光机电系统设计_1.1.pdfVIP

光机电系统设计 （一） 一． 概述 在很多具体的复杂系统的设计中,涉及到“光”、“机”、“电”三 类技术的综合应用，单独地使用光学技术、单独使用机械或电子技术、 再或者使用光机技术或者光电、机电技术都可能无法完全满足系统的 全部技术指标要求。因此我们有必要了解光机电这类系统的结构特点 和设计方法； 显而易见的，对于一个典型的光机电系统，它包含光学、机 械和电子这三类好像完全不同的技术；因为三者无论从基础理论、 从设计方法、从设计工具、从制造工具上都分别自成体系、在具 体细节上无一致性可言； 对于光机电系统的设计，基本的光学、机械和电子知识是必 须具备的。具体的纯光学、纯机械或者纯电路设计我假设各位同 学在以往都已经学习过或者准备进一步学习；在我们的这门课程 里不会过多的重述这些学科全部基本原理。本门课程主要讲述的 是这三门学科的综合应用方法； 考虑如何通过恰当的工程化设计思路和设计步骤，有机地整 合光机电这三类技术，然后设计并完成包含光学模块、机械模块 和电子模块的一类复杂系统。 另外作为科大的学生，通常我们会认为，在专业基础理论领 域找几根硬骨头啃啃，推导几个公式、发表几篇论文也就成了“专 1 家”！也许有人会成为这样的超级螺丝钉，但螺丝钉永远是都螺丝 钉，锋利有余但缺乏广度；而咱们国家现在和今后真正缺的就是 系统级的总师！ 课程中我们将通过一定数量的具体工程实例，以及对一些相 关技术标准（例如国军标以及美军标）的讲述为大家初步建立光 机电系统设计的初步概念； 1.0 光机电系统构成 光机电系统是一种典型的包含：传感器、控制器和执行机构的 系统，参见下图： 图 1 光机电系统主要构成 在大多数典型的光机电系统中，传感器可以由光电和光学元件 构成，控制器则可以由一个带有 ADC 或者开关量输入接口的嵌入 式处理器构成，执行机构则可以由包含机电伺服和机械元件构成； 当然在另外的一些应用中，光学元件或者模块也可以成为主要 的执行器，例如一台激光切割系统； 1.1 光机电系统的设计和工程化步骤 光机电系统，或者大多数工程系统都可以按照：需求分析、方 2 案设计、模块设计和工艺设计、调测验收等几个步骤进行； 对于一个系统设计的开始，应当是这样： 首先提出基本需求（客户或者自己提出）； 考虑工程化的重要约束：例如电磁兼容性、环境适应性、可 靠性和可维护性； 然后我们基于现有的技术条件和器件条件；同时综合考虑和 平衡：技术风险、系统性能、系统成本和可靠性，然后完成 一个尽量符合约束条件的工程设计； 在大多数情况下，约束条件的内容和条目之间可能是相互矛盾 的，在这种情况下你需要判别关键参数或者说抓住主要矛盾，然后作 出合理的权衡和折中。 一个优秀的系统的设计过程是对约束条件中各个矛盾的精细平 衡的过程；(例如对产品的：性能、成本和可靠性的平衡，这可以拿 炒菜放盐来做类比) 1.2 系统的设计的几个准则 老生常谈！ 1. 责任心，有责任感，有良心，经得起时间推敲的设计才是好的 设计！（两个例子） 2. 用心做设计，有句话：知之者不如好知者,好知者不如乐知者， 只有乐知才会钻研，只有用心才会设计出好的精品！ 3 3. 完成同样的功能，最简单的设计既是最佳的设计；这个意思可 以从多个方面去理解，简单即意味着可靠，简单也意味着低成 本，简单也意味着智慧（俄罗斯，舵面控制，制导炮弹解旋）； 4. 模块化；体现一定的独立性，具