光機電一體化技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、光機電一體化技術概要
光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)，使用和發(fā)展的技術。光機電一體化技術是由機械技術與激光一微電子等技術揉合融匯在一起的新興技術。它與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品比較，有很大的不同。光機電一體化是一門跨學科的邊緣科學，它是激光技術、微電子技術、計算機技術、信息技術與機械技術結(jié)合而成的綜合性高技術。其各個組成部分如機械技術、微電子技術、自動控制技術、信息技術、傳感技術、電力電子技術、接口技術、模擬量與數(shù)字量交換技術以及軟件技術等在綜合成一個完整的系統(tǒng)中相互配合有嚴格的要求，這就需要取長補短，不斷向理想化方向發(fā)展。光機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合，是諸多高新技術產(chǎn)業(yè)和高新技術裝備的基礎。它包括產(chǎn)品和技術兩方面:光機電一體化產(chǎn)品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高功能和附加值;光機電一體化是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的必然結(jié)果。從20
世紀90年代開始，光機電一體化技術引導著一場新的變革，光機電一體化是由光學、微電子、信息和機械及其他相關技術交叉與融合而構(gòu)成的綜合性高新技術，是諸多高新技術產(chǎn)業(yè)和高新技術裝備的基礎。從加工系統(tǒng)到醫(yī)療儀器、從家用電器到軍事裝備都離不開它。信息、材料、能源、空間、海洋等
高科技領域的技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術改造、武器裝備的現(xiàn)代化都要用到光機電一體化技術。光機電一體化包括產(chǎn)品和技術兩個方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學技術、機械技術、微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術和通訊技術的高科技產(chǎn)品;光機電一體化技術是指其技術原理和光機電一體化產(chǎn)品。光機電一體化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、功能多、效率高,能耗低等特點,光機電一體化產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品比較,具有以下特點:
( 1)綜合性與系統(tǒng)性:
(2)多層次,覆蓋面廣;
(3）結(jié)構(gòu)簡化,方便操作;
(4)精度提高,功能增加;
(5)高可靠性,高穩(wěn)定性和高使用壽命;
(6)產(chǎn)品開發(fā)上的只是密集性。光機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學技術發(fā)展的結(jié)品，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當然，與光機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發(fā)展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，光機電一體化技術的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。
二、光機電一體化技術特征
光機電一體化系統(tǒng)主要由動力、機構(gòu)、執(zhí)行器、計算機和傳感器五個部分組成，相互構(gòu)成一個功能完善的柔性自動化系統(tǒng)。其中計算機軟硬件和傳感器是光機電一體化技術的重要組成要素。光機電一體化產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品比較,具有以下技術特征。
(1)體積小,重量輕,適應性強,操作更方便
(2)功能增加,精度大幅提高,光機電一體化系統(tǒng)包括以激光、電腦等現(xiàn)代技術集成開發(fā)的自動化、智能化機構(gòu)設備、儀器儀表和元器件。
(3)部分硬件實現(xiàn)軟件化,智能化程度提高,傳統(tǒng)機械設備一般不具有自維修或自診斷功能。
(4)產(chǎn)品可靠性得到提高,使用壽命增長,從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。
(5)融合了多種學科新技術,光機電一體化產(chǎn)品的研究開發(fā)涉及到許多學科和專業(yè)知識,包括數(shù)學、物理學、化學、聲學、機械工程學、電力電子學、電工學、系統(tǒng)工程學、光學、控制論、信息論和計算機科學等。光機電一體化技術將光電子技術、傳感器技術、控制技術與機械技術各自的優(yōu)勢結(jié)合起來,衍生出許多功能更強、性能更好的新一代技術裝備。
(6)產(chǎn)品系統(tǒng)性增強,使光機電一體化技術及產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學性。
三、國內(nèi)外光機電一體化的發(fā)展概況簡要
光電子技術是在20世紀60年代激光器問世之惇后，電子技術與瓜果電子技術的自然結(jié)合與擴展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術的功能，并使之有更強的適應性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來完成。光通信、光存儲和光電顯示技術的興起，特別是它們在近﹑20年來的飛速發(fā)展，已使人們認識到光電子學技術的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領域的支柱產(chǎn)業(yè)。光電子科學技術和產(chǎn)業(yè)在促進國家經(jīng)濟和科學持續(xù)發(fā)展中起著巨大的作用，當今:工業(yè)化的世界各國無不把發(fā)展光電子技術列為國家高技術重點發(fā)展目標。美國政府已將光子學確定為國家發(fā)展的重點，認為光子學對國家安全與經(jīng)濟競爭有著深遠的意義和潛力，并把光子學列為當前20項關鍵技術之一。德國政府已確定光子學是21世界初對保持德國在國際市場上先進地位至關重要的九大關鍵技術之一。日本早在1980年，就成立了日本光產(chǎn)業(yè)技術振興協(xié)會，1981年通產(chǎn)省就雄心勃勃地組建了光子技術研究所，日本科技廳也一再把量子波光技術列為重大項目，并予以支持。澳大利亞集團10個重要單位的力量成立了瓜果女子聯(lián)合研究中心，重點開拓信心技術和新產(chǎn)品。1986年我國啟動的863計劃中，將光電子器件及其集成技術列為信息領域的三大主題之一，光機電一體化技術也別列為國家“十五”高新技術重點扶持項目。
四、光機電一體化的發(fā)展趨勢
1．光機電一體化技術已經(jīng)滲透到各個學科、領域,成為一種新興的學科,并逐漸成為一種產(chǎn)業(yè),而這些產(chǎn)業(yè)作為新的經(jīng)濟增長點越來越受到高度重視。
2）智能化賦予光機電產(chǎn)品一定的智能，使它具有人的判斷推理，邏輯思考，自主決策能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加了人一機對話功能，使之了智能I/O通道和智能工藝數(shù)據(jù)庫，給使用、操作和維護帶來了極大的方便。隨著人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為光機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。大量的智能化光機電一體化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)�，F(xiàn)在，模糊控制技術已經(jīng)相當普遍，甚至還出現(xiàn)了混沌控制的產(chǎn)品。
3）模塊化由于光機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、1電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的光機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置這樣可利用標準單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品。同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模，這需要制定各項標準。一邊各部件、單元的匹配和接口。光機電一體化產(chǎn)品模塊化的發(fā)展促進了新產(chǎn)品的開發(fā)，品種不斷增多，花樣不斷翻新，縮短了開發(fā)周期。
以驅(qū)動為核心的驅(qū)動模塊單元，一伺服為核心的運動控制模塊單元，以兩根單線把各功能單元連接起來的總線或現(xiàn)場總線等，已形成了標準化的產(chǎn)品。
4）網(wǎng)絡化20世紀90年代,計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡技術。各種網(wǎng)絡將全球經(jīng)濟覽生嚴連j一鰲,下秦亞間的競爭也將全球化。光機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡的普及，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是光機電一體化產(chǎn)品�，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術是家用電器網(wǎng)絡化己成大勢，利用家庭網(wǎng)絡ome
net）將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)（computer integrated appliance
system，CIAS)，使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此，光機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
5）人性化光機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人如何在光機電一體化產(chǎn)品里賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，光機電一岱化產(chǎn)品除了完善的性能樂,還要求在色彩、造型等方面都與環(huán)境相協(xié)調(diào)，柔和一體,小巧玲現(xiàn)，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機合淋化ook118.com6）微型化微型化興起于20世紀80年代末覽指的是光機電十體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過lcm的光機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
6）微型化微型化興起于20世紀80年代末覽指的是光機電十體化向微型機器和微觀領域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過lcm的光機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
7)集成化集成化既包含各種技術的相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種。小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，盤使系統(tǒng)具有更廠泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，是系統(tǒng)功能分散↓評便各部分協(xié)調(diào)面又安全地運轉(zhuǎn),然后再通過硬、軟件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)功能最強。
8）帶源化是指光機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源。無需外部供電能源一直是研究的重點，如太陽能電池，燃料電池和大容量電池，但在許多場合，無法使用電能。而對于運動的光機電一體化產(chǎn)品。自帶動力源具有獨特的好處，帶源化是光機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之.
9)綠色化工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適:另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的光機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前途。光機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用。
光機電一體化技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
現(xiàn)代機械系統(tǒng)已發(fā)展成為集光、機、電、磁、聲、熱、液、氣、算于一體的技術系統(tǒng)。在20世紀70年代，微電子技術曾引起新技術領域的深刻變革，機電一體化技術就是在微電子技術向機械工業(yè)領域滲透過程中逐漸形成并發(fā)展起來的一門獨立的綜合性交叉學科，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，使得機電一體化的內(nèi)涵和外延得到不斷地豐富和拓寬。從最初的機械電子化、機械電腦化進而發(fā)展到光機電一體化、機械智能化和微機械化階段。
從20世紀90年代開始，光機電一體化技術引導著一場新的變革，光機電一體化是由光學、微電子、信息和機械及其他相關技術交叉與融合面構(gòu)成的綜合性高新技術，是諸多高新技術產(chǎn)業(yè)和高新技術裝備的基礎。從加工系統(tǒng)到醫(yī)療儀器、從家用電器到軍事裝備都離不開它。信息、材料、能源、空間、海洋等高科技領域的技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術改造、武器裝備的現(xiàn)代化都要用到光機電一體化技術。
光機電一體化技術的特征是在機電一體化概念的基礎上強調(diào)了光、光電子、激光和光纖通訊等技術的作用，屬于21世紀應j領域更為寬闊的機電一體化技術。
1.光機電一體化概要
光機電一體化包括產(chǎn)品和技術兩個方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學技術、機械技術、微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術和通訊技術的高科技產(chǎn)品:光機電一體化技術是指其技術原理和使用光機電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。光機電一體化產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、功能多、效率高，能耗低等特點，它們一般由機械本體、傳感器、接口、微處理器和執(zhí)行機構(gòu)等5部分組成。如果把光機電一體化產(chǎn)品比做一個人，則計算機就是它的頭腦，傳感器就是它的五官，軟件就是使軀體（機械本體）能發(fā)揮效能的手段，所以，光機電一體化產(chǎn)品就是具有頭腦和五官，能夠感知外界環(huán)境的變化，并根據(jù)這種變化作出響應的機器或機構(gòu)。機器人就是光機電一體化產(chǎn)品的典型代表。與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品比較，光機電一體化產(chǎn)品具有以下
(1)綜合性與系統(tǒng)性:
(2)多層次，覆蓋面廣:
(3）結(jié)構(gòu)簡化，方便操作:
(4)精度提高，功能增加:
(5)高可靠性，高穩(wěn)定性和高使用壽命:
(6)產(chǎn)品開發(fā)上的只是密集性。
(6)產(chǎn)品開發(fā)上的只是密集性。
目前，工業(yè)發(fā)達國家光機電一體化技術的應用已十分廣泛，不僅在單機產(chǎn)品中占有重要位置，而且在生產(chǎn)制造系統(tǒng)內(nèi)也十分活躍。例如，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、快速成型制造系統(tǒng)(RPM)、智能制造體統(tǒng)(IMS)等。
2國內(nèi)外光機電一體化的發(fā)展概況
光電子技術是在20世紀60年代激光器問世之后，電子技術與瓜果女子技術的自然結(jié)合與擴展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術的功能，并使之有更強的適應性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來完成。光通信、光存儲和光電顯示技術的興起希Ⅰ它們在近20年來的飛速發(fā)展，己使人們認識到光電子學技術的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領域的支柱產(chǎn)業(yè)。
光電子科學技術和產(chǎn)業(yè)在促進國家經(jīng)濟和科學持續(xù)發(fā)展中起著巨大的作用，當今:[業(yè)化的世界各國無不把發(fā)展光電子技術列為國家高技術重點發(fā)展目標。美國政府已將光子學確定為國家發(fā)展的重點，認為光子學對國家安全與經(jīng)濟競爭有著深遠的意義和潛力，并把光子學列為當前2O項關鍵技術之一。德國政府己確定光子學是2世界初對保持德國在國際市場上先進地位至關重要的九大關鍵技術之一。日本早在1980年，就成立了日本光產(chǎn)業(yè)技術振興協(xié)會，1981年通產(chǎn)省就雄心勃勃地聯(lián)合l3家大公司投入13大公司投入13億美元組建了光子技術研究所，日本科技廳也一再把量子波光技術列為重大項目，予以支持。
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模塊式柔性自動環(huán)形生產(chǎn)線實驗系統(tǒng)、FMS柔性生產(chǎn)制造實驗系統(tǒng) |
