1.5 机电一体化系统各要素之间的关系

机电一体化系统（或产品）是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能（目的功能）。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。

物质、能量和信息被称为“工业三大要素”。机电一体化系统的功能主要是对工业三大要素进行变换、传递和储存，其功能构成包括主功能、动力功能、检测功能、控制功能和构造功能。

1.5.1 机电一体化系统的功能构成

1. 主功能

（1）变换（加工、处理）功能。

以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等），经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统（或产品），被称为“加工机”。例如，各种机床（切削、锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。

（2）传递（移动、输送）功能。

以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不同形式能量（或物质）的系统（或产品），被称为“动力机”。其中输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。

（3）储存（保持、积蓄、记录）功能。

以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），被称为“信息机”。例如，各种仪器、仪表、电子计算机、电报传真机以及各种办公机械等。

2. 动力功能

动力功能是为系统提供所需动力、让系统得以运转的功能，其主要参数有输入能量、能源。

3. 检测功能

检测功能的作用是检测系统内部信息和外部信息，其主要参数有精度和速度。

4. 控制功能

控制功能的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，以实现“目的功能”，其主要参数有控制输入／输出口个数、手动操作、自动操作。

5. 构造功能

构造功能是将组成系统的各要素组合起来，进行空间匹配，以形成一个统一整体，其主要参数有尺寸、重量、强度。

图1-9表明了机电一体化系统对工业三大要素进行变换、传递和储存的功能。表1-1表明了机电一体化系统要素及功能与人体要素的对应关系。

1.5.2 机电一体化系统中接口的定义

机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件被称为“接口”（interface）。如图1-10所示为机电一体化系统的内外部接口示意图。

根据接口的变换、调整功能，可将接口分成以下4种。

（1）零接口。不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用的接口，被称为“零接口”。例如，输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等。

（2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，被称为“无源接口”。例如，齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器及透镜等。

（3）有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，被称为“有源接口”。例如，电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转换器及力矩变换器等。

（4）智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件的接口，被称为“智能接口”。例如，自动变速装置，通用输入／输出LSI（8255等通用I/O）、GP-IB总线、STD总线等。

根据接口的输入、输出功能，也可将接口分为4种。

（1）机械接口：由输入／输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械连接的接口，被称为“机械接口”。例如，联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、插头与插座等。

（2）物理接口：受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口，被称为“物理接口”。例如，受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小及气体成分（压力或流量）约束的接口等。

（3）信息接口：受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口，被称为“信息接口”。例如，GB、ISO、ASCII码、RS232、FORTRAN、C、C++、C#等。

（4）环境接口：对周围环境条件（温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘）有保护作用和隔绝作用的接口，被称为“环境接口”。例如，防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等。

广义的接口功能有两种，一种是输入、输出，另一种是变换、调整。

从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素和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性因素。

如图1-11（a）所示为构成人体的五大要素，如图1-11（b）所示为机电一体化产品的五大要素。由此可以看出，机电一体化是由机械本体（相当于人体的骨骼）、控制系统（相当于人体的大脑）、检测装置（相当于人体的感官）、动力装置（相当于人体的肌肉）、执行机构（相当于人体的四肢）几部分构成。

总之，构成机电一体化系统的要素很多，各要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的功能。在结构上，机电一体化系统的各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部合理匹配、外部效能最佳的完整产品。