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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7〇年代已簡縮為一個英語復(fù)合詞：.M.e.cJiatranis-''機械電子學(xué)，，章在把機械學(xué)和電子學(xué)結(jié)合擇來，。從時代的現(xiàn)實來f，電子機梂學(xué)已經(jīng)形成為-個獨立的學(xué)科，正向著阜我完善的方向迅速發(fā)展。電子機_舞一個綜合性很強的交叉_科，著名科學(xué)家錢三強曾指出可以預(yù)料，在某種意義上說，本世紀末到下個世紀初將是一個交叉科學(xué)的時代。”錢偉長教提也在他的文章“交叉學(xué)科與科學(xué)家的社會職責”中強調(diào)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(yīng)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(fù)合技術(shù)，復(fù)合出各萃各樣的電子機械產(chǎn)’品，并對傳統(tǒng)的機械進.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(nèi)各級領(lǐng)導(dǎo)的輯烈反應(yīng)，-上至中央下至各企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)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，，社會上流行著對機電一體化的不完善的看法：
1.從現(xiàn)象上解釋機電一體化，認為機電一體化只不過是將機械設(shè)備、電子設(shè)備及儀表構(gòu)成的成套設(shè)備或罕統(tǒng)。
2.從產(chǎn)品應(yīng)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是在_機械系統(tǒng).中引入了電子技術(shù)，或者是辛電子設(shè)備電引入了精密機械抜術(shù)。
3從技術(shù)的綜合應(yīng)用上解釋，機電一體化，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了啤子技術(shù)，并把機械裝置、電子設(shè)備以及軟技術(shù)有機結(jié)合枚成系統(tǒng)技術(shù)的總稱，或者說成是機&、信息處理、接口和軟件等麥分在電子技術(shù)支持下，用系統(tǒng)的觀點進行綜合而形成的新型系統(tǒng)。
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(cè)面，第三種看法可能來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(shè)置了電子機械設(shè)計課程）。但是著名科學(xué)家鐲學(xué)森曾提到過：國際上普遍采用的科學(xué)體系及結(jié)構(gòu)的劃分方法是任何一門學(xué)科都是其基礎(chǔ)理論、技術(shù)、工程系統(tǒng)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(yīng)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，計算機進入了大規(guī)模集成電路和微機時代，其發(fā)展速度異常迅猛，目前全世界微機的年產(chǎn)量以百萬臺計，微處理芯片則以億萬片計，各式各樣的專用微機芯片也不斷涌現(xiàn)，以價廉、可靠、功儀完善、使用方便靈活等優(yōu)勢進入各個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”，同時電子技術(shù)與機械技術(shù)，光其是與精密機槭的結(jié)合，又復(fù)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的磁帶錄象機便是極為典型的實例。概括起來，由電子機械工程實現(xiàn)時機電一體化產(chǎn)品可分為以下幾大部類：
'1.:由機械技束芨電宇技術(shù)有機地復(fù)合而成的臺式機械產(chǎn)品。如錄象機、收錄機、計算機外部設(shè)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(xiàn)本科交叉綜合中最典型的電子機械產(chǎn)點。
3.用機電一體化技術(shù)改造的各種系統(tǒng)機械設(shè)備，如各種數(shù)控機械:設(shè)備直至柔性加工系統(tǒng)。
4.用機電一體化技術(shù)改進各電子工業(yè)用的自動化的工藝設(shè)備。
分柝上述機電一體化的設(shè)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)完全融合起來的技術(shù)。如果不作這樣的融合就會使其完全失掉功能（如第1、2部類）或者退化回到原有的功能水平極低的地位(如第3、4部類）。
盡管各種電子機械產(chǎn)品的功能各異，結(jié)構(gòu)組成有別,?我們可以用以下框圖示意（見圖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(jié)構(gòu)，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、動態(tài)剛性及熱穩(wěn)定性高，精密運動的機構(gòu)及良好的表面加工質(zhì)量。并要求結(jié)構(gòu)上便于維修、保養(yǎng)及故障尋查等。電子機械的機械本體應(yīng)是廣義的，它可以包括光、磁或流體系統(tǒng)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(fù)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(xiàn)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?qū)Ｓ玫男酒ヌ幚黼娮訖C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(nèi)部信息接口及人機的接口問題，將傳感器信息、控制指令以及各種編碼、譯碼信息的轉(zhuǎn)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(jié)晶智丨龍機器人，用它的機械手來說明這一問題，機械手利用其視覺、觸覺傳感器與外部環(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(zhí)行器控制指令廠從而驅(qū)動手作期望的動作，以適應(yīng)外部環(huán)境的需要。顯然撤去圖2包圍層次的任一部分，均會使它喪失功傳統(tǒng)的機械工程，就其實質(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)及步入信息社會的今天，/電子機械工程應(yīng)運而生，也是歷史的必然。
由于機械工程不應(yīng)當停留于機械加工制/它重點應(yīng)轉(zhuǎn)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(tǒng)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳統(tǒng)的m械技術(shù)，并將它們?nèi)跒橐惑w。
支持電子機械工程的技術(shù)主要有以個方面：
1.系統(tǒng)化技術(shù)--電子機械解決的問題不再是單一的參數(shù)或變量，不是對傳雇技術(shù)、控制技術(shù)及電子技術(shù)簡單移植和擇湊，而是將多種因素加以綜合、協(xié)調(diào)和權(quán)衡，不是分割的孤立的解決系統(tǒng)的靜態(tài)問題，而是要系統(tǒng)地解決其動態(tài)特性問題，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(tǒng)與傳感器及執(zhí)行器之間必須有相互匹配信號，其動作及工作質(zhì)量又必須受到整個指揮中心和數(shù)據(jù)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(gòu)成電子機械所需計算、判斷、信號處理整套原理和規(guī)則的計算程序，構(gòu)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(yīng)性。
4.傳感技術(shù)--支持電子機械工程的重要環(huán)節(jié)，它解決電子機械對外部環(huán)境的適應(yīng)能力，涉及的技術(shù)領(lǐng)域也極為廣泛，應(yīng)是研究電子機械和發(fā)展電子機械的關(guān)鍵問題。
三、電子機械學(xué)科結(jié)構(gòu)問題
電子機械學(xué)科應(yīng)具有自己的基礎(chǔ)理論及分折與綜合的基本方法，以此為指導(dǎo)，移植相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)去支持各種電子工程系統(tǒng)的發(fā)展。即電子機械學(xué)科應(yīng)由基礎(chǔ)理論、技術(shù)及工程系統(tǒng)組成一個有層次的體系，筆者提出了圖4所示的層次結(jié)構(gòu)。
電子機誡學(xué)科是門多重交叉復(fù)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(tǒng)統(tǒng)一模型的問題，即電子機械模型，筆者認為可以從兩個角度來進行研究。
1.小數(shù)學(xué)的方法
把電子機械實際的物理系統(tǒng)的四個組成部分用相應(yīng)的學(xué)科理論建立的數(shù)學(xué)模型，再統(tǒng)一建立系統(tǒng)模型，利用數(shù)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(tǒng)論的方法，建立全局與局部、局部與局部的有機聯(lián)系。重點研究系統(tǒng)不同部分的聯(lián)接的數(shù)學(xué)模型，不同的組成部分對整個系統(tǒng)的影響；研究復(fù)雜的電子機械系統(tǒng)的解耦理論，在電子機械模型中能夠體現(xiàn)出不同組成部分的特征。
2.函信息方法
任何復(fù)雜的物理系統(tǒng)都可以看成信息系統(tǒng)，利用信息論的觀點建立電子機械系統(tǒng)各個組成部分的有機聯(lián)系的模型。
在建立了統(tǒng)一的電子機械系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，就要解決分折與綜合的理論，用系統(tǒng)的方法處理多學(xué)科交叉融合中出現(xiàn)的問題。在國外有關(guān)處理電子機械系統(tǒng)的?一體化分析方法，存儲工程系統(tǒng)的建模方法，各種系統(tǒng)動力學(xué)、鍵合圖法、機械鏈（網(wǎng)絡(luò)）法，計算機圖形學(xué)等專著已大量出現(xiàn)，它們均可以用于機械系統(tǒng)及電、光、磁、熱多種交叉系統(tǒng)。在目前的電子機械系統(tǒng)如機器人、計算機外設(shè)中，已經(jīng)移植了系統(tǒng)論、信息論及控制論的基本理論去分析問題，應(yīng)用電路理論、網(wǎng)絡(luò)理論、系統(tǒng)實時仿真和信號處理理論分析電子機械系統(tǒng)，應(yīng)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(tǒng)分析方法匕初步形成，而也子機械系統(tǒng)的綜合和設(shè)計的方法還沒形
成統(tǒng)一的模式，怎樣根據(jù)電子機&系統(tǒng)的功能和性能指標要求.從電子機械模型出發(fā)，綜合和設(shè)計最佳的系統(tǒng)以及系統(tǒng)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(dǎo)，才能最佳地利用相應(yīng)支柱技術(shù)設(shè)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(yù)計它將從以下兒個方面發(fā)展，求得自身的完善。
1.動態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)，因而存在這種系統(tǒng)一體化建模方法，要求這種模型能夠描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，繼而應(yīng)當發(fā)展這類模型的分析方法，系統(tǒng)的綜合方法，以及復(fù)雜的機電一體系統(tǒng)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(yīng)向更廣泛的處理機、光、電、磁、熱交叉系統(tǒng)的寬度上發(fā)展。目前國外流行的一些“系統(tǒng)動力學(xué)”及“鍵圖”專著便體現(xiàn)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(tǒng)中，有相當一部分是信息處理機械，或者是信息處理系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，因為應(yīng)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(tǒng)所用微機（單板機、單片機或?qū)Ｓ眯酒┳饔檬侨Q于電子機械軟件研究工作的，例如開發(fā)或發(fā)展機器人H:j工作能力，軟件的研究是促進電子機械智能化的有效手段。
四、結(jié)束語
本文討論了電子機械學(xué)科體系的結(jié)構(gòu)層次，希望能引起對此學(xué)科的層次及結(jié)構(gòu)的深入研討，以利于學(xué)科的發(fā)展。
對于機電體化產(chǎn)品來說，還存在許多練合技術(shù)難題需要解決，諸如運動部件的動力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(guī)禪；執(zhí)行器與執(zhí)行機構(gòu)之間匹配協(xié)調(diào)；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?zhèn)鹘y(tǒng)的機械理論和經(jīng)典的控制理論已無法滿足，只有采用和移植三論一一系統(tǒng)論、信息論及控制論的成果，結(jié)合電子機械的實際，使用電子計算機的現(xiàn)代化手段，從硬件到軟件兩方面進行分析，用適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型/仿真技術(shù)對系統(tǒng)進行動態(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(shè)計方案，從而復(fù)合出性能較高的電子機械產(chǎn)品。
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