第1章光機電一體化系統(tǒng)的

1、第一章光機電一體化系統(tǒng)的組成與應用章節(jié)安排光機電一體化系統(tǒng)的組成與實例2光機電一體化的相關(guān)技術(shù)4光機電一體化的概念3 1光機電一體化的特點3 3光機電一體化的發(fā)展趨勢51-1光機電一體化的概念 光機電一體化的概念萌芽可以追溯到德國提出的光機電一體化的概念萌芽可以追溯到德國提出的精密工程精密工程技術(shù)，精密工程技術(shù)定義為光、機、電技術(shù)，精密工程技術(shù)定義為光、機、電一體化的綜合技術(shù)，如圖一體化的綜合技術(shù)，如圖1-11-1所示。所示。精密工程技術(shù)機械技術(shù)光學技術(shù)電工與電子技術(shù)電工與電子機械光學機械光電子技術(shù)圖1-1 精密工程技術(shù)的定義光學軟件微電子學信息處理與控制相關(guān)技術(shù)機械學精密工程技術(shù)的定義從某種

2、程度上說明了光機電一體精密工程技術(shù)的定義從某種程度上說明了光機電一體化的涵義?；暮x。 一般認為，光機電一體化是由光學、機械學、微電一般認為，光機電一體化是由光學、機械學、微電子學、信息處理與控制和軟件等各種相關(guān)技術(shù)交叉子學、信息處理與控制和軟件等各種相關(guān)技術(shù)交叉融合而構(gòu)成的群體技術(shù)。融合而構(gòu)成的群體技術(shù)。 光機電一體化是在機電一體化的基礎(chǔ)上引入光學技術(shù)而形成的一門新技術(shù)。 光學技術(shù)不是簡單地加盟機電一體化技術(shù)，而是滲透在機電一體化的各個組成部分。在傳感器方面的應用航空中心利用原有的測距傳感器測量衛(wèi)星的高度誤差為7-10m利用激光的單色性強而制作的激光測距儀而用了激光測量儀測量的誤差僅為12

3、cm提高了測量的精度和量程1-2光機電一體化的組成與實例 圖圖1-21-2為光機電一體化的組成，它大體包括為光機電一體化的組成，它大體包括4 4個個部分，本體結(jié)構(gòu)、計算機控制器、驅(qū)動裝置、部分，本體結(jié)構(gòu)、計算機控制器、驅(qū)動裝置、傳感器。傳感器。一、光機電一體化的組成一、光機電一體化的組成a.由計算機和輸入輸出口組成；b.控制系統(tǒng)分類：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)c.控制算法：在控制器中完成光機電一體化產(chǎn)品所有功能的支撐結(jié)構(gòu)，完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號的裝置a.按照控制器發(fā)出的指令，將電信號轉(zhuǎn)換為機械能b.驅(qū)動裝置的類型：電動、氣動、液動腦腦心臟骨骼五官四肢控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)動力裝置檢測

4、裝置執(zhí)行機構(gòu)機械本體光機電一體化各組成部分的關(guān)系與人體的腦、心臟、四肢、骨骼、五官相似電子元器件對電磁干擾和放射線的干擾非常敏感電動伺服系統(tǒng)的抗電磁干擾和放射線干擾的性能較差，在實際工作中容易引起誤操作光子元件和機械部件可以有效防護電磁及放射線的干擾在環(huán)境惡劣的條件下，用光子元件和機械部件組成的光-氣伺服系統(tǒng)代替電子元器件構(gòu)成的電動伺服系統(tǒng)是最佳選擇。二、光機電一體化的實例 （1 1）光）光- -氣伺服系統(tǒng)氣伺服系統(tǒng)vs電動伺服系統(tǒng)電動伺服系統(tǒng)（2）VCD放像器VCDVCD和和CDCD類似，只是結(jié)構(gòu)更加復雜。類似，只是結(jié)構(gòu)更加復雜。VCDVCD盤面上以坑、島形式記載著聲音盤面上以坑、島形式記載

5、著聲音和圖像信息和圖像信息當光盤放進影碟機的托架上，主軸伺服當光盤放進影碟機的托架上，主軸伺服系統(tǒng)帶動托架和光盤作高速旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)帶動托架和光盤作高速旋轉(zhuǎn)運動拾訊頭的物鏡將激光束聚焦后照射到光拾訊頭的物鏡將激光束聚焦后照射到光盤的表面，盤面上的坑、島對投射激光盤的表面，盤面上的坑、島對投射激光的反射強弱不同的反射強弱不同反射光通過光電轉(zhuǎn)換、解調(diào)電路、將聲音和反射光通過光電轉(zhuǎn)換、解調(diào)電路、將聲音和圖像信息分開，分別送到放音系統(tǒng)和圖像顯圖像信息分開，分別送到放音系統(tǒng)和圖像顯示設(shè)備示設(shè)備VCD放像機（激光影碟機）是典型的光機電一體化產(chǎn)品實例 光盤存儲 一光盤存儲的類型一光盤存儲的類型 1、記錄用光盤

6、、記錄用光盤記錄用光盤也稱記錄用光盤也稱“寫后直讀型寫后直讀型”(draw)(draw)盤盤它兼有寫入和讀出兩種功能，并且寫入后不需處理即它兼有寫入和讀出兩種功能，并且寫入后不需處理即可直接讀出所記錄的信息可直接讀出所記錄的信息可用作信息的追加記錄可用作信息的追加記錄這類系統(tǒng)根據(jù)記錄介質(zhì)和記錄方式的不同又可分為作這類系統(tǒng)根據(jù)記錄介質(zhì)和記錄方式的不同又可分為作一次寫入和可擦重寫兩類。一次寫入和可擦重寫兩類。 2、專用再現(xiàn)光盤專 用 再 現(xiàn) 光 盤 也 稱專 用 再 現(xiàn) 光 盤 也 稱“ 只 讀只 讀 ” 型型 ( r e a d ( r e a d nlynly) )。只能用來再現(xiàn)由專業(yè)只能用來

7、再現(xiàn)由專業(yè)工廠事先復制的光盤工廠事先復制的光盤信息信息不能由用戶自行追加不能由用戶自行追加記錄記錄 各種各樣光盤光盤二、光盤存儲的特點 1) 1) 存儲密度高、容量大存儲密度高、容量大 2) 2) 寫入讀出率高寫入讀出率高 3) 3)存儲壽命長存儲壽命長 4)4)每信息位的價格最低，易復制、壽命長每信息位的價格最低，易復制、壽命長 5) 5)有隨機尋址能力，隨機存取時間小有隨機尋址能力，隨機存取時間小于于60ms60ms6)6)光盤存儲是非接觸寫入讀出光盤存儲是非接觸寫入讀出 ，防塵耐污染，操作方便，易與計算防塵耐污染，操作方便，易與計算機聯(lián)機使用機聯(lián)機使用三、光盤存儲的工作原理 在光盤上寫入

8、信息的裝置稱作光盤記錄系統(tǒng)在光盤上寫入信息的裝置稱作光盤記錄系統(tǒng) 光盤存儲技術(shù)是利用激光在介質(zhì)上寫入并讀出信光盤存儲技術(shù)是利用激光在介質(zhì)上寫入并讀出信息息 存儲介質(zhì)最早是非磁性的，以后發(fā)展為磁性介質(zhì)存儲介質(zhì)最早是非磁性的，以后發(fā)展為磁性介質(zhì) 非磁性非磁性的寫入的信息不能抹掉，是不可逆的存儲的寫入的信息不能抹掉，是不可逆的存儲介質(zhì)介質(zhì) 用磁性介質(zhì)進行光存儲記錄時，可以抹去原來寫用磁性介質(zhì)進行光存儲記錄時，可以抹去原來寫入的信息，并能夠?qū)懭胄碌男畔?，可擦可寫反復入的信息，并能夠?qū)懭胄碌男畔?，可擦可寫反復使用使?能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是光盤重放系統(tǒng)光盤重放系統(tǒng)。大多數(shù)光

9、盤裝置具有記錄和重放的雙重功能。大多數(shù)光盤裝置具有記錄和重放的雙重功能。 1 1、實例 ：光盤存儲原理 將載有音頻、視頻或?qū)⑤d有音頻、視頻或文件信息的調(diào)制激光文件信息的調(diào)制激光束被聚焦透鏡縮小成束被聚焦透鏡縮小成直徑直徑1 um左右的光點左右的光點 高能量密度的細束激高能量密度的細束激光加熱光盤的記錄介光加熱光盤的記錄介質(zhì)表面，使局部位置質(zhì)表面，使局部位置發(fā)生永久性變形，這發(fā)生永久性變形，這造成介質(zhì)表面光學特造成介質(zhì)表面光學特性的二值化改變性的二值化改變光盤的截面形狀光盤的截面形狀 由于光盤是旋轉(zhuǎn)的，由于光盤是旋轉(zhuǎn)的，而寫入頭是平移的，在而寫入頭是平移的，在光盤面上會形成軌跡為光盤面上會形成軌

10、跡為螺旋狀的一系列微小凹螺旋狀的一系列微小凹坑或其它形式的信息記坑或其它形式的信息記錄點錄點 這些信息點的不同編碼方式就代表了被存儲的信這些信息點的不同編碼方式就代表了被存儲的信息數(shù)據(jù)息數(shù)據(jù) 讀出數(shù)據(jù)時，與寫入信息相同，光盤轉(zhuǎn)動，讀數(shù)讀出數(shù)據(jù)時，與寫入信息相同，光盤轉(zhuǎn)動，讀數(shù)頭作平移運動，即合成螺旋運動頭作平移運動，即合成螺旋運動 將照射激光束聚焦在光盤信息層上將照射激光束聚焦在光盤信息層上 當激光束全部照在光盤信息層的平當激光束全部照在光盤信息層的平坦區(qū)域時，反射光為亮紋坦區(qū)域時，反射光為亮紋 而當部分激光束落到凹坑底部時，而當部分激光束落到凹坑底部時，反射光為暗紋反射光為暗紋 只要用光電檢

11、測器接收反射回來的被信息點調(diào)制只要用光電檢測器接收反射回來的被信息點調(diào)制的光強，就可得到：的光強，就可得到：“0”或或“1”的信號的信號讀出數(shù)據(jù)時2可擦型 同只讀型類似，只是在激光束照射光盤時，使光同只讀型類似，只是在激光束照射光盤時，使光盤表面的磁性膜磁化或使介質(zhì)表面結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生盤表面的磁性膜磁化或使介質(zhì)表面結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生變化。變化。 另一種光存方法采用基于光熱磁效應的光磁盤裝另一種光存方法采用基于光熱磁效應的光磁盤裝置置 基本設(shè)備也和光盤裝置相類似，主要的區(qū)別在于基本設(shè)備也和光盤裝置相類似，主要的區(qū)別在于采用的是磁性的記錄介質(zhì)采用的是磁性的記錄介質(zhì) 在細束激光的調(diào)制作用下，通過改變磁介質(zhì)的磁

12、在細束激光的調(diào)制作用下，通過改變磁介質(zhì)的磁化方向完成信息的存儲化方向完成信息的存儲讀出時 在信息讀出時不是檢測光的反射率在信息讀出時不是檢測光的反射率 而是通過檢測反射光的偏振狀態(tài)檢測信息點處的而是通過檢測反射光的偏振狀態(tài)檢測信息點處的磁化方向磁化方向 四光盤存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 光學光學系統(tǒng)系統(tǒng)機械機械系統(tǒng)系統(tǒng)信號處信號處理系統(tǒng)理系統(tǒng)伺服跟伺服跟蹤系統(tǒng)蹤系統(tǒng)光盤存儲系統(tǒng)主要包光盤存儲系統(tǒng)主要包括：光學系統(tǒng)、機械括：光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、伺服跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)、伺服跟蹤系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。和信號處理系統(tǒng)。 光盤存儲系統(tǒng)的核心裝置是光盤驅(qū)動器，它是光盤存儲系統(tǒng)的核心裝置是光盤驅(qū)動器，它是一種超精密光電子裝

13、置。一種超精密光電子裝置。光盤驅(qū)動器光盤驅(qū)動器的組成框圖光盤驅(qū)動器的組成框圖 1 (1) 激光聚束光路激光聚束光路 (2) 寫入光調(diào)制器寫入光調(diào)制器 (3) 循跡跟蹤反射循跡跟蹤反射鏡鏡 (4) 光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng) 2 (1) 轉(zhuǎn)臺機構(gòu)轉(zhuǎn)臺機構(gòu) (2) 滑板機構(gòu)滑板機構(gòu) (3) 光電頭機構(gòu)光電頭機構(gòu) 3 (1) 轉(zhuǎn)臺恒速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺恒速控制系統(tǒng) (2) 滑板位移控制系統(tǒng)滑板位移控制系統(tǒng) (3) 調(diào)焦控制系統(tǒng)調(diào)焦控制系統(tǒng) (4) 循跡跟蹤系統(tǒng)循跡跟蹤系統(tǒng) 4 (1) 寫入信號處理器寫入信號處理器 (2) 讀出信號處理器讀出信號處理器 (3) 控制器控制器 總結(jié)1.3光機電一體化的特點特點小

14、型化、輕型化知識密集柔性化、智能化高精度、多功能可靠性高1.4光機電一體化的相關(guān)技術(shù)1. 1.機械技術(shù)機械技術(shù)2. 2.光學技術(shù)光學技術(shù)3 3. .信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)4. 4.系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)5. 5.檢測與傳感技術(shù)檢測與傳感技術(shù)6. 6.自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)7. 7.伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)1.4光機電一體化的相關(guān)技術(shù)1. 1.機械技術(shù)機械技術(shù)2. 2.光學技術(shù)光學技術(shù)3 3. .信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)4. 4.系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)5. 5.檢測與傳感技術(shù)檢測與傳感技術(shù)6. 6.自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)7. 7.伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù) 未來的光機電一體化技術(shù)將朝著未

15、來的光機電一體化技術(shù)將朝著微型化、智能化、微型化、智能化、模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。微電子學、光學、計算機與微電子學、光學、計算機與控制技術(shù)的每一個新的進步控制技術(shù)的每一個新的進步都會極大的推動光機電一體都會極大的推動光機電一體化技術(shù)的發(fā)展。化技術(shù)的發(fā)展。1.5光機電一體化的發(fā)展趨勢 機器人為采用螺旋槳的機器人為采用螺旋槳的直升飛機，可自動控制直升飛機，可自動控制姿態(tài)、按事先指定的路姿態(tài)、按事先指定的路線飛行。線飛行。 FR-II通過市場上銷售通過市場上銷售的鋰離子電池驅(qū)動。通的鋰離子電池驅(qū)動。通過采用精工愛普生的陀過采用精工愛普生的陀螺儀螺儀“XV-3500CB”等，等，機身（不包括電池）的機身（不包括電池）的重量減輕了重量減輕了0.3g，僅為，僅為8.6g。包括電池在內(nèi)，全。包括電池在內(nèi)，全部重量為部重量為12.3g。微型化FR-II微型飛行機器人 MFR-II微型飛行機器人螺旋槳長微型飛行機器人螺旋槳長136mm，高約高約85mm。 微型內(nèi)窺鏡 最