【文章內(nèi)容簡介】 品的競爭能力。④光能驅(qū)動(dòng)技術(shù) 利用光致變形材料可制作光致動(dòng)器和光機(jī)器人?，F(xiàn)已研制成功一種光致動(dòng)器，其工作原理是將光照在形狀記憶合金上，反復(fù)地通、斷使材料伸縮，再利用感溫磁性體的溫度特性，將材料末端吸附在襯底上。利用材料本身的伸縮和端部的吸附特性，加上光的通斷便能實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該致動(dòng)器能可在頂面步行。這種狀態(tài)目標(biāo)處于初級(jí)階段，如果能發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異光作用特性的動(dòng)態(tài)物質(zhì)，則可使光能驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用。 8）近些年來，光機(jī)電一體化技術(shù)得到迅猛發(fā)展，在民用工業(yè)和軍事領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。因此，光機(jī)電一體化技術(shù)成為當(dāng)今機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)。 第二章 光機(jī)電一體化技術(shù)特征　　光機(jī)電一體化技術(shù)是由機(jī)械技術(shù)與激光－微電子等技術(shù)揉合融匯在一起的新興技術(shù)。它與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，主要有以下特征：（1） 綜合性與系統(tǒng)性　　光機(jī)電一體化是一門跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，它是激光技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合而成的綜合性高技術(shù)。這種多種技術(shù)的綜合及多個(gè)部分的組合，使得光機(jī)電一體化技術(shù)及產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。其各個(gè)組成部分如機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、模擬量與數(shù)字量交換技術(shù)以及軟件技術(shù)等在綜合成一個(gè)完整的系統(tǒng)中相互配合有嚴(yán)格的要求，這就需要取長補(bǔ)短，不斷向理想化方向發(fā)展。其結(jié)果使原來各種技術(shù)揚(yáng)長避短，更趨于合理。（2） 多層次，覆蓋面廣　　光機(jī)電一體化是一個(gè)總的技術(shù)指導(dǎo)思想，它不僅體現(xiàn)在一些機(jī)電一體化的單機(jī)產(chǎn)品之中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。從簡單的單臺(tái)光機(jī)電一體化產(chǎn)品，到現(xiàn)代工業(yè)中的柔性加工系統(tǒng)；從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、多級(jí)控制；從機(jī)械零部件連續(xù)自動(dòng)熱處理生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代高速重型機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線等，光機(jī)電一體化技術(shù)都有不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于工程系統(tǒng)，需成套地進(jìn)行開發(fā)和制造。對(duì)于光機(jī)電一體化單機(jī)產(chǎn)品(設(shè)備)，應(yīng)采用簡繁并舉、高低級(jí)并存的多層次發(fā)展途徑。可發(fā)展功能附加型的低級(jí)產(chǎn)品；也可發(fā)展功能替代型的中級(jí)產(chǎn)品；還可發(fā)展機(jī)電融合型的高級(jí)產(chǎn)品，成為前所未有的新一代產(chǎn)品。（3） 結(jié)構(gòu)簡化，方便操作　　光機(jī)電一體化技術(shù)可位過去靠機(jī)械傳動(dòng)鏈連接的各個(gè)相關(guān)動(dòng)作部分，改用幾臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，或用電力電子器件，或用電子電控裝置進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作控制來實(shí)現(xiàn)。因此，使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，甚至使有些機(jī)械結(jié)構(gòu)脫胎換骨，產(chǎn)生了質(zhì)的變化。光機(jī)電一體化技術(shù)使得操作人員擺脫了以往必須按規(guī)定操作程序或節(jié)拍頻繁緊張地進(jìn)行單調(diào)重復(fù)操作的工作方式，能以靈活方便地按需控制和改變生產(chǎn)操作程序。任何一臺(tái)光機(jī)電一體化裝置或系統(tǒng)各個(gè)相關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及功能協(xié)調(diào)關(guān)系，可由預(yù)設(shè)的程序一步一步地由電子控制系統(tǒng)指揮，如數(shù)控機(jī)床、柔性加工系統(tǒng)(FMS)等。有些光機(jī)電一體化裝置，可實(shí)現(xiàn)操作全自動(dòng)化，如工業(yè)機(jī)器人、印制電路板數(shù)控高速鉆床等。有些更高級(jí)的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，還可通過被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及根據(jù)任何時(shí)刻外界各種參數(shù)的變化情況，隨機(jī)自尋最佳工作程序、動(dòng)作程度和快慢以及協(xié)調(diào)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化工作及最佳操作，例如微機(jī)控制的熱連軋機(jī)鋼板測(cè)厚自控系統(tǒng)、電梯群控系統(tǒng)、智能機(jī)器人等。（4） 精度提高，功能增加 　　光機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動(dòng)部件減少，因而使機(jī)械磨損及配合間隙等所引起的動(dòng)作誤差大大減小，同時(shí)由于采用了電子技術(shù)，反饋控制水平的提高并能進(jìn)行高速處理，可通過電子自動(dòng)控制系統(tǒng)精確地按預(yù)設(shè)量使相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，因各種干擾因素造成的誤差，又可通過自控系統(tǒng)自行診斷、校正、補(bǔ)償去達(dá)到靠單純機(jī)械方式所不能實(shí)現(xiàn)的工作精度。因而光機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，適用面廣，易于滿足各種需要。電子技術(shù)的引入，使產(chǎn)品面貌發(fā)生巨大變化，電子裝置能按照入的意圖進(jìn)行自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、信息采集及處理、調(diào)節(jié)、修正、補(bǔ)償、自診斷、自動(dòng)保護(hù)直至自動(dòng)記錄、顯示、打印工作結(jié)果。通過改變程序、指令等軟件內(nèi)容而無需改動(dòng)硬件部分就可變換產(chǎn)品的功能，使機(jī)械控制功能內(nèi)容的確定和變化趨?quot。軟件比和智能化。（5） 高可靠性，高穩(wěn)定性和高使用壽命　　傳統(tǒng)的機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)部分，一般都伴隨著磨損及運(yùn)動(dòng)部件配合間隙所引起的動(dòng)作誤差，而發(fā)出由于可動(dòng)摩擦、撞擊、振動(dòng)等引起的聲響(噪聲)，這顯然影響裝置的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。而光機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，使裝置的可動(dòng)部件減少，磨損也大為減少，像集成化接近開關(guān)甚至無可動(dòng)部件、無機(jī)械磨損。因此，裝置的壽命提高，故障率降低，從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。有些光機(jī)電一體化產(chǎn)品甚至做到不需維修或者具有自診斷功能。（6） 開發(fā)上的知識(shí)密集性　　研制開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品往往要涉及許多學(xué)科和專業(yè)知識(shí)，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、電力電子學(xué)、電工學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、光學(xué)、控制論、信息論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多門學(xué)科以及各門類的專業(yè)知識(shí)。比如人們很熟悉的靜電復(fù)印機(jī)、彩色印像機(jī)等，就是一種由機(jī)、電、光、磁、化學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)復(fù)合創(chuàng)新的新型產(chǎn)品。設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品的工程技術(shù)人員對(duì)自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出更新更高的要求。現(xiàn)代化的技術(shù)更需要現(xiàn)代化的人才來掌握和開發(fā)它。需要發(fā)揮多種功能的先進(jìn)設(shè)備、必然要賦予它多種知識(shí)和智慧。　　開發(fā)光機(jī)電一體化產(chǎn)品有不同的層次和靈活的自由度。在機(jī)械技術(shù)中恰當(dāng)?shù)匾腚娮蛹夹g(shù)，產(chǎn)品的面貌和行業(yè)的面貌就可以迅速發(fā)生巨大變化。產(chǎn)品一旦實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化，便具有很高的功能水平和附加價(jià)值，將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，從而造福于人民，有利于國家。 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) (1)研究現(xiàn)狀 自從我國實(shí)行改革開放以來，科技領(lǐng)域急起直追，我國的光機(jī)電一體化技術(shù)已取得明顯的成效，數(shù)控產(chǎn)品有了很大的提高，尤其是經(jīng)濟(jì)型靈敏數(shù)控裝置發(fā)展很快，是我國特有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用產(chǎn)品，不但適用國內(nèi)市場(chǎng)的需要，部分產(chǎn)品還隨主機(jī)配套出口。國內(nèi)的機(jī)械產(chǎn)品采用可編程控制器（PC）和微電子技術(shù)控制設(shè)備也越來越多，覆蓋面也日益擴(kuò)大，從紡織機(jī)械、軸承加工設(shè)備、機(jī)床、注塑機(jī)到橡膠輪胎成型機(jī)、重型機(jī)械、輕工業(yè)機(jī)械都是如此，我國自行研制和生產(chǎn)的光機(jī)電設(shè)備，在質(zhì)量上也有重大突破，為今后的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。(2) 發(fā)展趨勢(shì) 光機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科、領(lǐng)域，成為一種新興的學(xué)科，并逐漸成為一種產(chǎn)業(yè)，而這些產(chǎn)業(yè)作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)越來越受到高度重視。 機(jī)電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的相互交叉與融合，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它包括產(chǎn)品和技術(shù)兩方面：光機(jī)電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制和通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高功能和附加值；光機(jī)電一體化技術(shù)是指其技術(shù)原理和使光機(jī)電一體化產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)，使用和發(fā)展的技術(shù)。光機(jī)電一體化技術(shù)是由光學(xué)，光電子學(xué)，電子信息和機(jī)械制造及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它豐富和拓寬了光機(jī)電一體化技術(shù)的內(nèi)涵和外延。各國都十分重視光機(jī)電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品的研發(fā)，在我國，不少地方成立了光機(jī)電一體化高科技園區(qū)。北京市政府于2001年7月23日批準(zhǔn)正式成立了北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)基地，預(yù)計(jì)到2010年北京市光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到336億元。各高等院校也相繼設(shè)立了機(jī)電一體化或光機(jī)電一體化專業(yè)。 機(jī)電一體化的核心技術(shù)機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：（一） 機(jī)械本體技術(shù)　　機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。（二） 傳感技術(shù)傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢(shì)。對(duì)外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。（三） 信息處理技術(shù)　　機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息處理設(shè)備（特別是微型計(jì)算機(jī)）的普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。（四） 驅(qū)動(dòng)技術(shù)　　電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件傳感器電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。（五） 接口技術(shù)　　為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計(jì)。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號(hào)電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。（六） 軟件技術(shù)　　軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢(shì)。對(duì)外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。 機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)程追溯人類歷史發(fā)展的長河，有一條綿綿不斷的看不見的“思”線，推動(dòng)著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。從杠桿到齒輪，從水輪機(jī)到核電站，從風(fēng)箏到航天飛機(jī)，從珠算到電子計(jì)算機(jī)……追求“精益求精”的思想驅(qū)動(dòng)著人們創(chuàng)造出一個(gè)又一個(gè)技術(shù)奇跡，建造了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)豐碑，永無休止，永無極限。正是“精益求精”的思想創(chuàng)造了機(jī)電一體化技術(shù)，成為其發(fā)展的精神力量?！　募夹g(shù)角度看，20世紀(jì)信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。信息技術(shù)主要是指計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)，即所謂的3C(Compute、Control、Communication Techology，簡稱3C)技術(shù)。信息技術(shù)有別于其他技術(shù)的一大特別是它具有很強(qiáng)的“粘帖性”和“滲透性”。沒有任何一類技術(shù)能像信息技術(shù)一樣能“粘帖”、“滲透”于機(jī)理毫不相關(guān)的、屬于不同領(lǐng)域的其他技術(shù)，例如：機(jī)械、生物、化學(xué)、醫(yī)藥、考古等，從而“孕育”出一個(gè)個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)電一體化技術(shù)就是信息技術(shù)“滲透”于機(jī)械技術(shù)的結(jié)果。實(shí)際上，遠(yuǎn)不止于此。在“滲透”的過程中，信息技術(shù)連帶著把許多其他領(lǐng)域的技術(shù)也“溶解”了進(jìn)來，使機(jī)電一體化技術(shù)的內(nèi)容十分豐富，幾乎到了無處不在，無所不包的地步，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了驚人的影響?！　C(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程，大體上可以分為3個(gè)階段?！　?0世紀(jì)60年代以前為第一階段，稱其為“萌芽階段”。在這一時(shí)期，人們自覺或不自覺的利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了許多性能相當(dāng)優(yōu)良的軍事用途的機(jī)電產(chǎn)品。這些機(jī)電結(jié)合的軍事用途的技術(shù)，在戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和技術(shù)的進(jìn)步起到了積極的作用?！　?0年代到80年代為第二階段。稱其為“蓬勃發(fā)展階段”。在這一時(shí)期，人們自覺地、主動(dòng)地利用3C技術(shù)的巨大成果創(chuàng)造新的機(jī)電一體化產(chǎn)品。　　在這一階段，應(yīng)該特別指出的是，日本在推動(dòng)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展方面起了主導(dǎo)作用。日本政府于1971年3月頒布了《特定電子工業(yè)和特定機(jī)械工業(yè)振興臨時(shí)措施法》，要求企業(yè)界“應(yīng)特別注意促進(jìn)為機(jī)械配備電子計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化和機(jī)械產(chǎn)品的其他功能”。這就是日本政府在機(jī)械產(chǎn)品中貫徹“精益求精”思想的檄文。顯然，這里有其商業(yè)意圖。但是，日本的企業(yè)界為了生存，竭盡全力實(shí)施了政府的這一法規(guī)。經(jīng)過短短的幾年的努力，出現(xiàn)了奇跡!這是大家都知識(shí)的事實(shí)。因而，“機(jī)電一體化”一詞由日本人創(chuàng)造也就不足為奇了。70年代初，日本學(xué)者新造了一個(gè)英文字：　　“MECHATRONICS”(=MECHA NICS +ELEC TRONICS)。由于3C技術(shù)與微電子技術(shù)有