机电一体化论文：光机电一体化技术的发展现状与趋势

机电一体化论文：光机电一体化技术的发展现状与趋势 【摘要】机电一体化是现代科学技术发展的必然结果，本文简述了光机电一体化技术的基本概述与发展核心技术，综述了国内外光机电一体化技术的现状，进一步提出了光机电一体化技术的发展趋势。 【关键词】机电一体化；现状；制造技术；发展趋势 0.前言 如今，光电机一体化技术得到迅猛发展，在民用工业和军事领域得到广泛地应用，因此，光机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。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世纪应用领域更为宽阔的机电一体化技术。 1.机电一体化的技术概述 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五部分组成，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，传感器是它的五官，软件就是使驱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，光机电一化产品具有以下几点。 2.光机电一体化技术的性能 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。与传统的机械产品比较，现代的光机电一体化产品有以下技术特征。（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。 2．1体积小，重量轻，适应性强，操作更方便 光机电一体化技术的使用，使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序，频繁紧张地进行单调重复操作的工作方式，可以灵活方便地按需要控制和改变生产操作程序，任何一台光机电一体化装置的动作，都可由预设的程序一步一步控制实现，甚至实现操作全自动化和智能化。 2．2功能增强，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，智能化机械设备，仪器仪表和元器件，电子技术的洒用使得控制水平大幅度提高，运算速度加快，通过电子自动控制系统可精确按预设动作运行，其自行诊断，校正，补偿功能非常完善，可将误差降低到最小值，达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度，同时由于机械传动部件减少，机械磨损及配合间隙等引起的误差也大大减小。 2．3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行维修或自我诊断功能。光机电一体化技术使得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，打印工作结果等工作。 2．4产品可靠性得到提高，使用寿命增长 传统机械装置的运动部分，一般都伴随着磨损及运动部件配合所引起的动作误差，导致可动部件的摩擦，撞击，振动等加重，严格影响机械装置的寿命，稳定性和可靠性，而光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减小，像集成化接近开关甚至无可动作部件，无机械磨损，因此，装置的寿命提高，故障率降低，从而会大大提高产品的可靠性和稳定性。 2．5融合多种学科新技术，衍生出更多，更好的新产品 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，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等，例如人们很熟悉的静电复印机，彩色印像机等，就是一种由机，电，学，磁，化学等多种学科和技术复合创新的新型产品，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产品和更先进的技术装备。 2．6产品系统性增强，各部分系统间协调性要求提高 光机电一体化是一门边缘的科学技术，多种技术的综合及多个部分的组合，使得光机电一体化技术及产品更具有系统性，完整性和科学性，其各个组成部分在综合成一个完整的系统中的相互配合有着严格的要求，这就要求各种技术扬长避短，提高系统协调性和整体性。 3.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，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有近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。如今，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。986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列为国家十五高新技术重点扶持项目，我国光电子产业总值已由1995年的10多亿美元发展到2001年的100亿美元。 4.光机电一体化的发展趋势 光机电一体化是集机械，电子，光学，控制，计算机，信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步领带并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向。 4．1数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人，而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计，计算机集成制造等，数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性，易操作性，可维护性，自诊断能力以及友好人机界面，数字化 的实现将便于远程操作，诊断和修复。 4．2智能化 即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考，判断推理，自主决策等能力，例如在cnc数控机床上增加人机对话能力，调协智能i/o接口和智能工艺数据库，会给使用，操作和维护带来极大的方便，随着模糊控制，神经网络，灰色理论，小波理论，混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 4．3模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。由于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、电气接口、动力接口、环境接口的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，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企 业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。

4．4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。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。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已成大势，利用家庭网络(homenet)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(computerintegratedappliancesystem,cias)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 4．5带源化 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，带源化是机电一体化产 品的发展方向之一。 4．6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。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。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。 4．7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，光机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩，造型等方面都与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑，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一体化。 4．8微型化 微型化兴起于20世纪80年代未，指的是光机电一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