淺談光機電一體化技術的發展方向

光機電一體化是多學科領域綜合交叉的技術密集型系統工程，包含了機械技術、計算機與信息處理技術、系統技術、自動控制技術、傳感與檢測技術、伺服傳動技術和光電技術。光機電一體化是傳統工業被微電子技術逐步滲透過程形成的一個新概念，是微電子技術、機械技術相互交融的產物，是集多種技術于一體的新興交叉學科。光機電一體化產品是在其各種技術相互滲透、相互結合的基礎上，相互輔助，相互促進和提高，充分利用各個相關技術的優勢，使組合后的整體功能大于各個部分功能之和，使系統或設備的性能達到精密化、高柔化、智能化。光機電一體化的發展和進步有賴于相關技術發展和進步，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

一、數字化

微處理器和微控制器的發展奠定了單機數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化制造鋪平了道路，如計算機集成制造。數字化要求光機電一體化產品的軟件具有高可靠性和可維護性以及自診斷能力，其人機界面對用戶更加友好，易于操作，且用戶能根據需要參與改進。數字化的實現便于遠程操作、診斷和修復，產品的虛擬設計與制造將大大提高設計制造的效率，節省開發費用。

二、智能化

賦予光機電產品一定的智能，使它具有人的判斷推理、邏輯思考、自主決策能力。例如在CNC數控機床上增加了人機對話功能，設置了智能I／O通道和智能工藝數據庫，給使用、操作和維護帶來了極大的方便。人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為光機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。大量的智能化光機電一體化產品不斷涌現。現在，“模糊控制”技術已經相當普遍，甚至還出現了“混沌”控制的產品。

三、模塊化

由于光機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、動力接口、環境接口的光機電一體化產品單元是一項復雜和有前途的事情。如研制具有集減速、智能調速、電機于一體的動力裝置單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及能完成典型操作的裝置。利用標準單元迅速開發出新的產品，也可擴大生產規模。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和鏈接。光機電一體化產品模塊化的發展促進了新產品的開發，品種不斷增多，花樣不斷翻新，縮短了開發周期。以驅動為核心的驅動模塊單元，以伺服為核心的運動控制模塊單元，以兩根導線把各功能單元連接起來的總線或現場總線等，已形成了標準化的產品。

四、網絡化

由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是光機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能。利用家庭網絡連接各種家用電器，行成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家里充分享受各種高技術帶來的好處。因此，光機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發展。

五、人性化

光機電一體化產品的最終使用對象是人，如何在其中賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要。光機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，柔和一體，小巧玲瓏。使用這些產品，對人來說是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

六、微型化

微型化是精細加工技術發展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(MEMS)指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路，乃至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。自1986年斯坦福大學研制出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Betkeley分校研制出第一個直徑為200μm的微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了巨大的進展。開發出各種MEMS器件和系統，如各種微型傳感器：微壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器；各種微構件：微膜、微梁、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等。最近幾年來，MEMS正在向光學方面滲透，形成了微光機電系統。其研究目標是實現光機電系統的微小化、集成化和智能化，設計制造出具有新原理、新結構、新功能的元件及系統，開辟一個新的工程技術領域，完成傳統機電系統所不能完成的任務。

所以，它是涉及電子學(微電子和控制)、機械學(機械和力學)、光學、材料學、化學、生物學和醫學等，多學科、高技術交叉的前沿研究領域。微光機電系統可以是一種外形尺寸很小的微系統／微運動系統，或是一種外形尺寸未必很小，但操作尺度極小且精度很高的微動作系統。尺寸大小一般泛指從數厘米到數微米的范圍，通常把尺寸為1～100mm的稱為小型系統，0．1～1mm稱為毫米系統；1～100μm稱為微米系統。所以，微小化是微光機電系統的重要特征。尺度的微小化，即所謂尺寸效應將導致許多適用于宏觀技術領域的經驗與法則不起作用，需要從微觀領域對設計、結構、材料、制造、測試、控制、集成、能源及通信等方面進行研討，探討新原理，開發新技術、新功能元件和系統，確立嶄新的“微理工學”和“微系統設計方法論”。目前在世界范圍內研制的微光機電系統主要包括空間光調制器、光盤讀取頭、微機械光開關、光衰減器、光掃描器以及光譜儀等。其中微機械光開關具有串話小、插入損耗小、消光比高、對波長和偏振不敏感、穩定性好、造價低等優點，在光纖通信和光纖測試系統中具有廣闊的應用前景。

七、集成化

集成化既包括各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與組合，又包括在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，并使各部分協調而又安全地運轉，然后通過硬、軟件將各個層次有機聯系起來，使其性能最優、功能最強。

八、帶源化

光機電一體化產品自身帶有能源，無需外部供電一直是研究的重點，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。但在許多場合，無法使用電能，而對于運動的光機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是光機電一體化產品的發展方向之一。

九、綠色化

科學技術的發展給人們生活帶來巨大變化，物質豐富的同時也帶來資源減少，生態環境惡化的后果。所以人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、協調而可再生利用的產品，在其設計、制造、使用和銷毀時符合環保和人類健康的要求。光機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品殘存部分可分解或可再生利用。

（作者單位：河南省職業技術培訓教研室）