綜述機(jī)電接口技術(shù)的內(nèi)涵與機(jī)電一體化發(fā)展鄭剛，費(fèi)仁元，張慧慧，孫樹(shù)文（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院；北京100022）了一種新的機(jī)電一體化系統(tǒng)組成方式。為了進(jìn)一步分析與設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)提出了機(jī)電接口技術(shù)的概念，并給出了機(jī)電接口的分類(lèi)。最后分析了機(jī)電接口技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化的影響，指出機(jī)電接口技術(shù)必然促進(jìn)機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)就是一個(gè)集機(jī)械技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)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(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(nèi)在聯(lián)系和耦合關(guān)系去分析和解決機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的具體問(wèn)題。機(jī)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(jī)電及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)有機(jī)地融為一體，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的研究領(lǐng)域。 

　　2機(jī)電接口技術(shù)的內(nèi)涵與機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的關(guān)系21對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的理解在研究機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，我們將被研究的對(duì)象視為一個(gè)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(dá)到最優(yōu)化效果，這是機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重要目的。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿是機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成。 

　　由于其重要性，國(guó)內(nèi)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(xiàng)目：本項(xiàng)目研究條件由北京市先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供體化系統(tǒng)集成。 

　　sernann提出機(jī)電一體化系統(tǒng)是由控制功能、動(dòng)力功能、傳感檢測(cè)功能、操作功能、結(jié)構(gòu)功能等五大功能模塊組成。德國(guó)學(xué)者將機(jī)電一體化系統(tǒng)通俗地類(lèi)比于人的大腦、內(nèi)臟、五官、四肢及軀體。五塊機(jī)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(jī)械、電子、軟件三個(gè)相關(guān)圓環(huán)，以此表示了機(jī)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(shí)現(xiàn)信息處理和控制的程序，同樣無(wú)法使人們對(duì)真實(shí)系統(tǒng)作科學(xué)和明確的組成劃分。 

　　兩個(gè)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(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)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(lái)看，比前一種看法更趨于芫善，有利于對(duì)控制系統(tǒng)的深入研究。但是將驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等統(tǒng)稱為物理系統(tǒng)，過(guò)于籠統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)從下手。 

　　E個(gè)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(diǎn)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(huì)在低層系統(tǒng)中引起某些結(jié)果。作為低層系統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)只能形成功能有限的純機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)的多功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品。而作為高層系統(tǒng)的機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)它的組成部分：機(jī)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(duì)它們有一定的限制和影響，通過(guò)限制和影響，只有那些滿足要求的才能進(jìn)入高層系統(tǒng)。機(jī)電一體化產(chǎn)品就此基礎(chǔ)上形成的。有了這個(gè)認(rèn)識(shí)，我們提出了一種新的機(jī)電一體化系統(tǒng)組成，見(jiàn)*在這個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)模型中，我們主要想說(shuō)明這樣幾個(gè)觀點(diǎn)：機(jī)電一體化系統(tǒng)由五部分組成，分別是控制系統(tǒng)、動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 

　　機(jī)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器為驅(qū)動(dòng)反饋層，從控制系統(tǒng)獲得命令并將其放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，感測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)體化系統(tǒng)可劃分為：廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、傳測(cè)子系統(tǒng)、信息處制子系統(tǒng)。它們分別完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作、信息襝測(cè)、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(jìn)行理解，但也不利于直接用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 

　　從上述幾種不同的認(rèn)識(shí)可以看出，機(jī)電一體化系統(tǒng)具有模糊性、復(fù)雜性、多樣性，咄成了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困難。因此，對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的認(rèn)識(shí)還需不斷的深入和芫善，而機(jī)電一體化技術(shù)的支術(shù)已經(jīng)日趨成熟?，F(xiàn)在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)電接口技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。 

　　22機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)和提高充分利用各個(gè)相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使組合后按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的指令執(zhí)挪作。 

　　機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)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(guò)各種接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 

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

　　從這里可以看出，機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的有機(jī)整體。各子系統(tǒng)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(tǒng)的特往和優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新的功能，越J系統(tǒng)最優(yōu)化。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)的性能在獻(xiàn)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(jī)電接口技術(shù)的研究對(duì)象正是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的接口，因此，機(jī)電接口技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，需要進(jìn)行深入的研究。 

　　23機(jī)電接口技術(shù)的內(nèi)涵機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)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(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是接口的設(shè)計(jì)。但現(xiàn)在對(duì)于機(jī)電接口技術(shù)的研究較少，通過(guò)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)和歸納，我們提出了機(jī)電接口技術(shù)的概念形成了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。 

　　（1肌電接口技術(shù)的內(nèi)涵機(jī)電接口技術(shù)是一門(mén)新興的技術(shù)，它研究機(jī)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(wèn)題。研究這門(mén)技術(shù)是為了更有效地進(jìn)行系統(tǒng)中信息能量的交互，融合各種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 

　　（2）機(jī)電一體化系統(tǒng)接口（簡(jiǎn)稱機(jī)電接口）的功能機(jī)電接口傳遞和轉(zhuǎn)換信息和能量，并將機(jī)電一體化各組成技術(shù)的特性融為一體。機(jī)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(jī)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(guò)程，協(xié)調(diào)和綜合機(jī)電一體化組成技術(shù)，使各子系統(tǒng)集成并融合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)新的功能。 

　　口、動(dòng)力接口、智能接口和機(jī)-電接口4類(lèi)。 

　　人-機(jī)接口人與機(jī)電一體化系統(tǒng)之間的接口，通過(guò)此接口，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制其運(yùn)行過(guò)程，即通過(guò)人-機(jī)接口能夠使系統(tǒng)按照人的意志進(jìn)行工作。人-機(jī)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(pán)、按鈕等。 

　　動(dòng)力接口動(dòng)力源連接到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接口，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供相應(yīng)的動(dòng)力。根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jī)-電接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器之間的接口。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的信號(hào)，或?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器所需的信號(hào)。 

　　3機(jī)電接口技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化發(fā)展的社會(huì)需求推動(dòng)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)無(wú)法滿足曰益增加的社會(huì)需求時(shí)，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)等結(jié)合形成的機(jī)電一體化技術(shù)就成了機(jī)械技術(shù)發(fā)展的必然。機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生之初，僅是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的簡(jiǎn)單結(jié)合，它們結(jié)合的方式一一接口也比較簡(jiǎn)單，而隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(lái)越復(fù)雜。