1、如何理解光機(jī)電一體化S100300366劉博機(jī)械制造及自動(dòng)化提綱*1光機(jī)電一體化的內(nèi)涵*2光機(jī)電一體化中的關(guān)鍵技術(shù)-3光機(jī)電一體化的測試階段-4五大元素和四大原則-5國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢-6國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢-7我對(duì)光機(jī)電一體化技術(shù)的理解光機(jī)電一體化的內(nèi)涵.光機(jī)電一體化的含義1光機(jī)電一體化技術(shù)是由機(jī)械技術(shù)與激光-微電子等技術(shù)揉合融匯在一起的新興技術(shù)。光機(jī)電一體化是一個(gè)總的技術(shù)指導(dǎo)思想，它不僅體現(xiàn)在一些機(jī)電一體化的單機(jī)產(chǎn)品之中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。從簡單的單臺(tái)光機(jī)電一體化產(chǎn)品，到現(xiàn)代工業(yè)中的柔性加工系統(tǒng)；從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、多級(jí)控制；從機(jī)械零部件連續(xù)自動(dòng)熱處理生產(chǎn)線

2、，到各種現(xiàn)代高速重型機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線等，光機(jī)電一體化技術(shù)都有不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于工程系統(tǒng)，需成套地進(jìn)行開發(fā)和制造。對(duì)于光機(jī)電一體化單機(jī)產(chǎn)品（設(shè)備），應(yīng)采用簡繁并舉、高低級(jí)并存的多層次發(fā)展途徑?？砂l(fā)展功能附加型的低級(jí)產(chǎn)品；也可發(fā)展功能替代型的中級(jí)產(chǎn)品；還可發(fā)展機(jī)電融合型的高級(jí)產(chǎn)品，成為前所未有的新一代產(chǎn)品。光機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)光機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)分為6個(gè)組成部分：分別是機(jī)械技術(shù)，計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，系統(tǒng)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，傳感檢測技術(shù)，伺服傳動(dòng)技術(shù)2。伺服傳動(dòng)技術(shù)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)裝置，伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量

3、和功能有決定性的影響。傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機(jī)電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)其中信息交換

4、、存取、運(yùn)算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)。系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個(gè)重要方面，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機(jī)連接的保證。自動(dòng)控制技術(shù)其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。光機(jī)電一體化的測試階段模型階段模型階段，所有的系統(tǒng)組件都能夠被最優(yōu)化；在仿真計(jì)算的幫助下，可以測試和分析這些組件的適用性；監(jiān)測響應(yīng)頻率；對(duì)模型進(jìn)行分析。此外，還能

5、夠生成一個(gè)物理/拓?fù)湎到y(tǒng)模型，包括機(jī)械、液壓和控制導(dǎo)向組件。有必要有一個(gè)模型工具，這個(gè)工具支持機(jī)電一體化系統(tǒng)的物理模型，即當(dāng)有實(shí)物和節(jié)點(diǎn)時(shí),這些模型能夠以1:1來測試，并且原型設(shè)計(jì)研究階段可以在嚴(yán)酷的實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行。測試階段在系統(tǒng)運(yùn)行完模型階段之后，所產(chǎn)生的具體的性能數(shù)據(jù)可以通過試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證。這樣就可以測試和檢驗(yàn)該系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)波動(dòng)的魯棒性，功率儲(chǔ)備及連續(xù)運(yùn)行的特征。這樣做的話，用戶可以進(jìn)行測試或者使用CAMeL-ViewTestRig進(jìn)行硬件在回路（的測試）。要進(jìn)行硬件在回路測試，相關(guān)裝置的物理特性需要詳細(xì)確認(rèn)，這些裝置必須是建立在測試平臺(tái)的基礎(chǔ)之上。識(shí)別經(jīng)過測試平臺(tái)上測試過的組件，容許這些組件

6、在模型中被識(shí)別，并確保整個(gè)以系統(tǒng)為基礎(chǔ)的仿真分析布局。原型階段成功的測試之后，就會(huì)建立一個(gè)原型。這里要特別關(guān)注的是模型特性，這些特性特指通過特別費(fèi)力的仿真所決定的特性，比如組件損耗（性能）。這些數(shù)據(jù)結(jié)果，為模型基礎(chǔ)性分析提供服務(wù)，同時(shí)為進(jìn)一步研發(fā)提供知識(shí)基礎(chǔ)。4五大元素和三大原則1五大組成要素一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機(jī)結(jié)合而成。機(jī)械本體（結(jié)構(gòu)組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分（動(dòng)力組成要素）依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。測試傳

7、感部分（感知組成要素）對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并變成可識(shí)別的信號(hào)，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）將來之測試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)組成要素）vBR;根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動(dòng)作和功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動(dòng)力源5個(gè)組成部分構(gòu)成。2三大原則構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素其內(nèi)部及相互之間都必須遵循結(jié)構(gòu)耦合

8、、運(yùn)動(dòng)傳遞、信息控制與能量轉(zhuǎn)換四大原則。接口耦合：兩個(gè)需要進(jìn)行信息交換和傳遞的環(huán)節(jié)之間，由于信息模式不同（數(shù)字量與模擬量，串行碼與并行碼，連續(xù)脈沖與序列脈沖等）無法直接傳遞和交換，必須通過接口耦合來實(shí)現(xiàn)。而兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)弱相差懸殊的環(huán)節(jié)之間，也必須通過接口耦合后，才能匹配。變換放大后的信號(hào)要在兩個(gè)環(huán)節(jié)之間可靠、快速、準(zhǔn)確的交換、傳遞，必須遵循一致的時(shí)序、信號(hào)格式和邏輯規(guī)范才行，因此接口耦合時(shí)就必須具有保證信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進(jìn)行交換與傳遞。1能量轉(zhuǎn)換：兩個(gè)需要進(jìn)行傳輸和交換的環(huán)節(jié)之間，由于模式不同而無法直接進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和交流，必須進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，能量的轉(zhuǎn)換包括執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)器和他

9、們的不同類型能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法及原理。2信息控制：在系統(tǒng)中，所謂智能組成要素的系統(tǒng)控制單元，在軟、硬件的保證下，完成信息的采集、傳輸、儲(chǔ)存、分析、運(yùn)算、判斷、決策，以達(dá)到信息控制的目的。對(duì)于智能化程度高的信息控制系統(tǒng)還包含了知識(shí)獲得、推理機(jī)制以及自學(xué)習(xí)功能等知識(shí)驅(qū)動(dòng)功能。3運(yùn)動(dòng)傳遞：運(yùn)動(dòng)傳遞使構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成要素之間，不同類型運(yùn)動(dòng)的變換與傳輸以及以運(yùn)動(dòng)控制為目的的優(yōu)化。5國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前在國外光機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展很快。我們在學(xué)習(xí)光機(jī)電一體化的同時(shí)，更要知道它的發(fā)展?fàn)顩r和潮流趨勢。生產(chǎn)光機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)現(xiàn)在并不局限于光學(xué)行業(yè)，已擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。這是由于光機(jī)電一體化產(chǎn)品是光學(xué)

10、、電子、機(jī)械的融合。它涉及到基準(zhǔn)光源發(fā)出的光本身的測量，用光進(jìn)行加工、測量及為制造這些產(chǎn)品的原材料和制造機(jī)械的生產(chǎn)。機(jī)械電子產(chǎn)品是在機(jī)械中采用了電子技術(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品的性能提高，而光機(jī)電一體化產(chǎn)品是在機(jī)械電子產(chǎn)品中加上了光學(xué)技術(shù)，性能更加提高。隨著光機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)展，光機(jī)電一體化產(chǎn)品一定會(huì)得到發(fā)展一、1990年市場1990年日本光機(jī)電產(chǎn)品的產(chǎn)量約25300億日元。光機(jī)電產(chǎn)品的市場可分8個(gè)領(lǐng)域，最大的市場是光應(yīng)用儀器。在整個(gè)光機(jī)電一體化產(chǎn)品市場中，光應(yīng)用儀器占48.6%，光源占19.0%，光信息儀器占8.6%，光應(yīng)用計(jì)測、控制儀器占7.1%，圖像儀器占5.1%，光應(yīng)用電子器件制造裝置占4.5

11、%，光應(yīng)用加工儀器占4.1%，光部件加工、制造儀器占3.0%。在光應(yīng)用儀器市場中辦公自動(dòng)化儀器約占25%，以激光打印機(jī)為代表的光學(xué)式打印機(jī)為最大的市場。它的目標(biāo)瞄準(zhǔn)全世界5000萬臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，配套使用。僅次于光應(yīng)用儀器市場是光源。在光源市場中并不包括激光器，僅僅是白熾燈和電燈在日本已形成了4000億日元的市場。加上600億日元的激光器市場，屬光機(jī)電一體化產(chǎn)品市場中的主要品種。正在增長的圖像儀器和信息儀器1990年分別為1300億日元和2200億日元。市場比例較少，原因是在圖像儀器中并沒有包括進(jìn)CRT或液晶等標(biāo)準(zhǔn)的顯示裝置；醫(yī)療方面的圖像診斷裝置沒有列人光應(yīng)用儀器，光信息儀器中僅僅以光盤為中心

12、的光記錄裝置為對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在光應(yīng)用計(jì)測、控制儀器中“位置、角度、坐標(biāo)、形狀及表面形狀的計(jì)測儀器”市場比較大。包括各種顯微鏡、測量機(jī)、光學(xué)式編碼器各種計(jì)測儀器，約有1500億日元的市場。二、1995年市場光機(jī)電一體化產(chǎn)品有較大增長，見附表。整個(gè)市場從1990年的25300億日元增長為1995年的52000億日元，年平均增長率為14.7%。1995年最大的市場仍是光應(yīng)用儀器，將形成23000億日元的市場。市場擴(kuò)大的產(chǎn)品仍是光學(xué)式打印機(jī)，達(dá)10000億日元。另一方面，增長率高的市場是圖像儀器和光信息儀器，年平均增長率超過20%。預(yù)計(jì)將會(huì)高速增長的儀器有速度、加速度等的計(jì)測儀器。這個(gè)市場1990年為

13、33億日元，1995年約為447億日元，年均增長68.4%。高速增長的產(chǎn)品有光陀螺儀，這是導(dǎo)航系統(tǒng)普及的結(jié)果。1995年市場規(guī)模超過100億日元的市場中，有20%以上增長速度的儀器，在圖像儀器市場中有圖像顯示裝置及機(jī)械視覺機(jī)器人系統(tǒng)。圖像顯示裝置包括高分辨率電視（HDTV）、硬拷貝裝置、三維顯示、平視顯示器。6國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)是光學(xué)、饑械與電子相結(jié)合的復(fù)合工業(yè)。北京機(jī)械工業(yè)百余家企業(yè)是光機(jī)電一體化行業(yè)最重要的主力軍，1994年在全國各省市機(jī)械工業(yè)中光機(jī)電一體化綜合實(shí)力居第五位。同時(shí)，北京市新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)試驗(yàn)區(qū)也擁有一批具有相當(dāng)實(shí)力和發(fā)展前景的企業(yè)，是本市該行業(yè)的又一支生力

14、軍。截止1994年底，北京市光機(jī)電一體化行業(yè)銷售產(chǎn)值達(dá)61億元，占全市高新技術(shù)企業(yè)總產(chǎn)值的28.6%。其中，北京新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)試驗(yàn)區(qū)銷售產(chǎn)值達(dá)15億元。預(yù)計(jì)到2000年，北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)118億元，增加值49億元；到2010年產(chǎn)值將達(dá)336億元，增加值154億元。（一）數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域4近年來，本市數(shù)控機(jī)床和加工中心已由單一產(chǎn)品開發(fā)過渡到多品種規(guī)格系列開發(fā)生產(chǎn)，由小型、經(jīng)濟(jì)型向中大型和高檔發(fā)展。1994年工業(yè)總產(chǎn)值將近一4億元，銷售收入4.5億元.實(shí)現(xiàn)利稅800。萬元。目前，本市數(shù)控機(jī)床已具一定規(guī)模.在數(shù)控銑床、力日工中心、鑊銑床、電加工機(jī)床、磨床等方而具備生產(chǎn)優(yōu)勢，在國內(nèi)占有約1

15、0、的市場份額，其技術(shù)接近80年代末國際先進(jìn)水平。與此同時(shí)，北京還具有國內(nèi)最完善的數(shù)控機(jī)床科研體系，開發(fā)能力占全國一半以上，開發(fā)實(shí)力雄厚（二）印刷機(jī)械領(lǐng)域膠印機(jī)是目前光機(jī)電一體化的主要印機(jī)產(chǎn)品。北人集團(tuán)公司是國內(nèi)同行業(yè)中最大的企業(yè)，其產(chǎn)品品種在同行業(yè)中最多，銷售額占全國同行業(yè)6個(gè)廠家總和的60%以上.國內(nèi)市場占有率達(dá)65%以上，部分產(chǎn)品可出口.1994年銷售額達(dá)5.3億元，利稅2.3億元。其產(chǎn)品水平達(dá)到國際80年代初水平，價(jià)格只有國外同類產(chǎn)況，的1/3到1/2.市場占有率達(dá)70%，在海外也占領(lǐng)了主要華人報(bào)業(yè)系統(tǒng)。光機(jī)電一體化印刷機(jī)械今后將以電子出版系統(tǒng)、電子分色機(jī)、彩色膠印機(jī)、中英文打字機(jī)為重

16、點(diǎn)，開發(fā)新產(chǎn)品，發(fā)展高檔、輕型、系列產(chǎn)品，繼續(xù)保持國內(nèi)市場的優(yōu)勢，擴(kuò)大出口，提高國際市場占有率。預(yù)計(jì)到2000年，銷售額可達(dá)6異億元。（三）電力電子領(lǐng)域北京地區(qū)是我國從事電力電子產(chǎn)品研制和生產(chǎn)單位最集中的地方，也是目前全國唯一具有第一、第二、第三代電力電子器件生產(chǎn)線的地區(qū)，可以提供一大批在國內(nèi)有優(yōu)勢的電力電一子產(chǎn)，鉆，并初步形成硅材料、磁性材料等產(chǎn)品的配套網(wǎng)絡(luò)。（四）激光技術(shù)領(lǐng)域北京市在激光加工裝備、激光醫(yī)療裝備及其應(yīng)用技術(shù)方面是國內(nèi)研究開發(fā)較早的地區(qū)（國家級(jí)的激光技術(shù)開發(fā)中心設(shè)在北京市機(jī)電研究院），在發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)上占有很大優(yōu)勢。擁有研究技術(shù)人員近2000人，在Nd:YAG固體激光器及其激光加

17、工機(jī)系統(tǒng)集成的研究開發(fā)能力和水平方面，在國內(nèi)3個(gè)主要地區(qū)（京、滬、武漢）占有領(lǐng)先優(yōu)勢。在醫(yī)療儀器方面，據(jù)1991一1993年統(tǒng)計(jì)，銷售量北京占全國總數(shù)的近1/5;儀器品種和技術(shù)水平在國內(nèi)占有較明顯優(yōu)勢。九五”期間，要實(shí)現(xiàn)一器二機(jī)”YAG激光器、激光加工機(jī)、激光醫(yī)療機(jī)）產(chǎn)品質(zhì)量接近國際80年代末90年代初同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平;到2000年年產(chǎn)值達(dá)2億元，占領(lǐng)全國1/4的市場，并部分出口。2.技術(shù)動(dòng)向光機(jī)電一體化技術(shù)體系調(diào)查報(bào)告，把與光機(jī)電一體化儀器有關(guān)的技術(shù)課題市場狀況分為開發(fā)期、搖籃期、成長期、成熟期四個(gè)階段，并就現(xiàn)在處于什么狀況。50個(gè)公司進(jìn)行了調(diào)查，報(bào)告了其結(jié)果。從該調(diào)查中了解到被許多公司視

18、為處在開發(fā)階段的光機(jī)電一器下:（1）掃描型引原手力顯徽忱（AFM）若原子彼此接近達(dá)到Inm，則因范德耳斯的力和永久多重極子力矩，而靜電力和變換排斥力起作用.因此這種顯微鏡用細(xì)的金屬箔制作懸臂（針），在其前端安裝上金剛石，掃描試料的表面，檢查懸臂的變形，以測得表面形狀.據(jù)說對(duì)結(jié)晶的觀察、摩擦的研究發(fā)揮了作用。（2）X射線顯徽鏡若把短波長的X射線作為實(shí)現(xiàn)顯微鏡光源，那么能獲得光學(xué)顯微鏡約1/10的分辨率。有利用波帶片和反射鏡等構(gòu)成的成像X射線顯微鏡，還有用X射線的光點(diǎn)掃描試樣上的X射線顯微鏡等。（3）半導(dǎo)體工藝應(yīng)用加工裝五隨著信息通信儀器和家用電氣產(chǎn)品的小型化，要求機(jī)械小型化。半導(dǎo)體工藝應(yīng)用加工裝

19、置能夠用蝕刻和光刻技術(shù)加工微機(jī)械裝置和微細(xì)圖形而引人注目.（4）光亥弓裝工當(dāng)復(fù)制IC圖形的時(shí)侯，把準(zhǔn)分子激光作為光源，并利用在掩?；迳舷辔黄品ǎ?80度），那么光振幅因干涉而互相抵消，產(chǎn)生變?yōu)榱愕牟糠?，有可能?fù)制出對(duì)比度高的圖形。3研究動(dòng)向（1）波導(dǎo)型傳感琴首先看一下波導(dǎo)傳感器，光纖作為溫度、壓力、振動(dòng)位移等許多測量傳感器進(jìn)入實(shí)用化研究。因而，作為未來技術(shù)，波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)研究引人關(guān)注。波導(dǎo)器件可分為在基板的厚度方向上封閉光的平板波導(dǎo)和在基板寬度方向上封閉光的信道波導(dǎo).在平板波導(dǎo)器件內(nèi)可內(nèi)裝光柵和透鏡，建議應(yīng)用于集成光反饋和光譜分析器上。由于信道波導(dǎo)是把光封閉干縱橫兩個(gè)方向，所以波面信息完全消失.因而建議應(yīng)用于需要這種信息的多普勒速度儀、應(yīng)用激光掃描型微分干涉顯徽鏡等.（2）納米瀏童技術(shù)在納米測量中引人注目的是光刻線寬側(cè)定中的定位精度為4納米的光外差檢測系統(tǒng)和以原子尺度為基準(zhǔn)的晶格，即由完整的硅結(jié)晶中切出的三塊平行結(jié)晶板做成的X射線干涉儀，能夠進(jìn)行