光机电一体化

光机电一体化技术应用实例--CD-ROM光盘驱动器姓名：李卫敏学号：2011105004导师：曹卫彬专业：机械制造及其自动化摘要：光机电一体化技术是机电一体化技术的一个重要分支，是机械工业技术的一个主要发展趋势。简单阐述了光机电一体化的概念和内容，并介绍了光机电一体化产品--CD-ROM光盘驱动器。关键词：光机电一体化技术光机电一体化产品CD-ROM光盘驱动器一、光机电一体化技术概要在20世纪70年代，微电子技术曾引起新技术领域的深刻变革，机电一体化技术就是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科【1】。从20世纪90年代开始，光机电一体化技术引导着一场新的变革，光机电一体化技术作为光学、微电子学、计算机信息、控制技术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。它从系统过程的角度出发，引进光学技术，有效地改进传统机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统，使产品或系统实现整体优化[2]。它丰富和拓宽了机电一体化技术的内涵和外延。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[3]。光电一体化技术是在产品的整个生命周期中（包括设计、生产、服务等），机械工程、微电子技术和光学技术融合、协同的有机集成【4】。光机电一体化包括产品和技术两个方面[1]：1、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、自动控制技术和通讯技术的高科技产品。光机电一体化产品具有结构简单、功能多、效率高，能耗低等特点，它们一般由机械本体、传感器、接口、微处理器和执行机构等5部分组成。机器人就是光机电一体化产品的典型代表。2、光机电一体化技术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。目前，工业发达国家光机电一体化技术的应用已十分广泛，不仅在单机产品中占有重要位置，而且在生产制造系统内也十分活跃。例如，计算机集成制造系统（CIMS）、快速成型制造系统（RPM）、智能制造体统（IMS）等。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【5】:（1）激光技术①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。②高方向性,因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力,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。③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。④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。（2）传感检测技术①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。②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。③光纤探测器,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。其他还有激光打孔、刻槽=标记、光化学沉积等加工技术。（3）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【6】。（4）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【6】。二、光机电一体化产品——CD-ROM光盘驱动器CD-ROM驱动器作为计算机系统的外存，主要用于读取存储于光盘上的文字、图片、声音、动画和电视图像等数据。CD-ROM若配上相应的硬件和软件(MPEG解压卡或解压软件)也可播放CD和VCD光盘【7】。1、CD-ROM光盘驱动器的原理结构CD-ROM光盘驱动器系统是由激光源、光学系统、电气控制系统和机械部件等组合而成为一个光机电一体化系统。图1为CD-ROM光盘驱动器数据读出系统原理图，图中给出了组成系统的主要部分。（1）光盘读出部分(光学头)即图1所示中虚线框内部分，见图2所示。光学头的主要功能就是把激光器发出的光束以直径的极小光点聚焦在光盘上，并根据光盘上反射回来的光读出存储的信息。光学头中的聚焦物镜是关键元件，其功能是把光从激光器发出，并经准直以后的激光束聚焦在光盘的记录层上，把从盘面反射回来的光束变成平行光，送到检测器进行读出。入射到光盘的光束是与光盘轴垂直的，因此，物镜的聚焦调节是沿着这个轴向运动。一般的光学头多数采用动圈式致动器在盘面垂直的方向上驱动物镜运动。物镜安装在类似扬声器的音圈上，音圈外包有永久磁铁，从光探测器得到的聚焦误差信号经放大滤波后输入到由驱动电路、音频线圈和磁铁组成的致动装置，线圈电流的变化使磁场变化，由此而产生的磁场力迫使线圈运动，直至准确聚焦。光学头的功能是通过光学系统实现的，在图2中可以看到，半导体激光器l发出的光束经透镜2、3整形准直后，变成圆平行光，到达偏振光分束器4变成只有一个振动方向的线偏振光，此线偏振光通过1／4波片光栅5后变成圆偏振光，经反射镜6、聚焦透镜7，聚焦成圆形光斑后落在光盘8的信号层上。从信号层反射回来的光束仍是圆偏振光，在再次通过1／4波片光栅5后，又变回线偏振光，但偏振方向旋转了90o，因此出射光与反射光虽然共用光路也不会互相干涉。反射光束到达偏振光分束器4却不能进入激光器而只能到达分束镜9，一部分经透镜10会聚于读出光电探测器11，得到读出信号；另一部分经透镜12会聚于聚焦、跟踪误差检测器13，得到聚焦、跟踪误差信号。（2）检测和校正光点与数据道之间的定位误差的光电系统。通过光检测器产生聚焦伺服与跟踪伺服信号，根据这些信号在与光盘垂直的方向上移动聚焦透镜，在光盘的半径方向上移动聚焦透镜或使跟踪反射镜偏转，即可相应地实现聚焦控制和跟踪控制，把激光聚焦于光盘的记录层上，使光点中心与信道中心吻合。（3）光盘。图1光盘数据读出系统工作原理图（4）光盘转动与控制机构。由直流电机带动光盘旋转，由测速表测定转速并通过旋转编码器产生伺服信号控制光盘的转速。（5）电子线路。包括控制所有运动机构的伺服电路、由测速表测定转速并通过旋转编信号处理电路、误差检验与校正电路。图2光盘读出部分组成2、光盘数据读出原理CD-ROM光盘上记录信息的光道是一条由里向外连续的螺旋形路径。CD-ROM光盘是单面只读光盘，利用凹坑来存储信息。激光经过一系列光学透镜后，聚焦为1um的焦点，此焦点刚好落在光盘的镀铝反射膜上。激光束不是从小凹坑的一面读取信息，而是从小凹坑的背面读取信息(见图3)。这样原来存储信息的一个小凹坑，从背面看就成了一个小凸。激光束投射到光盘上的没有凸起的地方，反射面为一平面，垂直照射光盘的激光束产生全反射，反射光又按原光路返回物镜，经1／4波片和光束分离器，把反射光和从激光器发来的入射光分离开，如前所述，1／4波片可避免反射光返回激光发射器。图3激光源和光盘数据读出示意当激光束照射在有小凸起的地方时，由于光的衍射作用，使部分反射光不能按原光路返回，而且光程相差1／2波长，导致互相干涉，因此反射回物镜的光减弱了，只相当于没有凹坑时的1／10(见图4)，从光束分离器分出的反射光也相应减弱。用光电探测器检测这些反射光，并将光束入射至光盘无凹坑处上为0，而入射至有凹坑处为1位，经过读出信号处理电路的入射激光束，即可将读出的信号送至光盘存储系统的输出部件去再现所记录信息。图4激光读出信息原理光盘读出系统的数据通路如图5所示。读出电路检测并解调从光盘上来的反射光，将信号送至控制部件的读出格式器。后者校正数据中的任何错误，除去记录时所加的用于识别信道的地址信息，并重新组织位序列，使之与输入到记录格式器的序列一致。最终的读出数据即被送到输出缓冲器。缓冲器按要求的数据速率将数据传送给用户。图5光盘的读出数据通路3、光盘伺服系统由于各种原因，在任何一种光盘存储系统中，读/写光斑的实际位置总是或多或少地在与盘片信号面垂直的方向(z)、盘片圆周的半径方向(y)及切线方向(x)等3个方面上偏离所要求的正确落点位置(即目标信迹)，而出现聚焦误差，径向跟踪误差及切向跟踪误差。通常，在聚焦方向的允差约为±(0.5-1)um，径向跟踪允差约为±0.15um，切向跟踪允差约为±0.15um。如此小的允许偏差显然不能单靠提高机械精度的办法来实现，必须在光盘系统中设置能在以上三个方向上确保光点正确跟踪目标信迹的伺服系统。光盘伺服系统通常包括：聚焦伺服、跟踪伺服、光盘主轴电机伺服。(1)聚焦伺服聚焦伺服的功能是使光头聚焦透镜上下移动以跟踪盘片因高速旋转而发生的上下振动使上下振动的盘片信号面能始终落在读取光束的焦深范围内。聚焦伺服系统的组成如图6所示。(2)轨迹跟踪伺服就是在光盘偏心时使读取光斑始终跟踪记录轨迹。轨迹跟踪伺服系统组成如图7所示。图6聚焦伺服系统框图图7轨迹跟踪伺服系统框图图8光盘主轴电机伺服系统框图(3)光盘主轴电机伺服保持光盘恒定的转速，从而使记录信息的位长度保持恒定，以固定的数据通率进行信息的读取，见图8。光盘驱动系统是由光学、电气和精密机械部件构成的一体化系统，其伺服控制系统必须在计算机的统一控制下协同动作，才能实现系统功能。由计算机统一协调的光盘驱动伺服系统结构如图9所示，图9光盘驱动伺服系统框图图10光学头运动机构4、光学头运动机构CD-ROM的光学头运动机构是二维机械传动机构，由聚焦和轨迹跟踪伺服系统控制，它可使光头物镜沿着互相垂直的聚焦(垂直方向)和循迹(径向方向)两个方向移动，以跟踪盘片的振摆。这种机构一般采用如图10所示形式，光学头径向移动小车通过小车驱动丝杠的驱动和导向光杠的导向作用，可沿光盘径向来回移动来循迹，这套机构又安装在垂直摆动平台上，可绕图左侧所示的摆动定轴做上下摆动以调整聚焦状况。5、CD-ROM驱动器的接口CD-ROM驱动器的接口有多种。现在通用的是IDE接口、SCSI接口。IDE接口目前在微机较流行，一条硬盘线即可挂接IDE接口的光驱；SCSI接口则是由美国国家标准研究所定义的计算机和外部设备之间的标准接口。参考文献[1]张延波.光机电一体化技术的现状和发展趋势[J].化学工程与装备,2009（1）:96[2]刘志,朱文坚.光机电一体化技术[J].现代制造工程,2001(12).[3]金志向.光机电一体化技术特征和发展趋势[J].科技咨询导报,2007(5):28[4]段正澄.光机电一体化技术手册[M].北京:机械工业出版社，2009,1-4[5]郝建军.浅谈光机电一体化技术的研究与发展[J].科技资讯,2011，03(b)：142[6]张龙华.光机电一体化在现代技术中的应用与研究[J].科技信息，2010,（23）：493[7]殷际英,林宋,方建军编著.光机电一体化实用技术[M].化学工业出版社,2003,221-226