论文部分内容阅读
光机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，包含了机械技术、计算机与信息处理技术、系统技术、自动控制技术、传感与检测技术、伺服传动技术和光电技术。光机电一体化是传统工业被微电子技术逐步渗透过程形成的一个新概念，是微电子技术、机械技术相互交融的产物，是集多种技术于一体的新兴交叉学科。光机电一体化产品是在其各种技术相互渗透、相互结合的基础上，相互辅助，相互促进和提高，充分利用各个相关技术的优势，使组合后的整体功能大于各个部分功能之和，使系统或设备的性能达到精密化、高柔化、智能化。光机电一体化的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、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
一、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，易于操作，且用户能根据需要参与改进。数字化的实现便于远程操作、诊断和修复，产品的虚拟设计与制造将大大提高设计制造的效率，节省开发费用。
二、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机对话功能，设置了智能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。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。
三、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、动力接口、环境接口的光机电一体化产品单元是一项复杂和有前途的事情。如研制具有集减速、智能调速、电机于一体的动力装置单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及能完成典型操作的装置。利用标准单元迅速开发出新的产品，也可扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和链接。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。以驱动为核心的驱动模块单元，以伺服为核心的运动控制模块单元，以两根导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。
四、网络化
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光机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能。利用家庭网络连接各种家用电器，行成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的好处。因此，光机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
五、人性化
光机电一体化产品的最终使用对象是人，如何在其中赋予人的智能、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、造型等方面与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑。使用这些产品，对人来说是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
六、微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(MEMS)指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，乃至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Betkeley分校研制出第一个直径为200μm的微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了巨大的进展。开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器：微压力传感器、微加速度计、微触觉传感器；各种微构件：微膜、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等。最近几年来，MEMS正在向光学方面渗透，形成了微光机电系统。其研究目标是实现光机电系统的微小化、集成化和智能化，设计制造出具有新原理、新结构、新功能的元件及系统，开辟一个新的工程技术领域，完成传统机电系统所不能完成的任务。
所以，它是涉及电子学(微电子和控制)、机械学(机械和力学)、光学、材料学、化学、生物学和医学等，多学科、高技术交叉的前沿研究领域。微光机电系统可以是一种外形尺寸很小的微系统／微运动系统，或是一种外形尺寸未必很小，但操作尺度极小且精度很高的微动作系统。尺寸大小一般泛指从数厘米到数微米的范围，通常把尺寸为1～100mm的称为小型系统，0．1～1mm称为毫米系统；1～100μm称为微米系统。所以，微小化是微光机电系统的重要特征。尺度的微小化，即所谓尺寸效应将导致许多适用于宏观技术领域的经验与法则不起作用，需要从微观领域对设计、结构、材料、制造、测试、控制、集成、能源及通信等方面进行研讨，探讨新原理，开发新技术、新功能元件和系统，确立崭新的“微理工学”和“微系统设计方法论”。目前在世界范围内研制的微光机电系统主要包括空间光调制器、光盘读取头、微机械光开关、光衰减器、光扫描器以及光谱仪等。其中微机械光开关具有串话小、插入损耗小、消光比高、对波长和偏振不敏感、稳定性好、造价低等优点，在光纤通信和光纤测试系统中具有广阔的应用前景。
七、集成化
集成化既包括各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与组合，又包括在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后通过硬、软件将各个层次有机联系起来，使其性能最优、功能最强。
八、带源化
光机电一体化产品自身带有能源，无需外部供电一直是研究的重点，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。带源化是光机电一体化产品的发展方向之一。
九、绿色化
科学技术的发展给人们生活带来巨大变化，物质丰富的同时也带来资源减少，生态环境恶化的后果。所以人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、协调而可再生利用的产品，在其设计、制造、使用和销毁时符合环保和人类健康的要求。光机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品残存部分可分解或可再生利用。
（作者单位：河南省职业技术培训教研室）
一、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，易于操作，且用户能根据需要参与改进。数字化的实现便于远程操作、诊断和修复，产品的虚拟设计与制造将大大提高设计制造的效率，节省开发费用。
二、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机对话功能，设置了智能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。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。
三、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、动力接口、环境接口的光机电一体化产品单元是一项复杂和有前途的事情。如研制具有集减速、智能调速、电机于一体的动力装置单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及能完成典型操作的装置。利用标准单元迅速开发出新的产品，也可扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和链接。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。以驱动为核心的驱动模块单元，以伺服为核心的运动控制模块单元，以两根导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。
四、网络化
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光机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能。利用家庭网络连接各种家用电器，行成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的好处。因此，光机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
五、人性化
光机电一体化产品的最终使用对象是人，如何在其中赋予人的智能、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、造型等方面与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑。使用这些产品，对人来说是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
六、微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(MEMS)指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，乃至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Betkeley分校研制出第一个直径为200μm的微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了巨大的进展。开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器：微压力传感器、微加速度计、微触觉传感器；各种微构件：微膜、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等。最近几年来，MEMS正在向光学方面渗透，形成了微光机电系统。其研究目标是实现光机电系统的微小化、集成化和智能化，设计制造出具有新原理、新结构、新功能的元件及系统，开辟一个新的工程技术领域，完成传统机电系统所不能完成的任务。
所以，它是涉及电子学(微电子和控制)、机械学(机械和力学)、光学、材料学、化学、生物学和医学等，多学科、高技术交叉的前沿研究领域。微光机电系统可以是一种外形尺寸很小的微系统／微运动系统，或是一种外形尺寸未必很小，但操作尺度极小且精度很高的微动作系统。尺寸大小一般泛指从数厘米到数微米的范围，通常把尺寸为1～100mm的称为小型系统，0．1～1mm称为毫米系统；1～100μm称为微米系统。所以，微小化是微光机电系统的重要特征。尺度的微小化，即所谓尺寸效应将导致许多适用于宏观技术领域的经验与法则不起作用，需要从微观领域对设计、结构、材料、制造、测试、控制、集成、能源及通信等方面进行研讨，探讨新原理，开发新技术、新功能元件和系统，确立崭新的“微理工学”和“微系统设计方法论”。目前在世界范围内研制的微光机电系统主要包括空间光调制器、光盘读取头、微机械光开关、光衰减器、光扫描器以及光谱仪等。其中微机械光开关具有串话小、插入损耗小、消光比高、对波长和偏振不敏感、稳定性好、造价低等优点，在光纤通信和光纤测试系统中具有广阔的应用前景。
七、集成化
集成化既包括各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与组合，又包括在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后通过硬、软件将各个层次有机联系起来，使其性能最优、功能最强。
八、带源化
光机电一体化产品自身带有能源，无需外部供电一直是研究的重点，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。带源化是光机电一体化产品的发展方向之一。
九、绿色化
科学技术的发展给人们生活带来巨大变化，物质丰富的同时也带来资源减少，生态环境恶化的后果。所以人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、协调而可再生利用的产品，在其设计、制造、使用和销毁时符合环保和人类健康的要求。光机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品残存部分可分解或可再生利用。
（作者单位：河南省职业技术培训教研室）