معرفی رشته مهندسی مکاترونیک(1)

اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتى آشنا باشیم، تجمیع نرم افزار و سخت افزار كامپیوتر با حوزه هاى فوق را به وضوح مى توان در بسیارى از محصولات از جمله ماشین هاى لباسشویى و خشك كن جدید هوشمند، دوربین هاى خودتنظیم، روبوت هاى صنعتى، خودروهاى مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسك درایوهاى كامپیوتر، فرهاى مایكروویو، تلفن هاى همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعى مدرن و تجهیزات پزشكى شناسایى كرد كه مثال هایى از تركیب حوزه هاى مهندسى مذكور است. در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناورى اطلاعات، الكترونیك به خصوص الكترونیك قدرت، ریزپردازنده ها و همچنین سیستم هاى هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتى با كیفیت بهتر، هزینه كمتر و زمان تولید كوتاه تر، افق جدیدى را در طراحى و ساخت محصولات الكترومكانیكى، به همراه آورده است.

این فناورى كه براساس تجمیع مهندسى مكانیك، الكترونیك، كامپیوتر و سیستم هاى كنترل است، مكاترونیك نامیده مى شود. این واژه تركیبى از دو بخش «مكا» مخفف مكانیسم و «ترونیك» مخفف الكترونیك است.درواقع مکاترونیک فصل مشترک علوم مکا نیک ، الکترونیک و محاسبات کامپیوتری می باشد که از ترکیب این دانش ها پدید آمده است. این مهندسی موجب می شود تا بتوانیم سیستم هایی ساده تر و با قابلیت اطمینان بیشتر طراحی کنیم. سیستم هایی که در عین سادگی و اقتصادی بودن ، بسیار دقیق و هوشمند عمل نمایند و به نحوی خود را با شرایط محیطی وفق دهند.

واژه مكاترونیك براى اولین بار در اواخر دهه 60 میلادى توسط یك مهندس ژاپنى آقای تتسورو موری (Tetsuro Mori) مهندس ارشد شرکت یاسکاوا (YASKAWA)  كه در زمینه كنترل كامپیوترى موتورهاى الكتریكى  تحقیق مى كرد معرفى شد.

تاكنون تعریف هاى گوناگونى از مكاترونیك ارائه شده است كه مهمترین آن عبارت است از: «یك تركیب هم افزایانه از مهندسى مكانیك، الكترونیك، كامپیوتر، سیستم هاى كنترل و فناورى اطلاعات در طراحى و ساخت محصولات و فرآیندهاى صنعتى با دقت بالا».

در واقع مكاترونیك یك تفكر جدید در طراحى و تولید محصولات صنعتى است كه به مهندسان اجازه مى دهد تا با یكپارچه سازى حوزه هاى تخصصى یاد شده، از اولین مراحل طراحى و تولید، به خلق محصولاتى با كیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه كمتر و در زمان كوتاه تر، بیندیشند. عناصر اصلى یك سیستم مكاترونیكى عبارتند از فرآیند مكانیكى یا الكترومكانیكى، حسگرها، محركه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزار كنترل كننده سیستم. در طراحى كلاسیك، اجزاى مختلف یك سیستم به طور جداگانه طراحى شده و سپس تجمیع صورت مى گیرد ولى در مكاترونیك، اجزاى مكانیكى و الكتریكى به همراه استراتژى كنترلى از ابتدا به صورت یك سیستم یكپارچه در نظر گرفته مى شوند و این به معناى مهندسى همزمان در طراحى است. نكته مهم در اینجا تفاوت مهندسى الكترومكانیك با مكاترونیك است. در مهندسى مكاترونیك، با آن كه عموماً با سیستم هاى الكترومكانیكى سروكار داریم، نكته اساسى در حاكمیت همزمان بودن طراحى، یكپارچه سازى و حتى بهینه سازى است، در حالى كه مهندسى الكترومكانیك لزوماً این معنا را نمى دهد. به عنوان مثال، در تفكر مكاترونیكى دیگر جایز نیست یك سیستم را از ابتدا طراحى كنید بدون آنكه به استراتژى كنترلى آن اندیشیده باشید.

در اینجا ممكن است این سئوال پیش بیاید كه منظور از یكپارچه سازى چیست؟ به طور كلى باید گفت كه یكپارچه سازى در دو بعد مطرح است: طراحى و تولید.

در مرحله طراحى اجزا، اگر هماهنگى با سایر اجزاى سیستم در نظر گرفته شود قطعاً نتایج بهترى در پى خواهد داشت. به طور كلى، روند طراحى مكاترونیكى با تحلیل بازار و نیازهاى مشترى آغاز و سپس مشخصات مورد نیاز محصول براساس تحلیل هاى انجام شده، تعیین مى شود. با آغاز روند طراحى، مرزهاى بین حوزه هاى گوناگون مهندسى كم رنگ شده و یكپارچه سازى این حوزه ها ضرورى مى نماید چرا كه محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در یك حوزه در واقع تابعى است از محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در حوزه هاى دیگر. به عنوان مثال در بحث كنترل موتورهاى الكتریكى، امروزه دیگر براى كاهش زمان و هزینه تولید و بهبود كیفیت، طراحى موتور و درایو الكتریكى و كنترل كننده دیجیتال و حسگرها، همگى با هم در نظر گرفته مى شوند.

یكى از مسائل صنعتى _ تحقیقاتى، روش هاى كنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاى سرعت، به منظور كاهش هزینه است، یعنى یك موتور الكتریكى را به یك مهندس كنترل مى دهند تا یك كنترل كننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحى كند. كارهاى زیادى در این زمینه انجام شده ولى بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند كه بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحى موتور الكتریكى، استراتژى كنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنى موتور را طورى طراحى كنیم تا كنترل آن بدون حسگر خارجى تا حد زیادى آسان شود. واضح است كه این یكپارچه سازى باعث كاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتى خواهد شد.

بعد دیگر یكپارچه سازى، در مرحله تولید است. شماى كلى یك سیستم كلاسیك الكترومكانیكى شامل فرآیند مكانیكى، محركه ها و حسگرها و همچنین پردازشگر اصلى است. در واقع الگوریتم كنترلى در پردازشگر اصلى اجرا مى شود. بسیارى از فرآیندهاى صنعتى كلاسیك در قالب فوق نمایش داده مى شوند.

در سیستم هاى مكاترونیكى، یكپارچه سازى اجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام مى شود:

یكپارچه سازى سخت افزارى و یكپارچه سازى نرم افزارى.

در یكپارچه سازى سخت افزارى، فرآیند مكانیكى به همراه حسگرها، محركه ها و پردازشگرها، به عنوان یك سیستم جامع در نظر گرفته مى شوند. در اینجا معمولاً خود حسگرها و یا محركه ها داراى پردازشگرهاى محلى هستند كه عموماً به آنها حسگرها و یا محركه هاى هوشمند اطلاق مى شود. در اینجا اجزاى سیستم داراى ارتباطات محلى بوده كه این ارتباطات، معمولاً از طریق خطوط ارتباطى باس یا به صورت بى سیم است.

 در یكپارچه سازى نرم افزارى، یك سیستم نظارتى یا به عبارتى كنترل كننده مركزى، به منظور مدیریت كل فرآیند، تشخیص خطا و بهینه سازى، بر كل سیستم نظارت مى كند كه در واقع به معناى پردازش اطلاعات در یك سطح بالاتر است. معمولاً این سیستم نظارتى یك سیستم هوشمند است كه این امر تصمیم سازى براى بهبود عملكرد سیستم فیزیكى را قابل اجرا مى سازد. در اینجا مى توان به این نكته پى برد كه یكى از دلایل منحصر به فرد بودن محصولات مكاترونیكى، به كارگیرى قدرت محاسباتى بالا در خلق سیستم هایى است كه داراى كیفیت و قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.

كاربردهای مکاترونیک

اتوماسیون و روباتیك، حسگرها و سیستم‌هاى كنترل،مهندسى اتومبیل، در طرح زیرسیستم‌ها از قبیل سیستم‌هاى ترمزگیرى ضدقفل،مهندسى كامپیوتر.

      ادامه دارد...

منبع: iran-eng -robot- Freeforums- mechatronics