摘要：建立了機電一體化系統功能原理解的介面特徵模型，提出了基於介面特徵匹配的機電一體化系統功能原理求解典型程序、機電單元功能原理求解與介面匹配並行策略．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，進行了例項驗證．
關鍵詞：介面匹配；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為一體的綜合系統，其構成要素或子系統之間的介面極為重要，從某種意義上說，機電一體化系統設計歸根結底就是介面設計[1]．概念設計是產品設計程序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，對提高產品效能、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慧搜尋策略，研製了能對單一功能求解的試驗系統口。5]．但對多學科領域整合的機電一體化系統概念設計階段的功能原理求解，尤其是基於介面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．本文著重探討了基於介面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功能原理解的介面特徵模型
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)的子系統或元件稱為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，為此，各單元相接處必須具備一定的聯絡條件，即介面．，大部分機電一體化產品的總功能是通過多個相異和(或)相同分功能或子功能的協同作用來實現的，稱之為系統功能．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介面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為整體的有機組成部分相聯接時，介面的適配性．為解決該問題，本文提出了機電一體化系統功能原理解的介面特徵模型(見圖1)．作用原理介面特徵功能動詞、／，功能類別、廠作用物件、／，關聯物件特徵／＼特徵／＼特徵／＼特徵輸入物件特徵輸出物件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、／，輸出資訊介面特徵／／＼介面特徵／＼介面特徵／＼介面特徵／＼介面特徵／／＼介面特徵箍纂)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介面特徵模型介面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介面約束，主要用於從原理解知識庫中搜索可行解，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功能原理求解典型程序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介面的適配性．機電系統功能求解過程可以分為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，即通過功能一效應一作用原理對映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、整合化和系統化分過程，解決機電單元功能解整合時的介面適配性問題．
2．2功能原理求解與介面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介面適配性檢驗，及時淘汰在前一層次已經不適配的系統解，以減少下一層次的介面適配性檢驗工作．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(通常為運動執行功能)、驅動功能、傳動功能、感測檢測功能、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，接著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介面與驅動功能解適配、輸出介面與運動執行功能解適配的傳動功能解．在此基礎上，再依次選配合適的感測檢測功能解、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功能原理解介面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，所謂單元功能解的介面特徵實際上包含有功能介面特徵、效應介面特徵和原理介面特徵(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，因而在內涵上存在著巢狀的關係．原理解介面特徵在內涵上的分層巢狀性質體現了介面資訊從粗略到詳細的層層相扣的特點，提供了按功能介面、效應介面和原理解介面分層先後進行適配性檢驗的可能．功能介面特徵和效應介面特徵所包含的資訊量相對較少，不必再對其劃分層次．但作用原理介面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，作用原理介面特徵包括輸入／輸出物料介面、輸入／輸出能量介面、輸入／輸出資訊介面、作用環境介面7個分特徵，它們大致可以被劃分為作用物件層次和關聯物件層次．作用物件是指直接參與功能實現，構成功能的'輸入和輸出的物件．作用物件還可以細分為主要作用物件和非主要作用物件2個層次，主要作用物件就是通過運動執行功能實現轉換的物件．關聯物件是指不直接參與功能實現，而是通過作用物件間接與原理解產生關係的物件，這裡主要指作用環境．基於以上對作用原理介面特徵的層次劃分，作用原理介面特徵層面上的逐層次匹配策略為：先進行主要作用物件介面特徵匹配，再進行非主要作用物件介面特徵匹配，最後進行關聯物件介面特徵匹配．由於關聯物件介面特徵所包含的介面資訊比較簡單，故只討論作用物件介面特徵匹配的有關問題．作用物件介面特徵包括能量介面特徵、物料介面特徵、資訊介面特徵3類．能量介面特徵可以被劃分為3個層次：①效應層．描述與效應直接相關的介面特徵；②作用原理層．對效應層物理量或者物件加以更加詳細描述的其他介面特徵；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介面特徵．同樣，物料介面特徵、資訊介面特徵也可以劃分為效應層、作用原理層、物理實現層3個層次．基於以上對作用物件介面特徵的層次劃分，作用物件介面特徵匹配策略為：效應層介面特徵匹配一作用原理層介面特徵匹配一物理實現層介面特徵匹配．
3 應用例項基於以上思想，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．