綜述機電接口技術(shù)的內(nèi)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(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)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(shè)計機電一體化系統(tǒng)提出了機電接口技術(shù)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(shù)對機電一體化的影響，指出機電接口技術(shù)必然促進機電一體化的發(fā)展。
1緒論科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，使多學(xué)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(shù)就是一個集機械技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、網(wǎng)結(jié)通訊技術(shù)、系統(tǒng)整體技術(shù)等為一體的學(xué)科。
機電一體化產(chǎn)品設(shè)計時要研究多種學(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，并通過研究這些學(xué)科的內(nèi)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(tǒng)工程設(shè)計中的具體問題。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(shè)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(nèi)涵與機電一體化系統(tǒng)組成的關(guān)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(chǎn)品設(shè)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(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(tǒng)工程設(shè)計的重要目的。機電一體化系統(tǒng)設(shè)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(nèi)外學(xué)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(jié)構(gòu)功能等五大功能模塊組成。德國學(xué)者將機電一體化系統(tǒng)通俗地類比于人的大腦、內(nèi)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)不能滿足系統(tǒng)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、軟件三個相關(guān)圓環(huán)，以此表示了機電一體化系統(tǒng)的組成和相互關(guān)聯(lián)。三W論中電子含義比較含糊；軟件是指實現(xiàn)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(xué)和明確的組成劃分。
兩個系統(tǒng)挪威科技大學(xué)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(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)、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(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等統(tǒng)稱為物理系統(tǒng)，過于籠統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計無從下手。
E個子系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的理論，層次結(jié)構(gòu)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(jié)果，高層系統(tǒng)作為原因又會在低層系統(tǒng)中引起某些結(jié)果。作為低層系統(tǒng)的機械技術(shù)只能形成功能有限的純機械的產(chǎn)品，當(dāng)它與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)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(tǒng)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(chǎn)品就此基礎(chǔ)上形成的。有了這個認(rèn)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(qū)動系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。
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(qū)動系統(tǒng)和傳感器為驅(qū)動反饋層，從控制系統(tǒng)獲得命令并將其放大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，感測執(zhí)行機構(gòu)體化系統(tǒng)可劃分為：廣義執(zhí)行機構(gòu)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(shè)計。
從上述幾種不同的認(rèn)識可以看出，機電一體化系統(tǒng)具有模糊性、復(fù)雜性、多樣性，咄成了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的困難。因此，對于機電一體化系統(tǒng)組成的認(rèn)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。現(xiàn)在機電一體化系統(tǒng)設(shè)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)的研究內(nèi)容。
22機電一體化系統(tǒng)組鄧n關(guān)聯(lián)綜合分析上述幾種不同的組成結(jié)構(gòu)，并從機電一體化系統(tǒng)的整體與部分的關(guān)系出發(fā)，我們認(rèn)為機電一fls似支術(shù)應(yīng)該蚺組成它的備w技術(shù)相靡透、相互結(jié)合的基礎(chǔ)上，相互輔助、相互促進和提高充分利用各個相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，揚長避短，使組合后按照驅(qū)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)。
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(gòu)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(jié)合在一起，揚長避短，從而實現(xiàn)各子系統(tǒng)都無法實現(xiàn)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(shù)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(shù)在機電一體化系統(tǒng)設(shè)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(shù)的內(nèi)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(shù)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(shè)計就是接口的設(shè)計。但現(xiàn)在對于機電接口技術(shù)的研究較少，通過對機電一體化系統(tǒng)進行總結(jié)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認(rèn)識。
?。?肌電接口技術(shù)的內(nèi)涵機電接口技術(shù)是一門新興的技術(shù)，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(shù)之間的接口問題。研究這門技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)換提供物理通道。軟件主要是提供系統(tǒng)信息交互、轉(zhuǎn)換、調(diào)整的方法和過程，協(xié)調(diào)和綜合機電一體化組成技術(shù)，使各子系統(tǒng)集成并融合為一個整體，實現(xiàn)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(shè)備，主要有顯示屏、鍵盤、按鈕等。
動力接口動力源連接到驅(qū)動系統(tǒng)的接口，為驅(qū)動系統(tǒng)提供相應(yīng)的動力。根據(jù)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(qū)動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)到傳感器、傳感器到控制系統(tǒng)。智能接口的應(yīng)用情況相對比較復(fù)雜，但可以得出它的一些共性：智能接口傳遞和轉(zhuǎn)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(tǒng)、不同的技術(shù)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(xiàn)出的功能連接。
機-電接口執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)和傳感器之間的接口。將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)所需的信號，或?qū)?zhí)行機構(gòu)的機械信號轉(zhuǎn)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)展的社會需求推動機電一體化技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)傳統(tǒng)的機械技術(shù)無法滿足曰益增加的社會需求時，機械技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)等結(jié)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)的簡單結(jié)合，它們結(jié)合的方式一一接口也比較簡單，而隨著機電一體化技術(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(fù)雜系統(tǒng)，相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)部的接口也就變得越來越復(fù)雜。
