1.1.2 电子机械一甲子

随着国家对电子装备机械结构设计需求的不断提升，一个专门解决电子与信息系统中的机械结构问题的研究领域应运而生，即电子机械工程。

在电子机械工程领域正式出现之前，已经出现了培养这方面高级专门人才的专业，这就是成立于1963年的西军电（中国人民解放军军事电信工程学院，简称西军电；1988年更名为西安电子科技大学，简称西电）的“无线电设备结构设计与工艺”本科专业。该专业是我国最早建立的以机为主、机电结合的交叉与边缘学科之一，其代表人物是当时在西军电执教的以叶尚辉教授为代表的老一辈专家学者。之后，国内有多所高等院校也相继设立了同类专业，包括成都电讯工程学院（现名电子科技大学）、南京工学院（现名东南大学）、上海科技大学（现名上海大学）、北京邮电大学、桂林电子科技大学、杭州电子科技大学、北京信息科技大学等。

1978年国家恢复研究生招生时，本学科（西军电）积极响应，招收了第一批硕士研究生。叶尚辉教授于1983年被国家遴选为本学科的博士生导师，同年入围国务院学位委员会（电子）机械工程学科评议组成员，1986年西军电成为我国电子机械工程领域的第一个博士学位授权点。之后，相继有多所大学获批博士学位授权点，我国电子机械工程领域进入发展的快车道。

经过一甲子的不懈奋斗，我国电子机械工程学科专业，坚持面向国际学术前沿与国家重大需求，潜心电子机械工程领域高级专门技术人才的培养，取得了长足进步，如先后构建了包括机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器、自动化、电子封装技术在内的专业群和（电子）机械工程、控制科学与工程、仪器科学与技术构成的学科群，初步形成了机电交叉特色鲜明的人才培养体系。

为进一步推进我国电子机械领域科学研究、学术交流、人才培养工作，电子机械工程分会于1981年秋季在承德成立，它隶属于中国电子学会，周文盛局长为第一届学会主任委员，如图1-2所示。电子机械工程分会于1985年创建了学会会刊《电子机械工程》，为广大电子机械技术人员开辟了专门的学术交流园地，叶尚辉教授任首届编委会主任。1988年，电子机械工程分会领衔召开了我国首届机电一体化国际学术会议，该会议由我国13个一级学会联合召开，取得了巨大成功。

接下来，电子机械工程领域的科学研究与工程应用也同步取得了快速发展，并逐步融入了国际学科主流、进入了国际学术前沿。尤其在大口径天线方面的研究表现突出，如在20世纪60年代完成我国5m口径轮轨式反射面天线研制的基础上，积极瞄准国际天线研究的前沿领域发力；20世纪70年代开展了我国第一台毫米波射电望远镜天线和第一台10m轮轨式地面站天线座的研制；20世纪80年代，提出并进行了大型天线保型优化设计、天线机电综合设计的研究工作。在电子装备结构计算机辅助设计、分析与优化领域取得了一批重要成果。研制了我国首台25m轮轨天线，现在仍服役于新疆天文台；20世纪90年代，在机电耦合理论与方法、柔性结构控制、多柔体动力学、多学科设计优化等领域开展了深入研究，取得了一批有显示度的科研成果，实力显著增强。

图1-2 电子机械工程分会（承德）成立大会合影

进入21世纪，更有一批世界领先水平的大口径天线落成，如已运行的中国天眼FAST 500m口径射电望远镜，探月工程的40m口径S/X双频段天线（云南），天问一号66m口径S/X/双频段波束波导（佳木斯）、35m口径S/X/Ka三频段（新疆喀什）以及70m口径S/X/Ku三频段（天津武青）全可动天线，甚长基线（VLBI）测轨分系统65m口径（上海TM）射电望远镜天线，以及建设中的全球最大的全可动天线——QTT110m口径射电望远镜（新疆），其工作频段已从早期的L、S频段（1～4GHz）发展到现在的X频段（8～12GHz）、Ka频段（27～40GHz）甚至W频段（80～100GHz）。而根据传统的天线理论，天线反射面的形面误差（RMS）一般要求不超过工作波长的1/30。以建设中的QTT110m口径射电望远镜为例，要达到115GHz的观测频率，其形面误差（RMS）初期要达到0.3mm，长期稳定运行时要达到0.2mm。这对一个接收反射面积达22个篮球场、30层楼高、5500t重的全可动的超大金属结构而言，挑战之大可想而知。此外，稳定、精准的伺服控制也是保证其指向精度的关键因素，如QTT110m口径射电望远镜，其迎风面积高达10920m2，但要求在6级风时具备0.001°/s的低速跟踪能力和2.5角秒的指向精度。

更为重要的是，电子装备机械结构设计的代际演进加快，无论从设计理念、设计方法乃至设计手段上，都取得了较快的发展。概括起来讲，电子装备设计经历了三个主要阶段，即机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）、机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）设计乃至机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）设计。在这三个阶段中，分析的信息还是共享的，但共享的层面不同，如对IMET，信息要靠人为传递，因而效率、准确性与完备性受到限制。

在传统设计中，机械结构（包括热）与电磁（气）设计是分离进行的。具体步骤是，电磁（气）设计人员依据工作频段与服役环境，提出对机械结构设计与制造精度的要求，而机械结构工程师的任务就是千方百计地去满足这一要求，带有较大的盲目性。这就带来两个问题：一是电磁（气）设计人员提出的设计与制造精度太高，往往超出机械结构设计与制造的能力；二是有时机械结构精度要求满足了，而电性能却不满足。这导致电子装备研制的周期长、成本高、结构笨重，严重制约了其整体性能的提高并影响下一代装备的研制。机电分离设计是1980年以前的事情，因为那时电子装备的工作频段较低，传统的分离设计还可以满足要求。第二阶段为1980—2010年，随着工作频段的提高，机电之间的相互影响明显了，机电分离设计遇到的问题越来越多，无法满足要求，于是出现了机电综合设计。2010年以后，不仅工作频段进一步提高，带宽加大，而且组装密度越来越高、体积越来越小。这使得机电之间的联系更为紧密、密不可分，呈现出强耦合的特征，从而进入机电耦合设计的新阶段。