電子機(jī)械學(xué)學(xué)科體系論文

1、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70年代已簡縮為一個英語復(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，。從時代的現(xiàn)實來f，電子機(jī)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(jī)_舞一個綜合性很強(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， 本世紀(jì)末到下個世紀(jì)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(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70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

2、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)對日本經(jīng)濟(jì)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(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)者也漸對電子機(jī)械學(xué)科持肯定的態(tài)度。_但是，社會上流行著對機(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

3、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)

4、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(jī)以后， 計算機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模集成電路和微機(jī)時代， 其發(fā)展速度異常迅猛， 目前全 世界微機(jī)的年產(chǎn)量以百萬臺計， 微處理芯片則以億萬片計， 各式各樣 的專用微機(jī)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(jìn)入各個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 世界市場的

5、磁帶錄象機(jī)便是極為典型的實例。 概括起來， 由電子機(jī)械 工程實現(xiàn)時機(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)合而成的臺式機(jī)械產(chǎn)品。如錄象機(jī)、收錄機(jī)、計算機(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。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

6、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(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、 動態(tài)剛性及熱穩(wěn)定性高， 精密運動的機(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.傳感檢測部分一一即電子機(jī)械

7、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(jī)械 工程中的非f重要的逮成部分。因為它體現(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?芯片去處理電子機(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

8、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)械手來說明這一問題， 機(jī)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(jī)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(jī)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(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， 在計算機(jī)已廣泛 滲透各行各業(yè)及步入信息社會的今天，/

9、電子機(jī)械工程應(yīng)運而生，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)主要有以個方面：1.系統(tǒng)化技術(shù)-電子機(jī)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(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，其動作

10、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(jī)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(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)鍵問題。三、電子機(jī)械學(xué)科結(jié)構(gòu)問題 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)組成一個有層次的

11、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)一模型的問題，即電子機(jī)械模 型，筆者認(rèn)為可以從兩個角度來進(jìn)行研究。1.小數(shù)學(xué)的方法把電子機(jī)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(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(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。

12、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(jī)械系統(tǒng)各個組成部分的有機(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)的問題。 在國 外有關(guān)處理電子機(jī)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(jī)械鏈（網(wǎng)絡(luò)）法，計算機(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題， 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(jī)械系統(tǒng)，應(yīng) 用經(jīng)

13、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)計的方法還沒形成統(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(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)的動態(tài)特 性，繼

14、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、應(yīng)用電路理熱交叉系統(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(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)，因為應(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?作用是取決于電子機(jī)械軟件研究工作的， 例如開發(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 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(jī)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;