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光机电一体化技术的现状和发展趋势_机电毕业论

2013-06-20 01:25

　　摘 要：光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要和发展背景。综述了国内外光机电一体化技术的现状，分析了光机电一体化技术的发展趋势。
　　关键词：光机电一体化；综合技术：现状；制造技术；发展趋势
　　0 前言
　　现代机械系统已发展成为集光、机、电、磁、声、热、液、气、算于一体的技术系统。在2O世纪7O年代，微电子技术曾引起新技术领域的深刻变革，机电一体化技术就是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科，经过几十年的发展，使得机电一体化的内涵和外延得到不断地丰富和拓宽。从最初的机械电子化、机械电脑化进而发展到光机电一体化、机械智能化和微机械化阶段。
　　从2O世纪90年代开始，光机电一体化技术引导着一场新的变革，光机电一体化是由光学、微电子、信息和机械及其他相关技术交叉与融合而构成的综合性高新技术，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。从加工系统到医疗仪器、从家用电器到军事装备都离不开它。 信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化、传统产业的技术改造、武器装备的现代化都要用到光机电一体化技术。
　　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Hj领域更为宽阔的机电一体化技术。
　　1 光机电一体化概要
　　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5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，传感器就是它的五官，软件就是使躯体（机械本体）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，光机电一体化产品具有以下有点：

　　（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。
　　目前，工业发达国家光机电一体化技术的应用已十分广泛，不仅在单机产品中占有重要位置，而且在生产制造系统内也十分活跃。例如，计算机集成制造系统（CIMS）、快速成型制造系统（RPM）、智能制造体统（IMS）等。
　　2 国内外光机电一体化的发展概况
　　光电子技术是在20世纪6O年代激光器问世之后，电子技术与瓜果女子技术的自然结合与扩展，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希I它们在近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，当今：[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2O项关键技术之一。德国政府已确定光子学是2l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。日本早在1980年，就成立了日本光产业技术振兴协会，1981年通产省就雄心勃勃地联合l3家大公司投入13大公司投入13亿美元组建了光子技术研究所，日本科技厅也一再把量子波光技术列为重大项目，予以支持。澳大利亚集团10个重要单位的力量成立了瓜果女子联合研究中心，重点开拓信心技术和新产品。l986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别列为国家十五高新技术重点扶持项目。我国光电子产业总产值已由1995年的10多亿美元发展到2001年的1o0亿美元。

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　　3 光机电一体化的发展趋势
　　光机电一体化是集机械、微电子、光学、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术发展和进步。其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人格化、微型化、集成化、带源化和绿色化 .
　　3.1数字化微处理器和微控制器的发展奠定了单机数字化的基础，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，为数字化制造铺平了道路，如计算机集成制造。数字化要求光机电一体化产品的软件具有高可靠性和可维护性以及自诊断能力，其人机界面对用户更加友好，易于使用，并且用户能根据需要参与改进。
　　3.2智能化赋予光机电产品一定的智能，使它具有人的判断推理，逻辑思考，自主决策能力。例如在CNC数控机床上增加了人一机对话功能，使之了智能I／O通道和智能工艺数据库，给使用、操作和维护带来了极大的方便。随着人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为光机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化光机电一体化产品不断涌现。现在， 模糊控制技术已经相当普遍，甚至还出现了混沌控制的产品。
　　3.3模块化由于光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、l电气接口、动力接口、环境接口的光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。一边各部件、单元的匹配和接口。光机电一体化产品模块化的发展促进了新产品的开发，品种不断增多，花样不断翻新，缩短了开发周期。

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　　以驱动为核心的驱动模块单元，一伺服为核心的运动控制模块单元，以两根单线把各功能单元连接起来的总线或现场总线等，已形成了标准化的产品。