最新光机电一体化.docx

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最新光机电一体化

光机电一体化

探析光机电一体化技术的发展现状及热点

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摘要:

简述了光机电一体化产品的组成和特点，综述了国内外光机电一体化技

术的发展现状，分析了光机电一体化技术的未来发展热点。

关键词:

光机电一体化技术组成特点发展现状发展热点

一．引言

光机电一体化技术的概念萌芽可追溯到德国提出的精密工程技术，是在现代光学技术与机电一体化技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，是综合当前光学、机械学、电子学、信息处理与控制等领域中最新技术的一种群体技术，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。

其技术水平直接反映了一个国家现代科技和现代工业的发展水平，也是国家综合实力的重要体现。

二．光机电一体化产品的组成

光机电一体化产品一般由机械本体、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。

三．光机电一体化产品的特点

3.1体积小，易操作

光机电一体化技术通过采用电力电子器件或用电子装置进行相关动作控制，使得产品机械结构大大简化。

可以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序，任何装置的动作可由预设的程序一步一步控制实现，甚至实现操作全自动化和智能化。

3.2反应快，精度高

电子技术的采用使得反馈控制水平提高，运算速度加快，通过电子自动控制系统可精确按预设动作，其自行诊断、校正、补偿功能可减少误差，达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。

同时，由于机械传动部件减少，机械磨损及配合间隙等引起的误差也大大减小。

因此，光机电一体化产品应用领域宽，适用面广，易于满足各种需要。

3.3柔性化，智能化

光机电一体化技术使得电子装置能按照人的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。

通过改变程序、指令等软件内容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能，使机械控制功能内容的确定和变化趋向“软件化”和“智能化”。

3.4更可靠，寿命长

光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、无机械磨损。

因此，装置的寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。

3.5技术层次多．应用范围广

光机电一体化技术存在有不同的层次，应用领域覆盖面很广。

一般而言，对于光机电一体化单机产品，主要采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径来设计开发的，因而就存在技术指标和应用范围不同的多种类型产品。

常常是首先发展功能附加型的低级产品，然后是发展功能替代型的中级产品，最后根据市场和客户需要，按照自身技术实力可发展机电融合型的高级产品。

在不同的应用领域，可以根据实际需要选择合适的产品型号。

3.6综合性增强，协调性要求高

光机电一体化是一门跨学科的边缘科学技术，多种技术的综合及多个部分的组合，使得光机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。

其各个组成部分在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求，这就要求各种技术扬长避短，提高系统协调性。

四．国内外光机电一体化技术的发展现状

4.1国外光机电一体化的发展

光机电一体化是激光器问世之后，光子技术与电子技术、机械技术的自然结合与延伸，该技术不仅拓展了传统机电技术的功能，而且使之有了更强的适应性。

随着现代计算机技术的飞速发展，光机电一体化技术得到了不断丰富和完善。

20世纪90年代，光机电一体化技术的兴起，正在引导着世界一场新技术领域的深刻变革。

国际上光机电一体化系统研究发展迅速。

由于具有和机电一体化技术密切相关的汽车工业、电器工业和设备制造业的坚实基础，欧美、日本等一些发达国家在光机电一体化产品的商品化、市场占有率和现有产品的开发和新理论提出等方面始终处于领先地位。

同时各国都将光机电技术定为国家发展的重点，美国政府认为光子学对国家安全与经济竞争有这深远的意义和潜力，并把光子学列为当前20项关键技术之一。

为此，美国已建立了若干个光子学技术中心。

澳大利亚集中了10个重要单位的力量成立了光子联合研究中心，重点开拓信息技术和新产品。

光电子产业是21世纪市场潜力巨大，产值迅猛增长的高新技术支柱产业。

例如，光电子产业在全世界的产值：

2007年世界光电子产业总值达3150亿美元，据美国光电子产业振兴协会的报告预测，2010年全球光电子产业总值将达到4500亿美元。

4.2国内光机电一体化的发展

我国光机电一体化产业虽然起步比较晚，但起点较高，且其发展一直都受到了政府的重视，光机电一体化技术被列入国家高新技术重点扶持项目。

近年来，在国家政策的支持和推动下，国内企业不断应用高新技术和先进适用技术来提升光机电一体化产业的技术水平和市场竞争力，优化了产业结构、完善了产业体系。

经过20多年的发展，我国目前已在北京、上海、武汉、长春、深圳、合肥等地形成了光机电一体化产业基地。

如中关村科技园区通州园-光机电一体化产业基地、浙江平湖光机电基地、郑州高新区光机电产业园等。

尽管我国光机电一体化产业的发展十分迅速，但与国外先进的技术相比，我国光机电一体化设备在产品的可靠性、数字化、智能化、集成化、精密度等方面均存在着一定的差距。

在GDP占比方面，我国光机电一体化产业在国民经济中所占比重也较发达国家低8-10个百分点。

整体来看，我国光机电产业通过对国外先进技术的引进、消化、吸收和发展，技术上已经取得了长足的进步。

但总的来说，我国光机电一体化产业仍处于发展期，长期以来一直困扰和制约产业做大做强的主要问题尚未得到根本解决：

一是我国的光机电企业规模太小，不能适应光机电产业“规模化、产业化”的产业特征；二是研发投入不足，缺少核心专利技术；三是相关的产业配套设施尚不完善，尚未形成统一的行业协会对全行业进行监管，行业竞争良性循环尚待加强。

五．光机电一体化技术未来的发展热点

5.1视觉机器人

视觉机器人将视觉技术与机器人技术相结合，使机器人具有与周围环境交互的能力，这是智能机器人最重要的发展方向之一，在视觉抓取、动态跟踪、自动装配、远程技术、移动机器人、危险作业环境、空间站对接等领域都获得了广泛的应用。

从通用体系结构的角度看，静态结构应以视觉伺服体系结构为基本框架，动态结构则应使用集散体系结构，通过层次递归的方式组织各控制单元，使得各部分相对自治，而整体又具有很强的扩展性，并利用消息处理和分派机制来完成控制单元之间的协调。

视觉机器人的另一个主要应用领域是基于主动视觉的机器人辅助测量，采用摄像机校准得到摄像机内、外参数，由手眼转换关系移动机器人执行器得到要求的摄像机运动，从而求出空间点在摄像机坐标系中的坐标，并由摄像机的外部参数计算得到空间被测量点在绝对坐标系中的位置坐标。

该技术既可用于FMS系统主要检测设备的三坐标测量机，也可用于服装等行业，美国空军甚至应用该技术来为飞行员单独定制头盔。

5.2智能化数控系统和智能制造系统

21世纪机械制造业的特色将是信息化、智能化、网络化、集成化和不断创新的绿色制造，而生物技术、纳米技术、微机电系统将成为机械制造业的重要发展方向，因此运用现代信息技术、数字技术和现代管理技术改造传统制造业，已成为实现制造业跨越式发展的重要途径。

长期以来，我国数控系统一直以传统的封闭式体系结构为特征，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。

加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD／CAM及自动编程系统进行编制。

CAD／CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。

智能化数控技术就是要在CAD／CAM和CNC之间形成反馈控制环节，目前正沿着几个分支发展，包括自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。

例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统；在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。

智能制造系统（IntelligentManufacturingSystem）是一种智能化的制造系统，是由智能机器人和人类专家组合而成的人机一体化的智能系统，它将智能技术融合进制造系统的各个环节，通过模拟人类的智能活动，取代人类专家的部分智能活动，使系统具有智能特征。

智能制造系统的关键技术应包括智能设计、智能诊断、自适应功能和智能管理系统。

而要真正实现上述预期目的，采用智能化光电检测技术至关重要。

5.3生物医学电子设备

生物医学电子学是一门由生物、医学、电子学和工程学等多学科交叉构成的边缘学科，一方面它将电子学用于生物医学领域，使这些领域的研究方式更加精确和科学；另一方面由于通过漫长的进化，生物体本身实际上就是一个十分优良和精细的复杂系统，因此生物医学电子学形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学以重要的启示，使电子信息科学发生革命性的变化。

除了生物医学传感器、神经电极、植入式电子系统、生物芯片、分子和生物分子电子学、仿生系统之外，最能体现光机电一体化技术色彩的当属监护技术。

监护系统一般由传感器，信号处理、识别、分析、诊断部分，显示、记录和报警装置以及治疗系统等组成，其作用是及时为医生提供患者的各种重要生理信息，为医生正确掌握病情变化、进行正确诊断、制定医疗系统方案提供基本依据；随时监测各重要生理参数的变化、病情趋势、预报险情，以避免病情恶化和降低死亡率，起到部分代替医务人员临床监护工作的作用；为医学临床研究积累丰富的数据。

监护系统按功能可分为动态监护系统以及远程监护系统与家庭健康监护系统，按照检测方式可以分为连续检测和间断检测系统。

此外，许多新型的物理治疗技术与设备也应用了光机电一体化技术。

近十几年来随着科学技术的发展和医学的进步，物理治疗技术与设备发展十分迅速，以赛博刀这种大型立体定向放射治疗设备为例，它采用计算机立体定位导向、自动跟踪靶区，无需使用固定头架或体架。

其精确放疗的良好疗效，为临床治疗肿瘤提供了一种全新的方法，可以应用于身体大多数部位的肿瘤和血管畸形的治疗，是程监护系统与家庭健康监护系统，按照检测方式可以分为连续检测和间断检测系统。

此外，许多新型的物理治疗技术与设备也应用了光机电一体化技术。

近十几年来随着科学技术的发展和医学的进步，物理治疗技术与设备发展十分迅速，以赛博刀这种大型立体定向放射治疗设备为例，它采用计算机立体定位导向、自动跟踪靶区，无需使用固定头架或体架。

其精确放疗的良好疗效，为临床治疗肿瘤提供了一种全新的方法，可以应用于身体大多数部位的肿瘤和血管畸形的治疗，是唯一兼容放射外科和放射治疗两种功能的设备。

5.4汽车电子

汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，是用来开发新车型、改进汽车性能的最重要技术措施，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。

汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场重要而有效的手段。

按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类：

一类是与车上机械系统配合使用的汽车电子控制装置，即所谓“机电结合”的汽车电子装置，包括发动机、底盘、车身电子控制，例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向、电子指南针系统、智能导航与自动驾驶等；另一类是在汽车环境下能够独立使用的车载汽车电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系，包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

5.5印刷机械

印刷设备数字化技术是技术发展的总趋势和行业竞争的技术制高点。

近十年来，几乎每隔五年便有一项技术突破，推动印刷行业的发展。

二十一世纪印刷工业的数字化流程和跨媒体出版技术，代表了印刷工业的未来。

如3D打印机的出现及普及将会对未来工业造成深刻的影响。

六．结语

光机电一体化随着社会不断进步发展，对应用领域提出了更高的要求，也带来更为广阔的市场前景。

而技术上的改革和与之相配套的技术支持是创新技术的基础。

开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。

在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生变化。

由此可见光机电一体光的未来发展前景远大其所带来经济效益和全新技术革新成果将是巨大的。

参考文献

[1]蒋力培,陈家庆,焦向东,薛龙.光机电一体化技术应用实践与分析.航空制造技术,2004（9）.

[2]刘志，朱文坚.光机电一体化技术.现代制造工程,2001（12）.

[3]金志向.光机电一体化技术特征和发展趋势.科技咨询导报,2007（05）.