up
Search      menu
تولید و کشاورزی :: مقاله مکاترونيک PDF
QR code - مکاترونيک

مکاترونيک

آشنايي با مهندسي مکاترونيک و کاربردهاي آن

● تلفيق مکانيک و الکترونيک
امروزه کمتر محصول صنعتي را مي توان يافت که ترکيبي از حوزه هاي مختلف مهندسي نباشد. اگر بيشتر به محيط زندگي خود و محصولاتي که در زندگي روزمره از آنها استفاده مي شود دقت کنيم، از ساعت مچي ديجيتالي تا ماشين لباسشويي در آشپزخانه، خودروي شخصي يا عمومي که با آن به محل کار مي رويم، چاپگرها و اسکنرها در محيط اداري و غيره، همگي نمونه هايي از ترکيب حوزه هاي مختلف مهندسي و به خصوص مکانيک و الکترونيک است. اگر هم با محصولات جديدتر صنعتي آشنا باشيم، تجميع نرم افزار و سخت افزار کامپيوتر با حوزه هاي فوق را به وضوح مي توان در بسياري از محصولات از جمله ماشين هاي لباسشويي و خشک کن جديد هوشمند، دوربين هاي خودتنظيم، روبوت هاي صنعتي، خودروهاي مجهز به سيستم ترمز ضدقفل، ديسک درايوهاي کامپيوتر، فرهاي مايکروويو، تلفن هاي همراه، سيستم پخش ديجيتال، محصولات دفاعي مدرن و تجهيزات پزشکي شناسايي کرد که مثال هايي از ترکيب حوزه هاي مهندسي مذکور است. در واقع، پيشرفت روزافزون علوم فناوري اطلاعات، الکترونيک به خصوص الکترونيک قدرت، ريزپردازنده ها و همچنين سيستم هاي هوشمند، به همراه نياز روزافزون به توليد محصولات صنعتي با کيفيت بهتر، هزينه کمتر و زمان توليد کوتاه تر، افق جديدي را در طراحي و ساخت محصولات الکترومکانيکي، به همراه آورده است. اين فناوري که براساس تجميع مهندسي مکانيک، الکترونيک، کامپيوتر و سيستم هاي کنترل است، مکاترونيک ناميده مي شود. اين واژه ترکيبي از دو بخش «مکا» مخفف مکانيسم و «ترونيک» مخفف الکترونيک است.
واژه مکاترونيک براي اولين بار در اواخر دهه ۶۰ ميلادي توسط يک مهندس ژاپني، که در زمينه کنترل کامپيوتري موتورهاي الکتريکي در شرکت ياسکاوا الکتريک تحقيق مي کرد معرفي شد. تاکنون تعريف هاي گوناگوني از مکاترونيک ارائه شده است که مهمترين آن عبارت است از: «يک ترکيب هم افزايانه از مهندسي مکانيک، الکترونيک، کامپيوتر، سيستم هاي کنترل و فناوري اطلاعات در طراحي و ساخت محصولات و فرآيندهاي صنعتي با دقت بالا». در واقع مکاترونيک يک تفکر جديد در طراحي و توليد محصولات صنعتي است که به مهندسان اجازه مي دهد تا با يکپارچه سازي حوزه هاي تخصصي ياد شده، از اولين مراحل طراحي و توليد، به خلق محصولاتي با کيفيت بهتر، قابليت اعتماد بالاتر، هزينه کمتر و در زمان کوتاه تر، بينديشند. عناصر اصلي يک سيستم مکاترونيکي عبارتند از فرآيند مکانيکي يا الکترومکانيکي، حسگرها، محرکه ها، ريزپردازنده ها و نرم افزار کنترل کننده سيستم. در طراحي کلاسيک، اجزاي مختلف يک سيستم به طور جداگانه طراحي شده و سپس تجميع صورت مي گيرد ولي در مکاترونيک، اجزاي مکانيکي و الکتريکي به همراه استراتژي کنترلي از ابتدا به صورت يک سيستم يکپارچه در نظر گرفته مي شوند و اين به معناي مهندسي همزمان در طراحي است. نکته مهم در اينجا تفاوت مهندسي الکترومکانيک با مکاترونيک است. در مهندسي مکاترونيک، با آن که عموماً با سيستم هاي الکترومکانيکي سروکار داريم، نکته اساسي در حاکميت همزمان بودن طراحي، يکپارچه سازي و حتي بهينه سازي است، در حالي که مهندسي الکترومکانيک لزوماً اين معنا را نمي دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونيکي ديگر جايز نيست يک سيستم را از ابتدا طراحي کنيد بدون آنکه به استراتژي کنترلي آن انديشيده باشيد. در اينجا ممکن است اين سئوال پيش بيايد که منظور از يکپارچه سازي چيست؟ به طور کلي بايد گفت که يکپارچه سازي در دو بعد مطرح است: طراحي و توليد. در مرحله طراحي اجزا، اگر هماهنگي با ساير اجزاي سيستم در نظر گرفته شود قطعاً نتايج بهتري در پي خواهد داشت. به طور کلي، روند طراحي مکاترونيکي با تحليل بازار و نيازهاي مشتري آغاز و سپس مشخصات مورد نياز محصول براساس تحليل هاي انجام شده، تعيين مي شود. با آغاز روند طراحي، مرزهاي بين حوزه هاي گوناگون مهندسي کم رنگ شده و يکپارچه سازي اين حوزه ها ضروري مي نمايد چرا که محدوديت ها و تصميم گيري ها در يک حوزه در واقع تابعي است از محدوديت ها و تصميم گيري ها در حوزه هاي ديگر. به عنوان مثال در بحث کنترل موتورهاي الکتريکي، امروزه ديگر براي کاهش زمان و هزينه توليد و بهبود کيفيت، طراحي موتور و درايو الکتريکي و کنترل کننده ديجيتال و حسگرها، همگي با هم در نظر گرفته مي شوند. يکي از مسائل صنعتي _ تحقيقاتي، روش هاي کنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاي سرعت، به منظور کاهش هزينه است، يعني يک موتور الکتريکي را به يک مهندس کنترل مي دهند تا يک کنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحي کند. کارهاي زيادي در اين زمينه انجام شده ولي بعد از مدت ها به اين نتيجه رسيده اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحي موتور الکتريکي، استراتژي کنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، يعني موتور را طوري طراحي کنيم تا کنترل آن بدون حسگر خارجي تا حد زيادي آسان شود. واضح است که اين يکپارچه سازي باعث کاهش هزينه و زمان توليد محصول صنعتي خواهد شد.
بعد ديگر يکپارچه سازي، در مرحله توليد است. شماي کلي يک سيستم کلاسيک الکترومکانيکي شامل فرآيند مکانيکي، محرکه ها و حسگرها و همچنين پردازشگر اصلي است. در واقع الگوريتم کنترلي در پردازشگر اصلي اجرا مي شود. بسياري از فرآيندهاي صنعتي کلاسيک در قالب فوق نمايش داده مي شوند.
در سيستم هاي مکاترونيکي، يکپارچه سازي اجزا در مرحله توليد، به دو روش انجام مي شود: يکپارچه سازي سخت افزاري و يکپارچه سازي نرم افزاري. در يکپارچه سازي سخت افزاري، فرآيند مکانيکي به همراه حسگرها، محرکه ها و پردازشگرها، به عنوان يک سيستم جامع در نظر گرفته مي شوند. در اينجا معمولاً خود حسگرها و يا محرکه ها داراي پردازشگرهاي محلي هستند که عموماً به آنها حسگرها و يا محرکه هاي هوشمند اطلاق مي شود. در اينجا اجزاي سيستم داراي ارتباطات محلي بوده که اين ارتباطات، معمولاً از طريق خطوط ارتباطي باس يا به صورت بي سيم است. در يکپارچه سازي نرم افزاري، يک سيستم نظارتي يا به عبارتي کنترل کننده مرکزي، به منظور مديريت کل فرآيند، تشخيص خطا و بهينه سازي، بر کل سيستم نظارت مي کند که در واقع به معناي پردازش اطلاعات در يک سطح بالاتر است. معمولاً اين سيستم نظارتي يک سيستم هوشمند است که اين امر تصميم سازي براي بهبود عملکرد سيستم فيزيکي را قابل اجرا مي سازد. در اينجا مي توان به اين نکته پي برد که يکي از دلايل منحصر به فرد بودن محصولات مکاترونيکي، به کارگيري قدرت محاسباتي بالا در خلق سيستم هايي است که داراي کيفيت و قابليت اعتماد بسيار بالا هستند.
● محصولات مکاترونيکي
فناوري مکاترونيک در بسياري از زمينه ها کاربرد روزافزوني پيدا کرده است که در اينجا به بعضي از آنها اشاره مي کنيم. در صنايع خودروسازي، استفاده از موتورهاي با کنترل الکترونيکي به جاي کنترل کننده سنتي آن يعني کاربراتور، باعث بهبود عملکرد موتور و کاهش مصرف سوخت و آلودگي شده است. همچنين سيستم ترمزهاي ضدقفل، سيستم تهويه هواي اتوماتيک، فرمان هاي با کمک الکتريکي _ هيدروليکي، خودروهاي الکتريکي _ ترکيبي و… از ديگر کاربردهاي فناوري مکاترونيک در صنايع خودروسازي هستند. در زمينه محصولات صنعتي با مصارف خانگي، مي توان به ماشين هاي لباسشويي و يا خشک کن جديد اشاره کرد که عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژي، صرفه جويي در مصرف آب و همچنين افزايش کيفيت، بهبود فراواني يافته است.
در محصولات صنعتي با کاربرد اداري، مي توان به چاپگرها و اسکنرهاي ليزري، دستگاه هاي کپي ديجيتال و يا ديسک درايوهاي جديد اشاره کرد که از جمله محصولات مکاترونيکي هستند. در زمينه صنايع دفاعي مي توان به سيستم هاي هدايت موشک و يا سلاح هاي هوشمند اشاره کرد. همچنين از ديگر محصولات مکاترونيکي، دوربين هاي خودتنظيم، ماشين هاي ابزار کامپيوتري و روبوت هاي صنعتي هستند که تاثير فراواني در کاهش هزينه و زمان توليد و بهبود کيفيت محصولات توليدي گذاشته اند.
● آموزش مکاترونيک
با توجه به گسترش نياز روزافزون صنعت به استخدام نيروهاي ماهر در مهندسي مکاترونيک، تربيت نيروي انساني در اين زمينه بيش از پيش اهميت يافته است. نکته مهم و اساسي در آموزش مکاترونيک اين است که يک مهندس مکاترونيک بايد داراي تخصص هاي چندحوزه اي باشد، بدين معنا که تسلط به اصول اساسي مهندسي مکانيک، الکترونيک، کامپيوتر و کنترل، براي او ضروري است چرا که بايد قابليت طراحي در حوزه هاي مختلف و در نهايت تجميع و يکپارچه سازي اين حوزه ها را داشته باشد. هم اکنون در تعداد قابل توجهي از دانشکده هاي مهندسي برق و مکانيک در دنيا، گرايش مکاترونيک در سطوح کارشناسي و بالاتر ايجاد شده است.
هسته اصلي محتوي آموزشي مهندسي مکاترونيک، ترکيبي از دروس اساسي گرايش هاي سيستم هاي کنترل، الکترونيک، کامپيوتر و مهندسي مکانيک است.

دانلود نسخه PDF - مکاترونيک