装置、传感器。如果将光机电一体化比做人的话，本体结构是光机电一体化产品的“驱体”， 用于连接和支攀其他的功能部分，传感器是“五官”，用来烛知外界和躯体内部的变化，计 算机控制器相当于人体的“大脑”，是光机电一体化的灵魂；动装置类似人体的“四肢“， 用于完成苹制器交给的任务。 指入指令 一控制器一执行装团一传动机构一被时象 反请 传感器 墨12光机电体化的组成 (1)控制器 由计算机和输人输出山组成。在光机电一体化产品中，常用的计算机有单片机、可编程 控制器和工业控制计算机等。输入输出口是控制器接受传感器返回的电信号，并将处理结果 输出，从而驱动执行装置的接口。控制器是控制系统的核心，控制系统分开环系统和闭环系 统。控制算法在控制器中完成。 (2)执行装置 执行装置按照控制器发出的指令，将电信号转换为机械能，驱动机械部分进行运动的装 置。执行装置分电动 气动和液动3大类。在第3章中将对此进行阐述。 (3)传成器 传感器将被测对象的状态转化为比信号的装置。在闭环控制系统中，传感器作为反馈装 置是必不可少的 (4)机械结构 机械结构是光机电一体化产品所有功能的支撑结构，完成系统的结构功能。机械结构在 光机电一体化产品中往往占据很大的体积和质量。因此应尽量采用新材料、新工艺、新结 构，满足光机电一体化产品小、轻、美观的特点。在设计光机电一体化产品时，应尽可能减 少使用机械结构，如利用直接传动而去掉机械传动机构等 1.2.2光机电一体化的实例 要想充分理解光机电一体化产品，最有效的方法是考察光机电一体化产品实例。本节仅 列举光-气伺服系统和VCD放像机两个例子进行简要介绍。 (1)光-气伺服系统 电子元器件对电磁干扰和放射线干扰非常敏感。因此电动伺服系统的抗电磁干扰和放射 线干扰的性能较差，在实际工作中容易引起误操作，光子元件和机械部件可以有效防护电磁 及放射线干扰。因此在环境恶劣的条件下，用光子元件和机械部件组成的光气伺服系统代 替电子元器件构成的电动伺服系统是最佳选择」 图13所示为光-气伺服系统的工作原理。将控制计算机放在远离电破干扰的地方，通 过光缆与现场设备连接。整个系统的工作流程如下。 在光气同服系统的前向通道，旋转光光编码器将滑板的位移转化为光脉冲信号，由光 缆输送到光电转换器进行光电信号的转换，电脉冲信号通过计数器形成二进制数字量，输 入到计算桃中。 控制计算机将反馈量和输入量进行比较，形成位置误差信号。然后按照一定的控制算法
光线 光-流体转换元件 漫板 计数器 无环千扰的场合 有环境干扰的场合 图1-3光气何服系统的工作原理 进行运算，形成新的位置控制量。 在光气伺服系统的后向通道，位置控制量经D/A转换后形成模拟控制量。电光转换 器件将电信号转化为对应的光信号，由光缆将光能传输到光伺服阀。光伺服阀则输出与光能 对应的压第空气能，使其跟动无活塞杆气缸，讲而浩动滑板运动 光伺服阀由光流体转换元件和流体放大器构成。光流体转换元件的作用是将激光信号 转换成流体压力信号；流体放大器的作用是利用喷嘴挡板机构对流体能量进行放大。 在光气何股系统中，光缆、光~光编码器和光伺服阅都不受电磁和放射性干扰，系统的 可靠性高。目前，光气伺服系统的控制性能已经能够达到电控气动同服系统的性能。 (2)VCD放像机 VCD放像机（激光影磔机）是典型的光机电一体化产品。VCD和CD类似，只是结构 更加复杂。VCD盘面上以坑、岛形式记载着声音和图像信息。当光盘放进影藤机的托架上 主轴伺服系统带动托架和光盘作高速旋转运动，拾讯头的物镜将激光束聚焦后照射到光盘的 表面，盘面上的坑、岛对投射激光的反射强弱不同，反射光通过光电转换、解调电路，将声 音和图像信息分开，分别送到放音系统和图像显示设备。V心D影碟机的结构复杂，本节只 介绍拾讯头自动聚焦伺服系统。 图1-4所示为VCD自动聚焦伺服系统。为了准确读取VCD盘面上的信息，拾讯头和盘 面之间必须保持恒定的距离。当光盘随主轴伺服系统作高速旋转时，由于盘面的翘曲、盘面 与主轴不垂直、光盘面与拾讯头物镜之间会出现高频颤动，影响信息的读取。因此需要 VCD自动聚焦伺服系统。盘面和拾讯头物镜之间的距离通过四象限的光电管来检测。图1-5 是利用像散法测距的原理。当光盘和物镜之间的距离保持在正确位置上时，光盘反射的影像 投射到光检测表面是圆形，四个光电管的电流信号相等，放大器输出的电压为0，如图1-5 ()所示，当光盘靠近拾讯头物镜时，反射光投射到光检测表面是椭圆形，此时输出电压为 正，如图1-5(b)所示；当光盘远离拾讯头物镜时，反射光投射到光检测表面也是椭圆形， 但与图1-5(b)所示正好相反，此时输出电压为负，如图15(c)所示。在距离变化不大的范 围内，检测的特性如图1-5(d所示。 在图1-4中，放大器A,将四象限光电管产生的电流转换成误差电压，经过A,A 放大后，一路经A,滤波取其直流分量，在放大器A,组成的窗口比较器中形成矩形脉冲电 压，控制功率管，从而用来驱动直流伺服电动机。电机带动机械传动机构使拾讯头作升降运 动，澈光束进人聚焦条件时停止运动。这部分电路属于拾讯头的粗调。另一路经A放大后
光 D c VD. 升降拉制于 图1-4VD白动聚焦何服系统 o十七 幻B十 d 图1-5像做法测距
由功率管VT1、VT:输出给聚焦线圈激磁，线圈产生电磁力作用于物镜，使物镜上、下微 小移动，以补偿光盘面的振颤，从而使激光束准确聚焦干光盘信息面上，保证准确读取 信息。 1.3光机电一体化的特点 光机电一体化技术正在工业领域引起一场新的变革。它之所以能够迅速发展，是有其原 因的。下面简要列举光机电一体化技术的几个方面的特点。 (1)小型化、轻型化 由于微电子学和半导体技术的发展，光机电一体化产品的控制装置、显示部件等都普遍 采用大规模集成电路。使得产品的体积和质量可以做成原来的几分之一或十几分之一，向小 型化、轻型化方向发展。20世纪90年代，出现了微光机电系统，产品向做型化方向发展。 (2)高精度、多功能 光机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙和受力变形等所 起的动作误差大大减小，同时因各种干扰因素造成的误差，还可通过自动控制系统的自诊 断、校正、补偿达到所要求的工作精度。如进广地窑勘探的数字式地震仪，能将传感器接受 到的地震反射波噪声干扰送到微机进行处理，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。机械式勘探仪则无抗干忧能力，桔度较低， 光机电一体化系统通过改变程序、指令等软件内容而不必收动硬件就能变化产品的功 能。如激光加工中心能自动完成焊接、切割、划线等操作、可加工金属、塑料、陶瓷等 材料。 (3)可靠性高 由于激光技术和电磁技术的发展，传感器和驱动控粉器等装置采用非接触式代替接触 式，减少装置的可动部件和磨损部件。光机电一体化产品同时其有自诊断、自动监测功能， 碰到过载、失速等事故，能进行自我保护，防止出现事故。因此，产品的可靠性得到提高。 (4)柔性化、智能化 光机电一体化产品采用高性能的微处理器作为系统的控制器。在产品设计上，尽量采用 软件来实现硬件的功能。因此，一旦产品的工作对象发生改变，只要修改相应的软件就可以 完成功能的扩展和更换，而不需要增添任何硬件。NC机床和工业机器人就是有力的例证。 《5)知识密继 光机电一体化产品的设计往往要涉及多学科的专亚知识，需要一个知识结构合理、经验 丰富的设计团队共同完成。因此、光机电一体化产品是知识密集的产品，具有很高的功能水 平和附加值，市场竞争力强。静电复印机、彩色印相机等，就是一种由光、机、电、磁、化 学等多种学科和技术复合创新的新型产品，在市场上具有很强的竞争力和高附加值。 1.4光机电一体化的相关技术 光机电一体化技术是光学、机械学、电子学、信息处理与控制等多学科相互渗透、相互 融合而形成的边缘技术。它所涉及的技术领域极其广泛，但概括起来讲，有以下7项共性 技术。 (1)机横技术 机械技术是光机电一体化技术的基础。它对光机电一体化产品的结构、功能、体积等有 5
重要的影响。机械结构的合理性还直接影响到控制的复杂程度以及系统的稳定性和可靠性 光机电一体化产品的轻、小、高精度等特点，对机械设计和制造技术也提出了更高的要求。 机械技术不断采用新材料、新工艺、新原理、新机构来满足光机电一体化技术的发展。 (2)光学技术 光学技术在光机电一体化系统或产品的各个方面都有应用。在传感器方面，利用光子技 术制作的传感器具有精密、准确、快速、高效、非接触测量等特点。例如激光干沙仪在测量 8000km物体时的测量误差仪为2cm,利用CCD光学传感器，可以实现无损测量（如测量表 面粗髓度、平面度等)。激光是光学应用的典型实。激光具有高相干性、单色性和方向性， 能在瞬间聚集大量的热能。因此可以实现打孔、切制、表面清洗、焊接、雕刻、激光快速成 型等作业，是新型的机械加工技术。 (3)信息处理技术 信息处理技术包括信息的输人、交换、存储、运算、判断和决策等。实现信息处理要求 具各计算机硬件和软件。硬件包括工业计算机、单片机、可编程控制器、计算机外围设备 (如打印机、显示恭)、网络通信设备等。软件包括系统软件和应用软件，其中应用软件是用 户完成特定的任务而编写的代码，其内容丰富、千变万化，成为信息处理技术的关键。在光 机电一体化产品中，信息处理的能力和水平直接影响到系统工作的质量和效率。 (4)系统集成技术 按照系统工程的观点和方法，将总体分解成互为有机联系的若干个功能子单元，再以功 能单元为子系统进行分解，直到找出一个可以具体实现的技术方案。然后对各种技术方案的 组合进行评估、选优 系统集成技术包括的内容丰富，其中接口技术是最为关键的内容之一。可以毫不夸张地 说，光机电一体化技术就是研究接口的技术。接口包括机械接口、电气接口、人机接口、环 境接口等。 (5》检测与传感技术 检测与传感装置是光机电一体化产品的“感觉器官”。它将传感器变换的电信号输送到 信息处理部分进行处理。传感与检测是实现自动控制的关键环节，直接决定系统的自动化程 度高低。在检测与传感技术中，要求传感器及其检测电路能够快速、准确地获取信息，并具 有很强的抗干扰能力。检测与传感技术是光机电一体化技术的关键技术。 (6)自动控制技术 在光机电一体化中，自动控制技术包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真，现场 调试、可靠运行等从理论到实践的过程。自动控制包括高精度定位控制、速度控制、自适应 控制、自诊断、校正、补偿等。由于计算机的广泛应用，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。 (?)伺服驱动技术 同服驱动装骨有电动、气动、液压等多种类型。伺服驱动装置是上算机粒制器和机城执 行机构的接口，它将电能、气压能、液压能转化为执行机构作直线或旋转运动的机械能。何 服粥动装置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。 1.5光机电一体化的发展趋势 徽电子学、光学、计算机与控制技术的每一个新的进步都会极大地推动光机电一体化技