机电系统接口技术01

课程目标
本课程就是针对机电一体化系统中的硬件 接口【机械（传动）接口、电气（检测、 控制）接口、机电（驱动）接口、人机 （交互）接口】、软件接口，进行技术分 析和方法介绍，通过实例分析使学生能够 掌握接口技术的基本知识与方法，为机电 一体化系统设计奠定相关的基础。
第一章 绪论
1.1 什么是接口
人性化
未来机电一体化系统更加注重与人的关系， 除了满足技术要求外，还要注重人的心理 感受，提高产品与人和环境的友好型，提 高产品的可靠性和安全性，将人与系统有 机融合在一起，形成新的机电一体化系统。
网络化
网络可以缩短时间和空间距离 网络化接口便于数据与信息共享 网络化接口可以提供远程操控 未来接口技术在网络化方面应该有很大发 展。
1.2 接口的分类
机电系统接口根据I/O关系（功能），划分 为： 人机接口（交互接口） 机电接口（驱动接口） 机械接口（传动接口） 电气接口（控制接口、检测接口） 软件接口
人机接口（交互接口）
是指人与机电系统之间的接口，主要包括 输入/输出（I/O）设备。 功能： 通过输入设备输入操作指令/数据，控制系 统运行过程
前言
答案：否 模块化、标准化是现代技术发展的重要特征，对 于一个复杂的机电一体化系统，通常不是从零件 开始设计，而是按照选用模块、设计模块、然后 总体集成的思路来设计。因此，从某种意义上讲。 机电一体化就是解决接口的技术。 接口技术就是使不同子系统之间的信息、能量能 顺畅流动，达到不同子系统功能相互补充，相得 益彰的目的。
4 机电系统模型 ——五块论
要达到整体最优的机电产品设计，需要建 立合理的机电系统模型，主要观点有： 五块论 德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出 机电一体化系统是由等五大功能模块组成。 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、 检测传感部分、控制及信息处理部分。 优点：使系统设计有章可循 缺点：设计易陷入 条块分割
使用教材
接口技术
参考书目 机电接口技术
高福祥
王岚
主要内容
第1章 绪论 第2章 机械接口（传动接口） 第3章 电气接口（检测接口） 第4章 电气接口（控制接口） 第5章 人机接口（交互接口） 第6章 机电接口（驱动接口） 第7章 软件接口 第8章 机电一体化设计实例
前言
电气接口（控制接口、检测接口）
主要解决控制系统与驱动系统（控制接口）、传 感器与控制系统（检测接口+控制接口）、传感 器与驱动系统（检测接口）之间接口。 检测接口对传感器输出的信号进行检测与转换， 并输入控制接口；控制接口将检测接口输出的信 号通过数字量或模拟量输入通道送入控制系统中， 将控制系统输出的数字量转换为驱动系统所需要 的数字或模拟信号。 这些信号的转换都是通过软件进行的。
解决执行机构与驱动系统之间接口，主要实现动 力的传递和能量、运动的变换。 包含： 零接口，执行机构与驱动系统直接相连，不进行 能量转换和运动变换，如联轴器 被动接口：进行能量转换和运动变换。 如滚珠丝杠将直线转换为旋转运动 减速器进行减速增矩。 还有精密齿轮、谐波齿轮传动等
1.3接口技术的发展趋势
2.机电产品传统设计方法
步骤： 机械系统设计 动力系统和微电子系统设计 控制器与控制算法设计 问题： 易将机械设计问题代入电子系统和控制系 统设计中去。 如精密数控机床设计中滚珠丝杠的选择。
3.系统工程学的设计方法
要求： 改变传统串行设计思路，采用并行方法进 行设计 方法： 在预设计阶段，对各子系统综合分析，提 出子系统的功能和子系统间的接口方案。 在设计过程中，不同子系统设计师互相交 换信息，适时调整设计方案，追求系统最 优化。
5系统+5接口论
认为机电一体化就是接口技术 接口技术就是研究各子系统之间的连接问 题，使信息、能量在子系统之间能顺畅流 动，达到系统整体上的最优化。 系统接口决定系统整体性能。 5系统：控制系统 伺服驱动系统 传感检 测系统 执行机构 动力源 5接口：人机接口 电气接口 机电接口 机 械接口 软件接口
通过输出设备显示系统运行状态/结果；方 便监视系统运行状态，了解系统信息
人机接口设备
常用设备：键盘 拨码开关 按钮 触摸屏 LED LCD显示器 打印机 高级设备：语音识别 指纹识别 虹膜识别 面部识别等 人机接口还包括产品与环境的关系，如产品 的拆卸、回收、无污染等设计 产品与人的关系：产品的宜人性，如外观、 易操作、使用方便程度等。
人
5系统+ 5接口论
+软件接口
电气接口
人机接口
控制系统 电气接口
动 力 源
机 电Leabharlann Baidu接 口
伺服驱动系统
电 气 接 口
机械接口 执行机构
传 感 检 测 系 统
5系统+6接口论
5系统：控制系统 伺服驱动系统 传感检 测系统 执行机构 动力源 5+1接口：硬件接口（交互接口 检测接口 控制接口 驱动接口 传动接口） +软件 接口
软件接口
软件接口，其实指的是软件数据接口。 主要解决不同总线、不同程序之间的信息 格式转换。 例如ISA总线与USB总线的转换、 Windows下的设备驱动程序（ISA、PCI总 线设备驱动） 、不同语言的混编（汇编语 言与高级语言混编、高级语言之间混编、 动态连接库DLL）等。
机械接口（传动接口）
两个系统
挪威科技大学的Bassam A Hussein提出 将机电一体化系统划分为。 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。 优点：功能划分比较完善，但物理系统划 分不是很细致，设计无从下手。
三子系统论
国内有人提出划分： 广义执行子系统、传感检测子系统、信息 处理与控制子系统的三子系统论。 缺点：仍不能清晰界定各子系统，不利于 直接用于系统设计。
随着机电一体化技术发展，系统智能化程 度越来越高，系统越来越复杂，系统间接 口变得复杂，系统内部接口也很复杂。 从国内外机电技术发展趋势看，有以下几 个方向： 标准化 智能化 微型化 人性化 网络化 绿色化
标准化
机电一体化系统发展趋势之一是模块化， 相应的必然要求是标准化。 使不同模块具有一致的接口规范 在保证接口一致性前提下，还要保证能量 和信息的顺畅流动。 如：手机充电器
机电一体化技术是当代科学技术发展最为 活跃的领域之一,随着计算数学、工程力学、 机械动力学、电子信息技术及计算机技术 的飞速发展,极大地丰富和发展了传统设计 技术的内容。 接口技术是在机电一体化技术的基础上发 展起来的，随着机电一体化技术的发展而 变得越来越重要。
前言
机电一体化是指在机构的主功能、动力功 能、信息处理功能和控制功能上引进电子 技术，将机械装置与电子化设计及软件结 合起来所构成的系统的总称 。 问题： 各单元技术都先进，是否集成后的系统技 术也先进呢？
智能化
是机电一体化与传统机械自动化的根本区 别，也是接口技术发展的主要方向。 接口不再简单进行能量和信息的传递，而 是向着信息采集、处理的智能化方向发展。
微型化
微机电技术发展很快，它是机械技术和电 子技术在纳米尺寸上相融合的产物。 微机电系统构成与机电一体化系统有很大 区别，其接口也趋向微型化。 在某些意义上，接口技术已经成为制约微 机电技术发展的一个瓶颈。
绿色化
节能减排是基本国策 机电产品的节能性能、对环境污染程度、 可拆卸方便程度、回收利用率等绿色化指 标和接口技术都有直接关系。 机电接口技术的绿色化也是一个新兴的研 究方向。
机电系统接口技术
46学时/ 3学分 限选 /考试 任课教师：尚会超 机械电子工程系
教材与参考书
教材名称 主编 出版社 光机电一体化 系统接口技术 接口技术 化学工业出版社2007 方建军 年7月 龚捷 化学工业出版社2009 年1月 东北大学出版社2006 年01月 中央广播电视大学出 版社2003年7月
三环论
丹麦理工大学的Jacob Burr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。其中机 械模块包括执行机构、机械传动；电子模 块包括驱动器的电力、电子部件和传感器； 软件是指控制系统的软件。 缺点：纯属于物理层面探讨，对设计没有 实际的指导意义。
机电接口（驱动接口）
广义说法：指机电一体化产品中的机械装置与控 制微机间的接口。 包括：集成稳压电源电路、信号处理、隔离电路、 PID运算电路和滤波器电路，常用功率器件及直 流电机、步进电机、交流电机的驱动接口电路 狭义说法：动力源与驱动装置（电机、液压、气 动执行装置）之间的能量转换接口。 包括常用功率器件及直流电机、步进电机、交流 电机的驱动接口电路（在此采用狭义说法）
人
5系统+ 6接口论
+软件接口
交互接口
控制系统 控制接口 控制 检测 接口 接口
动 力 源
驱 动 接 口
伺服驱动系统 传动接口 执行机构
检 测 接 口
传 感 检 测 系 统
参考文献： 郑刚. 机电接口技术的内涵与机电一体化发 展 ，制作业自动化，2003.6 刘岩，光机电一体化技术及产业发展趋 势——兼谈深圳市光机电一体化产业
1.2 接口的分类 1.3 接口技术的发展趋势
学习要求
1 了解接口的概念，理解机电一体化系统 接口的实质 2 掌握接口的一般分类
3 了解接口技术的发展趋势
1.1 什么是接口
1. 机电系统的综合性与系统性
机电一体化是一门跨学科的边缘科学，它是微电子 技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成 的综合性高技术。 各国定义并不一致： 日本 ：将机械装置与电子设备以及软件等有机结合 而组成的系统 美国：由计算机信息网络协调与控制用于完成包括 机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或) 机电部件相互联系的系统 多技术的综合及多个部分的组合，使得机电技术及 产品更具有系统性、完整性和科学性。其各个组成 部分在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的 要求，这就需要取长补短，不断向理想化方向发展。 其结果使原来各种技术扬长避短，更趋于合理。