光機電一體化技術(shù)的現狀及發(fā)展趨勢

1、光機電一體化技術(shù)概要
光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現，使用和發(fā)展的技術(shù)。光機電一體化技術(shù)是由機械技術(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)。它與傳統的機械產(chǎn)品比較，有很大的不同。光機電一體化是一門(mén)跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，它是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)與機械技術(shù)結合而成的綜合性高技術(shù)。其各個(gè)組成部分如機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)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)、模擬量與數字量交換技術(shù)以及軟件技術(shù)等在綜合成一個(gè)完整的系統中相互配合有嚴格的要求，這就需要取長(cháng)補短，不斷向理想化方向發(fā)展。光機電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)與機械技術(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。它包括產(chǎn)品和技術(shù)兩方面:光機電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機械、微電子、自動(dòng)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;光機電一體化是現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結果。從20 世紀90年代開(kāi)始，光機電一體化技術(shù)引導著(zhù)一場(chǎng)新的變革，光機電一體化是由光學(xué)、微電子、信息和機械及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合而構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。從加工系統到醫療儀器、從家用電器到軍事裝備都離不開(kāi)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、傳統產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、武器裝備的現代化都要用到光機電一體化技術(shù)。光機電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個(gè)方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學(xué)技術(shù)、機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的高科技產(chǎn)品;光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和光機電一體化產(chǎn)品。光機電一體化產(chǎn)品具有結構簡(jiǎn)單、功能多、效率高,能耗低等特點(diǎn),光機電一體化產(chǎn)品與傳統的機械產(chǎn)品比較,具有以下特點(diǎn):
( 1)綜合性與系統性:
(2)多層次,覆蓋面廣;
(3）結構簡(jiǎn)化,方便操作;
(4)精度提高,功能增加;
(5)高可靠性,高穩定性和高使用壽命;
(6)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的只是密集性。光機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結品，是社會(huì )生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當然，與光機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著(zhù)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(lái)越明顯，光機電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來(lái)越光明。
二、光機電一體化技術(shù)特征
光機電一體化系統主要由動(dòng)力、機構、執行器、計算機和傳感器五個(gè)部分組成，相互構成一個(gè)功能完善的柔性自動(dòng)化系統。其中計算機軟硬件和傳感器是光機電一體化技術(shù)的重要組成要素。光機電一體化產(chǎn)品與傳統的機械產(chǎn)品比較,具有以下技術(shù)特征。
(1)體積小,重量輕,適應性強,操作更方便
(2)功能增加,精度大幅提高,光機電一體化系統包括以激光、電腦等現代技術(shù)集成開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化、智能化機構設備、儀器儀表和元器件。
(3)部分硬件實(shí)現軟件化,智能化程度提高,傳統機械設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(cháng),從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩定性。
(5)融合了多種學(xué)科新技術(shù),光機電一體化產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)涉及到許多學(xué)科和專(zhuān)業(yè)知識,包括數學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、機械工程學(xué)、電力電子學(xué)、電工學(xué)、系統工程學(xué)、光學(xué)、控制論、信息論和計算機科學(xué)等。光機電一體化技術(shù)將光電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)與機械技術(shù)各自的優(yōu)勢結合起來(lái),衍生出許多功能更強、性能更好的新一代技術(shù)裝備。
(6)產(chǎn)品系統性增強,使光機電一體化技術(shù)及產(chǎn)品更具有系統性、完整性和科學(xué)性。
三、國內外光機電一體化的發(fā)展概況簡(jiǎn)要
光電子技術(shù)是在20世紀60年代激光器問(wèn)世之惇后，電子技術(shù)與瓜果電子技術(shù)的自然結合與擴展，它不僅拓展了傳統電子技術(shù)的功能，并使之有更強的適應性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來(lái)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(lái)的飛速發(fā)展，已使人們認識到光電子學(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)濟和科學(xué)持續發(fā)展中起著(zhù)巨大的作用，當今:工業(yè)化的世界各國無(wú)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。美國政府已將光子學(xué)確定為國家發(fā)展的重點(diǎn)，認為光子學(xué)對國家安全與經(jīng)濟競爭有著(zhù)深遠的意義和潛力，并把光子學(xué)列為當前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(chǎng)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(huì )，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10個(gè)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(kāi)拓信心技術(shù)和新產(chǎn)品。1986年我國啟動(dòng)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、光機電一體化的發(fā)展趨勢
1．光機電一體化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)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)濟增長(cháng)點(diǎn)越來(lái)越受到高度重視。
2）智能化賦予光機電產(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數控機床上增加了人一機對話(huà)功能，使之了智能I/O通道和智能工藝數據庫，給使用、操作和維護帶來(lái)了極大的方便。隨著(zhù)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，為光機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。大量的智能化光機電一體化產(chǎn)品不斷涌現�，F在，模糊控制技術(shù)已經(jīng)相當普遍，甚至還出現了混沌控制的產(chǎn)品。
3）模塊化由于光機電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠(chǎng)家繁多，研制和開(kāi)發(fā)具有標準機械接口、1電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的光機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動(dòng)力單元，具有視覺(jué)、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械裝置這樣可利用標準單元迅速開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品。同時(shí)也可以擴大生產(chǎn)規模，這需要制定各項標準。一邊各部件、單元的匹配和接口。光機電一體化產(chǎn)品模塊化的發(fā)展促進(jìn)了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，品種不斷增多，花樣不斷翻新，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
以驅動(dòng)為核心的驅動(dòng)模塊單元，一伺服為核心的運動(dòng)控制模塊單元，以?xún)筛鶈尉�(xiàn)把各功能單元連接起來(lái)的總線(xiàn)或現場(chǎng)總線(xiàn)等，已形成了標準化的產(chǎn)品。
4）網(wǎng)絡(luò )化20世紀90年代,計算機技術(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)濟覽生嚴連j一鰲,下秦亞間的競爭也將全球化。光機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái)，只要其功能獨到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì )暢銷(xiāo)全球。由于網(wǎng)絡(luò )的普及，基于網(wǎng)絡(luò )的各種遠程控制和監視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是光機電一體化產(chǎn)品�，F場(chǎng)總線(xiàn)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為中心的計算機集成家電系統（computer integrated appliance system，CIAS)，使人們在家里分享各種高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè )。因此，光機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。
5）人性化光機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人如何在光機電一體化產(chǎn)品里賦予人的智能、情感和人性顯得愈來(lái)愈重要，光機電一岱化產(chǎn)品除了完善的性能樂(lè ),還要求在色彩、造型等方面都與環(huán)境相協(xié)調，柔和一體,小巧玲現，使用這些產(chǎn)品，對人來(lái)說(shuō)還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機合淋化ook118.com6）微型化微型化興起于20世紀80年代末覽指的是光機電十體化向微型機器和微觀(guān)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱(chēng)其為微電子機械系統（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過(guò)lcm的光機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動(dòng)靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi)。
6）微型化微型化興起于20世紀80年代末覽指的是光機電十體化向微型機器和微觀(guān)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱(chēng)其為微電子機械系統（MEMS)，泛指幾何尺寸不超過(guò)lcm的光機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動(dòng)靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi)。
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)品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實(shí)現多品種。小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化與高效率，盤(pán)使系統具有更廠(chǎng)泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，是系統功能分散↓評便各部分協(xié)調面又安全地運轉,然后再通過(guò)硬、軟件將各個(gè)層次有機地聯(lián)系起來(lái)，使其性能最優(yōu)功能最強。
8）帶源化是指光機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源。無(wú)需外部供電能源一直是研究的重點(diǎn)，如太陽(yáng)能電池，燃料電池和大容量電池，但在許多場(chǎng)合，無(wú)法使用電能。而對于運動(dòng)的光機電一體化產(chǎn)品。自帶動(dòng)力源具有獨特的好處，帶源化是光機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之.
9)綠色化工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來(lái)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)境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時(shí)代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護和人類(lèi)健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的光機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前途。光機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用。
光機電一體化技術(shù)的現狀和發(fā)展趨勢
現代機械系統已發(fā)展成為集光、機、電、磁、聲、熱、液、氣、算于一體的技術(shù)系統。在20世紀70年代，微電子技術(shù)曾引起新技術(shù)領(lǐng)域的深刻變革，機電一體化技術(shù)就是在微電子技術(shù)向機械工業(yè)領(lǐng)域滲透過(guò)程中逐漸形成并發(fā)展起來(lái)的一門(mén)獨立的綜合性交叉學(xué)科，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，使得機電一體化的內涵和外延得到不斷地豐富和拓寬。從最初的機械電子化、機械電腦化進(jìn)而發(fā)展到光機電一體化、機械智能化和微機械化階段。
從20世紀90年代開(kāi)始，光機電一體化技術(shù)引導著(zhù)一場(chǎng)新的變革，光機電一體化是由光學(xué)、微電子、信息和機械及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合面構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。從加工系統到醫療儀器、從家用電器到軍事裝備都離不開(kāi)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、傳統產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、武器裝備的現代化都要用到光機電一體化技術(shù)。
光機電一體化技術(shù)的特征是在機電一體化概念的基礎上強調了光、光電子、激光和光纖通訊等技術(shù)的作用，屬于21世紀應j領(lǐng)域更為寬闊的機電一體化技術(shù)。
1.光機電一體化概要
光機電一體化包括產(chǎn)品和技術(shù)兩個(gè)方面。光機電一體化產(chǎn)品是包含光學(xué)技術(shù)、機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的高科技產(chǎn)品:光機電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使用光機電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現、使用和發(fā)展的技術(shù)。光機電一體化產(chǎn)品具有結構簡(jiǎn)單、功能多、效率高，能耗低等特點(diǎn)，它們一般由機械本體、傳感器、接口、微處理器和執行機構等5部分組成。如果把光機電一體化產(chǎn)品比做一個(gè)人，則計算機就是它的頭腦，傳感器就是它的五官，軟件就是使軀體（機械本體）能發(fā)揮效能的手段，所以，光機電一體化產(chǎn)品就是具有頭腦和五官，能夠感知外界環(huán)境的變化，并根據這種變化作出響應的機器或機構。機器人就是光機電一體化產(chǎn)品的典型代表。與傳統的機械產(chǎn)品比較，光機電一體化產(chǎn)品具有以下
(1)綜合性與系統性:
(2)多層次，覆蓋面廣:
(3）結構簡(jiǎn)化，方便操作:
(4)精度提高，功能增加:
(5)高可靠性，高穩定性和高使用壽命:
(6)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的只是密集性。
(6)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的只是密集性。
目前，工業(yè)發(fā)達國家光機電一體化技術(shù)的應用已十分廣泛，不僅在單機產(chǎn)品中占有重要位置，而且在生產(chǎn)制造系統內也十分活躍。例如，計算機集成制造系統(CIMS)、快速成型制造系統(RPM)、智能制造體統(IMS)等。
2國內外光機電一體化的發(fā)展概況
光電子技術(shù)是在20世紀60年代激光器問(wèn)世之后，電子技術(shù)與瓜果女子技術(shù)的自然結合與擴展，它不僅拓展了傳統電子技術(shù)的功能，并使之有更強的適應性。目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來(lái)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(lái)的飛速發(fā)展，己使人們認識到光電子學(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)濟和科學(xué)持續發(fā)展中起著(zhù)巨大的作用，當今:[業(yè)化的世界各國無(wú)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。美國政府已將光子學(xué)確定為國家發(fā)展的重點(diǎn)，認為光子學(xué)對國家安全與經(jīng)濟競爭有著(zhù)深遠的意義和潛力，并把光子學(xué)列為當前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(chǎng)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(huì )，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。