綜述機電接口技術的內涵與機電一體化發(fā)展鄭剛，費仁元，張慧慧，孫樹文（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院；北京100022）了一種新的機電一體化系統(tǒng)組成方式。為了進一步分析與設計機電一體化系統(tǒng)提出了機電接口技術的概念，并給出了機電接口的分類。最后分析了機電接口技術對機電一體化的影響，指出機電接口技術必然促進機電一體化的發(fā)展。 

　　1緒論科學技術突飛猛進的發(fā)展，使多學科之間的融合與滲透變得越來越重要，從而形成了新的研究方向。機電一體化技術就是一個集機械技術、伺服驅動技術、計算機技術、自動控制技術、檢測傳感技術、網結通訊技術、系統(tǒng)整體技術等為一體的學科。 

　　機電一體化產品設計時要研究多種學科技術中各有關學科的各自特征，它們的各特征參量之間的物理聯系，正確處理好各學科的特征參量之間的要求、關系和耦合條件，并通過研究這些學科的內在聯系和耦合關系去分析和解決機電一體化產品系統(tǒng)工程設計中的具體問題。機電接口技術就是在這種情況下產生的，它是解決如何把機電及相關領域技術有機地融為一體，從而設計出最優(yōu)的機電一體化產品的研究領域。 

　　2機電接口技術的內涵與機電一體化系統(tǒng)組成的關系21對機電一體化系統(tǒng)組成的理解在研究機電一體化產品設計時，我們將被研究的對象視為一個系統(tǒng)，然后從系統(tǒng)整體出發(fā)，研究系統(tǒng)的各組成部分的相互關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，這是機電一體化產品系統(tǒng)工程設計的重要目的。機電一體化系統(tǒng)設計的出發(fā)點和歸宿是機電一體化系統(tǒng)的組成。 

　　由于其重要性，國內外學者進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制造重點實驗室提供體化系統(tǒng)集成。 

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

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

　　兩個系統(tǒng)挪威科技大學的BassamAHsef是出Ml電化系J分為物蒴統(tǒng)腠制系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)。物理系統(tǒng)包括各種驅動裝置、執(zhí)行機構、傳感器等；控制系統(tǒng)包括軟、硬件。兩子系統(tǒng)論從功能劃分來看，比前一種看法更趨于芫善，有利于對控制系統(tǒng)的深入研究。但是將驅動裝置、執(zhí)行機構、傳感器等統(tǒng)稱為物理系統(tǒng)，過于籠統(tǒng)，使系統(tǒng)設計無從下手。 

　　E個子系統(tǒng)上海交通大學的鄒慧君提到，也符合自然辯證法中關于層次結構的理論，層次結構的基本特點決定了其中必著雙向因果鏈：低層系統(tǒng)作為原因可以在高層系統(tǒng)中引起一定的結果，高層系統(tǒng)作為原因又會在低層系統(tǒng)中引起某些結果。作為低層系統(tǒng)的機械技術只能形成功能有限的純機械的產品，當它與微電子技術、信息技術相結合后，就形成了具有機電一體化技術的多功能的機電一體化產品。而作為高層系統(tǒng)的機電一體化技術對它的組成部分：機械技術、微電子技術、信息技術等也不是全盤接受，而是對它們有一定的限制和影響，通過限制和影響，只有那些滿足要求的才能進入高層系統(tǒng)。機電一體化產品就此基礎上形成的。有了這個認識，我們提出了一種新的機電一體化系統(tǒng)組成，見*在這個機電一體化系統(tǒng)模型中，我們主要想說明這樣幾個觀點：機電一體化系統(tǒng)由五部分組成，分別是控制系統(tǒng)、動力源、驅動系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機構。 

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

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

　　22機電一體化系統(tǒng)組鄧n關聯綜合分析上述幾種不同的組成結構，并從機電一體化系統(tǒng)的整體與部分的關系出發(fā)，我們認為機電一fls似支術應該蚺組成它的備w技術相靡透、相互結合的基礎上，相互輔助、相互促進和提高充分利用各個相關技術的優(yōu)勢，揚長避短，使組合后按照驅動系統(tǒng)的指令執(zhí)挪作。 

　　機電一體化系統(tǒng)是一個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各種接口來實現的。 

　　機電一體化系統(tǒng)能夠與人進行信息交互，受人的控制。人與機電一體化系統(tǒng)的交互通過人機接口來實現。 

　　從這里可以看出，機電一體化系統(tǒng)是一個由多個子系統(tǒng)構成的有機整體。各子系統(tǒng)之間通過接口進行連接、進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(tǒng)的特往和優(yōu)點有機的結合在一起，揚長避短，從而實現各子系統(tǒng)都無法實現的新的功能，越J系統(tǒng)最優(yōu)化。從這一觀點出發(fā)，系統(tǒng)的性能在獻腠上取決于接口的性能，各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定因素。機電接口技術的研究對象正是機電一體化系統(tǒng)中的接口，因此，機電接口技術在機電一體化系統(tǒng)設計中占有重要的地位，需要進行深入的研究。 

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

　?。?肌電接口技術的內涵機電接口技術是一門新興的技術，它研究機電一體化系統(tǒng)中各組成部分（子系統(tǒng)）和各組成技術之間的接口問題。研究這門技術是為了更有效地進行系統(tǒng)中信息能量的交互，融合各種技術，實現機電一體化系統(tǒng)最優(yōu)化設計。 

　?。?）機電一體化系統(tǒng)接口（簡稱機電接口）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(tǒng)之間或人與機電一體化系統(tǒng)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(tǒng)信息交互、轉換、調整的方法和過程，協調和綜合機電一體化組成技術，使各子系統(tǒng)集成并融合為一個整體，實現新的功能。 

　　口、動力接口、智能接口和機-電接口4類。 

　　人-機接口人與機電一體化系統(tǒng)之間的接口，通過此接口，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，控制其運行過程，即通過人-機接口能夠使系統(tǒng)按照人的意志進行工作。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、按鈕等。 

　　動力接口動力源連接到驅動系統(tǒng)的接口，為驅動系統(tǒng)提供相應的動力。根據系統(tǒng)所需的動力類型不同如直流電、交流電、氣動、液壓等，動力接口的形式也有很大的不同。但動力接口有一個共同的特點，能夠通過較大的功率。 

　　出，智能接口主要存在于三處，控制系統(tǒng)到驅動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)到傳感器、傳感器到控制系統(tǒng)。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的要求改變信息形式使不同的子系統(tǒng)、不同的技術能夠集成在一起，形成芫整的系統(tǒng)。通常，智能接口是軟件表現出的功能連接。 

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

　　3機電接口技術對機電一體化發(fā)展的社會需求推動機電一體化技術的發(fā)展。當傳統(tǒng)的機械技術無法滿足曰益增加的社會需求時，機械技術與電子技術、信息技術等結合形成的機電一體化技術就成了機械技術發(fā)展的必然。機電一體化技術產生之初，僅是機械技術與電子技術的簡單結合，它們結合的方式一一接口也比較簡單，而隨著機電一體化技術的發(fā)展，機電一體化產品已經發(fā)展成為集多種技術于一體的復雜系統(tǒng)，相應的系統(tǒng)內部的接口也就變得越來越復雜。