مهندسی مکاترونیک چیست؟

مکاترونیک:رشته ای که آینده به آن تعلق دارد.

امروزه رشته های میان رشته ای علاقه مندان خود را پیدا کرده اند و با توجه به گسترش روز افزون علم و نیاز صنعت، لزوم مهندسانی که به صورت خاص فقط یک رشته را دنبال نمی کنند،بیش از گذشته احساس می شود.به همین دلیل رشته های مهندسی مانند: مکاترونیک، مهندسی پزشکی، هوا فضا، مهندسی شیمی،… دارای بازار کار خوب و رو به رشدی چه در داخل و چه در خارج کشور هستند.

«ری کرزوایل» آینده پژوه آمریکایی، مدیر فنی گوگل، مخترع و نویسنده کتاب‌هایی همچون «تکنیگی نزدیک» است، باور دارد نامیرایی تا سال ۲۰۵۰ دست یافتنی است.گفته های او در مورد اینده تکنولوژی و فناوری، توضیحات ما را تصدیق می کند.گفته های او در این اینفو گرافیک اطلاع رسان ارائه شده است.

 و اما مکاترونیک دقیقا یعنی چه؟

به بیان تخصصی، مکاترونیک شاخه ای از مهندسی است که بر روی طراحی  و ساخت و نگهداری محصولاتی که اجزا الکتریکی و مکانیکی دارد، تمرکز می کند. این واژه از دو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیک ترکیب شده است.در سال ۱۹۶۹ این اصطلاح توسط مهندس تسترو موری ( Tetsuro Mori) ساخته شد تا همکاری بین کنترل سیستم های الکترونیکی و ماشین های مکانیکی را توضیح دهد. از آن موقع، معنی این اصطلاح گسترده شده که شامل ترکیب چند رشته دیگر مانند مهندسی و برنامه نویسی کامپیوتر می شود.به طور خلاصه می توان گفت:

مکاترونیک یک مجموعهٔ بین‌رشته‌ای تلفیقی از رشته‌های مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی کنترل، مهندسی کامپیوتر، مهندسی مولکولی (از نانوشیمی و بیولوژی) پدیدآمده‌است.

هدف مکاترونیک این است که به سیستم‌های ساده‌تر، ارزان‌تر، راحت‌تر و انعطاف‌پذیرتر دست یابیم. در نگاه دیگر فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکاترونیک که دید جامعی که از علوم مهندسی (الکترونیک – مکانیک – کامپیوتر) دارند می‌توانند بر اجرای طرح‌های مهندسی، نظارت داشته و برای آنها برنامه‌ریزی نمایند.

در ایران اولین دانشگاهی که این رشته را تاسیس کرد , دانشگاه آزاد اسلامی قزوین بود.علاوه بر دانشگاه قزوین ، دانشگاه های مطرح و فعال در ایران در این زمینه عبارتند از:
دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه خواجه نصیر ، دانشگاه علم و صنعت ، دانشگاه سمنان ، دانشگاه تبریز و دانشگاه علوم و تحقیقات.

مکاترونیک را تخصصی تر بشناسیم

امروزه زمینه تخصصی مکاترونیک در همه جای جهان شناخته شده‌است . تعداد مجلات علمی و کنفرانس‌های مختص رشته مکاترونیک نیز به صورتی فراگیر در حال گسترش است . در حــوزه صنعت نـیز شرکـت‌های بین المـللی با بهره گیری از این تخصص اقدام به تولید و عرضه محصولاتی کرده‌اند که طیف آن از دوربین‌های پیشرفته، ربات‌های انسان گون، دستگاه‌های پزشکی و خودروهای هوشمند گرفته تا محصولات بدیع نظامی و هوا فضایی است.

کمتر محصول صنعتی را می توان پیدا کرد که ترکیبی از حوزه های مختلف مهندسی نباشد، اگر بیشتر به محیط زندگی خودمان و محصولاتی که در زندگی روزمره از آنها استفاده می شود دقت کنیم، از ساعت مچی دیجیتالی تا ماشین لباسشویی در آشپزخانه، خودروی شخصی یا عمومی که با آن به محل کار می رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط اداری و غیره، همگی نمونه هایی از ترکیب حوزه های مختلف مهندسی و به خصوص مکانیک و الکترونیک است. اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتی آشنا باشیم، همکاری نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر با حوزه های بالا را به راحتی می توان در بسیاری از محصولات شناسایی کرد؛ از جمله ماشین های لباسشویی و خشک کن جدید هوشمند، دوربین های خودتنظیم، روبات های صنعتی، خودروهای مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسک درایوهای کامپیوتر، فرهای مایکروویو، تلفن های همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعی مدرن و تجهیزات پزشکی که مثال های آشنایی می باشند.

در واقع، پیشرفت روزافزون فناوری اطلاعات، الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازنده ها و همچنین سیستم های هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتی با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمان تولید کوتاه تر، افق جدیدی را در طراحی و ساخت محصولات الکترومکانیکی، به همراه آورده است. در واقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحی و تولید محصولات صنعتی است که به مهندسان اجازه می دهد تا با یکپارچه سازی حوزه های تخصصی یاد شده، از اولین مراحل طراحی و تولید، به خلق محصولاتی با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه کمتر و در زمان کوتاه تر، بیندیشند.

عناصر اصلی یک سیستم مکاترونیکی عبارتند از فرآیند مکانیکی یا الکترومکانیکی، حسگرها، محرکه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزار کنترل کننده سیستم. در طراحی کلاسیک، اجزای مختلف یک سیستم به طور جداگانه طراحی شده و سپس بر روی هم سوار می شوند؛ ولی در مکاترونیک، اجزای مکانیکی و الکتریکی به همراه استراتژی کنترلی از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته می شوند و این به معنای مهندسی همزمان در طراحی است.

زمینه های تحقیقاتی و کاربردی مهندسی مکاترونیک

با توجه به مطالب گفته شده،مشخص است که زمینه های تحقیقاتی و کاربردی در مهندسی مکاترونیک بسیار وسیع است و هر دانشجو و محققی می تواند در هر یک از آن ها بنا بر علاقه خود به پژوهش و تحقیق بپردازد.همچنین مهندسین و  فارغ التحصیلان با توجه به کاربردی بودن این رشته در صنعت در هر یک از زمینه ها مشغول به کار شوند.این زمینه ها را در دسته بندی زیر می توان خلاصه کرد.

• بینایی ماشین (Machine vision):

 بینایی ماشین (Machine vision)  به عنوان یک ابزار مهندسی در ابزارهای دیجیتال و در شبکه‌های کامپیوتری، برای کنترل ابزارهای صنعتی دیگر از قبیل کنترل بازوهای روبات و یا خارج کردن تجهیزات معیوب به کار می‌رود. در حقیقت Machine vision شاخه‌ای از علم مهندسی است که به رشته‌های علوم کامپیوتری (Computer science) و علم نورشناسی و مهندسی مکانیک و اتوماسیون صنعتی ارتباط دارد. یکی از مهمترین پر استفاده‌ترین کاربردهای آن در بازبینی و بررسی کالاهای صنعتی از جمله نیمه هادیها، اتومبیل‌ها، مواد خوراکی و دارو می‌باشد. همانند نیروی انسانی که با چشم غیر مسلح در خط تولید،کالاها را برای تعیین کیفیت و نوع ساخت آنها بازبینی می‌کنند، Machine vision از دوربین‌های دیجیتال و دوربین‌های هوشمند و نرم‌افزارهای image processing (پردازش تصویر) برای این کار استفاده می‌کند. دستگاههای مربوطه (Machine vision) برای انجام دادن وظایفی خاص از جمله شمردن اشیاء در بالابرها، خواندن شماره سریالها (Serial numbers)، جستجوی سطح‌های معیوب به کار می‌روند. در حال حاضر صنعت استفاده زیادی از سیستم  بینایی ماشین برای بازبینی تصویری اشیاء (Visual inspection) که نیاز به سرعت بالا و دقت بالا ،دارد.

• کنترل خودکار یا کنترل اتوماتیک (Automatic control): 

کنترل خودکار یا کنترل اتوماتیک  علمی است که هدف آن کنترل یک یا چند متغیر دینامیکی، الکتریکی، حرارتی، سیالاتی، شیمیایی، اقتصادی و … است.کنترل خودکار یا اتوماتیک نقشی حیاتی در پیشرفت علوم داشته است. این نوع کنترل علاوه بر نقش عمده اش در سیستمهای فضاپیما، هدایت موشک، رباتها و نظایر آن بخش جدایی ناپذیر و مهم فرایندهای تولیدی وصنعتی امروز است. کنترل خودکار در کنترل عددی ماشین‌ابزارها، طراحی هواپیماهای بی سرنشین و طراحی خودروهای سبک و سنگین، در صنعت خودروسازی بسیار ضروری است. بالاخره در عملیاتی همچون کنترل فشار، دما، رطوبت،غلظت، و حرکت سیالات، کنترل خودکار بسیار مورد توجه است.

• رباتیک (Robotics): 

رباتیک شاخه ای میان رشته ای از مهندسی و علم است که شامل مهندسی مکانیک ، مهندسی برق و علوم رایانه و چند رشته دیگر می شود . رباتیک شامل طراحی ، ساخت ، راه اندازی و استفاده از رباتها می شود.امروزه رباتیک یک حوزه از علم با رشد سریع است. همزمان با ادامه پیشرفتهای تکنولوژی ؛ تحقیق ، طراحی و ساخت رباتهای جدید در خدمت اهداف عملی متعددی در حوزه های خانگی ، صنعتی و نظامی انجام می گیرد. بسیاری از رباتها برای انجام شغلهای خطرناک برای مردم انجام وظیفه می کنند ، مانند کار کردن در خنثی سازی بمب ، یافتن بازمانده های زیر آوارهای غیر پایدار ، مین یابی یا جستجوی کشتی های غرق شده.

• سیستم های کنترل (control systems):

سیستم کنترل یا سامانه کنترل به مجموعهٔ ابزاری اطلاق می‌شود که به منظور کنترل نمودن و تحت مدیریت قرار دادن رفتار فرایند ها و سیستم‌ ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. شرط اساسی یک سیستم کنترلی این است که باید پایدار باشد. همچنین باید علاوه بر پایداری مطلق، پایداری نسبی قابل قبولی نیز داشته باشد. یعنی پاسخ باید بطور معقولی سریع و میرا باشد. سیستم کنترلی باید بتواند خطاها را تا صفر یا مقادیر نسبتاً کمی کاهش دهد. شرط پایداری نسبی معقول و شرط دقت در حالت ماندگار ناسازگارند. در طراحی سیستمهای کنترل باید میان این دو شرط موثرترین مصالحه را برقرار کرد.”برای مثال کوادروتوری( Quadrotor) را در نظر بگیرید، که می خواهد با سرعت و با ارتعاش کم در اسمان حرکت کند.یک مهندس مکاترونیک بعد از بررسی پایداری سیستم و اطمینان از ان، سعی در کاهش خطای حالت ماندگار ان دارد،به طوری که هر چه قدر خطای حالت ماندگار به صفر میل کند، از ارتعاشات ان در اسمان کاسته می شود.”

• سروو مکانیزم (ServoMechanism):

سروو مکانیزم یکی از اشکال رایج کنترل خودکار است. در حقیقت نوعی سیستم کنترل با بازخورد خودکار است که در آن حرکت عنصر خروجی دستگاه به اجبار باید از حرکت تقویت یافتهٔ عنصر ورودی دستگاه پیروی کند. یکی از بهترین نمونه‌های این مکانیسم را می‌توان در سیستمی مشاهده کرد که وضع سکان عقب کشتی‌های بزرگ را کنترل می‌کند. به هر حال در این مورد ورودی سیستم عبارت است از وضع فلکه فرمان سکاندار و خروجی سیستم نیز عبارت است از وضع سکان کشتی به‌طور آرمانی، سکان عقب کشتی باید برده‌وار تابع فلکه فرمان باشد، و روشن است که تحقق این امر مستلزم نیروی تقویتی عظیمی است.

• مهندسی خودرو (Automotive engineering):

مهندسی خودرو به عنوان مادر کلیه رشته‌های منشعب از مهندسی مکانیک شناخته می‌شود، زیرا مهندسی مکانیک با صنعت خودرو آغاز گردید و مکانیزمها و تکنیکهای و تجربیات حاصل از آن در بخش‌های دیگر بکار گرفته شد و با ترکیب عناصر مکانیکی، الکتریکی، الکترونیکی، نرم افزار و ایمنی به عنوان کاربردی در طراحی، ساخت موتور سیکلت، خودرو و کامیون به کار گرفته شد.همچنین این مهندسی در  تجهیزات خودرو مانند طراحی زیر سیستم هایی مثل سیستم های ضد قفل ترمز به کار می رود.این رشته در کشورهای پیشرفته تا سطح دکترا و در شاخه‌های گوناگون توسعه یافته‌است.

• سیستم های خبره (Expert systems):

در نگاهی کلی، بهره گرفتن از دلیل و برهان برای رسیدن به یک نتیجه از فرضیاتی منطقی با بکارگیری روش‌های شناخته شده، تعریفی از استدلال تلقی می‌شود؛ تعریفی که البته با دیدگاه‌های فلسفی و گاه آرمانگرایانه از استدلال تفاوت دارد. با این حال موضوع مهم و بنیادین در اینجا بحث در چیستی و چرایی این دیدگاه‌ها نیست، بلکه در مورد “چگونگی طراحی دستگاه‌های استدلال گر”، با هر تعریفی، برای رسیدن به مجموعه‌ای از تصمیمات منطقی با استفاده از فرضیات یا به طور دقیق‌تر دانشی است که در اختیار آن‌ها قرار می‌گیرد. سیستم های خبره (expert systems) اساساً برای چنین هدفی طراحی می‌شوند. بسیاری بر این باورند که سیستم های خبره (expert systems) بیشترین پیشرفت را در “هوش مصنوعی” به وجود آورده‌اند.

هوش مصنوعی روشی است در جهت هوشمند کردن رایانه تا قادر باشد در هر لحظه تصمیم‌گیری کرده و اقدام به بررسی یک مسئله نماید. هوش مصنوعی، رایانه را قادر به اندیشیدن می‌کند و روش آموختن انسان را رونوشت برداری می‌نماید؛ بنابراین اقدام به جذب اطلاعات جدید جهت بکارگیری در مراحل بعدی می‌کند.

• طراحی به کمک رایانه یا کد  (Computer Aided Design):

به استفاده از فناوری رایانه در فرایند طراحی و مستندسازی طراحی گفته می‌شود. امروزه بسیاری از مراحل طراحی قطعات و اجزاء مختلف توسط رایانه انجام می‌شود. بسیاری از قطعات تحت شرایط مختلف باید آزمایش شوند و اگر بخواهیم تحت آزمایش واقعی قرار دهیم مستلزم هزینه‌های بسیار زیاد می‌شود. با نرم‌افزارهای بسیار متنوع می‌توان این شبیه‌سازی را انجام داد.

تمام رشته‌های مهندسی برای طراحی از نرم‌افزارهای مناسب خود استفاده می‌کنند.از نرم‌افزارهای سه بعدی که بیشتر در طراحی صنعتی استفاده می‌شوند می‌توان به اتوکد، سالیدورکس، اینونتور، سالید اج  اشاره کرد. کتیا، یونیگرافیکس هم از بهترین نرم‌افزارهای گرافیکی مورد استفاده‌است که با امکان محاسبات پیچیده مهندسی از قبیل محاسبات تنشهای محوری وهزاران قابلیت حرفه‌ای دیگر به طراحان کمک کرده‌اند.

یک مهندس  با تسلط بر این نرم افزارها به خصوص کتیا و سالیدورک و متخصص شدن در یکی از آن ها می تواند در شرکت های بزرگی مشغول به کار شود.

• ریزکنترلگر یا میکروکنترلر (Microcontroller):

نوعی ریزپردازنده است که دارای حافظهٔ دسترسی تصادفی (RAM) و حافظهٔ فقط خواندنی (ROM)، تایمر، پورت‌های ورودی و خروجی (I/O) و درگاه ترتیبی (Serial Port پورت سریال) در درون خود تراشه می‌باشد و می‌تواند به تنهایی بر روی ابزارهای دیگری کنترل اعمال کند.

در واقع یک ریزپردازنده در درون ریزکنترلگر قرار داده شده‌است که ریزکنترلگر با استفاده از آن می‌تواند محاسبات منطقی و حسابی را انجام دهد.میکروکنترلرها عموماً برای کاربردهای کوچک طراحی می‌شوند، بنابراین برخلاف ریزپردازنده‌ها در این جا مهمترین مسائل، سادگی و مصرف کم توان است.برخی از وسایل که از میکرو کنترلر استفاده می‌کنند: تلفن، موبایل، سیستم، ایمنی، دربازکن گاراژ، دستگاه فاکس، کامپیوتر شخصی PC، ویدئو، دوربین ویدئویی، چرخ خیاطی، سیستم‌های تهویه، سرعت سنج.

در مهندسی مکاترونیک، با آن که عموماً با سیستم های الکترومکانیکی سروکار داریم، نکته اساسی، اهمیت زیاد همزمان بودن طراحی، یکپارچه سازی و حتی بهینه سازی است؛ در حالی که مهندسی الکترومکانیک لزوماً این معنا را نمی دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونیکی پیش از طراحی یک سیستم از صفر، باید به استراتژی کنترلی آن اندیشیده باشید.

در اینجا ممکن است این سئوال پیش بیاید که منظور از یکپارچه سازی چیست؟

به طور کلی باید گفت که یکپارچه سازی در دو بُعد مطرح است: بعد طراحی و بعد تولید. در اینجا برای آنکه بیشتر مفهوم یکپارچه سازی را درک کنید، به توضیح مختصری از یکپارچه سازی در بعد طراحی اکتفا می کنیم.

در مرحله طراحی اجزا، اگر به هماهنگی اجزا با سایر اجزای سیستم توجه کنیم، قطعاً نتایج بهتری به دست خواهد آمد. به طور کلی، برای اینکه یک طراحی مکاترونیکی را آغاز کنیم، باید بدانیم که نیاز بازار و مشتری چیست. سپس ویژگی های مورد نیاز محصول را براساس این نیاز ها تعیین کنیم. با آغاز فرآیند طراحی، مرزهای بین حوزه های گوناگون مهندسی کم رنگ شده و لازم است که این حوزه ها با یکدیگر یکپارچه شوند؛ چرا که محدودیت ها و تصمیم گیری ها در یک حوزه به محدودیت ها و تصمیم گیری ها در حوزه های دیگر وابسته است. اگر بخواهیم خیلی ساده تر مسئله را توضیح دهیم، به همان پنکه ی کودکی هایمان برمیگردیم. برای آنکه پنکه باد بیشتری بدهد، باید از ملخ بزرگتری استفاده کنیم، که برای تکان دادن این ملخ هم، آرمیچر قویتر و درنتیجه باتری قویتری لازم داریم. پس بهتره قبل از انتخاب باتری مورد نظر ملخ و آرمیچر را هم در نظر بگیریم. ساده است نه؟

مثال تخصصی تری را در نظر بگیرید. یکی از مسئله های صنعتی _ تحقیقاتی در جهت کاهش هزینه ها، روش های کنترل سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت است؛ یعنی یک موتور الکتریکی را به یک مهندس کنترل می دهند تا یک کنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت طراحی کند. کارهای زیادی در این زمینه انجام شده ولی بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند که بهتر است از همان اول، هنگام طراحی موتور الکتریکی، استراتژی کنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنی موتور را طوری طراحی کنند که کنترل آن بدون حسگر خارجی تا حد زیادی آسان شود. واضح است که این یکپارچه سازی باعث کاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتی خواهد شد.” این می شود یکپارچه سازی در فرآیند تولید.”

نرم افزارهای مهندسی مکاترونیک:

 با مکاترونیک چه میتوان کرد؟

شاید تا به حال  اسم کاربراتور را در تعمیرگاه های خودرو شنیده اید و اگر کنجکاو تر بوده باشید فهمیده اید که کاربراتور دیگر در خودرو ها استفاده نمیشود. مکاترونیک در اینجا به میدان می آید. سیستم کنترلی که در خودرو ها امروزه استفاده می شود تا هم بنزین کمتری مصرف شود و هم راننده بتواند بیشتر سرعت بگیرد، سیستم ترمزهای ضدقفل ، فرمان های الکتریکی- هیدرولیکی، خودروهای هیبریدی و… از  بارزترین و مفید ترین کاربردهای فناوری مکاترونیک در صنعت خودروسازی هستند. در زمینه محصولات صنعتی با مصارف خانگی نیز می توان به ماشین های لباسشویی اشاره کرد که عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند هم مصرف آب را کم می کند هم مصرف برق را، لباس ها هم تمیزتر شسته می شوند. در دنیای امروز و ساده ترین کاربردهای روزانه یمان، مثال های بسیاری را میتوان زد که اگر خودتان هم با دید یک مهندسی مکاترونیک به اطراف خود نگاه کنید، آن ها را می بینید.