光機(jī)電一體化技術(shù)

時(shí)間：2023-04-30 18:43:20 資料我要投稿

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光機(jī)電一體化技術(shù)

綜述

光機(jī)電一體化技術(shù)

!劉

摘要我國(guó)現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：光機(jī)電一體化技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：!

現(xiàn)狀

展望

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：（)**&）%文章編號(hào)：&’(&—##&)—**+#—*#

志朱文堅(jiān)

綜述光機(jī)電一體化技術(shù)的概念；光機(jī)電一體化技術(shù)在設(shè)計(jì)和加工制造中的運(yùn)用；展望光機(jī)電一體化的發(fā)展前景和

近幾年，全世界光機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá))+*億美元，

產(chǎn)品銷(xiāo)售額的年平均增幅將達(dá)到+*,-(*,。據(jù)美國(guó)高級(jí)軍事專(zhuān)家調(diào)查，以光機(jī)電一體化技術(shù)為支撐的高技術(shù)武器系統(tǒng)，在美國(guó)關(guān)鍵軍事技術(shù)計(jì)劃中的比例約占$&,，在常規(guī)武器系統(tǒng)中約占+*,。

一、光機(jī)電一體化技術(shù)的基本概念

光機(jī)電一體化技術(shù)是指將光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、信息處理和控制及專(zhuān)用軟件等當(dāng)代各種新技術(shù)進(jìn)行綜合集成的一種群體技術(shù)。光機(jī)電一體化系統(tǒng)主要有五個(gè)組成部分：動(dòng)力、機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)和傳感器，組成一個(gè)功能完善的柔性自動(dòng)化系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)、傳感器和計(jì)算機(jī)軟件是光機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成要素。

光機(jī)電一體化系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能多、效率高、精度高、能耗低的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，光機(jī)電一體化產(chǎn)品至少有以下#個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

&.原有的機(jī)構(gòu)產(chǎn)品中增加信息處理裝置及相應(yīng)軟

件，來(lái)替代原有產(chǎn)品的部分機(jī)械控制機(jī)構(gòu)，不僅提高了自動(dòng)化程度，而且能大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

).以光機(jī)電一體化技術(shù)為主的新型產(chǎn)品，與原機(jī)械產(chǎn)品相比，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且功能增加，精度提高。#.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(shì)結(jié)合起來(lái)，形成綜合化優(yōu)勢(shì)，可開(kāi)發(fā)出具有多種功能、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品。

二、光機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用

光機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用主要包括在設(shè)計(jì)中和在加工制造中的運(yùn)用。光機(jī)電一體化技術(shù)在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用也就是光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，它要求設(shè)計(jì)者不僅要熟悉光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感學(xué)、信息處理和控制等方面的知識(shí)，而且要熟悉計(jì)算機(jī)的硬件接口和軟件設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。光機(jī)電一體化技術(shù)在加工制造中的運(yùn)用現(xiàn)代制造工程萬(wàn)方數(shù)據(jù)!

（#!）主要包括各種激光加工技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制和精密檢測(cè)技術(shù)。

&.設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

&）

信息處理技術(shù)（&）計(jì)算機(jī)!進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集和處理；

字式或圖像式生動(dòng)明確的顯示結(jié)果；#對(duì)誤差進(jìn)行修正和補(bǔ)償；$利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，提高系統(tǒng)的分析、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度；%對(duì)圖像信息進(jìn)行自動(dòng)處理和自動(dòng)識(shí)別；&通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同工作和信息共享；

’以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)、

可編程控制器（/01）作為下位機(jī)可使系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)，接口合理，便于維護(hù)。（)）軟件!人工智能（包含各種遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方法、專(zhuān)家系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)），可優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，提高運(yùn)行速度，并可提高決策能力和正確率；

可共享資源（包括數(shù)據(jù)、硬件和信息）和協(xié)同工作；#仿真技術(shù)，可評(píng)估運(yùn)行效果以輔助決策；$良好、

簡(jiǎn)便的人機(jī)交互界面。)）

激光技術(shù)（&）單色性高，利用激光高單色性作精密測(cè)量時(shí)，可極大地提高測(cè)量精度和量程。如航天測(cè)控中心用原有測(cè)距儀器測(cè)量衛(wèi)星高度誤差為(-&*2，若改用激光測(cè)距儀器誤差可小到&-)32。

（)）高方向性，因具有很遠(yuǎn)距離傳輸光能和傳輸控制指令的能力，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離激光通信，激光測(cè)距，激光雷達(dá)，激光導(dǎo)航以及遙控。

（#）

高亮度性，大功率激光器的發(fā)光亮度比太陽(yáng)光亮度高幾千億倍。利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦點(diǎn)附近可產(chǎn)生幾千到幾萬(wàn)度的高溫，可使照射點(diǎn)物體熔化或汽化，因此在工業(yè)上逐漸以此作為一種光學(xué)加工手段，對(duì)各種各樣材料和產(chǎn)品進(jìn)行特種加工，如激光打孔、熔覆、焊接、切割、退火、淬火、劃線(xiàn)、光刻、表面處理和微細(xì)加工等。

（4）

相干性極好，由于激光束頻率單一、相位相同、方向又相同，故其光線(xiàn)疊加幅度穩(wěn)定，在時(shí)間和空間上周期一定。因此適用于激光通信、全息照相、激光印刷

綜述

對(duì)于光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需注意其從整體到局部的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)要求提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)，并進(jìn)行系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì)；然后，將總體框圖分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的框圖，可分解為光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、光電傳感、信號(hào)采集與處理、驅(qū)動(dòng)與控制、軟件設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)及其接口等分框圖，然后再進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)制作完成后，先對(duì)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算以及光學(xué)計(jì)算機(jī)的研制。而在實(shí)際運(yùn)用中也會(huì)通過(guò)一些激光技術(shù)改變激光輻射的特性，常用的單元技術(shù)為：可使激光器輸出理想的單模相干光!選模技術(shù)，

源，從而滿(mǎn)足諸如光譜分析、干涉檢測(cè)、全息攝影等運(yùn)用的相干性要求。

其特點(diǎn)是將激光能量壓縮在很短的

$激光調(diào)制技術(shù)，也就是如何將信息加載到激光束上去的技術(shù)，主要運(yùn)用于信息傳輸。調(diào)制方法為幅高調(diào)制、頻率調(diào)制及相位調(diào)制。

%偏轉(zhuǎn)技術(shù)，

是激光打印、顯示、傳真、存儲(chǔ)和檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

&非線(xiàn)性光學(xué)技術(shù)，

當(dāng)光強(qiáng)非常高時(shí)極化的非線(xiàn)性響應(yīng)導(dǎo)致了若干不同頻率電磁場(chǎng)之間的相互作用和轉(zhuǎn)換，從而出現(xiàn)許多非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象。

’放大技術(shù)，是獲得高能量和好的光束質(zhì)量激光輸出的方法。

+）傳感檢測(cè)技術(shù)（

（,）激光測(cè)速，利用多普勒效應(yīng)，可以進(jìn)而確定運(yùn)動(dòng)物體的速度。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)速準(zhǔn)確；非接觸測(cè)量；空間分辨率高，因而可測(cè)量速度分布和速度梯度；可在二維或三維空間內(nèi)測(cè)量，因而可測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的方向。（+）激光準(zhǔn)直，能夠測(cè)量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三維空間的基準(zhǔn)測(cè)量。

（-）激光測(cè)距，其探測(cè)距離遠(yuǎn)，測(cè)距精度高，抗干擾性強(qiáng)，體積小，重量輕，但受天氣影響大。

（.）光纖探測(cè)器，在目標(biāo)很小，間隔受限或危險(xiǎn)的環(huán)境中，最常選用的是光纖探測(cè)器。（/）運(yùn)用微光機(jī)電一體化技術(shù)（01203）研制出了多種微型傳感器件和系統(tǒng)。主要有：!慣性器件，例如微陀螺儀、微速度計(jì)、微加速度計(jì)等；

生物傳感器及生物芯片，可產(chǎn)生生物或化學(xué)過(guò)程來(lái)進(jìn)行探測(cè)；$微光學(xué)開(kāi)關(guān)，在光纖通信網(wǎng)中有著重要的地位。.-萬(wàn)方數(shù)據(jù)

機(jī)及其接口、軟件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，然后再將它們裝配起來(lái)進(jìn)行光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)聯(lián)調(diào)。

,4制造中的運(yùn)用

激光加工技術(shù)（

!激光淬火，

其特點(diǎn)是淬硬層深度可精確控制，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控，可實(shí)行自冷淬火，只要光束能照到的部位均可進(jìn)行處理。在汽車(chē)生產(chǎn)中，如鋼套、曲軸、活塞環(huán)和齒輪等經(jīng)激光熱處理后，不必再進(jìn)行后處理，可直接送到裝配線(xiàn)上安裝；

（,）激光焊接

激光焊接在汽車(chē)工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。激光用于車(chē)身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進(jìn)行沖壓，這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)到最合理的金屬組合。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強(qiáng)部件。激光焊接可由565控制，一天可連續(xù)運(yùn)行,-7。激光也解決了異種金屬焊接的難題。激光焊接還可以在焊條和電子束無(wú)法到達(dá)的三維構(gòu)件內(nèi)部細(xì)微區(qū)域中實(shí)施。

（+）激光切割

激光切割的主要特點(diǎn)有：!割縫窄，節(jié)省材料，還可割盲縫；

在汽車(chē)生產(chǎn)中大量使用二維和三維激光束切割機(jī)，對(duì)普通鋁、不銹鋼等薄板及帶材的切割加工，其切割速度已達(dá)

現(xiàn)代制造工程!

綜

（!）激光清洗技術(shù)

與機(jī)械清洗法、濕法化學(xué)清洗法、超聲波清洗法相比，激光清洗法技術(shù)作為一項(xiàng)新興的清洗技術(shù)，能適應(yīng)各種表面污物的清洗，對(duì)環(huán)境污染極小，也不損傷基體。其特點(diǎn)為：“干式”清洗；清洗污物范圍和適用基材范圍廣；可不損傷基材表面；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；可長(zhǎng)期使用，并且是一種“綠色”清洗工藝。

其他還有激光打孔、刻槽、標(biāo)記、光化學(xué)沉積等加工技術(shù)。

先進(jìn)制造技術(shù)

激光快速成型是利用計(jì)算機(jī)將復(fù)雜的三維物體轉(zhuǎn)化為二維層，然后利用“積分”的思想，將熱塑性塑料粉末或膠粘襯底片材紙張燒結(jié)，由點(diǎn)、線(xiàn)構(gòu)造零件的面（層），然后逐層成型。激光快速成型技術(shù)可使新產(chǎn)品及早投放市場(chǎng)，極大地提高了汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)用能力和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。

激光金屬塑性成形技術(shù)是一種較新的先進(jìn)制造技術(shù)，它沒(méi)有任何的機(jī)械接觸就可以生產(chǎn)出金屬板料制品，而不需任何模具。板料成形是由于激光加熱后上、下表面收縮引起的。可用適當(dāng)?shù)募䦅A持和操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

述

的深刻變革；光機(jī)電一體化技術(shù)正在

引導(dǎo)著一場(chǎng)新變革。美國(guó)商務(wù)部指出，誰(shuí)在光電子產(chǎn)業(yè)方面取得主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就將在

國(guó)際上光機(jī)電一體化系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，而我國(guó)在許多方面落后于國(guó)外，工藝技術(shù)水平低是一個(gè)重要原因。我國(guó)的光機(jī)電一體化技術(shù)要趕上世界先進(jìn)水平，首先要重視基礎(chǔ)研究，了解國(guó)際的發(fā)展水平，再結(jié)合我國(guó)國(guó)情探索有中國(guó)特色的研究開(kāi)發(fā)模式，例如“華工科技”上市融資為解決資金問(wèn)題就提供了一個(gè)較好的思路，并且它依靠自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和高校多學(xué)科的交叉優(yōu)勢(shì)與企業(yè)合作攻克世界技術(shù)難題，使得科研與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，對(duì)科研、教育和實(shí)際運(yùn)用都起到了好的作用。

參

考

文

獻(xiàn)

左鐵釧、施定源、陳鎧’激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用’激光雜志，（!）&%%%

王家淳’激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望’激光技術(shù)，（

(梁進(jìn)秋’微光機(jī)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展’光機(jī)電信息，

三、發(fā)展前景及我國(guó)現(xiàn)狀

作者通訊地址：華南理工大學(xué)機(jī)電工程系（廣州

*+!#）

微電子技術(shù)曾引起新技術(shù)領(lǐng)域

收稿日期：

（上接第!*頁(yè)）

動(dòng)無(wú)需反向就可使靶身在升位和倒位上轉(zhuǎn)換。但由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，不像以上兩種機(jī)構(gòu)那樣有停歇期，能準(zhǔn)確控制電機(jī)在升位和倒位上停下來(lái)。經(jīng)常會(huì)沒(méi)到升位（倒位）或已超過(guò)升位（倒位）才使電機(jī)停下

來(lái)。

作效率較高，但對(duì)控制電機(jī)的要求也高。

作者通訊地址：華南理工大學(xué)機(jī)動(dòng)車(chē)輛技術(shù)研究所（廣州收稿日期：

*+!&）

萬(wàn)方數(shù)據(jù)現(xiàn)代制造工程（#!）!

光機(jī)電一體化技術(shù)

作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：

劉志，朱文堅(jiān)

華南理工大學(xué)機(jī)電工程系,

現(xiàn)代制造工程

MODERN MANUFACTURING ENGINEERING2001(12)6次

參考文獻(xiàn)(3條)