什么是光机电一体化技术以及他的国内外开发变化现状

什么是光机电一体化技术及其国内外发展现状

专业：机械制造及其自动化

姓名：王路路

学号：s120300298

摘要：随着科学技术的迅猛发展，机电一体化的概念被我们广泛地接受和普遍应用并为之发展。从系统科学的观点来看，机电一体化产品又可称之为机电一体化系统，它是集机械元件和电子元件于一体的复合系统。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库，连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样，对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。现在的机电一体化技术，是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，可以充分发挥这些技术的各自的长处和特点，实现整个系统的最优化，并综合应用到实际中去的综合技术。此外，光学也进入了机电一体化，产生了“光机电一体化”的新领域。现代化的自动生产设备几乎都是机电一体化的设备。

机电一体化技术的系统即机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。较高级的系统不但有硬件，而且还有相应的软件，利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能，使机械系统增加柔性。典型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。机械电子学技术除用于单

个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外，还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面。

关键字：光机电一体化；机械；特点；光学；电子；应用；发展现状

1、机电一体化技术的概念：

光机电一体化技术是指将光学、机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。光机电一体化系统主要有

五个组成部分:动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是光机电一体化技术的重要组成要素。

2、光机电一体化技术特点：

采用光机电一体化技术与传统的机械结构相比，可以简化结构、提高精度、增强功能、提高稳定性和使用寿命，具体分析如下。

2.1 结构简化，操作方便

光机电一体化技术改变以往靠机械传动链连接的各个相关动作部分，改用

几台电机分别驱动，或用电力电子器件，或用电子电控装置进行相关动作的控

制来实现，使得机械结构大大简化，甚至使有些机械结构“脱胎换骨”，产生

了质的变化。光机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序

或节拍频繁紧张地进行单调重复操作的工作方式，能够灵活方便地按需控制和

改变生产操作程序。任何一台光机电一体化装置或系统各个相关传动机构的动

作及功能协调关系，可由预设的程序一步一步地由电子控制系统指挥，如数控

机床、柔性加工系统（FMS）等。有些光机电一体化装置，可实现操作全自动化，如工业机器人、印制电路板数控高速钻床等。有些更高级的光机电一体化

系统，还可通过被控对象的数学模型以及根据任何时刻外界各种参数的变化情况，随机自寻最佳工作程序、动作程度和快慢以及协调关系，以实现最优化工

作及最佳操作，例如微机控制的热连轧机钢板测厚自控系统、电梯群控系统，

智能机器人等。

2.2 精度提高，功能增强

光机电一体化技术由于采用了电力电子技术，反馈控制水平的提高并能进

行高速处理，可通过电子自动控制系统精确地按预设量使相应机构动作，因各

种干扰因素造成的误差，又可通过自控系统自行诊断、校正、补偿去达到靠单

纯机械方式所不能实现的工作精度。因而光机电一体化产品应用领域宽，适用

面广，易于满足各种需要。电子技术的引入，使产品面貌发生巨大变化，电子

装置能按照人的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示，打印工作结果等等。

2.3 可靠性、稳定性和使用寿命大大提高

传统的机械装置的运动部分，一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引

起的动作误差，而发出由于可动摩擦、撞击、振动等引起的噪声，这显然影响

装置的寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用，可以利用激光加工、激光检测、激光清洗和激光成型，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少。因此，装置的寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。有些光机电一体化产品甚至做到不需维修或者具有自诊断功能。

3、光机电一体化技术的运用：

光机电一体化技术的运用主要包括在设计中和在加工制造中的运用。

光机电一体化技术在设计中的运用也就是光机电一体化设计,它要求设计者不仅要熟悉光学系统、机械结构、传感学、信息处理和控制等方面的知识,而且要熟悉计算机的硬件接口和软件设计方面的知识。

光机电一体化技术在加工制造中的运用主要包括各种激光加工技术、先进

制造技术、工业生产过程控制和精密检测技术。

3.1 设计中的运用

对于光机电一体化系统的设计,需注意其从整体到局部的设计原则,应根据系统功能和设计要求提出系统设计的总任务,并进行系统的总体框图设计;然后,将

总体框图分解成一个个独立的框图,可分解为光学系统、机械与执行机构、光电传感、信号采集与处理、驱动与控制、软件设计、计算机及其接口等分框图,然后再进一步设计。设计制作完成后,先对光学系统、机械结构、计算机及其接口、软件进行单独调试,然后再将它们装配起来进行光、机、电、计算机联调[5]。3.2 制造中的运用

1)激光加工技术

(1)金属表面的激光强化

(a)激光淬火,其特点是淬硬层深度可精确控制,易于实现数控,可实行自冷淬火,只要光束能照到的部位均可进行处理。在汽车生产中,如钢套、曲轴、活塞环和齿轮等经激光热处理后,不必再进行后处理,可直接送到装配线上安装;

(b激光合金化与熔覆,是将一种或多种合金元素与基材表面快速融凝,从而

使基材表层具有预定的高合金特性的技术;

(c)激光表面非晶化和微晶化,非晶材料以其异常的电磁、机械和化学性能日益受到普遍关注,激光非晶化是用激光作用于材料,使材料表面满足形成非晶的急冷条件。

(2)激光焊接

激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起,然后再进行冲压,这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。采用激光焊接,可以减少搭接宽度和一些加强部件。激光焊接可由CNC控制,一天可连续运行24h。激光也解决了异种金属焊接的难题。激光焊接还可以在焊条和电子束无法到达的三维构件内部细微区域中实施。

(3)激光切割

激光切割的主要特点有:(a)割缝窄,节省材料,还可割盲缝;(b)切割速度快,热影响区小,因而热畸变程度低;(c)割缝边缘垂直度好,切边光滑,可直接焊接;(d)可切割各种不同性质材料;(e)光束无惯性,可实行高速切割;(f)能实现多工位操作,易于实现自动化;(g)切割噪音小。

在汽车生产中大量使用二维和三维激光束切割机,对普通铝、不锈钢等薄板及带材的切割加工,其切割速度已达10m/min,不仅大幅度缩短了生产准备周期,并且使车间生产实现了柔性化。由于它的加工效率高,比机械加工方式的加工费用减少了50%。

(4)激光清洗技术

与机械清洗法、湿法化学清洗法、超声波清洗法相比,激光清洗法技术作为一项新兴的清洗技术,能适应各种表面污物的清洗,对环境污染极小,也不损伤基体。其特点为:“干式”清洗;清洗污物范围和适用基材范围广;可不损伤基材表面;可实现自动化操作;可长期使用,并且是一种“绿色”清洗工艺。

其他还有激光打孔、刻槽、标记、光化学沉积等加工技术。

2)先进制造技术

激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层,然后利用“积分”的思想,将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结,由点、线构造零件的面(层),然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场,极大地提高了汽车生产企业对市场的应用能力和产品的竞争能力。

激光金属塑性成形技术是一种较新的先进制造技术,它没有任何的机械接触就可以生产出金属板料制品,而不需任何模具。板料成形是由于激光加热后上、下表面收缩引起的。可用适当的件夹持和操作系统来实现。

4、国外机电一体化发展现状：

机电一体化的发展大体可以分为三个阶段：第一阶段（又称初级阶段）是20 世纪 60 年代以前，这一时期人们不自觉地利用电子技术并使之得到比较广泛的承认；第二阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展；第三阶段，各国均开始极大关注和支持机电一体化技术和产品。

1989 年在日本东京召开的第一届国际先进机电一体化学术会议，是机电一体化向纵深发展的标志，各国政府也开始有计划地推动和发展机电一体化技术和产品[6]。目前，日本和美国在机电一体化产品开发和应用方面处于世界领先地位。美国商务部曾发表过一份关于日本机电一体化的研究报告，对日美两国机电一体化技术的基础研究、超前开发与形成产品等三方面进行了比较，结论是除机器视觉与软件外，日本的基础研究与美国是可以比拟的。当前，两国都将智能传感器、计算机芯片制造技术、具有触觉和人机对话功能的人工智能工业机器人、柔性制造系统等列为高技术领域的重大研究课题，并投入大量资金支持发展相关技术。

20 世纪90 年代后期，机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术、微细加工技术等进入了机电一体化，出现了光机电一体化和微机电一体化的新

分支。同时对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法以及学科体系和发

展趋势都进行了深入研究。人工智能技术、神经网络技术及光纤技术也为机电

一体化技术开辟了广阔的发展天地。

机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在以下四个方面[6]：（1）机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。在工业发达国家，数控机床占机床总数的30%~40%。工业机器人正向智能化和智能系统的方向发展，

数量在未来十年将以 25%~30%的速度增长。智能机器人将逐步进入办公、管理、娱乐、家庭等各个领域。

（2）机电一体化从单机向整个制造业的集成化过渡。计算机集成制造系统CIMS）是当今世界制造业发展的总趋势，它打破原有部门之间的界线以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、

生产实验到生产经营管理的有机结合。CIMS 的实现是全局动态的最优综合。

（3）激光技术进入机电一体化领域。激光技术与机械、电子技术的结合，不仅大大扩展了机电一体化的应用领域，而且使一些行业出现重大变革，是当

今信息业与制造业的最佳结合点。

（4）微细加工技术与设备发展迅猛。微电子技术及其产业的高速发展，带动了大量高新技术的兴起，微细加工技术和装备不仅支持了电子产业的发展，

且对微机械的诞生和发展也起了决定性的作用。

5、国内机电一体化发展现状：

我国从 20 世纪 80 年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863 计划”。在制定“九五”规划和

2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此

可能带来的影响，许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发

展及应用做了大量的工作。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进

国家相比仍有一定差距[7]，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了对机电一体化技术的研究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，并取得了一定的成绩。

（1）数控技术方面

我国的数控技术起步于 1958 年，在“九五”末期，国产数控机床的国内

市场占有率达到 50%，配置国产数控系统（普及型）也达到了 10%。纵观我

国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过四个五年计划的攻关，总体来看

取得了很好的成绩。目前，国内已具有年产数控系统 3000 多套、主轴与进给

装置 5000 多套的生产能力。近十年来，普通级数控机床的加工精度已由 10

μm 提高到5 μm，精密级加工中心则从3~5 μm 提高到1~1.5 μm，并且超

精密加工精度已开始进入纳米级（0.01 μm）[8]

（2）工业机器人方面

我国在 1986 年将机器人的研究开发列入国家科技计划，现已掌握了机器

人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人的关键元器件，并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人[9]。目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，

解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关

键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设

备的开发和制备技术。现在，我国从事机器人研发的单位有 200 多家，专门从事机器人产业开发的企业有 50家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占 30%左右。

（3）计算机集成制造系统方面

我国经过多年的理论和技术准备，CIMS 已经有了较快发展。目前，已在

清华大学建成国家 CIMS工程研究中心，在著名高校和研究单位建立了七个CIMS 单元技术实验室和八个 CIMS 培训中心[9]。2000 年，全国已有 20 多个省市、10 多个行业、200多家不同规模和类型的企业通过实施 CIMS 应用示范工程，取得了巨大的经济效益。当前 CIMS 的进一步试点推广应用已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域，正得到

各行各业越来越多的关注和投入。

参考文献：

[1]邱士安，胥宏. 机电一体化技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[2]杨明，路琴. 机电一体化的研究现状与发展趋势[J]. 农机化研究，2006，（8）：38－40.

[3]张建民. 国内外机电一体化发展概况[J]. 机电一体化，1996，2（5）：24－26

[4]陈辉，王磊.机电一体化技术的现状及发展趋势[J]，2008，（7）：1-2

[5]尹余琴.浅析光机电一体化技术[J]，2009，（36）

[6]左铁钏、施定源、陈铠.激光加工技术的优势及在工业生产中的应用.激光杂志,1999(4)

[7]杨春光. 我国机电一体化技术的现状和发展趋势[J]. 科技促进发展，2007，3（28）：6－8.

[8]王立新. 浅谈数控技术的发展趋势[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2007，5（23）：119－120.

[9]徐方. 工业机器人产业现状与发展[J]. 机器人技术与应用，2007，（9）：2

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