毕业设计（论文）光机电一体化产品可靠性预见

1、xxxxxxx大学毕业设计（论文）题 目： 光机电一体化产品可靠性预见姓 名：（学号）： 班 次（队别）： 专 业： 指 导 教 师： 任务起止日期：2010年12月14日至2011年6月8日目 录第一章光机电一体化简介11.1 机电一体化技术发展历程及其趋势11.1.1 "机电一体化"发展趋势11.1.2 我国发展“机电一体化”面临的形势41.2 我国“机电一体化”工作的任务51.3 我国发展“机电一体化”的对策5第二章 光机电一体化技术特征142.1 研究现状和发展趋势162.2 机电一体化的核心技术182.3 机电一体化的发展进程19第三章 光机电一体化产品复印机23

2、3.1 复印机产生的背景233.2 工作原理303.3 复印机的分类313.4 复印机的工作原理313.5 复印机的组成323.6 数码复印机技术指标34结 语36参考文献37摘要光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术一体的高科技产品，具有很高功能和附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现，使用和发展。光机电一体化技术是由光学，光电子学，电子信息和机械制造及其他相关技术交叉与融合构成的综合型高新技术

3、是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它丰富和拓展了光机电一体化的内涵和外延。各国都十分重视光机电一体化技术及其产品的研发，近些年来，我国光机电一体化技术得到迅猛发展，在民用和军事领域得到广泛地应用。因此，光机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。关键词：光机电一体化技术、应用、高新技术产业、高新技术装备、主要趋势abstractoptic-mechanical integration technology is microelectronics technology, computer technology, control technology, optical techn

4、ology and mechanical technology overlapping and integration, is a lot of new and high-tech industries and high-tech equipment foundation. it includes products and technology two respects: optic-mechanical integration products is the collection optical, mechanical, microelectronics, automatic control

5、 and communication technology integrated high-tech product, has the very high function and value; optic-mechanical integration technology refers to the technical principle and make optic-mechanical integration products can be realized, use and development. optic-mechanical integration technology is

6、by optics, photonics, electronic information and machinery manufacturing and other related technical cross and integration is composed of many comprehensive high-tech high-tech industries and high-tech equipment foundation. it enriches and develops the connotation and extension of the optic-mechanic

7、al integration. countries are very seriously optic-mechanical integration technology and product development, in recent years, our country optic-mechanical integration technology rapid development, in civil and military areas to be widely. therefore, optic-mechanical integration technology for the m

8、echanical industry technology development of a main trend.keyword:optic-mechanical integration technology, application and high-tech industries and high-tech equipment, the main trend第一章光机电一体化简介1.1 机电一体化技术发展历程及其趋势自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了

9、明显进展,引起了人们的广泛注意.1."机电一体化"的发展历程1.数控机床的问世,写下了"机电一体化"历史的第一页;2.微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机;3.可编程序控制器、“电力电子”等的发展为“机电一体化”提供了坚强基础;4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使"机电一体化"跃上新台阶1.1.1 "机电一体化"发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下：（1）智能化智能化是21世纪机电一体化

10、技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。（2）模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开

11、发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。（3）网络化2

12、0世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliance system, cias

13、)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。（4）微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（mems），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小 、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。（5）绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生

14、态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。（6）系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除rs232外，还有rs485、dcs人格化。未

15、来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。1.1.2 我国发展“机电一体化”面临的形势（1） 我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度（2） 我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。（3） 我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在

16、我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来

17、新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。1.2 我国“机电一体化”工作的任务我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献,机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。1.3

18、 我国发展“机电一体化”的对策(一)加强统筹安排，协调发展计划目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题，同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此，建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!(二)强化行业管理，发挥“协会”作用目前，我国“机电一体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门”是难哆的。

19、因此，我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构，根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。“协会”要进一步扩大领导机构理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关项目的发标、招标工作(三)优化发展环境、增大支持力度优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”发展的氛围，如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”

20、产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。(四)突出发展重点，兼顾“两个层次”机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大

21、胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。1）光机电一体化技术是由机械技术与激光微电子等技术揉合融汇在一起的新兴技术。 光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，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

22、柔性加工系统；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)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改

23、善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。编辑本段计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。编辑本段系统技术系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。编辑本段自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控

24、制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。2）传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。培养具备机械设计基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械制造领域内的设计制造、应用研究、运行管理和经营销售等方面工作的应用型高级工程技术人才。四年本科，本专业学生主要学习机械设计与制造的基础理论，学习微电子技术、计

25、算机技术和信息处理技术的基本知识，受到现代机械工程师的基本训练，具有进行光机电一体化产品设计制造及设备控制、生产组织管理的基本能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力：具有较扎实的自然科学基础知识、较好的人文和社会科学基础知识；较系统地掌握本专业领域的基础理论知识，主要包括力学、机械学、电工与电子技术、机械工程材料、机械设计工程学、机械制造基础、光电技术基础、自动化基础、计算机应用、市场经济及企业管理等基础知识；具有本专业必须的制图、计算、实验、测试、文献检索和基本工艺操作等基本技能；具有本专业领域内某个专业方向所必要的专业知识，了解其科学前沿及发展趋势；具有较强的自学能力、实践能力和创新意识

26、。主干学科：机电工程、光电工程、力学、计算机应用；主要课程：画法几何、机械制图及计算机绘图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、电路分析基础、电子技术、微机原理及接口技术、控制理论、互换性与技术测量基础、机械制造基础、工程光学。 4）光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，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加工系统；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

27、发和制造。对于光机电一体化单机产品(设备)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。光机电一体化技术可位过去靠机械传动链连接的各个相关动作部分，改用几台电机分别驱动，或用电力电子器件，或用电子电控装置进行相关动作控制来实现。因此，使机械结构大大简化，甚至使有些机械结构"脱胎换骨"，产生了质的变化。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，能以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序。任何一台光机电一体化装

28、置或系统各个相关传动机构的动作及功能协调关系，可由预设的程序一步一步地由电子控制系统指挥，如数控机床、柔性加工系统(fms)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，例如微机控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。光机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损及配合间隙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，

29、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，因各种干扰因素造成的误差，又可通过自控系统自行诊断、校正、补偿去达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。因而光机电一体化产品应用领域宽，适用面广，易于满足各种需要。电子技术的引入，使产品面貌发生巨大变化，电子装置能按照入的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。通过改变程序、指令等软件内容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能，使机械控制功能内容的确定和变化趋于 “软件化”和“智能化”5）传统的机械装置的运动部分，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，而发出由

30、于可动摩擦、撞击、振动等引起的声响(噪声)，这显然影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、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）研制开发光机电一体化产品往往要涉及许多学-科和专业知识，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门学科以及各门类的专业知识。比如人们很熟悉的静电复印机、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

31、创新的新型产品。设计这类产品的工程技术人员对自身的知识结构提出更新更高的要求。现代化的技术更需要现代化的人才来掌握和开发它。需要发挥多种功能的先进设备、必然要赋予它多种知识和智慧。 开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化，便具有很高的功能光机电一体化技术是由机械技术与激光微电子等技术揉合融汇在一起的新兴技术。 光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，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加工系统；从简单的单参

32、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)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。7）从世界科学技术的发展情况来看，光机电一体化技术的未来技术热点主要包括： 激光技术 a) 高单色性，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。 b) 高方向性，因具有很远距离传输光能和传输控制指

33、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。 c) 高亮度性，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，对各种各样材料和产品进行特种加工。 d) 相干性，由于激光速频率单一、相位方向相同。适用于激光通信、全息照相、激光印刷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，应用范围更广。传感检测技术 a) 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。 b) 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，但受天然影响大。 c) 光纤探

34、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。 d) 其他还有激光打孔、刻槽=标记、光化学沉积等加工技术。 激光快速成型技术 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，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适应能力和产品的竞争能力。光能驱动技术 利用光致变形材料可制作光致动器和光机器人。现已研制成功一种光致动器，其工作原理是将光照在形状记忆合金上，反复地通、断使材料伸缩，再利用感温磁性体的温度特性，将材料末端吸附在衬底上。利用材料本身的伸缩和端部的

35、吸附特性，加上光的通断便能实现所要求的动作。实验验证，该致动器能可在顶面步行。这种状态目标处于初级阶段，如果能发现具有优异光作用特性的动态物质，则可使光能驱动技术广泛应用。 8）近些年来，光机电一体化技术得到迅猛发展，在民用工业和军事领域得到广泛地应用。因此，光机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。 第二章 光机电一体化技术特征光机电一体化技术是由机械技术与激光微电子等技术揉合融汇在一起的新兴技术。它与传统的机械产品比较，主要有以下特征：（1） 综合性与系统性光机电一体化是一门跨学科的边缘科学，它是激光技术、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高技术。这种

36、多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。其各个组成部分如机械技术、微电子技术、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在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求，这就需要取长补短，不断向理想化方向发展。其结果使原来各种技术扬长避短，更趋于合理。（2） 多层次，覆盖面广光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，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加工系统；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

37、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)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。（3） 结构简化，方便操作光机电一体化技术可位过去靠机械传动链连接的各个相关动作部分，改用几台电机分别驱动，或用电力电子器件，或用电子电控装置进行相关动作控制来实现。因此，使机械结构大大简化，甚至使有些机械结构"脱胎换骨"，产生了质的变化。光机

38、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，能以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序。任何一台光机电一体化装置或系统各个相关传动机构的动作及功能协调关系，可由预设的程序一步一步地由电子控制系统指挥，如数控机床、柔性加工系统(fms)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，例如微机控制的热连轧机钢板测厚自控系统、电梯群控系统、智

39、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，因而使机械磨损及配合间隙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，因各种干扰因素造成的误差，又可通过自控系统自行诊断、校正、补偿去达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。因而光机电一体化产品应用领域宽，适用面广，易于满足各种需要。电子技术的引入，使产品面貌发生巨大变化，电子装置能按照入的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。通过改变程序、指令等软件内

40、容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能，使机械控制功能内容的确定和变化趋?quot;软件比"和"智能化"。（5） 高可靠性，高稳定性和高使用寿命传统的机械装置的运动部分，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，而发出由于可动摩擦、撞击、振动等引起的声响(噪声)，这显然影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、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） 开发上的知识密集性研

41、制开发光机电一体化产品往往要涉及许多学-科和专业知识，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门学科以及各门类的专业知识。比如人们很熟悉的静电复印机、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。设计这类产品的工程技术人员对自身的知识结构提出更新更高的要求。现代化的技术更需要现代化的人才来掌握和开发它。需要发挥多种功能的先进设备、必然要赋予它多种知识和智慧。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现

42、光机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益，从而造福于人民，有利于国家。 2.1 研究现状和发展趋势 (1)研究现状 自从我国实行改革开放以来，科技领域急起直追，我国的光机电一体化技术已取得明显的成效，数控产品有了很大的提高，尤其是经济型灵敏数控装置发展很快，是我国特有的经济实用产品，不但适用国内市场的需要，部分产品还随主机配套出口。国内的机械产品采用可编程控制器（pc）和微电子技术控制设备也越来越多，覆盖面也日益扩大，从纺织机械、轴承加工设备、机床、注塑机到橡胶轮胎成型机、重型机械、轻工业机械都是如此，我国自行研制和生产的光机电设备，在质量上也有

43、重大突破，为今后的推广应用打下了良好的基础。(2) 发展趋势 光机电一体化技术已经渗透到各个学科、领域，成为一种新兴的学科，并逐渐成为一种产业，而这些产业作为新的经济增长点越来越受到高度重视。 机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有很高功能和附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现，使用和发展的技术。光机电一体化技术是由光学，光电子学，电子信息和机械制造及其他相关技术交叉与融合

44、构成的综合性高新技术是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它丰富和拓宽了光机电一体化技术的内涵和外延。各国都十分重视光机电一体化技术及其产品的研发，在我国，不少地方成立了光机电一体化高科技园区。北京市政府于2001年7月23日批准正式成立了北京市光机电一体化产业基地，预计到2010年北京市光机电一体化产业总产值将达到336亿元。各高等院校也相继设立了机电一体化或光机电一体化专业。2.2 机电一体化的核心技术机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：（一） 机械本体技术机械本体必须从改

45、善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。（二） 传感技术传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。（三） 信息处理技术机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可

46、靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。（四） 驱动技术电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。（五） 接口技术为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。（六） 软件技术软件与硬件必须协调一致地发展。为了减

47、少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。2.3 机电一体化的发展进程追溯人类历史发展的长河，有一条绵绵不断的看不见的“思”线，推动着技术的发展和进步。从杠杆到齿轮，从水轮机到核电站，从风筝到航天飞机，从珠算到电子计算机追求“精益求精”的思想驱动着人们创造出一个又一个技术奇迹，建造了一个又一个技术丰碑，永无休止，永无极限。正是“精益求精

48、”的思想创造了机电一体化技术，成为其发展的精神力量。从技术角度看，20世纪信息技术突飞猛进的发展为机电一体化技术的发展奠定了物质基础。信息技术主要是指计算机技术、通信技术和控制技术，即所谓的3c(compute、control、communication techology，简称3c)技术。信息技术有别于其他技术的一大特别是它具有很强的“粘帖性”和“渗透性”。没有任何一类技术能像信息技术一样能“粘帖”、“渗透”于机理毫不相关的、属于不同领域的其他技术，例如：机械、生物、化学、医药、考古等，从而“孕育”出一个个崭新的技术领域。机电一体化技术就是信息技术“渗透”于机械技术的结果。实际上，远不止于此

49、。在“渗透”的过程中，信息技术连带着把许多其他领域的技术也“溶解”了进来，使机电一体化技术的内容十分丰富，几乎到了无处不在，无所不包的地步，对社会、经济的发展产生了惊人的影响。机电一体化技术的发展历程，大体上可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，称其为“萌芽阶段”。在这一时期，人们自觉或不自觉的利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能相当优良的军事用途的机电产品。这些机电结合的军事用途的技术，在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。70年代到80年代为第二阶段。称其为“蓬勃发展阶段

50、”。在这一时期，人们自觉地、主动地利用3c技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，应该特别指出的是，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于1971年3月颁布了特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法，要求企业界“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。这就是日本政府在机械产品中贯彻“精益求精”思想的檄文。显然，这里有其商业意图。但是，日本的企业界为了生存，竭尽全力实施了政府的这一法规。经过短短的几年的努力，出现了奇迹!这是大家都知识的事实。因而，“机电一体化”一词由日本人创造也就不足为奇了。70年代初，日本学者

51、新造了一个英文字：“mechatronics”(=mecha nics +elec tronics)。由于3c技术与微电子技术有着极为密切的关系，因而“mechatronics”基本上反映了多学科融合、交叉的意义，特别是包含了机械学科与信息学科的“渗透”与“粘帖”。从这个意义上讲，“机电一体化”的内涵又可以说是机械产品信息化。1996年版的“webster”大词典已经收录了这个日本造的英文字。这就意味着不仅“mechatronics”这个字得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且意味着机电一体化的哲理和思想为世人所接受。在mechatronics问世之前，曾用过“the integration

52、 of mechanical and electronic systems”，即“机械与电子系统集成”。这个叫法，中英文都不顺口。“mechatronics”的中文直译是“机械电子学”，但俗称“机电一体化”，容易上口，更为流行，更合我国人的语言习惯。80年代末，美国出版了一本书mechatronics：japans newest threat惊呼“机电一体化”是日本对美国的最新威胁!基于这种认识，当时的美国总统里根亲自披挂上阵，主持制定了美国的新技术发展策略，对推动美国机电一体化技术的发展发挥了重要作用。相对日本机电一体化技术着重用于家用电器方面，美国则在大型电站设备、航空航天和制造设备方面独

53、占鳌头。无独有偶，90年代中期，美国又出版了一本书china：next economic superpower言外之意是：日本已经成为一个经济超级大国，构成了对美国的威胁；中国再发展下去，岂不构成对美国的下一个威胁!这一事实印证了“科学技术是第一生产力”这句名言。从90年代后期开始为第三阶段，称其为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化新阶段迈进。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化机械产品不断涌现。现在，“模糊控制”技术已经相当普遍，甚至还出现了“混沌”控制的产品。可以说，机电一体化技术将以智能化为内核进入21世纪。

54、三光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有很高功能和附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现，使用和发展的技术。光机电一体化技术是由光学，光电子学，电子信息和机械制造及其他相关技术交叉与融合构成的综合性高新技术是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它丰富和拓宽了光机电一体化技术的内涵和外延。各国都十分重视光机电一体化技术及其产品的研发，在我国，不少地方成立了光机电一体化高科技

55、园区。北京市政府于2001年7月23日批准正式成立了北京市光机电一体化产业基地，预计到2010年北京市光机电一体化产业总产值将达到336亿元。各高等院校也相继设立了机电一体化或光机电一体化专业。第三章 光机电一体化产品复印机3.1 复印机产生的背景公元前5世纪，中国人发明了算盘，广泛应用于商业贸易中，算盘被认为是最早的计算机，并一直使用至今。算盘在某些方面的运算能力要超过目前的计算机，算盘的方面体现了中国人民的智慧。直到17世纪，计算设备才有了第二次重要的进步。1642年，法国人blaise pascal（1623-1662）发明了自动进位加法器，称为pascalene。1694年，德国数学家

56、gottfried wilhemvon leibniz（1646-1716）改进了pascaline，使之可以计算乘法。后来，法国人charles xavier thomas de colmar发明了可以进行四则运算的计算器。现代计算机的真正起源来自英国数学教授charles babbage。charles babbage发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时，他认为可以利用蒸汽机进行运算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机。（analytical engine）babbage的蒸汽动力计

57、算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步，美国人herman hollerith（1860-1929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。现代计算机发展历程第一代电子管计算机 (1946-1957) 1946年2月15日，标志现代计算机诞生的eniac(electronic numerical integrator and computer)在费城公诸于世。eniac代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还

58、拥有并行计算能力。eniac由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度为每秒5000次。 第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据 . 第二代晶体管计算机 (1957-1964) 1948年，晶体管发明代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的cobol和fortran等语言，使计算机编程更容易。新的职