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1、专稿 光机电一体化技术 应用实践与分析 北京石油化工学院蒋力培 陈家庆 焦向东 薛龙 蒋力培: 教授 北京石油化工学院装备技术研究 所所长, 中石化集团公司学科带头人。 长 期从事焊接智能化 自动化及光机电一 体化技术的研究 , 王持完成多I 页 国家 8 6 3 及省部级科研项目 光机 电一体化技 术是在现代光 学技 术与机 电一体化技术基础上发 展起 来的又一门新兴交叉学科 ,是 综 合当前光学 、 机械学 、电子学 、 信 息处理与控制等领域中最新技术的 一 种群体技术。 近年来 , 光机 电一体 化技术与 产业 已 日益成为我 国国民 经济 中的发展热点。笔者通过近 l 0 年来在光机
2、电一体化技术应用研究 和 人才 培养 基地建设 方 面的 实践 , 就光机电一体化技术与产品的特色、 发展热点 以及我 国在其发展过程 中 的关键点等问题进行了粗浅的分析 , 以期在发展我 国光机 电一体化技术 、 产业与人才 培养 的进 程中加 强交流 与合作 。 2 0航牵制造技术 2 0 0 4 年第 9期 光机电一体化产业将以其特有的技术带动性、 融合性 和广泛适用性而成为高新技术产业中的主导产业 , 并 将成为新世纪经济发展的重要支柱之一 光机电一体化技术应用实践 1 智能机器人研究 ( 1 ) 全位置智能焊接机 器人。 我校装备技术研究所在智能焊接 机器人与视觉信息处理技术等方面进
3、 行了较深入系统的研究开发工作 , 于 2 0 0 0年研制成全位置智能焊接机器 人。这一国家 8 6 3 计划研究成果解决 了球罐多层焊的无导轨全位置行走机 构与自动跟踪控制技术 , 目前该成果 已经实现 了产品化开发。 ( 2 ) 管道焊接机器人。 针对 “ 西气东输” 、“ 中俄管道” 等举世瞩目的管道大工程迫切需要高 效管道 自动焊接设备等工程实际问 题 , 我校装备技术研究所已研制出了 无轨道管道焊接机器人, 在2 0 0 2 年北 京埃森国际焊接博览会展出期间引起 了很大反响。在国家科技部的支持 下, 已与山东柳絮集团联合建立了机 器人产业化基地。 ( 3 ) 智能化水下焊接机器人
4、。 2 l 世纪是海洋的世纪 , 自2 0 0 2 年起我校装备技术研究所承担了国家 “ 十五” 8 6 3 计划重大专项 “ 水下干式 管道维修系统” 的子课题 “ 水下干式 高压焊接” 。目前正在建立集快开锁 紧式高压容器、 环境气氛调控、 遥控 焊接机器人、 焊接过程信息光纤传送 分析于一体的高压干式焊接工艺研究 试验装置, 其目 标是研制出新一代智 能化光电检测的水下智能焊接机器 人。 这一项目将填补我国在海底管道 水下高压干焊方面的空 白, 同时由于 中国海洋石油总公司 “ 十五”期 间计 划投资2 o o o L 元用于海洋工程建设, 我国海底油气管道到 2 0 0 5 年将增至
5、3 7 0 0 k m,因此这一项 目对于发展我 国的海洋工程意义重大。 ( 4 ) 管道智能化检测。 油气管道的泄漏将会带来巨大的 经济损失和环境污染, 为此我校也正 在研究油气长输管道的检测技术。 管 道检测主要包括在建长输管道的焊缝 检测、 在役陆地或海底长输管道的常 规预防性腐蚀检测、 在役陆地或海底 长输管道的泄漏定位应急检测等。 基 于该项 目的研究 , 最终可以扩展到研 制开发以石油天然气长输管道检测为 维普资讯 http:/ 专稿 主线的系列技术和产品。 2 光机电一体化人才培养与产学研 基地建设 为了主动适应我国尤其是北京市 光机电一体化技术与产业蓬勃发展对 人才培养所提 出
6、的新 要求 ,我校以 “ 机械设计制造及其 自动化”为依托 进行了培养体系的改革 , 要求该专业 的本科生在具备通用机械设计能力的 基础上突出光机电控制特色。 北京市 教委于 2 0 0 2 年将 “ 机械电子工程” 列 为北京市重点建设学科, 并于同年1 0 月正式部署我校承建 “ 光机电一体化 人才培养和产学研基地 ” ,担负起为 北京市培养高素质人才和建设产学研 基地的重任。 目前该基地已建成了单片机应用 实验室、 机电一体化创新实验室、 三 维 C A D设计实验室,正在建设先进 过程装备与控制实验室 、 数字图像处 理技 术实验室 、激光应用技 术实验 室、先进制造技术实验室等 4
7、个实验 室, 这7 个实验室覆盖了机械设计制 造及其 自动化 、过程 装备 与控制工 程、 测控技术与仪器、自动化、电气 工程及其自动化等5 个专业的技术领 域。 ( 1 ) 单片机应用实验 室的特色是 以系列试验作为单片机教学核心, 强 化训练学生动手 、 应用能力。实验室 设有新型单片微机开发系统及应用板 7 0 套 , 可同时开展2 个班的试验教学 。 实验室建设以来, 在教学内容 、 方法 、 管理等方面进行了大幅度改革, 编写 了以试验为核心的单片机教材 , 坚持 实施在实验室考核学生动手能力等措 施 ,取得了较显著的教学效果。 ( 2 ) 机电一体化创新实验室的特 色是与 工程实
8、际接轨 ,培 养创新能 力。 实验室选用现代工程实际应用的 交流伺服电机、 步进电机、 二维滑台 机构及各种微机系统 ( 单片机、 P L C、 D S P) ,建立 了 1 0套机 电一体化试验 平台 , 可同时进行一个班的课 程设计 与创新设计。 (3 )三 维 C A D实验室的特 色是应用 当前先 进的三维造型软 件进行机械设计。 实验室中7 0 个终 端的 C AD局域网 装有 S o l i d a g e 、 Un i g r a p h i c s 等网 络版软 件 ,设 计 过程可实现互动 教学 。三维 C AD 设计 彻底改变 了 传统的设计方法 , 极大地 激发 了学 生
9、 的创新设计学 习热情 ,提高了 实践、动手能力。 4 个 正在 建 设 的基地实验 室 也都 密切结 合学 民经济热点。 ( 1 ) 先进过程装备与控制实验室 具有以现代制氢技术为切入点 , 建立 集先进的工艺 、 装备技术与控制技术 为一体的模拟工业过程试验平台的特 色。此实验室将打破长期以来工艺、 装备与控制分割教学的局面 , 使学生 得到综 合工程实践能 力的训练 , 并以 发展制氢技术为契机 , 不断引入新工 艺、 新装备、 新控制技术, 成为化学 工程、 过程装备与控制及 自动化等专 业的创新教学手段。 ( 2 ) 数字 图像处理技术实验室以 现代X射线数字 图像技术为切入点 ,
10、引入先进的 口腔全景 X 光机配备 工 作站及 4 0个终端组成的数字图像处 理试验教学网。 此实验室可以解决数 字图像技术教学缺乏方向与实践手段 的问题 , 使师生密切结合我 国医学数 字图像技术发展进行学习与创新, 并 进而推动数字成像 , 图像压缩 、 传送 、 识别及导航等方面的实践创新与教 学。 ( 3 ) 激光应用技术实验室在已有 的激光加工机的基础上 , 进一步引入 激光测距仪等检测系统, 并计划将激 光技术的应用与机械工程领域的传统 学科相结合 , 这样能使光机电一体化 学科相关专业的学生在受到培养锻炼 的同时 , 还可以大幅度提升其他机械 工程专业领域的科研实力和研究水 平
11、。 例如围绕过程装备与控制工程专 业的循环流化床装置, 配备激光三维 测速装置来研究装置内流场情?兄 结 合环境工稃专业重点发展的油、气、 维普资讯 http:/ 专稿 维测速装置来研究分离装置内微米 : 级油粒、砂粒的运动分离情况 , 配 r 激光粒度仪来测量含油废水处理前 油粒的粒径分布情况。 激光三维测 装置 、 激光粒度仪正是光机电一体 : 技术与产品在工业生产中的具体应 l 。 ( 4 ) 先进制造技术实验室是在 已 数控线切割机床、数控加工中心、 ; 自由度机械手臂、 S L A激光快速成 ; 装置等设备的媾础上, 进一步引入 : 进的柔性加工系统 , 以培养学生掌 现代 C AM
12、 技术,并计划今后能将 : 维 C AD机械设计实验室与先进制 技术实验室结合起来, 发展无图纸 l 械设计与制造创新教学 , 使学生密 ) 结 合我 国机械 工程现代化发展需 ,提高 自身能力 , 达到与国际接轨。 光机电一体化技术与产品 的特色分析 归纳多年来在该领域的实践和认 , 笔者认为 目前国内外开发出的光 l 电一体化产品的主要特色是具有智 化测控与视觉控制功能, 可分为以 4 种 。 ( 1 ) 光学技术与各种信息处理技 : 相结合 。 光学技术在光机电一体化产品中 接而又最重要的作用就是对各种信 ! 进行光电检测与控制 , 从而实现智 化控制 。 目前应用较多的有激光传 检测技
13、术, 其应用分类情况如下图 所示。 另一类广泛应用的光电传感器 是 电荷耦合器件( Ch a r g e Co u p l e De v i c e ,CC D) 传感器 ,这种微型图 像传感器能把一幅空间域分布的图像 变换为一列按时间域离散分布的电信 号,其灵敏度高,光谱响应宽 ,易与 计算机相连接进行数字化处理。 随着 MO S 集成电路制造工艺的飞速发展 , CC D技术也得以迅速发展 ,CC D图 像传感器作为一种新型光电转换器现 已被广泛应用于摄像 、图像采集 、 扫 描仪和工业测控等领域。 此外还可应用光纤技术进行探测 传感 、 信号传输。各种光纤传感器已 经在油气井测试 、板坝结
14、构缝监测 、 桥梁状态监测、 管道泄漏监测、 表面 粗糙度检测 、 纤维增强塑料基复合材 料( F RP ) 残余应力测定、空间温度场 测量 、 电力测量等行业得到 了不同程 度的应用, 例如在电力系统中采用光 纤电流传感器和光纤电压传感器可以 大大提高电力系统运行与监控的 自动 化程度和各项指标 。 ( 2 ) 光学技术与各种科学仪器和 装置相结合。 X线显微镜 、光电平印装置、光 化学气相沉积( C VD) 装置、三维显示 等都是结合光学技术后在原有基础上 产生的升级换代产品。 (3)光 学 技 术 与微 机 电 系统 ( ME MS ) J f 结合。 微光机 电系统( MOME S )
15、 是在微 机电系统的基础上把光 电子器件 、 微 激光传感检测技术分类 2 2航空制造技术 - 2 0 0 4年笫 9 期 电子器件和微机 械结构或装置以 微加工技术集成 在一起 ,使系统 结构进一步小型 化,进而诞生的 新一代器件和装 置 , 以提供给 光 通信 、数字图像 获取 、显示和处 理 、I T 外 围设 备、环保 、自动 化、 生物医疗装备、 工业维护等各种 应用领域 。以光通信领域为例 , 随着 密集波分复用( D wD M) 技术和宽带光 放大器的发展 , 光网络容量正以 “ 爆 炸性”的速度扩大 , 相应要求互补功 能和元器件有快速发展。 基于移动微 镜的光开关和光交又(
16、oxc ) 技术既体 现了机械光开关方案的全部优点, 同 时又解决了功耗问题, 缩短了开关时 间, 并且消除了移动光纤式开关端 口 数 目扩 容 的 限 制 。 除 此 之 外 , MO ME S 也用作D WD M通信中的可 调谐光源和可调谐滤波器 , 并可用作 光 调 制 器 和光 衰 减 器 。 另一 大 类 MOMES是属于 图像处理的相关产 品 , 例如应用于信息的显示 、打F I 1 5 1 1 处理 的许多器件也都基于静 电、热 、 电磁驱动器驱动的微镜移动机制。 ( 4 ) 光学技术与各种加 工技术相 结合。 下页图给出了激光加工技术的主 要分类 , 这些技术在机 电一体化大发
17、 展时期都已较为成熟。 如今应该重点 提及的是光学加工技术在微光机电机 械系统和光纤通信中的应用。 用于 MOME S最基本硅微机械 制造技术中的一种重要微加工技术是 L I G A制造技术 , L I GA是 L i t h o - gr a p hi C Ga l v a I 1 FO r mi n g和 Ab f o r mi n g的缩写, 这种制造技术是 X射线深度光刻、电铸和塑铸 3 种工 艺的组合, 可以利用X射线的深穿透 能力制作出高度( 深度) 和宽度比大的 精细结构。 光机电一体化技术的 发展热点分析 目前国际上光机电一体化产业正 在不断进行产业结构调整 , 使各行各 业不
18、断融合和协调发展。 基于机电一 体化技术 、 微 电子伺服控制技术 、 激 光技术、计算机控制技术的现有基 础 , 结合 目前的市场需求以及上述这 些技术的发展趋势, 可以认为以下几 个方面是光机电一体化技术的发展热 维普资讯 http:/ 专稿 点。 ( 1 ) 视觉机器人。 视觉机器人将视觉技术与机器人 技术相结 合, 使机器人具有与周围环 境交互的能 力, 这是智能机器人最重 要的发展方向之一 , 在视觉抓取、动 态跟踪 、自动装配、远程技术、移动 机器人 、危险作业环境 、空间站对接 等领域都获得了广泛的应用。 从通用 体系结构的角度看, 静态结构应以视 觉伺服体系结构为基本框架, 动
19、态结 构则应使用集散体系结构, 通过层次 递归的方式组织各控制单元 , 使得各 部分相对 自治 , 而整体又具有很强的 扩展性 , 并利用消息处理和分派机制 来完成控制单元之 间的协调。 视觉机器人的另一个主要应用领 域是基于主 动视 觉的机器人辅助测 量 ,采用摄像机校准得到摄像机内、 外参数 , 由手眼转换关系移动机器人 执行器得到要求的摄像机运动, 从而 求出空间点在摄像机坐标系中的坐 标, 并由摄像机的外部参数计算得到 空间被测量点在绝对坐标系中的位置 坐标。该技术既可用于 F MS系统主 要检测设备的二坐标测量机, 也可用 于服装等行业 , 美国空军甚至应用该 技术来为飞行 员单独定
20、制头盔 。 ( 2 ) 智能化数控系统和智能制造 系统 。 2 l世纪 机械制造业的特 色将是 信息化 、智能化 、网络化 、集成化和 不断创新的绿色制造 ,而生物技术、 纳米技术 、 微机 电系统将成为机械制 造业的重要发展方向 , 因此运用现代 信息技术、 数字技术和现代管理技术 改造传统制造业 , 已成为实现制造业 跨越式发展的重要途径。 长期以来, 我国数控系统一直以 传统 的封 闭式体 系结 构 为特征 , C NC只能作为非智能的机床运动控 制器。 加工过程变量根据经验以固定 参数形式事先设定, 加工程序在实际 加工前用手工方式或通过 c A D C A M 及 自动编程 系统 进
21、 行编制 。 C A DC A M 和 CNC之 间没有反 馈控制环节 ,整个 制造过程中 cNc 只是一个封 闭式的 开环执 行机构。智 能化数控技术就是 要在 CADCAM 和 CN C之 间形成 反馈控制环节,目 前正沿着几个分支 发展 ,包括 自适应 控 制 、模糊控 制 、 激 光 加 工 技 术 神经网络控制、 专家控制、 学习控制、 前馈控制等。 例如在数控系统中配备 编程专家系统 、故障诊断专家系统 ; 在高速加工时的综合运动控制中引入 提前预测和预算功能、动态前馈功 能;在压力、温度、位置、速度控制 等方面采用模糊控制, 使数控系统的 控制性能大大提高, 从而达到最佳控 制的
22、 目的 。 智能制造 系统 ( I nt e l l i g e nt Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m) 是一种智能 化的制造系统 , 是 由智能机器人和人 类专家组合而成的人机一体化的智能 系统 , 它将智能技术融合进制造系统 的各个环节, 通过模拟人类的智能活 动,取代人类专家的部分智能活动 , 使系统具有智能特征。 智能制造系统 的关键技术应包括智能设计 、 智能诊 断、自适应功能和智能管理系统。 而 要真正实现上述预期 目的, 采用智能 化光 电检测技术至关重要。 ( 3 ) 生物 医学电子设备 。 生物医学电子学是一门由生物 、 医学 、 电
23、子学和工程学等多学科交叉 构成的边缘学科 , 一方面它将 电子学 用于生物医学领域 , 使这些领域的研 究方式更加精确和科学;另一方面由 于通过漫长的进化, 生物体本身实际 上就是一个十分优 良和精细的复杂系 统 , 因此生物医学 电子学形成的生物 信息处理的优异特性将会给电子学以 重要的启示, 使电子信息科学发生革 激光表面强化 ( 如淬火合金化与熔覆 非晶化或微晶化) 激光焊接 激光切割 ( 二维切割机三维切材机) 激光清洗 激光快速成形技术 激光塑性成形技术 激光 J n T技术分类 命性 的变化。 除 了生物 医学传 感器、神经 电 极 、植入式电子系统 、生物芯片 、分 子和生物分子
24、 电子学 、仿 生系统之 外 , 最能体现光机电一体化技术色彩 的当属监护技术。 监护系统一般由传 感器,信号处理 、识别、分析、诊断 部分 , 显示 、记录和报警装置以及治 疗系统等组成 , 其作用是及时为医生 提供患者的各种重要生理信息, 为医 生正确掌握病情变化、进行正确诊 断、制定医疗系统方案提供基本依 据 ;随时监测各重 要生理 参数的变 化、 病情趋势、 预报险情, 以避免病 情恶化和降低死亡率, 起到部分代替 医务人 员临床监护工作的作用; 为医 学临床研究积累丰富的数据。 监护系 统按功能可分为动态监护系统以及远 程监护系统与家庭健康监护系统, 按 照检测方式可以分为连续检测和
25、间断 检测系统。 此外, 许多新型的物理治疗技术 与设备也应用 了光机 电一体化技术。 近十几年来随着科学技术的发展和医 学的进步 , 物理治疗技术与设备发展 十分迅速, 以赛博刀这种大型立体定 向放射治疗设备为例, 它采用计算机 立体定位导 向、自动跟踪靶区,无需 使用固定头架或体架。 其精确放疗的 良好疗效, 为临床治疗肿瘤提供了一 种全新的方法 , 可以应用于身体大多 数部位的肿瘤和血管畸形的治疗, 是 2 0 0 4 年第 9期 航空制造技术 2 3 维普资讯 http:/ 专稿 唯一兼容放射外科和放射治疗两种功 能的设备。 ( 4 ) 汽车电子。 汽车电子化被认为是汽车技术发 展进程
26、中的一次革命, 是用来开发新 车型、 改进汽车性能的最重要技术措 施 , 汽车电子化的程度被看作是衡量 现代汽车水平的重要标志。 汽车制造 商认为增加汽车电子设备的数量 、 促 进汽车电子化是夺取未来汽车市场重 要而有效的手段。 按照对汽车行驶性能作用的影响 划分, 可以把汽车电子产品归纳为两 类: 一类是与车上机械系统配合使用 的汽车电子控制装置 ,即所谓 “ 机 电 结 合” 的汽车电 装置 , 包括发动机、 底盘、 车身电子控制, 例如电子燃油 喷射系统 、 制动防抱死控制、防滑控 制 、牵引力控制 、电子控制悬架 、电 子控制 自动变速器 、电子动力转向、 电子指南针系统、 智能导航与
27、 自动驾 驶等;另一类是在汽车环境下能够独 立使用的车载汽车 电子装置 , 它和汽 车本身的性能并无直接关系 , 包括汽 车信启、 系统( 行车电脑) 、导航系统 、 汽车音响及电视娱乐系统、 车载通信 系统、上网设备等。 我国光机电一体化技术 与产品发展中关键问题分析 当前我 国已进入大规模发展光机 电一体化技术的阶段 , 如北京市政府 在 2 0 0 2年 已将光机电一体化技术列 为重点发展的四大产业之一 , 集 中在 通州区建立北京光机电一体化产业基 地 , “ 十五” 期 间规划投入资金2 0 0 f L 元, 希望N2 0 0 年建成世界一流的光 机电一体化产业基地 , 形成 2 5
28、 0 亿元 的生产规模。但也应该清醒地看到 , 我 国 目前 在这 方面 的 工作 尚处 于 “ 散 、小、低”的状态 ,即布局散、规 模小、 技 术含量低 。我国的光机电一 体化技术要赶上世界先进水平, 首先 要重视基础研究 , 在了解国际发展水 平的同时结合我国国情 , 探索有中国 2 4 航 制造技 术 2 0 0 4年毓 9期 特色的研究开发模式。 为了加快我国 光机电一体化产业的发展步伐 , 逐步 形成有 自主知识产权的产品体系和高 效率的生产能 力, 需要特别注意以下 一 些关键点。 ( 1 ) 智能化光电传感器。 在光机电一体化产品中各种传感 器的性能直接影响到产品的智能化程 度
29、与性能水平。 当前我国在激光检测 技术、 红外检测技术、 生物医学传感 器等方面都已有一定产品, 但在视觉 传感技术方面还较落后 ,如各种 CCD 传感 器还 主要依赖 国外进 口, 缺乏 自主产权 , 也缺乏智能化、数字 化产品。 ( 2 ) 图像实时处理与识 别技术 。 这是视觉机 器人 、自动检测仪 器、 医疗设备中的首要问题。 如在智 能焊接机器人的研发工作中需要解决 对焊缝视觉信息的实时处理与抗焊接 电弧干扰问题, 在各种无损检测包括 地下、 水下工业管道检测中的图像处 理、缺陷诊断问题;又如在 X射线成 像、XC T 、光学 C T 、磁共振成像等 生物医学图像成像技术中, 当前亟
30、需 研究开发的关键技术是三维图像的重 建处理和分析、 图像的 匹配与融合以 及图像信息的压缩技术等。 ( 3 ) 机电控制组件 的模块化、智 能化 、一体化。 这是发展光机电一体化产品与产 业 的重要基础。实践经验表 明,只有 在充分应用高精度、 高性能的机电控 制组件工业化产品的 “ 高起点” 上 , 才 能迅速开发出有 自己特色的光机电一 体化新产品,如在智能机器人的组成 中大量采用伺服电机与控制器模块、 工业计算机控制模块、数字开关电源 模块以及机械传动模块等先进的工业 化产品。但是 ,当前这些模块大都依 赖进 口,不但价格昂贵而且在进一步 智能化、 一体化开发方面受到了限制, 因而迫切
31、需要在这方面形成 自己的专 门化开发与生产能力,使得我国的光 机电一体化产品也像家电、汽车一样 逐步完成国产化、自主发展的过程。 ( 4 ) 人工智能控制技术。 这是发展光机电一体化的核心技 术。 当前各种智能控制理论与控制技 术正在蓬勃发展 , 但在实用性上还需 加大开发研 究力度 ,如模糊控制算 法 、 拟人控制技术都具有较好的实用 前景 , 特别是北京航空航天大学张 明 康教授提 出的拟 人控制技 术构思新 颖 , 具有我 国自己的特色 , 如能发展 成实用的算法或智能化控制模块将对 推动光机电一体化产品的智能化水平 有重大意义。 另外, 从实用的角度看, 也希望能加强开发模块化的智能控制 单元 , 这些单元根据不 同被控对象 已 高度集成 了微处理器 、I O电路 、网 络接口及相应控制软件, 这样不但有 利于智能化光机电一体化新产品的开 发生产, 还能降低成本、 提高质量稳 定性与可靠性 。 结束语 光学 、 机械学、电子学是经典的 传统学科 ,与这些传统技术相比,光 机电一体化技术可以概括为“ 机 电产 品的智能化 、 信息化,光学产品的数 控化、信息化” 。 光机电一体化产业将以其特有的 技术带动性 、 融合性和广泛适用性而 成为高新技术产业 中的主导产业 , 并 将成为新世纪经济发展的重要支柱之 ( 责编任平生) 维普资讯 http:/
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