率高、能耗低等特点，它们一般由机械本体、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，并根据这种变化做出响应的机器或机构 机器人就是光机电一体化产品的典型代表。与传统的机械产品比较，光机电一体化产品具有 以下优点 (1)综合性与系统性 光机电一体化是激光技术、微电子技术，计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的 综合性技术。各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。机械技术、徽电子技术、自动控制技术、信息技术、传感技术、电力 电子技术、接口技术、模拟量与数字量交换技术以及软件技术等各个组成部分在综合成个 完整系统中相互配合时有严格的要求，这就需要在原来各种技术的基础上杨长避短，更趋于 合理，不断向理想化方向发展 (2)多层次，覆苦面广 光机电一体化技术不仅体现在一些单机产品之中，而且贯穿于工程系统设计之中。从简 单的单台光机电一体化产品，到现代工业中的柔性制造系统；从简单的单参数显示，到复杂 的多参数、多级控制；从机械零部件连续自动热处理生产线，到各种现代高速重型机械自动 化生产线等，光机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领域。对于工程系统，需 成套地进行开发和制造。对于光机电一体化单机产品（设备），应采用多层次的开发途径。 可开发功能附如型的低级产品、功能替代型的中级产品以及功能融合型的高级产品。 (3)结构简化，方便操作 由于光机电一体化系统采用新型器件和装置，可代替笨重而复杂的机械或电子装置，如 光盘驱动器、条形码读出器、图像传感器和激光印刷机等产品都是利用光学读出和读入部件 代替了电气和机械的部件。由微处理器控制装置可方便地完成过去靠机械传动链和机构实现 的关联运动，使机械结构简化，体积诚少，重量诚轻，不仅提高了自动化程度，面且能大大 提高产品质量。光机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序或节拍频繁 紧张地进行单调重复操作的工作方式，能灵活方便地控制和改变生产操作程序。如数控机 床、柔性制造系统等。有些光机电一体化装置，可实现操作全自动化，如工业机器人、印制 电路板数控高速钻床等。有些更高级的光机电一体化系统，还可通过被控对象的数学模型以 及根据任何时刻外界各种参数的变化情况，随机自寻最佳工作程序、动作程度和快慢以及协 调关系，以实现最优化工作及最佳操作，例如微机挖制的热连轧机钢板测厚自控系统、电梯 群控系统、智能机器人等。 (4)精度提高，功能增加 光机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使机械损、配合间隙和受力变形等所引 起的动作误差大大减小，同时由于采用了电子技术，反馈控制水平的提高并能进行高速处 理，可通过电子自动控制系统精确地按预设量使相应机构动作，各种因干扰因素造成的误 差，可通过自动控制系统自行诊断、校正、补偿去达到工作要求。不仅精度提高，而且功能 增加。如进行地震勒探的数字式地震仪，能将传感器接受到的地震反射波噪声干扰送入微机 进行处理，经过筛选后的信息可供地质学家准确了解地层结构和地质结构，而机械式勘探仪 则无抗干扰能力，精度较低
(5)高可靠性，高稳定性和高使用寿命 传统机械装置的运动一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差，而发出 出于摩擦、撞击、振动等引起的噪声，影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而光机电一休化 技术的应用，使装置的运动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至运动部件、 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。有 些光机电一体化产品甚至做到不需维修或者具有自诊断功能。 (6)产品开发上的知识密集性 研制开发光机电一体化产品往往要涉及跨学科的专业知识，如数学、物理学、化学、声 学、机械工程学、电力电子学、电工学、系统工程学、光学，控制论、信息论和计算机科学 等多1学科的专业知识。如人们熟悉的静电复印机、彩色印像机等，就是一种由机、电、 光、磁、化学等多种学科和技术复合创新的新型产品。开发这类产品对设计团队的合作以及 工程技术人员的知识结构提出很高的要求。而产品一旦实现光机电-一体化，便具有很高的功 能水平和附加价馆，可根高企业的效益和竞争力 1.2光机电一一体化的相关技术 光机地一体化系统是由机械装置、执行装置、能源、传感器和计算机5个要素构成，光 机电一体化的相关技术就是与各个要素相关的硬件和软件（控制）技术。 1.2.1机械技术 机械技术是关于机械的机构以及利用这些机构传递运动的技术，它是光机电一体化技术 的基础。光机电一体化产品的主功能和结构功能，往往是以机械技术为主实现的。在机械与 光、电、计算机信息处理的相互结合的实践中，不断对机械技术提出更高的要求，使现代机 械技术相对于传统机械技术发生了很大变化。新材料、新工艺、新原理、新机构等不断出 现，现代设计方法不断发展和完善，以满足机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、提高精 度和刚度、改善性能等多方面的要求。 1.2.2计算机与信息处理技术 计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。信息处 理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机 在光机电一体化产品中，计算机与信息处理装置指挥整个产品的运行，信息处理是否正确 及时，直接影响到系统工作的质量和效率。因此，计算机应用和信息处理技术已成为促进光 机电一体化技术和产品发展的最活跃的因素。人工智能、专家系统、神经网络技术等都属于 计算机与信息处理技术 1.2.3检测与传感技术 检测与传感技术的研究对象是传感器及其信号检测装置，光机电一体化产品中，传惑器 将位移、速度、加速度、力、角度、角速度、角加速度、距离等机械运动量转换成两极板之 间的电容量、应变引起的电阻变化、磁场强度与磁场顿率变化，光与光的传播，声音的传播 等其他物理量，最终转化成电压或者频率信号，通过相应的信号检测装置反馈给控制与信息 处理装置，因此，传感与检测是实现自动控制的关键环节。“光纤传感器”近年来取得了长 足的进展，对光机电一体化技术有重要影响。 1.2.4自动控制技术 自动控制技术的花围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场测试
可靠运行等从理论到实践的过程。由于被控对象种类繁多，所以控制技术的内容十分丰富 包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、朴偿、示教再现、检素等榜 制技术。由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起， 成为光机电一体化中十分重要的关键技术。 1,2.5伺服驱动技术 伺服驱动技术的主要研究对象是同服驱动单元及其驱动装置。同服塑动单元有电动、气 动、液压等多种类型，光机电一体化产品中多数采用步进电机、直流伺服电机、交流伺服电 机、电液马达等，其驱动装置目前多采用电力电子器件及集成化功能电路。伺服驱动单元 方面通过电气接口向上与计算机相连，以接受计算机的控制指令，另一方面又通过机械 接口向下与机械传动和执行机构相连，以实现规定的动作。因此，伺服驱动技术是直接执 行操作的技术，对光机电一体化产品的动态性能、稳态精度、控制质量等具有决定性的 影响。 1.3光机电一体化技术的运用 目前，工业发达国家光机电一体化技术的应用已十分广泛，不仅在单机产品中占有重要 位置，而且在生产制造系统内也十分活跃。例如，计算机集成制造系统(CMS)、快速成型 制造系统(RPM)、智能制造系统(IMS)等。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 (简称D),以同服为核心的运动控制模块单元（简称M),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。 智能制造技术是21世纪光机电一体化技术的重点发展领域。所谓智能制造技术是指20 世纪90年代初由日本发起的“智能制造系统”(IMS)国际合作研究计划提出的技术。这个 合作研究组织包括日、美、欧盟、澳大利亚等相关人员，计划在十年内投资0亿美元，设 立100个研究开发项目，开展智能制造的前期研究工作，目标是开发出能使人和智能设备都 不变操作者和国界限制的合作系统。 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。 1.3.1设计中的运用 (1)信息处理技术 信息的获取、传输、存储、处理等技术于段已成为设计活动的重要工具，发展速度更 快、集成度更高、存储容量更大、体积更小、功能更全的计算机是人们不断追求的目标。以 集成电路为代表的微电子学是依靠缩小其特征尺寸、提高集成度来提高其性能的。在微电子 学中有一个著名的摩尔定律，该定律指出集成电路芯片集成度每18个月翻一番，或者说器 件尺寸每三年缩小约2倍，技术整体更新一代。由于电子与电子之间存在相互作用，硅芯片 的集成度是有最终极限的。科学家预见，到2010年集成电路的特征尺寸将达到它的极限 0.05m 面光子其有比电子更高的如下性能
①超大容量。一对比头发丝还要细的光纤用一束激光，理论上可以同时传递近100亿 路电话和1000万路电视节目，一张光盘可以存储6亿多个汉字。 ②超高速度。光子计算机可以并行处理，其运算速度将可达到每秒102次。是电子计 算机的几百倍 ③高保密性。光电子集成是将光学系统集成到一块半导体芯片上，与集成电路相比， 保猪性能好。激光束在光纤中传播几乎不漏光，无信息扩散。 ④抗干扰性强。光纤是电绝缘体，不会受到高压线和雷电的电磁效应，抗摇射的能力 也强，在某些特殊扬合，电通信受干扰不能工作而光通信却能正常工作。 ⑤光子非常适合于收集和显示可视信息，光电子技术及设备能使人眼的视觉功能在黑 夜如同白昼，能使红外线、紫外线和X射线的光图像能为肉眼所见，并大大扩展人眼对光 学过程的时问分辨能力，按照现代的光电子技术水平，已经可以做到在几十飞秒(1015s》 的极短时间内，就可观察到信息的间变化。 ⑥利用光子技术的装置具有更高精确度和更高分辩率。 ⑦应用领城广，光电子技术是一种集固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半 导体科学技术于一体的交叉学科；渗透性强，它现在已广泛地应用于通信、能源、国防、生 物、工业加工等国民经济的各个领域，并且其影响正在迅速扩散。 传统存储采用磁盘技术，磁盘的存储容量大（可以达到几百亿字节）、存取时间短 (0.1ms)、存储时间长并且可擦写。但是它到尺寸限制和信噪比难以提高这两方面的困 难。因而难以提高其存储容量。而光盘作为存储介质和光子技术的使用，可大幅度提高存储 容量。进一步是高光存储器的存储密度，记录介质和写入光源是关键。光源的波长越短，会 聚光英的尺寸将越小，存储密度也就随之提高。应用800m波长的激光来记录和读出波长， 5i直径光盘的信息存储容量为650MB。利用目前已开发的新的刻录技术和红光半导体激光 器(650nm和630nm)缩小记录点及其间距，可把现有光盘的记录密度提高5~10倍。自前 DVD单面单层5i光盘的存储容量可达4.7GB,双层和双面双层光盘可分别达9GB和 18GB. 通信技术是信息交流的手段，通倍传输干线用光纤代替铜缆，已成为不可逆转的潮流 因为光纤具有经济、耐用、保密、传输率高、信息容量大等特点，已广泛用于洲际通信干 线，传输率可高达109bi以上，误码率保证在109以下；用飞秒(10~5s)重复脉冲，数 字传输率可高达10146it/s。未来光纤通信将包括高速数据传输率、本地区局城网络、光纤 入户3大类，与计算机相结合，构成信息高速公路的技术基础。这些系统都要求宽带集 戒技术和数字化网络技术，统一成综合技术服务网，既要支持常规信息交流，地要适合图 像的高速传输，并与个人的网络互联，形成数字光纤通信系统和有线、无线相结合的光纤 系统。 使用计算机对设计过程中所产生的大量数据进行采集和处理，对图像信息进行自动 处理和自动识别，计算结果和计算过程的可视化，实现设计的数字化。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，实现基于网络的计算机支持的协 同工作(CSCW)和信息共享：利用人工智能（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)的方法优化数据处理，提高运行速度，并提高决策能力和正 确率。 (2)传感检测技术 5
光电子技术其有精密、准确、快速、高效等特点，利用激光的方向性和单色性可提供名 种基准，如长度、颜率、时间。又如大型设备的安装、准直，水坝应力监测，机场的夜间导 航，矿山的远距离引爆，大型隧道的自动导航钻井等都可利用激光的准直定位装置 用于人造卫星上的激光测距仪，测量8000km以外的卫星，误差仅为2cm。邀光干沙测 长的长度范围大、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、光学平面检测和地展须测；激光测速具有测速准确、非接触测量、 空间分辨率高的特点，可测量速度分布和速度梯度；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：澈光测距具有探测距离远，测距精度高、抗 干扰性强、体积小、重量轻的特点。 1.3,2制造中的运用 (1)激光九工技术 激光具有高相干性、高单色性、高方向性和高亮度的特点，能够在万亿分之-秒积聚数 百万亿千瓦的功率，温度高达数干万摄氏度。这是它作为一种有效的加工方法而广泛应用于 汽车、航空、航天、通信、微电子等众多行业的基础。与传统的加工技术相比较，激光加工 技术有许多特点。 ①它可以对多种金属、非金属进行加工，特别是可以加工高硬度、高跪性及高熔点的 材料（如电子T业中常用的陶瓷材料、硅片等）。蓝光可聚集成直径小于1m的光点，在这 个光点上可集中很大的能量，足以把坚硬的红宝石和不绣钢熔化或汽化。 ②工艺范围广，可以满足各类材料的切割、打孔、焊接、表面热处理、表面合金化。 ③作为加工工具的激光“刀”在工作时没有“刀具”磨损，在加工过程巾无切削力对 工件的影响，因此工件的变形很小。 ④激光能量高度集中以及加热冷却速度快的特点，可实现传统技术难以达到的要求。 通过控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求达到确定的去除深度从而实现高精度的线切 割和点钻孔加工。 ③如工速度快、无噪声、无污染。将澈光束与数控系统结合，可以对形状复杂的零件 图样进行切制加工，可以不需要制作模具，这样就大大缩短加工周期、节约成本，特别适合 产品快速换型，适应市场不断变化的需求。 目前比较成熟的是对常规材料进行一般要求的焊接、熔覆、切刻、钻孔，材料的表面改 性和表面合金化、激光退火与离子注人、激光镀膜及光刻等。 (2)激光强化金属表面 使用激光进行淬火，可精确控制淬硬层深度，可实行自冷淬火，并易于实现数控。只罗 光束能照到的部位均可进行处理。在汽车生产中，如铜套、曲轴、活塞环和齿轮等经藏光热 处理后，不必再进行后处理，可直接送到装配线上安装。激光合金化与熔覆可将一种或多种 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。 ①激光焊接对于特种材料、特殊要求的焊接，利用激光能量的高度集中和加热冷却 过程迅速的特点，能使一些难熔金属表面的应力阀值破坏，或使高导热系数和高熔点金属快 速熔化，达到某些特种金属或合金材料的焊接。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，传统的点焊是双边加工，把两个焊头夹在工 件凸缘上进行焊接，凸缘宽度至少需要16mm,而激光焊是单边加工，凸缘宽度可诚少至