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光機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、光機(jī)電一體化技術(shù)概要
光機(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)，使用和發(fā)展的技術(shù)。光機(jī)電一體化技術(shù)是由機(jī)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(jī)械產(chǎn)品比較，有很大的不同。光機(jī)電一體化是一門跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，它是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)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(jī)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(yán)格的要求，這就需要取長補(bǔ)短，不斷向理想化方向發(fā)展。光機(jī)電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)與機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)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(jī)電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。從20
世紀(jì)90年代開始，光機(jī)電一體化技術(shù)引導(dǎo)著一場新的變革，光機(jī)電一體化是由光學(xué)、微電子、信息和機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)。光機(jī)電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個方面。光機(jī)電一體化產(chǎn)品是包含光學(xué)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和光機(jī)電一體化產(chǎn)品。光機(jī)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(diǎn),光機(jī)電一體化產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較,具有以下特點(diǎn):
( 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(jī)電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學(xué)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(dāng)然，與光機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學(xué)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(jī)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(jī)電一體化技術(shù)特征
光機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由動力、機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器、計算機(jī)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(jī)軟硬件和傳感器是光機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成要素。光機(jī)電一體化產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)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(qiáng),操作更方便
(2)功能增加,精度大幅提高,光機(jī)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(jī)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(jī)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(xué)科新技術(shù),光機(jī)電一體化產(chǎn)品的研究開發(fā)涉及到許多學(xué)科和專業(yè)知識,包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、電力電子學(xué)、電工學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、光學(xué)、控制論、信息論和計算機(jī)科學(xué)等。光機(jī)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(jī)械技術(shù)各自的優(yōu)勢結(jié)合起來,衍生出許多功能更強(qiáng)、性能更好的新一代技術(shù)裝備。
(6)產(chǎn)品系統(tǒng)性增強(qiáng),使光機(jī)電一體化技術(shù)及產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。
三、國內(nèi)外光機(jī)電一體化的發(fā)展概況簡要
光電子技術(shù)是在20世紀(jì)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(kuò)展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術(shù)的功能，并使之有更強(qiáng)的適應(yīng)性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運(yùn)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(rèn)識到光電子學(xué)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(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)持續(xù)發(fā)展中起著巨大的作用，當(dāng)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(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。美國政府已將光子學(xué)確定為國家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為光子學(xué)對國家安全與經(jīng)濟(jì)競爭有著深遠(yuǎn)的意義和潛力，并把光子學(xué)列為當(dāng)前20項關(guān)鍵技術(shù)之一。德國政府已確定光子學(xué)是21世界初對保持德國在國際市場上先進(jìn)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(tuán)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(diǎn)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(jī)電一體化技術(shù)也別列為國家“十五”高新技術(shù)重點(diǎn)扶持項目。
四、光機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢
1．光機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個學(xué)科、領(lǐng)域,成為一種新興的學(xué)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(jì)增長點(diǎn)越來越受到高度重視。
2）智能化賦予光機(jī)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(jī)床上增加了人一機(jī)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(hù)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(jìn)步，為光機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)�，F(xiàn)在，模糊控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、1電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的光機(jī)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(jī)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(jī)械裝置這樣可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品。同時也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，這需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)。一邊各部件、單元的匹配和接口。光機(jī)電一體化產(chǎn)品模塊化的發(fā)展促進(jìn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。
4）網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代,計算機(jī)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(jì)覽生嚴(yán)連j一鰲,下秦亞間的競爭也將全球化。光機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)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(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是光機(jī)電一體化產(chǎn)品�，F(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(jī)為中心的計算機(jī)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(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人如何在光機(jī)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(jī)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(jī)器人的最高境界就是人機(jī)合淋化ook118.com6）微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末覽指的是光機(jī)電十體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過lcm的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)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(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)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(jì)80年代末覽指的是光機(jī)電十體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過lcm的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)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(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)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(yùn)轉(zhuǎn),然后再通過硬、軟件將各個層次有機(jī)地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)功能最強(qiáng)。
8）帶源化是指光機(jī)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(diǎn)，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(yùn)動的光機(jī)電一體化產(chǎn)品。自帶動力源具有獨(dú)特的好處，帶源化是光機(jī)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(dá)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(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)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(yùn)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(hù)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(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。光機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)已發(fā)展成為集光、機(jī)、電、磁、聲、熱、液、氣、算于一體的技術(shù)系統(tǒng)。在20世紀(jì)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(jī)電一體化技術(shù)就是在微電子技術(shù)向機(jī)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(dú)立的綜合性交叉學(xué)科，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，使得機(jī)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(jī)械電子化、機(jī)械電腦化進(jìn)而發(fā)展到光機(jī)電一體化、機(jī)械智能化和微機(jī)械化階段。
從20世紀(jì)90年代開始，光機(jī)電一體化技術(shù)引導(dǎo)著一場新的變革，光機(jī)電一體化是由光學(xué)、微電子、信息和機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)。
光機(jī)電一體化技術(shù)的特征是在機(jī)電一體化概念的基礎(chǔ)上強(qiáng)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(jì)應(yīng)j領(lǐng)域更為寬闊的機(jī)電一體化技術(shù)。
1.光機(jī)電一體化概要
光機(jī)電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個方面。光機(jī)電一體化產(chǎn)品是包含光學(xué)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使用光機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。光機(jī)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(diǎn)，它們一般由機(jī)械本體、傳感器、接口、微處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等5部分組成。如果把光機(jī)電一體化產(chǎn)品比做一個人，則計算機(jī)就是它的頭腦，傳感器就是它的五官，軟件就是使軀體（機(jī)械本體）能發(fā)揮效能的手段，所以，光機(jī)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(jī)器或機(jī)構(gòu)。機(jī)器人就是光機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型代表。與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，光機(jī)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(dá)國家光機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用已十分廣泛，不僅在單機(jī)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(jī)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(jī)電一體化的發(fā)展概況
光電子技術(shù)是在20世紀(jì)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(kuò)展，它不僅拓展了傳統(tǒng)電子技術(shù)的功能，并使之有更強(qiáng)的適應(yīng)性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運(yùn)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(rèn)識到光電子學(xué)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(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)持續(xù)發(fā)展中起著巨大的作用，當(dāng)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(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。美國政府已將光子學(xué)確定為國家發(fā)展的重點(diǎn)，認(rèn)為光子學(xué)對國家安全與經(jīng)濟(jì)競爭有著深遠(yuǎn)的意義和潛力，并把光子學(xué)列為當(dāng)前2O項關(guān)鍵技術(shù)之一。德國政府己確定光子學(xué)是2世界初對保持德國在國際市場上先進(jìn)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。
