摘要：本文详细研究了机电一体化系统的基本结构、功能原理解接口特征匹配的实现方法、机电一体化技术的发展。机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合,它的发展和进步依赖于也促进相关技术的发展和进步。因此本文具有深刻的理论意义和广泛的实际应用。
关键词：机电一体化 机电一体化系统 机电一体化技术
机电一体化技术始于电子技术的发展以及电子技术与机械技术的结合，代表着机械工业技术革命的发展方向，一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的一门独立的交叉学科。美国IEEE/ASME曾于1996年给出了一个较为全面的定义：在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程和电子与智能计算机控制的协同集成。目前，国际上普遍采用日本机械振兴协会的定义：“机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称”。大规模集成电路的出现，促进了机电一体化技术的发展，并引起了人们广泛的注意。数控机床的问世写下了机电一体化技术的新篇章；微电子技术为机电一体化技术带来了勃勃生机；可编程序控制器、“电力电子”的发展为机电一体化技术提供了坚实基础；激光技术、模糊技术、信息技术等高新技术的发展使机电一体化技术跃上新台阶。
机电一体化产品可分为系统(整机)和基础元(部)件两大类：典型的机电一体化系统有数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、C A D／ C A M 系统等；典型的机电一体化元( 部)件有电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。
这些机电一体化产品将给机械产业和农机产业的生产技术带来巨大的飞跃，而企业的技术开发能力也将随之增强。
1 机电一体化系统的基本结构
(1)机械本体。系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械联接等。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，机械本体要在结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型轻量等要求，只有适应这些要求，才能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。。
(2) 动力部分。按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行，用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。
(3)测试传感部分。包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。
(4)执行机构。根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。
(5)驱动部分。在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。一方面要求驱动的高效率和快速响应特征，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面，由于几何尺寸的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修及标准化。
(6)控制及信息处理单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应指令，控制整个系统有目的地运行。
2 功能原理解接口特征匹配的实现方法
机电单元功能求解过程是从功能至效应，最终至原理解的具体化和结构化过程。在系统级功能原理求解过程中，所谓单元功能解的接口特征实际上包含有功能接口特征、效应接口特征和原理接口特征。这三者之间不是并列的关系，后者是前者的具体化和结构化，是前者的物化和实现，因而在内涵上存在着嵌套的关系。原理解接口特征在内涵上的分层嵌套性质体现了接口信息从粗略到详细的层层相扣的特点，提供了按功能接口、效应接口和原理解接口分层先后进行适配性检验的可能。
功能接口特征和效应接口特征所包含的信息量相对较少，不必再对其划分层次。但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再对其细分层次。作用原理接口特征包括输入／输出物料接口、输入／输出能量接口、输入／输出信息接口、作用环境接口7 个分特征，它们大致可以被划分为作用对象层次和关联对象层次.作用对象是指直接参与功能实现，构成功能的输入和输出的对象。作用对象还可以细分为主要作用对象和非主要作用对象2 个层次，主要作用对象就是通过运动执行
功能实现转换的对象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆关联对象是指不直接参与功能实现，而是通过作用对象间接与原理解发生关系的对象，这里主要指作用环境，基于以上对作用原理接口特征的层次划分，作用原理接口特征层面上的逐层次匹配策略为：先进行主要作用对象接口特征匹配，再进行非主要作用对象接口特征匹配，最后进行关联对象接口特征匹配。由于关联对象接口特征所包含的接口信息比较简单，故只讨论作用对象接口特征匹配的有关问题。作用对象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3 类。
能量接口特征可以被划分为3个层次：①效应层。描述与效应直接相关的接口特征；②作用原理层。对效应层物理量或者对象加以更加详细描述的其他接口特征；③物理实现层。描述该原理解的结构、形状、尺寸等物理层面的具体接口特征。同样，物料接口特征、信息接口特征也可以划分为效应层、作用原理层、物理实现层3 个层次。
基于以上对作用对象接口特征的层次划分，作用对象接口特征匹配策略为：效应层接口特征匹配→作用原理层接口特征匹配→物理实现层接口特征匹配。
3 机电一体化技术的发展
机电一体化技术的各组成技术的研究已经进行得非常深入且日趋成熟，同时，人们也意识到单纯发展和研究各组成技术并不能保证机电一体化系统的最优化。因此，有人提出了要进行机电一体化系统设计理论的研究，也有人提出了机电一体化系统集成和融合的理论。我们认为无论是系统设计理论还是系统集成和融合理论的研究都是必要的，但是，由于机电一体化系统的复杂性，这两种理论都很难对机电一体化系统进行具体的研究，只能停留在理论的层面上。而机电接口技术正为它们提供了一种有效的方法来进行系统研究，并将系统设计、集成和融合理论应用到实际的设计当中。
现在，机电一体化正在向着数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化、绿色化、系统化等方向发展。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、通用性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面，数字化的实现将便于远程控制操作、诊断和修复；智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动；模块化主要是提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性等，由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研发出具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口；网络化基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，包括现场网络、局域网和互联网功能，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处；人性化赋予产品人的智能、情感和人性，除了具有完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，如家用机器人等；微型化使产品向微米、纳米级发展，体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、信息等方面具有不可比拟的优势；集成化包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序，提高产品生产效率和自动化水平；带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池，扩大其使用场地；绿色化是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用，产品设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用；系统化的特征一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构，系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合．同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理，特征二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用，机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。从机电一体化发展方向对机电接口技术的要求来看，机电接口技术的研究与发展已经成为必然，同时，机电接口技术的研究与发展也必然对机电一体化技术的发展起促进作用。
随着科学技术不断深入地发展，集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体的机电一体化技术水平也将得到不断地提高。因此，企业要充分利用机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低且具有柔性的特点，根据市场需求，对产品结构和生产过程进行调整和改造，提高自身的技术开发能力，使其产品在国际市场具有竞争力。
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论文作者:尧旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
标签：接口论文; 机电一体化论文; 特征论文; 技术论文; 系统论文; 作用论文; 功能论文; 《基层建设》2019年第14期论文;