光机电一体化

综述

光机电一体化技术

! 刘

摘要我国现状。

关键词：光机电一体化技术中图分类号：TH —39

现状

展望

文献标识码：（2001）B 文章编号：1671—313312—0053—03

志朱文坚

综述光机电一体化技术的概念；光机电一体化技术在设计和加工制造中的运用；展望光机电一体化的发展前景和

近几年，全世界光机电一体化技术产业的市场规模将达250亿美元，

产品销售额的年平均增幅将达到50%~70%。据美国高级军事专家调查，以光机电一体化技术为支撑的高技术武器系统，在美国关键军事技术计划中的比例约占91%，在常规武器系统中约占50%。

一、光机电一体化技术的基本概念

光机电一体化技术是指将光学、机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。光机电一体化系统主要有五个组成部分：动力、机构、执行器、计算机和传感器，组成一个功能完善的柔性自动化系统，其中计算机、传感器和计算机软件是光机电一体化技术的重要组成要素。

光机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点，与传统的机械产品比较，光机电一体化产品至少有以下3个优点。

1. 原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软

件，来替代原有产品的部分机械控制机构，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益。

2. 以光机电一体化技术为主的新型产品，与原机械产品相比，不仅结构简单，而且功能增加，精度提高。3. 将光电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来，形成综合化优势，可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。

二、光机电一体化技术的运用

光机电一体化技术的运用主要包括在设计中和在加工制造中的运用。光机电一体化技术在设计中的运用也就是光机电一体化设计，它要求设计者不仅要熟悉光学系统、机械结构、传感学、信息处理和控制等方面的知识，而且要熟悉计算机的硬件接口和软件设计方面的知识。光机电一体化技术在加工制造中的运用

现代制造工程!""#（#!）

主要包括各种激光加工技术、先进制造技术、工业生产过程控制和精密检测技术。

1. 设计中的运用

1）

信息处理技术（1）计算机①进行大量的数据采集和处理；②数

字式或图像式生动明确的显示结果；③对误差进行修正和补偿；④利用计算机的高速运算和存储能力，提高系统的分析、实时反应速度；⑤对图像信息进行自动处理和自动识别；③通过网络进行协同工作和信息共享；

①以计算机作为上位机、

可编程控制器（PLC ）作为下位机可使系统具有层次结构，接口合理，便于维护。（2）软件①人工智能（包含各种遗传算法、神经网络数据处理方法、专家系统及决策支持系统），可优化数据处理，提高运行速度，并可提高决策能力和正确率；②网络技术，

可共享资源（包括数据、硬件和信息）和协同工作；③仿真技术，可评估运行效果以辅助决策；④良好、

简便的人机交互界面。2）

激光技术（1）单色性高，利用激光高单色性作精密测量时，可极大地提高测量精度和量程。如航天测控中心用原有测距仪器测量卫星高度误差为7~10m ，若改用激光测距仪器误差可小到1~2cm 。

（2）高方向性，因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力，从而可以进行远距离激光通信，激光测距，激光雷达，激光导航以及遥控。

（3）

高亮度性，大功率激光器的发光亮度比太阳光亮度高几千亿倍。利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦点附近可产生几千到几万度的高温，可使照射点物体熔化或汽化，因此在工业上逐渐以此作为一种光学加工手段，对各种各样材料和产品进行特种加工，如激光打孔、熔覆、焊接、切割、退火、淬火、划线、光刻、表面处理和微细加工等。

（4）

相干性极好，由于激光束频率单一、相位相同、方向又相同，故其光线叠加幅度稳定，在时间和空间上周期一定。因此适用于激光通信、全息照相、激光印刷

53

综述

对于光机电一体化系统的设计，需注意其从整体到局部的设计原则，应根据系统功能和设计要求提出系统设计的总任务，并进行系统的总体框图设计；然后，将总体框图分解成一个个独立的框图，可分解为光学系统、机械与执行机构、光电传感、信号采集与处理、驱动与控制、软件设计、计算机及其接口等分框图，然后再进一步设计。

设计制作完成后，先对光学系统、机械结构、计算以及光学计算机的研制。而在实际运用中也会通过一些激光技术改变激光辐射的特性，常用的单元技术为：可使激光器输出理想的单模相干光①选模技术，

源，从而满足诸如光谱分析、干涉检测、全息摄影等运用的相干性要求。

其特点是将激光能量压缩在很短的②调@技术，时间（10-7~10-9s ）内发射，大大提高了激光脉冲的亮度和功率，适用于军事和激光加工等领域。③锁模技术，主要目的是从连续运转的激光器中产生超短脉冲系列，从而使人们能够详细了解在ns 和ps 时间尺度上发生的许多光引发过程。

④激光调制技术，也就是如何将信息加载到激光束上去的技术，主要运用于信息传输。调制方法为幅高调制、频率调制及相位调制。

⑤偏转技术，

是激光打印、显示、传真、存储和检测应用领域中的基础技术之一。

③非线性光学技术，

当光强非常高时极化的非线性响应导致了若干不同频率电磁场之间的相互作用和转换，从而出现许多非线性光学现象。

①放大技术，是获得高能量和好的光束质量激光输出的方法。

3）传感检测技术（1）激光干涉测长，其特点是可测长度范围大、测量耗时短、精度高。可运用于精密丝杠、机床、零件、数控设备的测量和校验，坐标精密定位、光学平面检测和地震预测。

（2）激光测速，利用多普勒效应，可以进而确定运动物体的速度。其优点是测速准确；非接触测量；空间分辨率高，因而可测量速度分布和速度梯度；可在二维或三维空间内测量，因而可测量物体运动的方向。（3）激光准直，能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三维空间的基准测量。

（4）激光测距，其探测距离远，测距精度高，抗干扰性强，体积小，重量轻，但受天气影响大。

（5）光纤探测器，在目标很小，间隔受限或危险的环境中，最常选用的是光纤探测器。（6）运用微光机电一体化技术（MOEMS ）研制出了多种微型传感器件和系统。主要有：①惯性器件，例如微陀螺仪、微速度计、微加速度计等；②微传感器，微压力传感器；压力—温度传感器；微型振动传感器；微型触觉传感器；微型真空力敏传感器；隧穿红外探测器等；③生物器件，

生物传感器及生物芯片，可产生生物或化学过程来进行探测；④微光学开关，在光纤通信网中有着重要的地位。54

机及其接口、软件进行单独调试，然后再将它们装配起来进行光、机、电、计算机联调。

2. 制造中的运用1）

激光加工技术（1）金属表面的激光强化

①激光淬火，

其特点是淬硬层深度可精确控制，易于实现数控，可实行自冷淬火，只要光束能照到的部位均可进行处理。在汽车生产中，如钢套、曲轴、活塞环和齿轮等经激光热处理后，不必再进行后处理，可直接送到装配线上安装；②激光合金化与熔覆，是将一种或多种合金元素与基材表面快速融凝，从而使基材表层具有预定的高合金特性的技术；③激光表面非晶化和微晶化，非晶材料以其异常的电磁、机械和化学性能日益受到普遍关注，激光非晶化是用激光作用于材料，使材料表面满足形成非晶的急冷条件。

（2）激光焊接

激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件。激光焊接可由CNC 控制，一天可连续运行241。激光也解决了异种金属焊接的难题。激光焊接还可以在焊条和电子束无法到达的三维构件内部细微区域中实施。

（3）激光切割

激光切割的主要特点有：①割缝窄，节省材料，还可割盲缝；②切割速度快，热影响区小，因而热畸变程度低；③割缝边缘垂直度好，切边光滑，可直接焊接；④可切割各种不同性质材料；⑤光束无惯性，可实行高速切割；③能实现多工位操作，易于实现自动化；①切割噪音小。

在汽车生产中大量使用二维和三维激光束切割机，对普通铝、不锈钢等薄板及带材的切割加工，其切割速度已达10m/min，不仅大幅度缩短了生产准备周期，并且使车间生产实现了柔性化。由于它的加工效率高，比机械加工方式的加工费用减少了50%。

现代制造工程!""#（#!）

综

（4）激光清洗技术

与机械清洗法、湿法化学清洗法、超声波清洗法相比，激光清洗法技术作为一项新兴的清洗技术，能适应各种表面污物的清洗，对环境污染极小，也不损伤基体。其特点为：“干式”清洗；清洗污物范围和适用基材范围广；可不损伤基材表面；可实现自动化操作；可长期使用，并且是一种“绿色”清洗工艺。

其他还有激光打孔、刻槽、标记、光化学沉积等加工技术。

先进制造技术2）

激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，然后利用“积分”的思想，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面（层），然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场，极大地提高了汽车生产企业对市场的应用能力和产品的竞争能力。

激光金属塑性成形技术是一种较新的先进制造技术，它没有任何的机械接触就可以生产出金属板料制品，而不需任何模具。板料成形是由于激光加热后上、下表面收缩引起的。可用适当的件夹持和操作系统来实现。

2l

述

的深刻变革；光机电一体化技术正在20世纪90年代，

引导着一场新变革。美国商务部指出，谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在2l 世纪的尖端科技较量中夺魁。

国际上光机电一体化系统研究发展迅速，而我国在许多方面落后于国外，工艺技术水平低是一个重要原因。我国的光机电一体化技术要赶上世界先进水平，首先要重视基础研究，了解国际的发展水平，再结合我国国情探索有中国特色的研究开发模式，例如“华工科技”上市融资为解决资金问题就提供了一个较好的思路，并且它依靠自身的技术优势和高校多学科的交叉优势与企业合作攻克世界技术难题，使得科研与实际运用相结合，对科研、教育和实际运用都起到了好的作用。

参

考

文

献

左铁钏、施定源、陈铠. 激光加工技术的优势及在工业生产中的应用. 激光杂志，（4）l999

王家淳. 激光焊接技术的发展与展望. 激光技术，（2）200l （8）

3梁进秋. 微光机电系统国内外研究进展. 光机电信息，2000

三、发展前景及我国现状

作者通讯地址：华南理工大学机电工程系（广州

5l0640）

微电子技术曾引起新技术领域20世纪70年代，

收稿日期：200l0909

（上接第45页）

动无需反向就可使靶身在升位和倒位上转换。但由于曲柄摇杆机构在工作时，不像以上两种机构那样有停歇期，能准确控制电机在升位和倒位上停下来。经常会没到升位（倒位）或已超过升位（倒位）才使电机停下

来。

作效率较高，但对控制电机的要求也高。

作者通讯地址：华南理工大学机动车辆技术研究所（广州收稿日期：200l0909

5l064l ）

现代制造工程!""#（#!）

55

光机电一体化技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

刘志， 朱文坚

华南理工大学机电工程系,

现代制造工程

MODERN MANUFACTURING ENGINEERING2001(12)8次

参考文献(3条)

1. 梁进秋 微光机电系统国内外研究进展[期刊论文]-光机电信息 2000(08)2. 王家淳 激光焊接技术的发展与展望[期刊论文]-激光技术 2001(01)

3. 左铁钏;施定源;陈铠 激光加工技术的优势及在工业生产中的应用[期刊论文]-激光杂志 1999(04)

引证文献(8条)

1. 张辉 光机电一体化探析[期刊论文]-现代企业文化 2010(6)2. 黄世祥 电子变频技术的研究[期刊论文]-硅谷 2009(23)

3. 张国宏. 章钦. 徐新军. 袁会敬. 张华山 玻璃管及其制品外径和壁厚检测分档设备[期刊论文]-机电产品开发与创新2009(2)

4. 付海峰 光机电一体化技术特征及发展趋势初探[期刊论文]-中国科技博览 2009(31)5. 金志向 光机电一体化技术特征和发展趋势[期刊论文]-科技咨询导报 2007(15)

6. 葛晓宏. 黄红武 应用光机电一体化,促进"海西"制造业升级优化[期刊论文]-福建工程学院学报 2007(1)7. 陈贵敏 振动环境下光束指向稳定及其光机电一体化关键技术[学位论文]博士 2005

8. 张国宏. 章钦. 徐新军. 袁会敬. 宋才秀 玻璃管激光分选机--一种新型智能化精密检测分选设备[期刊论文]-机电产品开发与创新 2004(3)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgys200112027.aspx