将全球经济览生严连j一鳌,下秦亚间的竞争也将全球化。光机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是光机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化己成大势,利用家庭网络ome net）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computer integrated appliance system,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,光机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。
5）人性化光机电一体化产品的最终使用对象是人如何在光机电一体化产品里赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要,光机电一岱化产品除了完善的性能乐,还要求在色彩、造型等方面都与环境相协调,柔和一体,小巧玲现,使用这些产品,对人来说还是一种艺术享受,如家用机器人的最高境界就是人机合淋化ook118.com6）微型化微型化兴起于20世纪80年代末览指的是光机电十体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS),泛指几何尺寸不超过lcm的光机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
6）微型化微型化兴起于20世纪80年代末览指的是光机电十体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS),泛指几何尺寸不超过lcm的光机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
7)集成化集成化既包含各种技术的相互融合和各种产品不同结构的优化与复合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种。小批量生产的自动化与高效率,盘使系统具有更厂泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次,是系统功能分散↓评便各部分协调面又安全地运转,然后再通过硬、软件将各个层次有机地联系起来,使其性能最优功能最强。
8）带源化是指光机电一体化产品自身带有能源。无需外部供电能源一直是研究的重点,如太阳能电池,燃料电池和大容量电池,但在许多场合,无法使用电能。而对于运动的光机电一体化产品。自带动力源具有独特的好处,带源化是光机电一体化产品的发展方向之.
9)绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适:另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的光机电一体化产品,具有远大的发展前途。光机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。
光机电一体化技术的现状和发展趋势
现代机械系统已发展成为集光、机、电、磁、声、热、液、气、算于一体的技术系统。在20世纪70年代,微电子技术曾引起新技术领域的深刻变革,机电一体化技术就是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科,经过几十年的发展,使得机电一体化的内涵和外延得到不断地丰富和拓宽。从最初的机械电子化、机械电脑化进而发展到光机电一体化、机械智能化和微机械化阶段。
从20世纪90年代开始,光机电一体化技术引导着一场新的变革,光机电一体化是由光学、微电子、信息和机械及其他相关技术交叉与融合面构成的综合性高新技术,是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。从加工系统到医疗仪器、从家用电器到军事装备都离不开它。信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化、传统产业的技术改造、武器装备的现代化都要用到光机电一体化技术。
光机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上强调了光、光电子、激光和光纤通讯等技术的作用,属于21世纪应j领域更为宽阔的机电一体化技术。
1.光机电一体化概要
光机电一体化包括产品和技术两个方面。光机电一体化产品是包含光学技术、机械技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和通讯技术的高科技产品:光机电一体化技术是指其技术原理和使用光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。光机电一体化产品具有结构简单、功能多、效率高,能耗低等特点,它们一般由机械本体、传感器、接口、微处理器和执行机构等5部分组成。如果把光机电一体化产品比做一个人,则计算机就是它的头脑,传感器就是它的五官,软件就是使躯体（机械本体）能发挥效能的手段,所以,光机电一体化产品就是具有头脑和五官,能够感知外界环境的变化,并根据这种变化作出响应的机器或机构。机器人就是光机电一体化产品的典型代表。与传统的机械产品比较,光机电一体化产品具有以下
(1)综合性与系统性:
(2)多层次,覆盖面广:
(3）结构简化,方便操作:
(4)精度提高,功能增加:
(5)高可靠性,高稳定性和高使用寿命:
(6)产品开发上的只是密集性。
(6)产品开发上的只是密集性。
目前,工业发达国家光机电一体化技术的应用已十分广泛,不仅在单机产品中占有重要位置,而且在生产制造系统内也十分活跃。例如,计算机集成制造系统(CIMS)、快速成型制造系统(RPM)、智能制造体统(IMS)等。
2国内外光机电一体化的发展概况
光电子技术是在20世纪60年代激光器问世之后,电子技术与瓜果女子技术的自然结合与扩展,它不仅拓展了传统电子技术的功能,并使之有更强的适应性。目前,信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成。光通信、光存储和光电显示技术的兴起希Ⅰ它们在近20年来的飞速发展,己使人们认识到光电子学技术的重要性和它广阔的发展前景,并且成为光电子领域的支柱产业。
光电子科学技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着巨大的作用,当今:[业化的世界各国无不把发展光电子技术列为国家高技术重点发展目标。美国政府已将光子学确定为国家发展的重点,认为光子学对国家安全与经济竞争有着深远的意义和潜力,并把光子学列为当前2O项关键技术之一。德国政府己确定光子学是2世界初对保持德国在国际市场上先进地位至关重要的九大关键技术之一。日本早在1980年,就成立了日本光产业技术振兴协会,1981年通产省就雄心勃勃地联合l3家大公司投入13大公司投入13亿美元组建了光子技术研究所,日本科技厅也一再把量子波光技术列为重大项目,予以支持。
