作者：林宋、尚国清、王侃 编著
出版社：化学工业出版社
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光机电一体化技术产品典型实例：工业试读：
前言
光机电一体化是激光技术、微电子技术、计算机技术、信息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。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，具有很高的功能和附加值。
目前，国际上产业结构的调整使得各个行业不断融合和协调发展。作为光学、机械与电子相结合的复合产业，光机电一体化产业以其特有的技术带动性、融合性和普适性，受到了国内外科技界、企业界和政府部门的特别关注，它将在提升传统产业的过程中，带来高度的创新性、渗透性和增值性，被誉为21世纪最具魅力的朝阳产业。
现代产品开发人员，不仅要熟悉机械结构、光学系统、传感器、信息处理和控制等方面的知识，而且要熟悉计算机的硬件接口和软件设计方面的知识，这样才能开发出结构简单、功能齐全、效率高、精度高、能耗低、附加值高的光机电一体化产品。本书精选了光机电一体化技术和光机电一体化产品实例，力求及时地反映光机电一体化技术在国内外的最新进展和作者的有关研究成果，内容新颖，系统全面，重点地介绍了光机电一体化技术的工程应用方法和实现方法。注重理论联系实际，配有大量说明图表，尽量避免冗长的公式推导，偏重普及性、实用性和新颖性，在内容深度和语言叙述方面力求满足不同层次读者的需求，适合工程技术人员阅读和高校机械类专业教学的需求。
本书共分4章，第1章主要介绍光机电一体化技术及其工业产品开发，从第2～4章分别介绍了机床产品实例、测量仪器产品实例和设备产品实例。全书由林宋统稿，尚国清和王侃参与了全书的校核，并提出了很多有益的建议。在本书的编写过程中，研究生马梅在查找资料、绘图和文字处理方面给予了很多协助，对此表示深深的谢意。
由于编者水平有限，敬请读者提出宝贵的意见。编 者第1章 光机电一体化技术及其工业产品开发
在当今飞速发展的社会里，人们生产和生活所需求的信息量及其加工处理的速度都有惊人的数量级上的提高。如何快捷，及时、准确地捕获各种信息，及时地加以去粗取精，去伪存真，分析、比较，归类、存储、转换和传递，发挥最大效益，达到信息共享至关重要。
随着高容量和高速度的信息发展，电子学和微电子学遇到其局限性。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电的频率高得多，为提高传输速度和载波密度，信息的载体由电子到光子是发展的必然趋势，它会使信息技术的发展产生突破。
机电一体化技术是随着生产的发展，在以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多门学科相互渗透、相互结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门边缘学科。回顾机电一体化的发展历程可以看到，数控机床的问世，揭开了机电一体化的第一页；微电子技术为机电一体化带来蓬勃生机，可编程控制器和电力电子的发展为机电一体化提供了坚实的基础，而激光技术、信息技术使机电一体化技术整体上了一个新台阶，越来越多的光学元件被应用到机电一体化系统中，导致了机电一体化的一个重要分支——光机电一体化的诞生。
如果说，机电一体化的实质是以微电子技术为核心的信息技术革命，是将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合的技术，实现整个机械系统的优化，达到人类的体力延伸、脑力增强的目的，而光机电一体化（Opto-mechatronics）技术则是由光学、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而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。它在机电一体化的基础上更强调了光、光电子、激光和光纤通信等技术的作用，丰富和拓宽了机电一体化技术的内涵和外延，从加工系统到医疗仪器、从家用电器到军事装备都离不开它。信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化，传统产业的技术改造，武器装备的现代化都要用到光机电一体化技术。
光机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点，与传统的机械产品比较，光机电一体化产品具有以下3个优点。
①原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件，来替代原有产品的部分机械控制机构，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益。
②光机电一体化技术为主的新型产品，与原机械产品相比，不仅结构简单，而且功能增加，精度提高。
③将光电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来，形成综合化优势，可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。
目前，世界各国高新技术及其产业竞争的焦点正从微电子产业转向光电子信息产业，光机电一体化产业已经成为21世纪最具魅力的朝阳产业，光机电一体化技术产业以其特有的技术带动性、融合性和广泛适用性成为高新技术产业中的主导产业，将成为新世纪经济发展的重要支柱。目前国际上产业结构不断进行调整，使各行业不断融合和协调发展，在提升传统产业的作用中，光机电一体化技术具有高度创新性、渗透性和增值性。1.1 光机电一体化产业
光机电一体化产业可为国民经济提供先进的基础装备，光机电一体化产业应符合两大特征：一是综合应用了激光、电子信息和机械制造技术，这些技术之间有较为和谐的融合度；二是可以为国民经济其他产业提供基础装备。1.1.1 光机电一体化产业的主要领域及其关键技术
光机电一体化产业目前有四个主要领域：先进制造装备（工业机器人、数控机床、激光加工设备、激光三维快速成形设备）、仪器仪表装备（激光测振仪、激光测速仪、电子经纬仪、GPS接收机、微光夜视仪、扫描隧道显微镜）、先进印刷装备（高速激光打印机、胶印机）和医疗装备（X射线诊断仪、心血管造影系统、红外治疗设备、医用电子直线加速器）。机电一体化产业的关键技术既包括产业自身存在的需要突破的技术，也包括电力电子、激光等上游技术环节需要突破的技术，它们在如下四个主要领域中。
①先进制造装备：包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、管理信息系统计算机辅助工艺过程设计；
②仪器仪表装备：包括自动测试技术、信息处理技术、传感器技术、现场总线技术；
③先进印刷装备：数字印刷技术、制版技术；
④先进医疗装备：信息处理技术、图像处理技术、影像显示技术、医用激光技术。1.1.2 光机电一体化产业链
从生产环节上看，光机电一体化产业链涉及几个方面的内容，从图1-1可以看出：产业链条从客户需求环节开始，由设计环节、机械制造和数控系统、整机组装，形成最终产品，交付客户使用，产业链条基本完成。专业的服务也逐渐成为光机电一体化产业中一个重要的产业。图1-1 光机电一体化产业链的生产环节
①设计行业 设计环节将可能是未来光机电一体化产业增值最大的一个环节。CAD软件的设计和生产也必将成为制约光机电一体化产业发展水平高低的一个重要部分。
②机械制造业 机械制造是光机电一体化产品从设计图纸转变为实际物体的一个必要环节。
③数控系统 数控系统是光机电一体化产品的核心，数控化水平的高低是代表该产品档次高低的灵魂。
④整机组装 到高级阶段，设计与组装逐步分离，设计提出标准，拥有品牌，成为产业发展的主导力量，整机组装则成为相对独立而又依附于设计的品牌打工者。
⑤客户需求 生产链条从客户需求开始，到客户需求得到满足结束，完成一个循环。
⑥服务 传统的售后服务进一步扩大到全方位的服务，使服务行业独立出来，成为光机电一体化产业链条正常运转不可缺少的重要环节。
从图1-2的光机电一体化产业链技术环节可以看到，计算机集成制造是发展方向，而上游产业是光机电一体化产业的主要技术支撑。上游产业的每一次技术革新，又为光机电一体化产品的升级换代创造了契机。图1-2 光机电一体化产业链的技术环节
光机电一体化技术对传统产业的技术改造、新兴产业的发展、产业结构的调整优化起着巨大的促进作用。由于光电子技术具有精密、准确、快速、高效等特点，它有助于全面提高工业产品的高、精、尖加工水平，并大幅度提高附加值及竞争能力。以激光加工技术为例，将其应用于汽车、航空、航天、通信、微电子等工业，具有加工速度快、效率高、质量好、变形小、控制方便和易于实现自动化生产等优点，对提高产品质量、降低生产成本、提高国际市场竞争能力具有重要作用。
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。
光机电一体化产业化主要有两个层次：一是用光电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材、提高工效，提高产品质量，促进传统工业的技术进步；二是开发自动化、数字化、智能化光机电产品，提高产品的技术含量，促进产品的更新换代。如用数码光电技术代替胶片、用半导体激光器或发光二极管代替传统光源和某些激光器，可使产品档次迅速提高。光电子技术派生出若干新兴科学技术和新兴的高技术产业，极大地推动高新科技的发展和产业结构的调整优化。1.2 光机电一体化产品
光机电一体化产品是包含光学技术、机械技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和通信技术的高科技产品，光机电一体化产品是在其组成的各种技术相互渗透、相互结合的基础上，相互辅助、相互促进和提高，充分利用各个相关技术的优势，扬长避短，使组合后的整体功能大于组成整体的各个部分功能之和，使系统或设备的性能达到精密化、高柔化、智能化。1.2.1 光机电一体化产品的组成
典型的光机电一体化产品分系统（整机）和基础元部件两类。
光机电一体化系统是指将光学、机械学、电子学、信息处理和自动控制及应用软件等当代各种高新技术进行综合集成的一项边缘性、交叉性的应用型工程技术。光机电一体化系统主要由5个部分组成：动力系统、机械结构、执行器械、计算机和传感器，组成一个功能完善的柔性自动化系统，其中计算机、传感器和计算机软件是光机电一体化系统的重要组成部分。
光机电一体化技术在光信息处理和光通信机两个方面的应用尤为显著，特别是大存储、高速度、高可靠性、长寿命、低成本光盘的开发以及液晶平板式显示器、光局域网络的研制生产，都是光机电一体化产品的开发实例。光机电一体化的产品开发见表1-1，它具有三个层次，即功能层、制造层和设计层。表1-1 光机电一体化产品开发1.2.2 光机电一体化产品的特点
光机电一体化产品具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点，与传统的机械产品比较，光机电一体化产品主要有以下3个优点。
①将原有的机械产品中增加信息处理装置及相应的应用软件，来替代原有产品的部分机械控制机构，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益。例如，数控机床能很明确地按事先安排好的工艺流程，自动地实现高精度、高效率加工，可有效地提高生产效率和加工精度；采用新型器件和装置，可代替笨重而复杂的机械或电子装置，如光盘驱动器、条形码读出器、图像传感器和激光印刷机等产品都是利用光学读出和读入部件代替了电气和机械的部件。
②以光机电一体化技术为主的新型产品，与原机械产品相比，不仅结构简单，而且功能增强，精度提高。由微处理器控制装置可方便地完成过去靠机械传动链和机构实现的关联运动，使机械结构简化，体积减小，重量减轻，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量。
③将光电技术、测试与传感技术、自动控制技术与机械技术的各自优势结合起来，形成综合性的优势，可研制开发出具有多种功能、智能化的以前无法实现的高新技术产品。如有“头脑”的机器、会说话的机器、具有口和耳朵功能的机器等，而静电复印机、彩色印像机等则是由机、电、光、磁、化学等多种学科和技术复合创新的新型产品。1.2.3 光机电一体化的组成技术
①机械技术 是光机电一体化技术的基础。光机电一体化产品的主功能和结构功能，往往是以机械技术为主来实现结构、材料、性能上的变更，从而满足减小质量和体积、提高精度和刚性、改善功能和性能的要求。
②计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等。计算机是实现信息处理的工具。在光机电一体化系统中，计算机与信息处理部分控制着整个系统的运行，直接影响到系统工作的效率和质量。
③检测和传感技术 其研究对象是传感器及其信号检测装置。而传感与检测是系统的感受器官，是将被测量信号变换成系统可以识别的，具有确定对应关系的有用信号。
④自动控制技术 其内容广泛，包括高精度定位、自适应、自诊断、校正、补偿、再现、检索等控制。
⑤伺服驱动技术 伺服传动是由计算机通过接口与电动、气动、液压等类型的传动装置相连接，用以实现各种运动的技术。伺服驱动技术的主要对象是伺服驱动单元及其驱动装置。
⑥光电转换技术 光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。
⑦系统技术 是从全面的角度和系统的目标出发，组织应用各种相关技术将总体分解成相互联系的若干个功能单元，找出可以实现的技术方案。然后再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和选化。1.3 光机电一体化技术的应用
光机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上强调了光、光电子、激光和光纤通信等技术的作用，属于21世纪应用领域更为宽阔的机电一体化技术。光机电一体化技术的运用主要包括在设计中和在加工制造中的运用。光机电一体化技术在设计中的运用也就是光机电一体化设计，它要求设计者不仅要熟悉机械结构、光学系统、传感器、信息处理和控制等方面的知识，而且要熟悉计算机的硬件接口和软件设计方面的知识。1.3.1 在设计中的运用（1）信息处理技术
信息的获取、传输、存储、处理等技术手段已成为设计活动的重要工具，利用计算机的高速运算和存储能力，实现对设计过程中所产生的大量数据的实时采集和处理，实现计算结果和计算过程的可视化，对图像信息进行自动处理和自动识别，实现设计的信息化和数字化，实现基于网络的计算机支持的协同工作（CSCW）和信息共享；还可以将计算机作为上位机、可编程控制器作为下位机，使系统具有层次结构，接口合理，便于维护。
通过网络技术实现包括数据、硬件和信息的资源共享，利用仿真技术来评估运行效果，辅助决策。利用包含各种遗传算法、神经网络数据处理方法、专家系统及决策支持系统的智能化软件来优化数据处理，提高运行速度，并可提高决策能力和正确率。人工神经网络是研究了生物神经网络的结果，是对人脑的部分抽象、简化和模拟，反映了人脑学习和思维的一些特点。人工神经网络是一种信息处理系统，它可以完成一些计算机难以完成的领域，模式识别、人工智能、优化等问题；也可以用于各种工程技术，特别适用于过程控制、诊断、监控、生产管理、质量管理等方面。（2）传感检测技术
光电子技术具有精密、准确、快速、高效等特点，利用激光的方向性和单色性可提供各种基准，如长度、频率、时间。又如大型设备的安装、准直，水坝应力监测，机场的夜间导航，矿山的远距离引爆，大型隧道的自动导航钻进等都可利用激光的准直定位装置。
激光测距具有探测距离远、测距精度高、抗干扰性强、体积小、重量轻的特点。激光干涉运用于精密丝杠、机床、零件、数控设备的测量和校验、坐标精密定位、光学平面检测和地震预测；激光测速具有测速准确、非接触测量、空间分辨率高的特点，可测量速度分布和速度梯度；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。（3）设计步骤
对于光机电一体化系统的设计，需注意其从整体到局部的设计原则，应根据系统功能和设计要求提出系统设计的总任务，并进行系统的总体框图设计；然后，将总体框图分解成一个个独立的框图，可分解为光学系统、机械与执行机构、光电传感、信号采集与处理、驱动与控制、软件设计、计算机及其接口等分框图，然后再进一步设计。
设计制作完成后，先对光学系统、机械结构、计算机及其接口、软件进行单独调试，然后开将它们装配起来进行光、机、电、计算机联调。1.3.2 在制造中的运用（1）激光加工
激光具有高相干性、高单色性、高方向性和高亮度的特点，激光加工方法已广泛应用于汽车、航空、航天、通信、微电子等众多行业。它可以对多种金属、非金属材料进行加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料（如电子工业中常用的陶瓷材料、硅片等）。其工艺范围广、加工速度快、无噪声、无污染，可以满足各类材料的切割、打孔、焊接、表面热处理、表面合金化。在加工过程中无切削力对工件的影响，因此工件的变形很小；同时由于激光能量高度集中以及加热冷却速度快，可通过控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求达到确定的去除深度，从而实现高精度的线切割和点钻孔加工。（2）金属表面的激光强化
使用激光进行淬火，可精确控制淬硬层深度，可实行自冷淬火，并易于实现数控。只要光束能照到的部位均可进行处理。在汽车生产中，如钢套、曲轴、活塞环和齿轮等经激光热处理后，不必再进行后处理，可直接送到装配线上安装。激光合金化与熔覆可将一种或多种合金元素与基材表面快速融凝，从而使基材表层具有预定的高合金特性。（3）激光快速成形
快速成形技术综合了计算机、CAD、数控、物理、化学、材料等多学科领域的先进成果，其制造思想是将传统的材料去除和变形成形转变为逐渐增加材料的方法，将三维实体按一定方向平面化，然后分层叠加，最后得出快速原形体。可以一次成形复杂的零部件或模具，不需要任何工艺装备，具有速度快、柔性好、集成度高等特点。
快速成形技术的基本工作原理是离散/堆积。首先是将零件物理模型由概念设计或事物模型反求得出相应的CAD模型，然后将CAD模型转换成为各类光成形机所能接受的数据信息——STL文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型Z方向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，激光束在计算机的控制下有选择性固化或黏结某一区域，从而形成零件实体的一个层面。这样逐渐形成一个三维实体。国内外在近十年已经开发出10余种激光快速成形技术，其中应用较多的有：立体光造形技术、选择性激光烧结技术、激光熔覆成形技术、激光近形制造技术和薄片叠层制造技术等。（4）激光金属塑性成形
激光金属塑性成形可以无需任何模具和任何机械接触就可以生产出金属板料制品。如激光弯曲成形是利用激光束扫描金属板材时，形成的非均匀温度场所导致的热应力来实现塑性变形的成形方法，与传统的金属成形工艺相比，它具有不需要外力和模具、生产柔性大、加工成本低、成形精度高等特点，特别适合于形状简单的单件小批量工件的弯曲成形，在船舶、汽车、微电子和航空航天等领域具有广阔的应用前景。
而激光冲压成形则是利用高功率密度、短脉冲的强激光冲击作用于覆盖在金属板材表面上的能量转换体，使其汽化电离，形成等离子体而爆炸，产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力远远大于材料的动态屈服强度，激光冲压成形的板料变形时间仅为几十纳秒，从而使材料产生塑性变形。这种高速变形条件可实现高压下薄板的全塑性成形，使塑性差的难成形材料能实现冷塑性成形。1.3.3 在传感检测中的应用
由了光机电一体化系统具有光学、电子、机械和信息处理等方面的技术优势，从而能满足生产过程中的自动监控以及图像分析、精密测量、信息处理和传输、微观探索等各个领域的要求，特别能适应对高速运动或瞬息短暂过程的观察、记录、显示、传递和储存，利用光电转换能在太空、深水、高温、有毒有害气体、核辐射等各种特殊环境下正常工作，因此现代社会迫切要求开发品种更多的光机电一体化的现代光学仪器或光电仪器设备。
例如，红外测温仪可以广泛应用于电力、炼钢等行业，运用红外诊断技术可以对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，将传统电气设备的预防性试验维修提高到预知状态检修。现在大机组、超高电压的发展，对电力系统的可靠运行提出了越来越高的要求。随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障，几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测。它在炼钢行业中检测设备故障是一个典型的例子。
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的部件红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和部件发射率校正后转变为被测部件的温度值。
红外测温仪的测温原理是将物体（如钢水）发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体（如钢水）本身的温度相对应，根据转变成电信号的大小，可以确定物体（如钢水）的温度。
如果准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值，对现场检测过程中或对检测结果的分析处理，保证设备在额定电压和满负荷下运行后，可用红外测温仪对炼钢设备进行检测。由于电气设备故障红外诊断时，故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据，因此当检测时实际运行电流小于额定电流时，应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的温升，然后通过电子系统进行维修等工作。1.3.4 在未来先进技术领域里的应用
德国政府在2013年汉诺威工业博览会上提出了工业4.0的概念，它描绘了制造业的未来愿景，提出继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术三次工业革命后，人类将迎来以信息物理融合系统为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。工业4.0是工业生产中，将传统制造技术与物联网、服务网以及数据网相结合，实现生产过程全自动化，产品个性化，前端供应链管理、生产计划、后端仓储物流管理智能化。工业4.0是智能制造为主的第四次工业革命。它不仅可以控制将业务流程和组织重组再造，并根据由此产生海量数据及其分析运用，将催生满足动态的商业网络、异地协同设计等新型商业模式的兴起。更为深远的影响是，制造业的这种革命将会渗透到人类社会，所有人和人、人和物以及物和物之间通过互联网实现“万物互联”。
当前，中国制造业正面临前所未有的挑战，受到高端制造业向发达国家回流，低端制造业向低成本国家转移的双重挤压，推进工业化和信息化融合，抢先进入“工业4.0”时代，保持住我国制造业的竞争力，已经是必须选择的命题。推进信息化与自动化的深度融合，是推动中国制造业转型升级的一剂良方。数字化、智能化技术深刻地改变着制造业的生产模式和产业形态，是新工业革命的核心技术。
近年来，美国总统奥巴马发起成立的先进制造业合作委员会对未来做了展望。该组织划出了包括传感、测量和过程控制、材料设计、合成与加工、数字制造技术、可持续制造、纳米制造、柔性电子制造、生物制造、增材制造、工业机器人和先进成形与连接技术等多个技术领域，认为这些领域将对提高制造业竞争力起到关键作用。
在这些技术领域中，光机电一体化技术占有重要地位。例如在传感、测量和过程控制中，需要广泛使用各种传感器，如监测湿度的传感器、确定位置的GPS跟踪器、测量材料厚度的卡尺等。这些设备不仅越来越多地用于智能手机的智能化，还使得智能、灵活、可靠、高效的制造技术成为可能。在一座现代化的工厂里面，传感器不仅有助于引导日益灵敏的机器，还提供管理整个工厂的运营所需要的信息。产品从诞生到送达都可以跟踪，某些情况下还可以跟踪到送达之后。在这个过程中，一旦有问题出现，比如在喷漆室的湿度不适宜喷涂的时候，传感器就会检测出来，向机器操作者发送警报信号，甚至是向工厂管理者的手机发送警报信号。
智能化赋予光机电产品一定的智能，使它具有人的判断推理、逻辑思考、自主决策能力。例如在CNC数控机床上增加了人-机对话功能，使之拥有智能I/O通道和智能工艺数据库，给使用、操作和维护带来了极大的方便。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，为光机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化光机电一体化产品不断涌现。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。
在数字制造技术领域，工程师和设计师使用计算机辅助建模，不仅用于设计产品，还以数字方式对产品进行检测、修正、改良，常常可以省略更费钱、更费时的实体检验过程。采用云计算和低成本3D扫描仪（现在用iPhone就可以做一次简单的3D扫描）可将这些方法从尖端实验室里搬出来，进入到产品设计与制造中。
兴起于20世纪80年代末的微机电系统（MEMS）泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。纳米制造是能够在分子，甚至原子层面操纵材料。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。预计纳米材料将来会在高效太阳能电池板、电池的生产过程中发挥作用，甚至会在基于生态系统的医学应用当中发挥作用，比如在体内安置传感器，可以告诉医生癌症已经消失。未来几代的电子设备和运算设备或许也会非常依赖纳米制造。
在增材制造领域，3D打印机就是一个典型的光机电一体化产品。不仅可能在产量只有一件的时候就能够实现很高的质量，还有希望为全新的设计、材料结构与材料组合创造条件。能够打印1000多种材料（硬塑料、软塑料、陶瓷和金属等）的打印机已经开发出来。现在有些打印机可以叠加不止一种材料，还可以将内置传感器和电路编织到智能部件中，如助听器或动作感应手套等。
自1962年美国发明了第一台工业机器人以来，工业机器人产业也已经有了半个多世纪的历史了，现如今随着人工成本的不断上升，工业机器人产业终于走到了蓬勃发展的时期。近年来，我国机器人产业迅猛发展，既与劳动力成本不断增加有关，也是工业化发展到一定阶段的产物。目前我国机器人及智能装备产业正处于优化和提升阶段，并将在未来30年保持高增长。紧随其后的将是智能装备产业的蓬勃发展，进而催生一场新的产业革命，这场产业革命不再是简单意义上的能源革命，而是更多先进技术的融合发展。工业机器人也是一种典型光机电一体化产品，它可以每天24h、每周七天地运转，精度可重复且越来越高，时间上可以精确到几百分之一秒，空间上可以精确到人眼都看不到的程度。它们精确地汇报进展，在接受效率测试的时候做出改进，如果安装了先进的传感系统，还会变得更加灵巧。随着机器人变得越来越普遍，它们的经济性也在提高。据麦肯锡全球研究院的一份报告，1990年以来与人工相比的机器人相关成本已经下降高达50％。另外，随着生物技术和纳米技术的进步，预计机器人能够做的事情将越来越精巧，如药品加工、培植完整人体器官等。第2章 机床产品实例2.1 并联运动机床
并联运动机床（Parallel Machine Tool，简称PMT），也称为虚拟轴机床（Virtual Axis Machine Tool）或并联运动学机器（Parallel Kinematic Machine），是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的一种新概念机床，它采用具有两个或两个以上运动链的并联机构，以实现工具或工件所需要的运动。它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。
并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡儿坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有的缺陷；可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。
1994年9月在美国芝加哥国际制造技术展览会上，美国Giddings & Lewis公司首次展出如图2-1所示的Variax型并联运动学机床，1996年，美国Ingersoll推出了VOH1000立式加工中心（图2-2）和HOH600型卧式加工中心（图2-3），它们在结构上得到了较大的改进，从“内铣”改为“外铣”。并联运动机床被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。图2-1 Variax型加工中心图2-2 VOH1000立式加工中心图2-3 HOH600型卧式加工中心2.1.1 并联运动机床结构与组成2.1.1.1 并联运动机床的结构
传统机床布局的基本特点是以机床、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部件和工作台的滑板沿支撑部件上的直线导轨运动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。机床可看成是一个由基座到床身、滑座、立柱、主轴箱逐级串联的空间串联机构，如图2-4所示。图2-4 传统的串联机床与并联运动机床的比较
理论上串联机构具有工作范围大、灵活性好等特点，但精度低、刚性差，其中横梁、立柱等部件往往承受弯曲载荷，而弯曲载荷一般要比拉压载荷造成更大的应力和变形。作为机床，为提高精度和刚性，不得不将床身、导轨等制造得宽大厚实，由此导致了活动范围和灵活性能的下降。另外，当机床运动自由度增多时，需要增加相应的串联运动链，从而使机床的机械结构变得十分复杂。
为了解决上述矛盾，在20世纪80年代后，一大批学者开始致力于并联机构的研究，提出了并联机床的概念。在并联机床上看不到传统的床身、导轨、立柱和横梁等构件，它的基本结构是一种空间并联连杆机构。人们把这种机构称为Stewart平台，即由六根可伸缩杆和动平台构成，可实现较高的动态特性，见图2-5，但其工作范围小。为解决这一问题，研究者把并联机构与串联机构结合起来，取得高动态性能和大的工作空间，其典型代表是瑞典的NOUSE公司的Tricepts机床，见图2-6。图2-5 Stewart平台工作原理图图2-6 Tricepts并联运动机床2.1.1.2 并联运动机床的组成
如图2-7所示的虚拟轴并联运动机床以桁架杆系结构取代传统机床的悬臂梁和两支点梁结构来承受切削力和部件重力。它的基本结构为一个动平台、一个定平台和六个长度可变的连杆，以及滚珠丝杠螺母副。主要由电主轴、滚珠丝杠、直线电动机等机电一体化部件组成。图2-7 并联运动机床的组成原理图1—工作台；2—刀具；3—主轴部件；4—框架；5—杆件；6—关节；7—电机
传统机床与并联机床的基本特性比较见表2-1，德国Metrom公司的P800型五杆并联机床见图2-8。表2-1 传统机床与并联机床的基本特性比较图2-8 德国Metrom公司的P800型五杆并联机床（1）主轴部件
主轴是直接体现机床性能的关键部件。并联运动机床大多数采用内装变频电动机的主轴部件。它是一种机电一体化的功能部件，其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。主轴转速的调节采用变频调速，改变电动机的供电频率即可实现主轴转速的调节。这种模块化、系统化的功能部件称为电主轴。并联运动机床多数采用内装变频电动机的电主轴，见图2-9。主轴部件见图2-10。图2-9 电主轴图2-10 主轴部件
图2-11为IBAG公司生产的主轴系统。主轴系统主要包括电主轴及安装调整板、可编程控制器和主轴驱动装置、主轴冷却系统和润滑系统、刀具夹紧液压系统等。图2-11 主轴系统（2）杆件和铰链
①杆件 并联机构是由杆件、铰链、固定平台和动平台四部分组成的。因此，杆件和铰链是实现并联运动机床所需运动的主要机械构件，对机床的工作精度和刚度有很大的影响。
杆件是并联机构的运动输入构件。杆件的物理结构包括机械构件、电气元件、液压部件以及它们的组合，可分为固定杆长和可变杆长两大类。可变杆长的并联机构，杆件的基点固定，杆件的工作长度可变；固定杆长的并联机构，杆件的长度固定不变，杆件的基点位置可以变化。从运动学的角度来看，杆件是具有一定刚度的刚体，杆件长度的变化或杆件基点的移动决定了动平台（主轴部件）的运动速度、加速度、位置和姿态。杆件的驱动方式有回转驱动和直线驱动两类，见图2-12。在并联运动机床中，由滚珠丝杠构成的伸缩杆或由直线电动机驱动的杆件是目前应用最广泛的两种杆件。图2-12 杆件的驱动方式
图2-13是固定杆长杆件。杆件的两端安装有万向铰链，分别用于连接直线电动机滑板和主轴部件动平台。杆件由管材制成，通过螺纹与万向铰连接。图2-13 带万向铰链的杆件（固定杆长）
伸缩杆是以滚珠丝杠传动为基础组成的可伸缩（可变杆长）的杆件，见图2-14。图2-14 伸缩杆
由图2-14可见，通过有4排滚珠的双向锥度轴承将滚珠丝杠固定在杆件右端，滚珠螺母与伸缩管固定连接。由于伸缩套管外表面有轴向导向槽，当丝杠转动时，螺母只能带动伸缩套管做直线移动。这样就把滚珠丝杠的转动转换成两个套管的相对移动，形成一根可伸缩的杆件。
电磁伸缩杆将交流同步直线电动机的原理应用到伸缩杆上，在功能部件壳体内安放环状双相电动机绕组，中间是作为次级的伸缩杆，伸缩杆外部有环状的永久磁铁层，见图2-15。图2-15 电磁伸缩杆
并联运动机床的伸缩杆组件如图2-16所示，杆由伺服电动机驱动。图2-16 Dyan-M型并联运动机床的伸缩杆组件
②铰链 是连接固定平台、动平台和杆件的构件，其功能是提供绕某一运动中心转动以及传递实现运动所需的力。为达到这一目的，铰链应该具有2～3个旋转自由度，并在所有旋转位置时，转动轴线都能够通过铰链的同一中心点。
铰链可分为球铰链和万向铰链两类，见图2-17和图2-18。铰链是并联机构的活动关节，对并联运动机床的工作精度有很大的影响，制造精度要求较高。例如，球铰链的球体尺寸误差为1μm，需要专门的工艺和设备，一般由专业厂家生产。图2-17 球铰链图2-18 INA公司生产的球铰链和万向铰链
由图2-17可知，球铰链的核心零件是一个带螺栓的球体，其外表面布满小滚珠，再装在2个半球状的铰座中，借助片状导向环保持滚珠的均匀分布。然后在球体螺栓上禁锢球面帽，以保证球铰链的密封。球面帽的外螺纹与杆件连接。球面帽上有中心孔，用于中心定位。该球铰链具有3个旋转自由度，转角为20°或30°，采用油脂润滑。球铰链的最大载荷能力取决于球铰链的尺寸和载荷的方向。
INA公司生产多种用于并联机构的滚珠球铰链和万向铰链，其外观如图2-18所示。
杆件和万向铰链连接见图2-19。图2-19 杆件和万向铰链连接（3）驱动系统
杆件的位移是并联运动机床的输入，驱动系统则是实现杆件位移变化的主要部件。通过驱动系统，可以实现进给，从而保证并联运动机床的工作继续维持下去。根据驱动方式的不同，并联运动机床的驱动系统可分为传统滚珠丝杠驱动和线性直线驱动。电滚珠丝杠见图2-20，滚珠丝杠的结构见图2-21，直线电动机见图2-22。图2-20 电滚珠丝杠图2-21 滚珠丝杠的结构图2-22 直线电动机
并联运动机床的主要功能部件如电主轴、杆件、铰链等都有标准化、系列化的模块，因此并联运动机床可由模块化的标准功能部件组成。图2-23为由标准化功能部件组成的高压水切割并联运动机床。该机床除底座和机架外，全部由标准化功能部件组成。从图中可见，三角形的底座有三个按照120°均匀分布的机架，形成双层结构固定平台（下平台）。6根结构相同的伸缩杆，由伺服电动机驱动。其外壳通过2自由度的十字框形铰链，按等分布置固定在机床的底座和机架上。伸缩杆与垂直方向成45°分布。6根伸缩杆的另一端通过万向铰链与并联机构动平台（上平台）连接。因此并联运动机床具有模块化及可重构的优点，可以在短期内开发出各种新型的并联运动机床。图2-23 由标准化功能部件组成的并联运动机床2.1.2 并联运动机床类型和特点2.1.2.1 并联运动机床的类型
按空间自由度分类，可把并联运动机床分为6个自由度（图2-24）和小于6个自由度（如图2-25所示）的两类。图2-24 VAMTIY原理样机示意图1—工作台；2—刀具；3—主轴；4—变长度杆；5—框架图2-25 三足并联机床示意图1—驱动杆；2—平动机构；3—砂轮；4—工作台；5—框架
按驱动方式分类，可把并联运动机床分为基本杆长度可变［图2-26（a）］，基本杆长度不变、顶端关节直线运动［图2-26（b）］和基本杆长度不变、顶端关节旋转运动［图2-26（c）］三种类型。图2-26 连接动平台的基本结构
按连接方式分类，可将并联运动机床分为并联（工件固定不动，见图2-24）、混联（见图2-27）和串并联（见图2-28）三种类型。
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