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光機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、光機電一體化技術(shù)概要
光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)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(shù)。光機電一體化技術(shù)是由機械技術(shù)與激光一微電子等技術(shù)揉合融匯在一起的新興技術(shù)。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(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)與機械技術(shù)結(jié)合而成的綜合性高技術(shù)。其各個組成部分如機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、模擬量與數(shù)字量交換技術(shù)以及軟件技術(shù)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(shù)是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、光學技術(shù)與機械技術(shù)的相互交叉與融合，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它包括產(chǎn)品和技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)引導(dǎo)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(guān)技術(shù)交叉與融合而構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。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(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、武器裝備的現(xiàn)代化都要用到光機電一體化技術(shù)。光機電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學技術(shù)、機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)的高科技產(chǎn)品;光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)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(shù)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(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，光機電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。
二、光機電一體化技術(shù)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(shù)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(shù)特征。
(1)體積小,重量輕,適應(yīng)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(shù)集成開發(fā)的自動化、智能化機構(gòu)設(shè)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(shè)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(shù),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(shù)將光電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)與機械技術(shù)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(shù)裝備。
(6)產(chǎn)品系統(tǒng)性增強,使光機電一體化技術(shù)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(shù)是在20世紀60年代激光器問世之惇后，電子技術(shù)與瓜果電子技術(shù)的自然結(jié)合與擴展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術(shù)的功能，并使之有更強的適應(yīng)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(shù)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(shù)的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。光電子科學技術(shù)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(shù)列為國家高技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)重要的九大關(guān)鍵技術(shù)之一。日本早在1980年，就成立了日本光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會，1981年通產(chǎn)省就雄心勃勃地組建了光子技術(shù)研究所，日本科技廳也一再把量子波光技術(shù)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(shù)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(shù)列為信息領(lǐng)域的三大主題之一，光機電一體化技術(shù)也別列為國家“十五”高新技術(shù)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(shù)已經(jīng)滲透到各個學科、領(lǐng)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(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為光機電一體化技術(shù)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)。現(xiàn)在，模糊控制技術(shù)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(fù)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(luò)化20世紀90年代,計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。各種網(wǎng)絡(luò)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(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是光機電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)是家用電器網(wǎng)絡(luò)化己成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(luò)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(shù)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(lǐng)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(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)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(lǐng)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(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。
7)集成化集成化既包含各種技術(shù)的相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復(fù)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(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)系統(tǒng)。在20世紀70年代，微電子技術(shù)曾引起新技術(shù)領(lǐng)域的深刻變革，機電一體化技術(shù)就是在微電子技術(shù)向機械工業(yè)領(lǐng)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(shù)引導(dǎo)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(guān)技術(shù)交叉與融合面構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。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(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、武器裝備的現(xiàn)代化都要用到光機電一體化技術(shù)。
光機電一體化技術(shù)的特征是在機電一體化概念的基礎(chǔ)上強調(diào)了光、光電子、激光和光纖通訊等技術(shù)的作用，屬于21世紀應(yīng)j領(lǐng)域更為寬闊的機電一體化技術(shù)。
1.光機電一體化概要
光機電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學技術(shù)、機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)的高科技產(chǎn)品:光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)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(shù)。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(yīng)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(shù)的應(yīng)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(shù)是在20世紀60年代激光器問世之后，電子技術(shù)與瓜果女子技術(shù)的自然結(jié)合與擴展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術(shù)的功能，并使之有更強的適應(yīng)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(shù)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(shù)的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。
光電子科學技術(shù)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(shù)列為國家高技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)重要的九大關(guān)鍵技術(shù)之一。日本早在1980年，就成立了日本光產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(shù)研究所，日本科技廳也一再把量子波光技術(shù)列為重大項目，予以支持。
