電子機械學學科體系論文

電子機械學學科體系論文

　　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合詞：.M.e.cJiatranis-''機械電子學，，章在把機械學和電子學結合擇來，。從時代的現實來f，電子機梂學已經形成為-個獨立的學科，正向著阜我完善的方向迅速發展。電子機_舞一個綜合性很強的交叉_科，著名科學家錢三強曾指出可以預料，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的時代�！卞X偉長教提也在他的文章“交叉學科與科學家的社會職責”中強調了交叉學科的形成和發展的重要意叉。日本于7〇年代初期就順應了這一取宋潮流，、加之管理的科學化，，利用電于機械的這種復合技術，復合出各萃各樣的電子機械產’品，并對傳統的機械進.行技術改造，從而使電子機械的生產在其經濟迅速發展中占著舉足輕重的地位。.扒.電一體化技術對日本經濟迅猛發展的作用引起國內各級領導的輯烈反應，-上至中央下至各企業領導同志都對機電一?體化技術產生了濃厚的興趣。在工程技術界的不少專家及學者也漸對電子機械學科持肯定的態度。_但是，，社會上流行著對機電一體化的不完善的看法：

　　1.從現象上解釋機電一體化，認為機電一體化只不過是將機械設備、電子設備及儀表構成的成套設備或罕統。

　　2.從產品應用技術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.中引入了電子技術，或者是辛電子設備電引入了精密機械抜術。

　　3從技術的綜合應用上解釋，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，并把機械裝置、電子設備以及軟技術有機結合枚成系統技術的總稱，或者說成是機&、信息處理、接口和軟件等麥分在電子技術支持下，用系統的觀點進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科的某些側面，第三種看法可能來源于日本名古屋大學電子機械工程課、北'海道大學精密機械工程學課及電通大學的第二機械工程學課（實際上，西德的伍培爾大學及這累姆斯達特大學等工學院也設置了電子機械設計課程）。但是著名科學家鐲學森曾提到過：國際上普遍采用的科學體系及結構的劃分方法是任何一門學科都是其基礎理論、技術、工程系統組成的完整體系。.因此本文將對此學科的體系作初步的探討。

　　二、電子械工程及應用拄術

　　自1971年美國英特爾公司制造出第一臺微型計算機以后，計算機進入了大規模集成電路和微機時代，其發展速度異常迅猛，目前全世界微機的年產量以百萬臺計，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，以價廉、可靠、功儀完善、使用方便靈活等優勢進入各個f域瘆透到各行各業。顯然，具有“海棉#特%的機械工業則大量“吸取”，同時電子技術與機械技術，光其是與精密機槭的結合，又復合出質量髙、效益大的鬼子機械產品，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時機電一體化產品可分為以下幾大部類：

　　'1.:由機械技束芨電宇技術有機地復合而成的臺式機械產品。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體現本科交叉綜合中最典型的電子機械產點。

　　3.用機電一體化技術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.用機電一體化技術改進各電子工業用的自動化的工藝設備。

　　分柝上述機電一體化的設備和產品特征，可明顯地看出，所謂的機電一體化技術是從硬件和軟件雙方把機械技術和電子技術完全融合起來的技術。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品的功能各異，結構組成有別,?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展，要求析械本體的靜、動態剛性及熱穩定性高，精密運動的機構及良好的表面加工質量。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境的有關信患，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境的接口內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的結晶智丨龍機器人，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境相聯系，傳感器的信息經接U變換及傳輸給微機處理，并將處理后的信息再經接丨:丨變換

　　成對執行器控制指令廠從而驅動手作期望的動作，以適應外部環境的需要。顯然撤去圖2包圍層次的任一部分，均會使它喪失功傳統的機械工程，就其實質也是綜合使用了各種技術，移植了各學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的機械工程等等。形成目前狀態的原因是工業生產水平的發展，在計算機已廣泛滲透各行各業及步入信息社會的今天，/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/它重點應轉栘到信息的加工和利用。它貶當移植信息技術、控制技術、系統技術、電子技術以及傳統的m械技術，并將它們融為一體。

　　支持電子機械工程的技術主要有以個方面：

　　1.系統化技術--電子機械解決的問題不再是單一的參數或變量，不是對傳雇技術、控制技術及電子技術簡單移植和擇湊，而是將多種因素加以綜合、協調和權衡，不是分割的孤立的解決系統的靜態問題，而是要系統地解決其動態特性問題，它要求發展分析及綜合機電一體化的方法及理論。

　　2.信肩處理技術一電子機械的各單

　　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，其動作及工作質量又必須受到整個指揮中心和數據網絡的控制，因而需要編碼、譯碼及各種信號的處理技術。

　　3.軟件技術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--支持電子機械工程的重要環節，它解決電子機械對外部環境的適應能力，涉及的技術領域也極為廣泛，應是研究電子機械和發展電子機械的關鍵問題。

　　三、電子機械學科結構問題

　　電子機械學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去支持各種電子工程系統的發展。即電子機械學科應由基礎理論、技術及工程系統組成一個有層次的體系，筆者提出了圖4所示的層次結構。

　　電子機誡學科是門多重交叉復合的學科，電子機械學科基本理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.小數學的方法

　　把電子機械實際的物理系統的四個組成部分用相應的學科理論建立的數學模型，再統一建立系統模型，利用數學子段建立一座“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系。重點研究系統不同部分的聯接的數學模型，不同的組成部分對整個系統的影響；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，利用信息論的觀點建立電子機械系統各個組成部分的有機聯系的模型。

　　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科交叉融合中出現的問題。在國外有關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，各種系統動力學、鍵合圖法、機械鏈（網絡）法，計算機圖形學等專著已大量出現，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，已經移植了系統論、信息論及控制論的基本理論去分析問題，應用電路理論、網絡理論、系統實時仿真和信號處理理論分析電子機械系統，應用經典力學的拉格朗日方程于電子機械網絡'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，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設計出優良的電子機械工程產品。

　　筆者認為電子機械學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方面發展，求得自身的完善。

　　1.動態系統分析的發展方向

　　電子機械學要求分析研究機電一體化的多學科交叉系統，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態特性，繼而應當發展這類模型的分析方法，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展方向

　　電子機械學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展。目前國外流行的一些“系統動力學”及“鍵圖”專著便體現了這一方向。

　　3.信息處理功能的發展方向

　　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展方向

　　如何高效率地發揮電子機械系統所用微機（單板機、單片機或專用芯片）作用是取決于電子機械軟件研究工作的，例如開發或發展機器人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、結束語

　　本文討論了電子機械學科體系的結構層次，希望能引起對此學科的層次及結構的深入研討，以利于學科的發展。

　　對于機電體化產品來說，還存在許多練合技術難題需要解決，諸如運動部件的動力7:的耦合關系；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調；信肩網絡之間的接口，人機接口，機電接口等等，在這些方面傳統的機械理論和經典的控制理論已無法滿足，只有采用和移植三論一一系統論、信息論及控制論的成果，結合電子機械的實際，使用電子計算機的現代化手段，從硬件到軟件兩方面進行分析，用適應的數學模型/仿真技術對系統進行動態描述和模擬，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品。

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