綜述機電接口技術(shù)的內涵與機電一體化發(fā)展鄭剛，費仁元，張慧慧，孫樹(shù)文（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應用電子技術(shù)學(xué)院；北京100022）了一種新的機電一體化系統組成方式。為了進(jìn)一步分析與設計機電一體化系統提出了機電接口技術(shù)的概念，并給出了機電接口的分類(lèi)。最后分析了機電接口技術(shù)對機電一體化的影響，指出機電接口技術(shù)必然促進(jìn)機電一體化的發(fā)展。 

　　1緒論科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使多學(xué)科之間的融合與滲透變得越來(lái)越重要，從而形成了新的研究方向。機電一體化技術(shù)就是一個(gè)集機械技術(shù)、伺服驅動(dòng)技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、網(wǎng)結通訊技術(shù)、系統整體技術(shù)等為一體的學(xué)科。 

　　機電一體化產(chǎn)品設計時(shí)要研究多種學(xué)科技術(shù)中各有關(guān)學(xué)科的各自特征，它們的各特征參量之間的物理聯(lián)系，正確處理好各學(xué)科的特征參量之間的要求、關(guān)系和耦合條件，并通過(guò)研究這些學(xué)科的內在聯(lián)系和耦合關(guān)系去分析和解決機電一體化產(chǎn)品系統工程設計中的具體問(wèn)題。機電接口技術(shù)就是在這種情況下產(chǎn)生的，它是解決如何把機電及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)有機地融為一體，從而設計出最優(yōu)的機電一體化產(chǎn)品的研究領(lǐng)域。 

　　2機電接口技術(shù)的內涵與機電一體化系統組成的關(guān)系21對機電一體化系統組成的理解在研究機電一體化產(chǎn)品設計時(shí)，我們將被研究的對象視為一個(gè)系統，然后從系統整體出發(fā)，研究系統的各組成部分的相互關(guān)系綜合考慮各種因素，尋求最優(yōu)方案，以達到最優(yōu)化效果，這是機電一體化產(chǎn)品系統工程設計的重要目的。機電一體化系統設計的出發(fā)點(diǎn)和歸宿是機電一體化系統的組成。 

　　由于其重要性，國內外學(xué)者進(jìn)行了廣泛和深入的研究，其中具有代表性的有：基金項目：本項目研究條件由北京市先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗室提供體化系統集成。 

　　sernann提出機電一體化系統是由控制功能、動(dòng)力功能、傳感檢測功能、操作功能、結構功能等五大功能模塊組成。德國學(xué)者將機電一體化系統通俗地類(lèi)比于人的大腦、內臟、五官、四肢及軀體。五塊機電一體化的發(fā)展，五塊論已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統的融合與集成的需要。 

　　三環(huán)論丹麥理工大學(xué)的JacobBaur等人提出機械、電子、軟件三個(gè)相關(guān)圓環(huán)，以此表示了機電一體化系統的組成和相互關(guān)聯(lián)。三W論中電子含義比較含糊；軟件是指實(shí)現信息處理和控制的程序，同樣無(wú)法使人們對真實(shí)系統作科學(xué)和明確的組成劃分。 

　　兩個(gè)系統挪威科技大學(xué)的BassamAHsef是出Ml電化系J分為物蒴統腠制系統兩大子系統。物理系統包括各種驅動(dòng)裝置、執行機構、傳感器等；控制系統包括軟、硬件。兩子系統論從功能劃分來(lái)看，比前一種看法更趨于芫善，有利于對控制系統的深入研究。但是將驅動(dòng)裝置、執行機構、傳感器等統稱(chēng)為物理系統，過(guò)于籠統，使系統設計無(wú)從下手。 

　　E個(gè)子系統上海交通大學(xué)的鄒慧君提到，也符合自然辯證法中關(guān)于層次結構的理論，層次結構的基本特點(diǎn)決定了其中必著(zhù)雙向因果鏈：低層系統作為原因可以在高層系統中引起一定的結果，高層系統作為原因又會(huì )在低層系統中引起某些結果。作為低層系統的機械技術(shù)只能形成功能有限的純機械的產(chǎn)品，當它與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相結合后，就形成了具有機電一體化技術(shù)的多功能的機電一體化產(chǎn)品。而作為高層系統的機電一體化技術(shù)對它的組成部分：機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等也不是全盤(pán)接受，而是對它們有一定的限制和影響，通過(guò)限制和影響，只有那些滿(mǎn)足要求的才能進(jìn)入高層系統。機電一體化產(chǎn)品就此基礎上形成的。有了這個(gè)認識，我們提出了一種新的機電一體化系統組成，見(jiàn)*在這個(gè)機電一體化系統模型中，我們主要想說(shuō)明這樣幾個(gè)觀(guān)點(diǎn)：機電一體化系統由五部分組成，分別是控制系統、動(dòng)力源、驅動(dòng)系統、傳感器和執行機構。 

　　機電一體化系統的組成部分是分層次的，控制系統是控制層，控制整個(gè)系統的運行。動(dòng)力源、驅動(dòng)系統和傳感器為驅動(dòng)反饋層，從控制系統獲得命令并將其放大驅動(dòng)執行機構動(dòng)作，感測執行機構體化系統可劃分為：廣義執行機構子系統、傳測子系統、信息處制子系統。它們分別完成機械運動(dòng)和動(dòng)作、信息襝測、信息處理及控制。三符系統的表示方法，便于從功能原理的角度進(jìn)行理解，但也不利于直接用于系統設計。 

　　從上述幾種不同的認識可以看出，機電一體化系統具有模糊性、復雜性、多樣性，咄成了機電一體化系統設計的困難。因此，對于機電一體化系統組成的認識還需不斷的深入和芫善，而機電一體化技術(shù)的支術(shù)已經(jīng)日趨成熟?，F在機電一體化系統設計的關(guān)鍵在于掌握組成技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，找到它們之間的最優(yōu)連接方式。這就是機電接口技術(shù)的研究?jì)热荨?nbsp;

　　22機電一體化系統組鄧n關(guān)聯(lián)綜合分析上述幾種不同的組成結構，并從機電一體化系統的整體與部分的關(guān)系出發(fā)，我們認為機電一fls似支術(shù)應該蚺組成它的備w技術(shù)相靡透、相互結合的基礎上，相互輔助、相互促進(jìn)和提高充分利用各個(gè)相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，揚長(cháng)避短，使組合后按照驅動(dòng)系統的指令執挪作。 

　　機電一體化系統是一個(gè)有機的整層與層之間、本層內部都有信息和能量的交互，信息和能量的交互和傳遞是通過(guò)各種接口來(lái)實(shí)現的。 

　　機電一體化系統能夠與人進(jìn)行信息交互，受人的控制。人與機電一體化系統的交互通過(guò)人機接口來(lái)實(shí)現。 

　　從這里可以看出，機電一體化系統是一個(gè)由多個(gè)子系統構成的有機整體。各子系統之間通過(guò)接口進(jìn)行連接、進(jìn)行信息和能量的交互。各種接口不僅起連接作用，而且更重要的是將子系統的特往和優(yōu)點(diǎn)有機的結合在一起，揚長(cháng)避短，從而實(shí)現各子系統都無(wú)法實(shí)現的新的功能，越J系統最優(yōu)化。從這一觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，系統的性能在獻腠上取決于接口的性能，各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定因素。機電接口技術(shù)的研究對象正是機電一體化系統中的接口，因此，機電接口技術(shù)在機電一體化系統設計中占有重要的地位，需要進(jìn)行深入的研究。 

　　23機電接口技術(shù)的內涵機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統其子系統之間的接口極為重要，從某種意義上說(shuō)，機電一體化系統設計就是接口的設計。但現在對于機電接口技術(shù)的研究較少，通過(guò)對機電一體化系統進(jìn)行總結和歸納，我們提出了機電接口技術(shù)的概念形成了如下幾點(diǎn)認識。 

　?。?肌電接口技術(shù)的內涵機電接口技術(shù)是一門(mén)新興的技術(shù)，它研究機電一體化系統中各組成部分（子系統）和各組成技術(shù)之間的接口問(wèn)題。研究這門(mén)技術(shù)是為了更有效地進(jìn)行系統中信息能量的交互，融合各種技術(shù)，實(shí)現機電一體化系統最優(yōu)化設計。 

　?。?）機電一體化系統接口（簡(jiǎn)稱(chēng)機電接口）的功能機電接口傳遞和轉換信息和能量，并將機電一體化各組成技術(shù)的特性融為一體。機電接口包括硬件和軟件涵件主要在子系統之間或人與機電一體化系統之間建立連接為信息和能量的輸入/輸出、傳遞和轉換提供物理通道。軟件主要是提供系統信息交互、轉換、調整的方法和過(guò)程，協(xié)調和綜合機電一體化組成技術(shù)，使各子系統集成并融合為一個(gè)整體，實(shí)現新的功能。 

　　口、動(dòng)力接口、智能接口和機-電接口4類(lèi)。 

　　人-機接口人與機電一體化系統之間的接口，通過(guò)此接口，可以監視系統的運行狀態(tài)，控制其運行過(guò)程，即通過(guò)人-機接口能夠使系統按照人的意志進(jìn)行工作。人-機接口是雙向的，硬件包括輸入/輸出設備，主要有顯示屏、鍵盤(pán)、按鈕等。 

　　動(dòng)力接口動(dòng)力源連接到驅動(dòng)系統的接口，為驅動(dòng)系統提供相應的動(dòng)力。根據系統所需的動(dòng)力類(lèi)型不同如直流電、交流電、氣動(dòng)、液壓等，動(dòng)力接口的形式也有很大的不同。但動(dòng)力接口有一個(gè)共同的特點(diǎn)，能夠通過(guò)較大的功率。 

　　出，智能接口主要存在于三處，控制系統到驅動(dòng)系統、驅動(dòng)系統到傳感器、傳感器到控制系統。智能接口的應用情況相對比較復雜，但可以得出它的一些共性：智能接口傳遞和轉換各種信息按照不同技術(shù)的要求改變信息形式使不同的子系統、不同的技術(shù)能夠集成在一起，形成芫整的系統。通常，智能接口是軟件表現出的功能連接。 

　　機-電接口執行機構與驅動(dòng)系統和傳感器之間的接口。將驅動(dòng)信號轉換成執行機構所需的信號，或將執行機構的機械信號轉換成傳感器所需的信號。 

　　3機電接口技術(shù)對機電一體化發(fā)展的社會(huì )需求推動(dòng)機電一體化技術(shù)的發(fā)展。當傳統的機械技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足曰益增加的社會(huì )需求時(shí)，機械技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)等結合形成的機電一體化技術(shù)就成了機械技術(shù)發(fā)展的必然。機電一體化技術(shù)產(chǎn)生之初，僅是機械技術(shù)與電子技術(shù)的簡(jiǎn)單結合，它們結合的方式一一接口也比較簡(jiǎn)單，而隨著(zhù)機電一體化技術(shù)的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展成為集多種技術(shù)于一體的復雜系統，相應的系統內部的接口也就變得越來(lái)越復雜。