電子機(jī)械學(xué)學(xué)科體系論文
一、前言
機(jī)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(fù)合詞：.M.e.cJiatranis-''機(jī)械電子學(xué)，，章在把機(jī)械學(xué)和電子學(xué)結(jié)合擇來(lái)，。從時(shí)代的現(xiàn)實(shí)來(lái)f，電子機(jī)梂學(xué)已經(jīng)形成為-個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，正向著阜我完善的方向迅速發(fā)展。電子機(jī)_舞一個(gè)綜合性很強(qiáng)的交叉_科，著名科學(xué)家錢三強(qiáng)曾指出可以預(yù)料，在某種意義上說(shuō)，本世紀(jì)末到下個(gè)世紀(jì)初將是一個(gè)交叉科學(xué)的時(shí)代。”錢偉長(zhǎng)教提也在他的文章“交叉學(xué)科與科學(xué)家的社會(huì)職責(zé)”中強(qiáng)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(jī)械的這種復(fù)合技術(shù)，復(fù)合出各萃各樣的電子機(jī)械產(chǎn)’品，并對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械進(jìn).行技術(shù)改造，從而使電子機(jī)械的生產(chǎn)在其經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展中占著舉足輕重的地位。.扒.電一體化技術(shù)對(duì)日本經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的作用引起國(guó)內(nèi)各級(jí)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(duì)機(jī)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(duì)電子機(jī)械學(xué)科持肯定的態(tài)度。_但是，，社會(huì)上流行著對(duì)機(jī)電一體化的不完善的看法：
1.從現(xiàn)象上解釋機(jī)電一體化，認(rèn)為機(jī)電一體化只不過(guò)是將機(jī)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(jī)電一體化，認(rèn)為機(jī)電一體化只不過(guò)是在_機(jī)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(jī)械抜術(shù)。
3從技術(shù)的綜合應(yīng)用上解釋，機(jī)電一體化，認(rèn)為機(jī)電一體化是在機(jī)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(jī)械裝置、電子設(shè)備以及軟技術(shù)有機(jī)結(jié)合枚成系統(tǒng)技術(shù)的總稱，或者說(shuō)成是機(jī)&、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(diǎn)進(jìn)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(jī)械學(xué)科的某些側(cè)面，第三種看法可能來(lái)源于日本名古屋大學(xué)電子機(jī)械工程課、北'海道大學(xué)精密機(jī)械工程學(xué)課及電通大學(xué)的第二機(jī)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(dá)特大學(xué)等工學(xué)院也設(shè)置了電子機(jī)械設(shè)計(jì)課程）。但是著名科學(xué)家鐲學(xué)森曾提到過(guò)：國(guó)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(duì)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(guó)英特爾公司制造出第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)以后，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模集成電路和微機(jī)時(shí)代，其發(fā)展速度異常迅猛，目前全世界微機(jī)的年產(chǎn)量以百萬(wàn)臺(tái)計(jì)，微處理芯片則以億萬(wàn)片計(jì)，各式各樣的專用微機(jī)芯片也不斷涌現(xiàn)，以價(jià)廉、可靠、功儀完善、使用方便靈活等優(yōu)勢(shì)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(jī)械工業(yè)則大量“吸取”，同時(shí)電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)，光其是與精密機(jī)槭的結(jié)合，又復(fù)合出質(zhì)量髙、效益大的鬼子機(jī)械產(chǎn)品，例如日本控制世界市場(chǎng)的磁帶錄象機(jī)便是極為典型的實(shí)例。概括起來(lái)，由電子機(jī)械工程實(shí)現(xiàn)時(shí)機(jī)電一體化產(chǎn)品可分為以下幾大部類：
'1.:由機(jī)械技束芨電宇技術(shù)有機(jī)地復(fù)合而成的臺(tái)式機(jī)械產(chǎn)品。如錄象機(jī)、收錄機(jī)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，辦公機(jī)械'，信息處逝機(jī)械，直至各#高擋的電子玩具等。
2各種智餹機(jī)械、智能儀表、仿生機(jī)械智能機(jī)器人是電手機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)體現(xiàn)本科交叉綜合中最典型的電子機(jī)械產(chǎn)點(diǎn)。
3.用機(jī)電一體化技術(shù)改造的各種系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備，如各種數(shù)控機(jī)械:設(shè)備直至柔性加工系統(tǒng)。
4.用機(jī)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(shè)備。
分柝上述機(jī)電一體化的設(shè)備和產(chǎn)品特征，可明顯地看出，所謂的機(jī)電一體化技術(shù)是從硬件和軟件雙方把機(jī)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）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(jī)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(jiàn)圖1)。一般由四大部分組成：
1.機(jī)械木體部分卩屯子機(jī)械的坫本機(jī)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(dòng)態(tài)剛性及熱穩(wěn)定性高，精密運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)械的機(jī)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(jī)械本體。
2.傳感檢測(cè)部分一一即電子機(jī)械的傳感器官，以它檢測(cè)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(jī)械工程中的非f重要的逮成部分。因?yàn)樗w現(xiàn)了機(jī)、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(dāng)電子機(jī)械的大腦，即利用微機(jī)或?qū)Ｓ玫男酒ヌ幚黼娮訖C(jī)械的信息。
4.接口部分一它解決電子機(jī)械與外部環(huán)境的接口內(nèi)部信息接口及人機(jī)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(zhuǎn)換及傳輸，人機(jī)的接口可以是機(jī)械的（幾何的）或物理的（光、磁、能源等）。
電子機(jī)械的以上四個(gè)棊本組成部分是有機(jī)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(jī)電一體的電子機(jī)械技術(shù)的結(jié)晶智丨龍機(jī)器人，用它的機(jī)械手來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題，機(jī)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(jī)處理，并將處理后的信息再經(jīng)接丨:丨變換
成對(duì)執(zhí)行器控制指令廠從而驅(qū)動(dòng)手作期望的動(dòng)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(huì)使它喪失功傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)械加工制造為主休的機(jī)械工作，并由此而派生出航空、船舶、機(jī)車等制造工程以及核工業(yè)的機(jī)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(jì)算機(jī)已廣泛滲透各行各業(yè)及步入信息社會(huì)的今天，/電子機(jī)械工程應(yīng)運(yùn)而生，也是歷史的必然。
由于機(jī)械工程不應(yīng)當(dāng)停留于機(jī)械加工制/它重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)栘到信息的加工和利用。它貶當(dāng)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(jī)械工程的技術(shù)主要有以個(gè)方面：
1.系統(tǒng)化技術(shù)--電子機(jī)械解決的問(wèn)題不再是單一的參數(shù)或變量，不是對(duì)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(diào)和權(quán)衡，不是分割的孤立的解決系統(tǒng)的靜態(tài)問(wèn)題，而是要系統(tǒng)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(jī)電一體化的方法及理論。
2.信肩處理技術(shù)一電子機(jī)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(hào)，其動(dòng)作及工作質(zhì)量又必須受到整個(gè)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(hào)的處理技術(shù)。
3.軟件技術(shù)即構(gòu)成電子機(jī)械所需計(jì)算、判斷、信號(hào)處理整套原理和規(guī)則的計(jì)算程序，構(gòu)成一系列的程序庫(kù)，.并能方便地補(bǔ)充刪改，使電子機(jī)械具有靈活性和適應(yīng)性。
4.傳感技術(shù)--支持電子機(jī)械工程的重要環(huán)節(jié)，它解決電子機(jī)械對(duì)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(jī)械和發(fā)展電子機(jī)械的關(guān)鍵問(wèn)題。
三、電子機(jī)械學(xué)科結(jié)構(gòu)問(wèn)題
電子機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)誡學(xué)科是門多重交叉復(fù)合的學(xué)科，電子機(jī)械學(xué)科基本理i；侖首先要解決建立電子機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)一模型的問(wèn)題，即電子機(jī)械模型，筆者認(rèn)為可以從兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行研究。
1.小數(shù)學(xué)的方法
把電子機(jī)械實(shí)際的物理系統(tǒng)的四個(gè)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(jī)”與“電”彼此相通的橋梁，互相滲透、互相加強(qiáng)。利用系統(tǒng)論的方法，建立全局與局部、局部與局部的有機(jī)聯(lián)系。重點(diǎn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響；研究復(fù)雜的電子機(jī)械系統(tǒng)的解耦理論，在電子機(jī)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(diǎn)建立電子機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)組成部分的有機(jī)聯(lián)系的模型。
在建立了統(tǒng)一的電子機(jī)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(wèn)題。在國(guó)外有關(guān)處理電子機(jī)械系統(tǒng)的?一體化分析方法，存儲(chǔ)工程系統(tǒng)的建模方法，各種系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、鍵合圖法、機(jī)械鏈（網(wǎng)絡(luò)）法，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等專著已大量出現(xiàn)，它們均可以用于機(jī)械系統(tǒng)及電、光、磁、熱多種交叉系統(tǒng)。在目前的電子機(jī)械系統(tǒng)如機(jī)器人、計(jì)算機(jī)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(wèn)題，應(yīng)用電路理論、網(wǎng)絡(luò)理論、系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真和信號(hào)處理理論分析電子機(jī)械系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)的拉格朗日方程于電子機(jī)械網(wǎng)絡(luò)'的模擬等。
電子機(jī)械系統(tǒng)分析方法匕初步形成，而也子機(jī)械系統(tǒng)的綜合和設(shè)計(jì)的方法還沒(méi)形
成統(tǒng)一的模式，怎樣根據(jù)電子機(jī)&系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)要求.從電子機(jī)械模型出發(fā)，綜合和設(shè)計(jì)最佳的系統(tǒng)以及系統(tǒng)的四大組成部分，是電子機(jī)械學(xué)科的主要目標(biāo)，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(jì)出優(yōu)良的電子機(jī)械工程產(chǎn)品。
筆者認(rèn)為電子機(jī)械學(xué)科的基本理論和方法的雛型正在逐步形成，預(yù)計(jì)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(tǒng)分析的發(fā)展方向
電子機(jī)械學(xué)要求分析研究機(jī)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(dòng)態(tài)特性，繼而應(yīng)當(dāng)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(jī)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(jī)械學(xué)科的基本理論應(yīng)向更廣泛的處理機(jī)、光、電、磁、熱交叉系統(tǒng)的寬度上發(fā)展。目前國(guó)外流行的一些“系統(tǒng)動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分是信息處理機(jī)械，或者是信息處理系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因?yàn)閼?yīng)當(dāng)重視信息理論的移植工作。
4.提高電子機(jī)械軟件效能的發(fā)展方向
如何高效率地發(fā)揮電子機(jī)械系統(tǒng)所用微機(jī)（單板機(jī)、單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒┳饔檬侨Q于電子機(jī)械軟件研究工作的，例如開(kāi)發(fā)或發(fā)展機(jī)器人H:j工作能力，軟件的研究是促進(jìn)電子機(jī)械智能化的有效手段。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文討論了電子機(jī)械學(xué)科體系的結(jié)構(gòu)層次，希望能引起對(duì)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(duì)于機(jī)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(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力7:的耦合關(guān)系；各伺服級(jí)之間的干擾排fe;機(jī)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(jī)構(gòu)之間匹配協(xié)調(diào)；信肩網(wǎng)絡(luò)之間的接口，人機(jī)接口，機(jī)電接口等等，在這些方面?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械理論和經(jīng)典的控制理論已無(wú)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(jī)械的實(shí)際，使用電子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代化手段，從硬件到軟件兩方面進(jìn)行分析，用適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型/仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述和模擬，然后利用計(jì)算機(jī)的信息處理功能，求取最佳的電子機(jī)械設(shè)計(jì)方案，從而復(fù)合出性能較高的電子機(jī)械產(chǎn)品。
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