摘要：建立了機電一體化系統功能原理解的接口特徵模型，提出了基於接口特徵匹配的機電一體化系統功能原理求解典型進程、機電單元功能原理求解與接口匹配並行策略．開發了一個支援電腦刺繡機、多功能縫紉機等機電產品功能原理求解的計算機輔助系統，進行了實例驗證．
關鍵詞：接口匹配；機電一體化系統；功能原理求解
機電一體化系統是機械、電子和資訊等功能各異的技術融爲一體的綜合系統，其構成要素或子系統之間的接口極爲重要，從某種意義上說，機電一體化系統設計歸根結底就是接口設計[1]．概念設計是產品設計進程中最富創新性的階段之一，原理方案設計則是概念設計的核心，對提高產品性能、降低產品成本有決定性的影響[2]．近年來，國內外研製了一些能夠實現特定功能的功能原理解的設計知識目錄或知識庫，探索了單一功能原理解的計算機表達及智能搜尋策略，研製了能對單一功能求解的試驗系統口。5]．但對多學科領域集成的機電一體化系統概念設計階段的功能原理求解，尤其是基於接口特徵匹配的機電一體化系統功能原理求解的研究卻很少見到報道．本文着重探討了基於接口特徵匹配的機電一體化系統功能原理求解策略和實現方法．
1功能原理解的接口特徵模型
機電一體化系統由許多子系統或元件構成，把能夠實現單一功能(功能單元)的子系統或元件稱爲機電系統中的機電單元．各機電單元之間必須能夠順利進行物質、能量和資訊的傳遞與交換，爲此，各單元相接處必須具備一定的聯繫條件，即接口．，大部分機電一體化產品的總功能是透過多個相異和(或)相同分功能或子功能的協同作用來實現的，稱之爲系統功能．與各機電單元功能原理求解相比，機電系統功能原理求解除了需要研究每個機電接口特徵單元原理解的獨立的功能可行性之外，還需要研究各個單元原理解作爲整體的有機組成部分相聯接時，接口的適配性．爲解決該問題，本文提出了機電一體化系統功能原理解的接口特徵模型(見圖1)．作用原理接口特徵功能動詞、／，功能類別、廠作用對象、／，關聯對象特徵／＼特徵／＼特徵／＼特徵輸入對象特徵輸出對象特徵作用環境特徵輸入物料、／，輸入能力、／，輸入資訊、／輸出物料、／，輸出能量、／，輸出資訊接口特徵／／＼接口特徵／＼接口特徵／＼接口特徵／＼接口特徵／／＼接口特徵箍纂)人(茬萎)人(差鎣)人(差茬)人(茬鍪)人(茬霾鍪Y華Y待特J特I特徵八徵八徵其、，動、／運他I力I動特J特l特徵八徵八徵圖1 機電一體化系統功能原理解的接口特徵模型接口特徵模型定義了機電一體化系統功能原理解在功能、效應、作用原理等不同層面上的接口約束，主要用於從原理解知識庫中搜尋可行解，是進行系統級功能原理求解的核心知識．
2功能原理的求解策略
2．1功能原理求解典型進程機電一體化系統功能原理求解的核心問題是檢驗系統中各單元功能解與其相關聯的其他單元功能解的接口的適配性．機電系統功能求解過程可以分爲2個分過程：
①具體化、結構化分過程，解決機電單元功能解的可行性問題，即透過功能一效應一作用原理映射過程生成作用原理解(即實現給定功能的物理結構)；②綜合化、集成化和系統化分過程，解決機電單元功能解集成時的接口適配性問題．
2．2功能原理求解與接口匹配策略機電一體化系統功能原理求解的前提和基礎是機電單元功能原理的獨立求解，按相關性次序，分層次地進行相關部分單元功能解的接口適配性檢驗，及時淘汰在前一層次已經不適配的系統解，以減少下一層次的接口適配性檢驗工作．設計學分析表明，機電一體化系統的總功能一般都由目的功能(通常爲運動執行功能)、驅動功能、傳動功能、傳感檢測功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示．其中，目的功能的解是機電一體化系統功能原理解的核心．因此，由初選的一個目的功能解出發，先配之以可行的驅動功能解，接着考察在運動執行功能解與驅動功能解之間選配傳動功能解的必要性，並在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅動功能解適配、輸出接口與運動執行功能解適配的傳動功能解．在此基礎上，再依次選配合適的傳感檢測功能解、控制功能解和輔助功能解．這是一種效率較高，也比較可行的匹配策略．
2．3功能原理解接口特徵匹配的實現方法機電單元功能求解過程是從功能至效應，最終至原理解的具體化和結構化過程．在系統級功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特徵實際上包含有功能接口特徵、效應接口特徵和原理接口特徵(見圖1)．這三者之間不是並列的關係，後者是前者的具體化和結構化，是前者的物化和實現，因而在內涵上存在着嵌套的關係．原理解接口特徵在內涵上的分層嵌套性質體現了接口資訊從粗略到詳細的層層相扣的特點，提供了按功能接口、效應接口和原理解接口分層先後進行適配性檢驗的可能．功能接口特徵和效應接口特徵所包含的資訊量相對較少，不必再對其劃分層次．但作用原理接口特徵包含的資訊量很大，有必要再對其細分層次．從圖1可以看出，作用原理接口特徵包括輸入／輸出物料接口、輸入／輸出能量接口、輸入／輸出資訊接口、作用環境接口7個分特徵，它們大致可以被劃分爲作用對象層次和關聯對象層次．作用對象是指直接參與功能實現，構成功能的'輸入和輸出的對象．作用對象還可以細分爲主要作用對象和非主要作用對象2個層次，主要作用對象就是透過運動執行功能實現轉換的對象．關聯對象是指不直接參與功能實現，而是透過作用對象間接與原理解產生關係的對象，這裏主要指作用環境．基於以上對作用原理接口特徵的層次劃分，作用原理接口特徵層面上的逐層次匹配策略爲：先進行主要作用對象接口特徵匹配，再進行非主要作用對象接口特徵匹配，最後進行關聯對象接口特徵匹配．由於關聯對象接口特徵所包含的接口資訊比較簡單，故只討論作用對象接口特徵匹配的有關問題．作用對象接口特徵包括能量接口特徵、物料接口特徵、資訊接口特徵3類．能量接口特徵可以被劃分爲3個層次：①效應層．描述與效應直接相關的接口特徵；②作用原理層．對效應層物理量或者對象加以更加詳細描述的其他接口特徵；③物理實現層．描述該原理解的結構、形狀、尺寸等物理層面的具體接口特徵．同樣，物料接口特徵、資訊接口特徵也可以劃分爲效應層、作用原理層、物理實現層3個層次．基於以上對作用對象接口特徵的層次劃分，作用對象接口特徵匹配策略爲：效應層接口特徵匹配一作用原理層接口特徵匹配一物理實現層接口特徵匹配．
3 應用實例基於以上思想，筆者開發了一個支援電腦刺繡機等機電產品功能求解的計算機輔助原理方案設計原型系統．限於篇幅，本文主要介紹電腦刺繡機繡框傳動機構的功能原理求解過程．