电子机械学学科体系

　　一、前言

　　机电一体化（，Mechanic”.d)-词在日本于7〇年代已简缩为一个英语复合词：.anis-''机械电子学，，章在把机械学和电子学结合择来，。从时代的现实来f，电子机梂学已经形成为-个独立的学科，正向着阜我完善的方向迅速发展。电子机_舞一个综合性很强的交叉_科，著名科学家钱三强曾指出可以预料，在某种意义上说，本世纪末到下个世纪初将是一个交叉科学的时代。”钱伟长教提也在他的文章“交叉学科与科学家的社会职责”中强调了交叉学科的形成和发展的重要意叉。日本于7〇年代初期就顺应了这一取宋潮流，、加之管理的科学化，，利用电于机械的这种复合技术，复合出各萃各样的电子机械产’品，并对传统的机械进.行技术改造，从而使电子机械的生产在其经济迅速发展中占着举足轻重的地位。.扒.电一体化技术对日本经济迅猛发展的作用引起国内各级领导的辑烈反应，-上至中央下至各企业领导同志都对机电一?体化技术产生了浓厚的兴趣。在工程技术界的不少专家及学者也渐对电子机械学科持肯定的态度。_但是，，社会上流行着对机电一体化的不完善的看法：

　　1.从现象上解释机电一体化，认为机电一体化只不过是将机械设备、电子设备及仪表构成的成套设备或罕统。

　　2.从产品应用技术的割析上理解机电一体化，认为机电一体化只不过是在_机械系统.中引入了电子技术，或者是辛电子设备电引入了精密机械抜术。

　　3从技术的综合应用上解释，机电一体化，认为机电一体化是在机抅主功能、信息处理功能等方面引进了啤子技术，并把机械装置、电子设备以及软技术有机结合枚成系统技术的总称，或者说成是机&、信息处理、接口和软件等麥分在电子技术支持下，用系统的观点进行综合而形成的新型系统。

　　以上三种看法，只能或多或少地戽映了电子机械学科的某些侧面，第三种看法可能来源于日本名古屋大学电子机械工程课、北'海道大学精密机械工程学课及电通大学的第二机械工程学课（实际上，西德的伍培尔大学及这累姆斯达特大学等工学院也设置了电子机械设计课程）。但是著名科学家镯学森曾提到过：国际上普遍采用的科学体系及结构的划分方法是任何一门学科都是其基础理论、技术、工程系统组成的完整体系。.因此本文将对此学科的体系作初步的探讨。

　　二、电子械工程及应用拄术

　　自1971年美国英特尔公司制造出第一台微型计算机以后，计算机进入了大规模集成电路和微机时代，其发展速度异常迅猛，目前全世界微机的年产量以百万台计，微处理芯片则以亿万片计，各式各样的专用微机芯片也不断涌现，以价廉、可靠、功儀完善、使用方便灵活等优势进入各个f域瘆透到各行各业。显然，具有“海棉#特%的机械工业则大量“吸取”，同时电子技术与机械技术，光其是与精密机槭的结合，又复合出质量髙、效益大的鬼子机械产品，例如日本控制世界市场的磁带录象机便是极为典型的实例。概括起来，由电子机械工程实现时机电一体化产品可分为以下几大部类：

　　'1.:由机械技束芨电宇技术有机地复合而成的台式机械产品。如录象机、收录机、计算机外部设备，办公机械'，信息处逝机械，直至各#高挡的电子玩具等。

　　2各种智餹机械、智能仪表、仿生机械智能机器人是电手机械中机电一体化技术体现本科交叉综合中最典型的电子机械产点。

　　3.用机电一体化技术改造的各种系统机械设备，如各种数控机械:设备直至柔性加工系统。

　　4.用机电一体化技术改进各电子工业用的自动化的工艺设备。

　　分柝上述机电一体化的设备和产品特征，可明显地看出，所谓的机电一体化技术是从硬件和软件双方把机械技术和电子技术完全融合起来的技术。如果不作这样的融合就会使其完全失掉功能（如第1、2部类）或者退化回到原有的功能水平极低的地位(如第3、4部类）。

　　尽管各种电子机械产品的功能各异，结构组成有别,?我们可以用以下框图示意（见图1)。一般由四大部分组成：

　　1.机械木体部分卩屯子机械的坫本机械结构，它要求体积小、重量轻、工艺性好。S前以钢铁为主的材料仰合成的非金属为主的材料发展，要求析械本体的静、动态刚性及热稳定性高，精密运动的机构及良好的表面加工质量。并要求结构上便于维修、保养及故障寻查等。电子机械的机械本体应是广义的，它可以包括光、磁或流体系统等组成的机械本体。

　　2.传感检测部分一一即电子机械的传感器官，以它检测传输外部环境的有关信患，传感器或由它复合而成的各种编码器是电子机械工程中的非f重要的逮成部分。因为它体现了机、电、光、磁、热、流体及其它各种技术的交叉和融合。

　　3.信息处理部分一-相当电子机械的大脑，即利用微机或专用的芯片去处理电子机械的信息。

　　4.接口部分一它解决电子机械与外部环境的接口内部信息接口及人机的接口问题，将传感器信息、控制指令以及各种编码、译码信息的转换及传输，人机的接口可以是机械的（几何的）或物理的（光、磁、能源等）。

　　电子机械的以上四个棊本组成部分是有机的组合，是不能分割而去掉任何部分的。这种不可分割的特性可用图2的包围层次表示。

　　例如机电一体的电子机械技术的结晶智丨龙机器人，用它的机械手来说明这一问题，机械手利用其视觉、触觉传感器与外部环境相联系，传感器的信息经接U变换及传输给微机处理，并将处理后的信息再经接丨:丨变换

　　成对执行器控制指令厂从而驱动手作期望的动作，以适应外部环境的需要。显然撤去图2包围层次的任一部分，均会使它丧失功

　　传统的机械工程，就其实质也是综合使用了各种技术，移植了各学科的基本理论和方法，而形成了今天以机械加工制造为主休的机械工作，并由此而派生出航空、船舶、机车等制造工程以及核工业的机械工程等等。形成目前状态的原因是工业生产水平的发展，在计算机已广泛渗透各行各业及步入信息社会的今天，/电子机械工程应运而生，也是历史的必然。

　　由于机械工程不应当停留于机械加工制/它重点应转栘到信息的加工和利用。它贬当移植信息技术、控制技术、系统技术、电子技术以及传统的m械技术，并将它们融为一体，因而电子机械工程系统的功能可用图3示意。

　　支持电子机械工程的技术主要有以个方面：

　　1.系统化技术--电子机械解决的问题不再是单一的参数或变量，不是对傳雇技术、控制技术及电子技术简单移植和择凑，而是将多种因素加以综合、协调和权衡，不是分割的孤立的解决系统的静态问题，而是要系统地解决其动态特性问题，它要求发展分析及综合机电一体化的方法及理论。

　　2.信肩处理技术一电子机械的各单

　　元之间、各伺服系统与传感器及执行器之间必须有相互匹配信号，其动作及工作质量又必须受到整个指挥中心和数据网络的控制，因而需要编码、译码及各种信号的处理技术。

　　3.软件技术即构成电子机械所需计算、判断、信号处理整套原理和规则的计算程序，构成一系列的程序库，.并能方便地补充删改，使电子机械具有灵活性和适应性。

　　4.传感技术--支持电子机械工程的重要环节，它解决电子机械对外部环境的适应能力，涉及的技术领域也极为广泛，应是研究电子机械和发展电子机械的关键问题。

　　三、电子机械学科结构问题

　　电子机械学科应具有自己的基础理论及分折与综合的基本方法，以此为指导，移植相应的应用技术去支持各种电子工程系统的发展。即电子机械学科应由基础理论、技术及工程系统组成一个有层次的体系，笔者提出了图4所示的层次结构。

　　电子机诫学科是门多重交叉复合的学科，电子机械学科基本理i；仑首先要解决建立电子机械系统统一模型的问题，即电子机械模型，笔者认为可以从两个角度来进行研究。

　　1.小数学的方法

　　把电子机械实际的物理系统的四个组成

　　部分用相应的学科理论建立的数学模型，再统一建立系统模型，利用数学子段建立一座“机”与“电”彼此相通的桥梁，互相渗透、互相加强。利用系统论的方法，建立全局与局部、局部与局部的有机联系。重点研究系统不同部分的联接的数学模型，不同的组成部分对整个系统的影响；研究复杂的电子机械系统的解耦理论，在电子机械模型中能够体现出不同组成部分的特征。

　　2.函信息方法

　　任何复杂的物理系统都可以看成信息系统，利用信息论的观点建立电子机械系统各个组成部分的有机联系的模型。

　　在建立了统一的电子机械系统模型的基础上，就要解决分折与综合的理论，用系统的方法处理多学科交叉融合中出现的问题。在国外有关处理电子机械系统的?一体化分析方法，存储工程系统的建模方法，各种系统动力学、键合图法、机械链（网络）法，计算机图形学等专著已大量出现，它们均可以用于机械系统及电、光、磁、热多种交叉系统。在目前的电子机械系统如机器人、计算机外设中，已经移植了系统论、信息论及控制论的基本理论去分析问题，应用电路理论、网络理论、系统实时仿真和信号处理理论分析电子机械系统，应用经典力学的拉格朗日方程于电子机械网络'的模拟等。

　　电子机械系统分析方法匕初步形成，而也子机械系统的综合和设计的方法还没形

　　成统一的模式，怎样根据电子机&系统的功能和性能指标要求.从电子机械模型出发，综合和设计最佳的系统以及系统的四大组成部分，是电子机械学科的主要目标，只有以此理论为指导，才能最佳地利用相应支柱技术设计出优良的电子机械工程产品。

　　笔者认为电子机械学科的基本理论和方法的雏型正在逐步形成，预计它将从以下儿个方面发展，求得自身的完善。

　　1.动态系统分析的发展方向

　　电子机械学要求分析研究机电一体化的多学科交叉系统，因而存在这种系统一体化建模方法，要求这种模型能够描述系统的动态特性，继而应当发展这类模型的分析方法，系统的综合方法，以及复杂的机电一体系统的解耦理论。

　　2.广义性及综合性的发展方向

　　电子机械学科的基本理论应向更广泛的处理机、光、电、磁、热交叉系统的宽度上发展。目前国外流行的一些“系统动力学”及“键图”专著便体现了这一方向。

　　3.信息处理功能的发展方向

　　在电子机械系统中，有相当一部分是信息处理机械，或者是信息处理系统的执行机构，因为应当重视信息理论的移植工作。

　　4.提高电子机械软件效能的发展方向

　　如何高效率地发挥电子机械系统所用微

　　机（单板机、单片机或专用芯片）作用是取决于电子机械软件研究工作的，例如开发或发展机器人H:j工作能力，软件的研究是促进电子机械智能化的有效手段。

　　四、结束语

　　本文讨论了电子机械学科体系的结构层次，希望能引起对此学科的层次及结构的深入研讨，以利于学科的发展。

　　对于机电体化产品来说，还存在许多练合技术难题需要解决，诸如运动部件的动力7:的耦合关系；各伺服级之间的干扰排fe;机电元器件误差在系纟允屮的传输规禅；

　　执行器与执行机构之间匹配协调；信肩网络之间的接口，人机接口，机电接口等等，在这些方面传统的机械理论和经典的控制理论已无法满足，只有采用和移植三论一一系统论、信息论及控制论的成果，结合电子机械的实际，使用电子计算机的现代化手段，从硬件到软件两方面进行分析，用适应的数学模型/仿真技术对系统进行动态描述和模拟，然后利用计算机的信息处理功能，求取最佳的电子机械设计方案，从而复合出性能较高的电子机械产品。