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電子機械學(xué)學(xué)科體系論文
一、前言
機電一體化（，Mechanic”.Eletroiiics.Unified)-詞在日本于7〇年代已簡(jiǎn)縮為一個(gè)英語(yǔ)復合詞：.M.e.cJiatranis-''機械電子學(xué)，，章在把機械學(xué)和電子學(xué)結合擇來(lái)，。從時(shí)代的現實(shí)來(lái)f，電子機梂學(xué)已經(jīng)形成為-個(gè)獨立的學(xué)科，正向著(zhù)阜我完善的方向迅速發(fā)展。電子機_舞一個(gè)綜合性很強的交叉_科，著(zhù)名科學(xué)家錢(qián)三強曾指出可以預料，在某種意義上說(shuō)，本世紀末到下個(gè)世紀初將是一個(gè)交叉科學(xué)的時(shí)代�！卞X(qián)偉長(cháng)教提也在他的文章“交叉學(xué)科與科學(xué)家的社會(huì )職責”中強調了交叉學(xué)科的形成和發(fā)展的重要意叉。日本于7〇年代初期就順應了這一取宋潮流，、加之管理的科學(xué)化，，利用電于機械的這種復合技術(shù)，復合出各萃各樣的電子機械產(chǎn)’品，并對傳統的機械進(jìn).行技術(shù)改造，從而使電子機械的生產(chǎn)在其經(jīng)濟迅速發(fā)展中占著(zhù)舉足輕重的地位。.扒.電一體化技術(shù)對日本經(jīng)濟迅猛發(fā)展的作用引起國內各級領(lǐng)導的輯烈反應，-上至中央下至各企業(yè)領(lǐng)導同志都對機電一?體化技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。在工程技術(shù)界的不少專(zhuān)家及學(xué)者也漸對電子機械學(xué)科持肯定的態(tài)度。_但是，，社會(huì )上流行著(zhù)對機電一體化的不完善的看法：
1.從現象上解釋機電一體化，認為機電一體化只不過(guò)是將機械設備、電子設備及儀表構成的成套設備或罕統。
2.從產(chǎn)品應用技術(shù)的割析上理解機電一體化，認為機電一體化只不過(guò)是在_機械系統.中引入了電子技術(shù)，或者是辛電子設備電引入了精密機械抜術(shù)。
3從技術(shù)的綜合應用上解釋?zhuān)瑱C電一體化，認為機電一體化是在機抅主功能、信息處理功能等方面引進(jìn)了啤子技術(shù)，并把機械裝置、電子設備以及軟技術(shù)有機結合枚成系統技術(shù)的總稱(chēng)，或者說(shuō)成是機&、信息處理、接口和軟件等麥分在電子技術(shù)支持下，用系統的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行綜合而形成的新型系統。
以上三種看法，只能或多或少地戽映了電子機械學(xué)科的某些側面，第三種看法可能來(lái)源于日本名古屋大學(xué)電子機械工程課、北'海道大學(xué)精密機械工程學(xué)課及電通大學(xué)的第二機械工程學(xué)課（實(shí)際上，西德的伍培爾大學(xué)及這累姆斯達特大學(xué)等工學(xué)院也設置了電子機械設計課程）。但是著(zhù)名科學(xué)家鐲學(xué)森曾提到過(guò)：國際上普遍采用的科學(xué)體系及結構的劃分方法是任何一門(mén)學(xué)科都是其基礎理論、技術(shù)、工程系統組成的完整體系。.因此本文將對此學(xué)科的體系作初步的探討。
二、電子械工程及應用拄術(shù)
自1971年美國英特爾公司制造出第一臺微型計算機以后，計算機進(jìn)入了大規模集成電路和微機時(shí)代，其發(fā)展速度異常迅猛，目前全世界微機的年產(chǎn)量以百萬(wàn)臺計，微處理芯片則以?xún)|萬(wàn)片計，各式各樣的專(zhuān)用微機芯片也不斷涌現，以?xún)r(jià)廉、可靠、功儀完善、使用方便靈活等優(yōu)勢進(jìn)入各個(gè)f域瘆透到各行各業(yè)。顯然，具有“海棉#特%的機械工業(yè)則大量“吸取”，同時(shí)電子技術(shù)與機械技術(shù)，光其是與精密機槭的結合，又復合出質(zhì)量髙、效益大的鬼子機械產(chǎn)品，例如日本控制世界市場(chǎng)的磁帶錄象機便是極為典型的實(shí)例。概括起來(lái)，由電子機械工程實(shí)現時(shí)機電一體化產(chǎn)品可分為以下幾大部類(lèi)：
'1.:由機械技束芨電宇技術(shù)有機地復合而成的臺式機械產(chǎn)品。如錄象機、收錄機、計算機外部設備，辦公機械'，信息處逝機械，直至各#高擋的電子玩具等。
2各種智餹機械、智能儀表、仿生機械智能機器人是電手機械中機電一體化技術(shù)體現本科交叉綜合中最典型的電子機械產(chǎn)點(diǎn)。
3.用機電一體化技術(shù)改造的各種系統機械設備，如各種數控機械:設備直至柔性加工系統。
4.用機電一體化技術(shù)改進(jìn)各電子工業(yè)用的自動(dòng)化的工藝設備。
分柝上述機電一體化的設備和產(chǎn)品特征，可明顯地看出，所謂的機電一體化技術(shù)是從硬件和軟件雙方把機械技術(shù)和電子技術(shù)完全融合起來(lái)的技術(shù)。如果不作這樣的融合就會(huì )使其完全失掉功能（如第1、2部類(lèi)）或者退化回到原有的功能水平極低的地位(如第3、4部類(lèi)）。
盡管各種電子機械產(chǎn)品的功能各異，結構組成有別,?我們可以用以下框圖示意（見(jiàn)圖1)。一般由四大部分組成：
1.機械木體部分卩屯子機械的坫本機械結構，它要求體積小、重量輕、工藝性好。S前以鋼鐵為主的材料仰合成的非金屬為主的材料發(fā)展，要求析械本體的靜、動(dòng)態(tài)剛性及熱穩定性高，精密運動(dòng)的機構及良好的表面加工質(zhì)量。并要求結構上便于維修、保養及故障尋查等。電子機械的機械本體應是廣義的，它可以包括光、磁或流體系統等組成的機械本體。
2.傳感檢測部分一一即電子機械的傳感器官，以它檢測傳輸外部環(huán)境的有關(guān)信患，傳感器或由它復合而成的各種編碼器是電子機械工程中的非f重要的逮成部分。因為它體現了機、電、光、磁、熱、流體及其它各種技術(shù)的交叉和融合。
3.信息處理部分一-相當電子機械的大腦，即利用微機或專(zhuān)用的芯片去處理電子機械的信息。
4.接口部分一它解決電子機械與外部環(huán)境的接口內部信息接口及人機的接口問(wèn)題，將傳感器信息、控制指令以及各種編碼、譯碼信息的轉換及傳輸，人機的接口可以是機械的（幾何的）或物理的（光、磁、能源等）。
電子機械的以上四個(gè)棊本組成部分是有機的組合，是不能分割而去掉任何部分的。這種不可分割的特性可用圖2的包圍層次表示。
例如機電一體的電子機械技術(shù)的結晶智丨龍機器人，用它的機械手來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題，機械手利用其視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器與外部環(huán)境相聯(lián)系，傳感器的信息經(jīng)接U變換及傳輸給微機處理，并將處理后的信息再經(jīng)接丨:丨變換
成對執行器控制指令廠(chǎng)從而驅動(dòng)手作期望的動(dòng)作，以適應外部環(huán)境的需要。顯然撤去圖2包圍層次的任一部分，均會(huì )使它喪失功傳統的機械工程，就其實(shí)質(zhì)也是綜合使用了各種技術(shù)，移植了各學(xué)科的基本理論和方法，而形成了今天以機械加工制造為主休的機械工作，并由此而派生出航空、船舶、機車(chē)等制造工程以及核工業(yè)的機械工程等等。形成目前狀態(tài)的原因是工業(yè)生產(chǎn)水平的發(fā)展，在計算機已廣泛滲透各行各業(yè)及步入信息社會(huì )的今天，/電子機械工程應運而生，也是歷史的必然。
由于機械工程不應當停留于機械加工制/它重點(diǎn)應轉栘到信息的加工和利用。它貶當移植信息技術(shù)、控制技術(shù)、系統技術(shù)、電子技術(shù)以及傳統的m械技術(shù)，并將它們融為一體。
支持電子機械工程的技術(shù)主要有以個(gè)方面：
1.系統化技術(shù)--電子機械解決的問(wèn)題不再是單一的參數或變量，不是對傳雇技術(shù)、控制技術(shù)及電子技術(shù)簡(jiǎn)單移植和擇湊，而是將多種因素加以綜合、協(xié)調和權衡，不是分割的孤立的解決系統的靜態(tài)問(wèn)題，而是要系統地解決其動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，它要求發(fā)展分析及綜合機電一體化的方法及理論。
2.信肩處理技術(shù)一電子機械的各單
元之間、各伺服系統與傳感器及執行器之間必須有相互匹配信號，其動(dòng)作及工作質(zhì)量又必須受到整個(gè)指揮中心和數據網(wǎng)絡(luò )的控制，因而需要編碼、譯碼及各種信號的處理技術(shù)。
3.軟件技術(shù)即構成電子機械所需計算、判斷、信號處理整套原理和規則的計算程序，構成一系列的程序庫，.并能方便地補充刪改，使電子機械具有靈活性和適應性。
4.傳感技術(shù)--支持電子機械工程的重要環(huán)節，它解決電子機械對外部環(huán)境的適應能力，涉及的技術(shù)領(lǐng)域也極為廣泛，應是研究電子機械和發(fā)展電子機械的關(guān)鍵問(wèn)題。
三、電子機械學(xué)科結構問(wèn)題
電子機械學(xué)科應具有自己的基礎理論及分折與綜合的基本方法，以此為指導，移植相應的應用技術(shù)去支持各種電子工程系統的發(fā)展。即電子機械學(xué)科應由基礎理論、技術(shù)及工程系統組成一個(gè)有層次的體系，筆者提出了圖4所示的層次結構。
電子機誡學(xué)科是門(mén)多重交叉復合的學(xué)科，電子機械學(xué)科基本理i；侖首先要解決建立電子機械系統統一模型的問(wèn)題，即電子機械模型，筆者認為可以從兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行研究。
1.小數學(xué)的方法
把電子機械實(shí)際的物理系統的四個(gè)組成部分用相應的學(xué)科理論建立的數學(xué)模型，再統一建立系統模型，利用數學(xué)子段建立一座“機”與“電”彼此相通的橋梁，互相滲透、互相加強。利用系統論的方法，建立全局與局部、局部與局部的有機聯(lián)系。重點(diǎn)研究系統不同部分的聯(lián)接的數學(xué)模型，不同的組成部分對整個(gè)系統的影響；研究復雜的電子機械系統的解耦理論，在電子機械模型中能夠體現出不同組成部分的特征。
2.函信息方法
任何復雜的物理系統都可以看成信息系統，利用信息論的觀(guān)點(diǎn)建立電子機械系統各個(gè)組成部分的有機聯(lián)系的模型。
在建立了統一的電子機械系統模型的基礎上，就要解決分折與綜合的理論，用系統的方法處理多學(xué)科交叉融合中出現的問(wèn)題。在國外有關(guān)處理電子機械系統的?一體化分析方法，存儲工程系統的建模方法，各種系統動(dòng)力學(xué)、鍵合圖法、機械鏈（網(wǎng)絡(luò )）法，計算機圖形學(xué)等專(zhuān)著(zhù)已大量出現，它們均可以用于機械系統及電、光、磁、熱多種交叉系統。在目前的電子機械系統如機器人、計算機外設中，已經(jīng)移植了系統論、信息論及控制論的基本理論去分析問(wèn)題，應用電路理論、網(wǎng)絡(luò )理論、系統實(shí)時(shí)仿真和信號處理理論分析電子機械系統，應用經(jīng)典力學(xué)的拉格朗日方程于電子機械網(wǎng)絡(luò )'的模擬等。
電子機械系統分析方法匕初步形成，而也子機械系統的綜合和設計的方法還沒(méi)形
成統一的模式，怎樣根據電子機&系統的功能和性能指標要求.從電子機械模型出發(fā)，綜合和設計最佳的系統以及系統的四大組成部分，是電子機械學(xué)科的主要目標，只有以此理論為指導，才能最佳地利用相應支柱技術(shù)設計出優(yōu)良的電子機械工程產(chǎn)品。
筆者認為電子機械學(xué)科的基本理論和方法的雛型正在逐步形成，預計它將從以下兒個(gè)方面發(fā)展，求得自身的完善。
1.動(dòng)態(tài)系統分析的發(fā)展方向
電子機械學(xué)要求分析研究機電一體化的多學(xué)科交叉系統，因而存在這種系統一體化建模方法，要求這種模型能夠描述系統的動(dòng)態(tài)特性，繼而應當發(fā)展這類(lèi)模型的分析方法，系統的綜合方法，以及復雜的機電一體系統的解耦理論。
2.廣義性及綜合性的發(fā)展方向
電子機械學(xué)科的基本理論應向更廣泛的處理機、光、電、磁、熱交叉系統的寬度上發(fā)展。目前國外流行的一些“系統動(dòng)力學(xué)”及“鍵圖”專(zhuān)著(zhù)便體現了這一方向。
3.信息處理功能的發(fā)展方向
在電子機械系統中，有相當一部分是信息處理機械，或者是信息處理系統的執行機構，因為應當重視信息理論的移植工作。
4.提高電子機械軟件效能的發(fā)展方向
如何高效率地發(fā)揮電子機械系統所用微機（單板機、單片機或專(zhuān)用芯片）作用是取決于電子機械軟件研究工作的，例如開(kāi)發(fā)或發(fā)展機器人H:j工作能力，軟件的研究是促進(jìn)電子機械智能化的有效手段。
四、結束語(yǔ)
本文討論了電子機械學(xué)科體系的結構層次，希望能引起對此學(xué)科的層次及結構的深入研討，以利于學(xué)科的發(fā)展。
對于機電體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，還存在許多練合技術(shù)難題需要解決，諸如運動(dòng)部件的動(dòng)力7:的耦合關(guān)系；各伺服級之間的干擾排fe;機電元器件誤差在系纟允屮的傳輸規禪；執行器與執行機構之間匹配協(xié)調；信肩網(wǎng)絡(luò )之間的接口，人機接口，機電接口等等，在這些方面傳統的機械理論和經(jīng)典的控制理論已無(wú)法滿(mǎn)足，只有采用和移植三論一一系統論、信息論及控制論的成果，結合電子機械的實(shí)際，使用電子計算機的現代化手段，從硬件到軟件兩方面進(jìn)行分析，用適應的數學(xué)模型/仿真技術(shù)對系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述和模擬，然后利用計算機的信息處理功能，求取最佳的電子機械設計方案，從而復合出性能較高的電子機械產(chǎn)品。
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