机电接口技术的内涵与机电一体化发展

核心提示：　　综述机电接口技术的内涵与机电一体化发展郑刚，费仁元，张慧慧，孙树文（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院；北京100022）了一种新的机电一体化系统组成方式。为了进一步分析与设计机电一体化系统提

　　综述机电接口技术的内涵与机电一体化发展郑刚，费仁元，张慧慧，孙树文（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院；北京100022）了一种新的机电一体化系统组成方式。为了进一步分析与设计机电一体化系统提出了机电接口技术的概念，并给出了机电接口的分类。最后分析了机电接口技术对机电一体化的影响，指出机电接口技术必然促进机电一体化的发展。

　　1绪论科学技术突飞猛进的发展，使多学科之间的融合与渗透变得越来越重要，从而形成了新的研究方向。机电一体化技术就是一个集机械技术、伺服驱动技术、计算机技术、自动控制技术、检测传感技术、网结通讯技术、系统整体技术等为一体的学科。

　　机电一体化产品设计时要研究多种学科技术中各有关学科的各自特征，它们的各特征参量之间的物理联系，正确处理好各学科的特征参量之间的要求、关系和耦合条件，并通过研究这些学科的内在联系和耦合关系去分析和解决机电一体化产品系统工程设计中的具体问题。机电接口技术就是在这种情况下产生的，它是解决如何把机电及相关领域技术有机地融为一体，从而设计出最优的机电一体化产品的研究领域。

　　2机电接口技术的内涵与机电一体化系统组成的关系21对机电一体化系统组成的理解在研究机电一体化产品设计时，我们将被研究的对象视为一个系统，然后从系统整体出发，研究系统的各组成部分的相互关系综合考虑各种因素，寻求最优方案，以达到最优化效果，这是机电一体化产品系统工程设计的重要目的。机电一体化系统设计的出发点和归宿是机电一体化系统的组成。

　　由于其重要性，国内外学者进行了广泛和深入的研究，其中具有代表性的有：基金项目：本项目研究条件由北京市先进制造重点实验室提供体化系统集成。

　　sernann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。德国学者将机电一体化系统通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、四肢及躯体。五块机电一体化的发展，五块论已经不能满足系统的融合与集成的需要。

　　三环论丹麦理工大学的JacobBaur等人提出机械、电子、软件三个相关圆环，以此表示了机电一体化系统的组成和相互关联。三W论中电子含义比较含糊；软件是指实现信息处理和控制的程序，同样无法使人们对真实系统作科学和明确的组成划分。

　　两个系统挪威科技大学的BassamAHsef是出Ml电化系J分为物蒴统腠制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。两子系统论从功能划分来看，比前一种看法更趋于芫善，有利于对控制系统的深入研究。但是将驱动装置、执行机构、传感器等统称为物理系统，过于笼统，使系统设计无从下手。

　　E个子系统上海交通大学的邹慧君提到，也符合自然辩证法中关于层次结构的理论，层次结构的基本特点决定了其中必着双向因果链：低层系统作为原因可以在高层系统中引起一定的结果，高层系统作为原因又会在低层系统中引起某些结果。作为低层系统的机械技术只能形成功能有限的纯机械的产品，当它与微电子技术、信息技术相结合后，就形成了具有机电一体化技术的多功能的机电一体化产品。而作为高层系统的机电一体化技术对它的组成部分：机械技术、微电子技术、信息技术等也不是全盘接受，而是对它们有一定的限制和影响，通过限制和影响，只有那些满足要求的才能进入高层系统。机电一体化产品就此基础上形成的。有了这个认识，我们提出了一种新的机电一体化系统组成，见*在这个机电一体化系统模型中，我们主要想说明这样几个观点：机电一体化系统由五部分组成，分别是控制系统、动力源、驱动系统、传感器和执行机构。

　　机电一体化系统的组成部分是分层次的，控制系统是控制层，控制整个系统的运行。动力源、驱动系统和传感器为驱动反馈层，从控制系统获得命令并将其放大驱动执行机构动作，感测执行机构体化系统可划分为：广义执行机构子系统、传测子系统、信息处制子系统。它们分别完成机械运动和动作、信息裣测、信息处理及控制。三符系统的表示方法，便于从功能原理的角度进行理解，但也不利于直接用于系统设计。

　　从上述几种不同的认识可以看出，机电一体化系统具有模糊性、复杂性、多样性，咄成了机电一体化系统设计的困难。因此，对于机电一体化系统组成的认识还需不断的深入和芫善，而机电一体化技术的支术已经日趋成熟。现在机电一体化系统设计的关键在于掌握组成技术之间的关联，找到它们之间的最优连接方式。这就是机电接口技术的研究内容。

　　22机电一体化系统组邓n关联综合分析上述几种不同的组成结构，并从机电一体化系统的整体与部分的关系出发，我们认为机电一fls似支术应该蚺组成它的备w技术相靡透、相互结合的基础上，相互辅助、相互促进和提高充分利用各个相关技术的优势，扬长避短，使组合后按照驱动系统的指令执挪作。

　　机电一体化系统是一个有机的整层与层之间、本层内部都有信息和能量的交互，信息和能量的交互和传递是通过各种接口来实现的。

　　机电一体化系统能够与人进行信息交互，受人的控制。人与机电一体化系统的交互通过人机接口来实现。

　　从这里可以看出，机电一体化系统是一个由多个子系统构成的有机整体。各子系统之间通过接口进行连接、进行信息和能量的交互。各种接口不仅起连接作用，而且更重要的是将子系统的特往和优点有机的结合在一起，扬长避短，从而实现各子系统都无法实现的新的功能，越J系统最优化。从这一观点出发，系统的性能在献腠上取决于接口的性能，各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定因素。机电接口技术的研究对象正是机电一体化系统中的接口，因此，机电接口技术在机电一体化系统设计中占有重要的地位，需要进行深入的研究。

　　23机电接口技术的内涵机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统其子系统之间的接口极为重要，从某种意义上说，机电一体化系统设计就是接口的设计。但现在对于机电接口技术的研究较少，通过对机电一体化系统进行总结和归纳，我们提出了机电接口技术的概念形成了如下几点认识。

　　（1肌电接口技术的内涵机电接口技术是一门新兴的技术，它研究机电一体化系统中各组成部分（子系统）和各组成技术之间的接口问题。研究这门技术是为了更有效地进行系统中信息能量的交互，融合各种技术，实现机电一体化系统最优化设计。

　　（2）机电一体化系统接口（简称机电接口）的功能机电接口传递和转换信息和能量，并将机电一体化各组成技术的特性融为一体。机电接口包括硬件和软件涵件主要在子系统之间或人与机电一体化系统之间建立连接为信息和能量的输入/输出、传递和转换提供物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电一体化组成技术，使各子系统集成并融合为一个整体，实现新的功能。

　　口、动力接口、智能接口和机-电接口4类。

　　人-机接口人与机电一体化系统之间的接口，通过此接口，可以监视系统的运行状态，控制其运行过程，即通过人-机接口能够使系统按照人的意志进行工作。人-机接口是双向的，硬件包括输入/输出设备，主要有显示屏、键盘、按钮等。

　　动力接口动力源连接到驱动系统的接口，为驱动系统提供相应的动力。根据系统所需的动力类型不同如直流电、交流电、气动、液压等，动力接口的形式也有很大的不同。但动力接口有一个共同的特点，能够通过较大的功率。

　　出，智能接口主要存在于三处，控制系统到驱动系统、驱动系统到传感器、传感器到控制系统。智能接口的应用情况相对比较复杂，但可以得出它的一些共性：智能接口传递和转换各种信息按照不同技术的要求改变信息形式使不同的子系统、不同的技术能够集成在一起，形成芫整的系统。通常，智能接口是软件表现出的功能连接。

　　机-电接口执行机构与驱动系统和传感器之间的接口。将驱动信号转换成执行机构所需的信号，或将执行机构的机械信号转换成传感器所需的信号。

　　3机电接口技术对机电一体化发展的社会需求推动机电一体化技术的发展。当传统的机械技术无法满足曰益增加的社会需求时，机械技术与电子技术、信息技术等结合形成的机电一体化技术就成了机械技术发展的必然。机电一体化技术产生之初，仅是机械技术与电子技术的简单结合，它们结合的方式一一接口也比较简单，而随着机电一体化技术的发展，机电一体化产品已经发展成为集多种技术于一体的复杂系统，相应的系统内部的接口也就变得越来越复杂。

　　下转第12页用研究做了有益的探索。进一步研究工作还在继续。