مکاترونیک چیست؟

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.

مکاترونیک چیست؟

امروزه کمتر محصول صنعتى را مى توان یافت که ترکیبى از حوزه هاى مختلف مهندسى نباشد. اگر بیشتر به محیط زندگى خود و محصولاتى که در زندگى روزمره از آنها استفاده مى شود دقت کنیم، از ساعت مچى دیجیتالى تا ماشین لباسشویى در آشپزخانه، خودروى شخصى یا عمومى که با آن به محل کار مى رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط ادارى و غیره، همگى نمونه هایى از ترکیب حوزه هاى مختلف مهندسى و به خصوص مکانیک و الکترونیک است. اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتى آشنا باشیم، تجمیع نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر با حوزه هاى فوق را به وضوح مى توان در بسیارى از محصولات از جمله ماشین هاى لباسشویى و خشک کن جدید هوشمند، دوربین هاى خودتنظیم، روبوت هاى صنعتى، خودروهاى مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسک درایوهاى کامپیوتر، فرهاى مایکروویو، تلفن هاى همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعى مدرن و تجهیزات پزشکى شناسایى کرد که مثال هایى از ترکیب حوزه هاى مهندسى مذکور است. در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناورى اطلاعات، الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازنده ها و همچنین سیستم هاى هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتى با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمان تولید کوتاه تر، افق جدیدى را در طراحى و ساخت محصولات الکترومکانیکى، به همراه آورده است. این فناورى که براساس تجمیع مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و سیستم هاى کنترل است، مکاترونیک نامیده مى شود. این واژه ترکیبى از دو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیک است.

واژه مکاترونیک براى اولین بار در اواخر دهه ۶۰ میلادى توسط یک مهندس ژاپنى، که در زمینه کنترل کامپیوترى موتورهاى الکتریکى در شرکت یاسکاوا الکتریک تحقیق مى کرد معرفى شد. تاکنون تعریف هاى گوناگونى از مکاترونیک ارائه شده است که مهمترین آن عبارت است از: «یک ترکیب هم افزایانه از مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر، سیستم هاى کنترل و فناورى اطلاعات در طراحى و ساخت محصولات و فرآیندهاى صنعتى با دقت بالا». در واقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحى و تولید محصولات صنعتى است که به مهندسان اجازه مى دهد تا با یکپارچه سازى حوزه هاى تخصصى یاد شده، از اولین مراحل طراحى و تولید، به خلق محصولاتى با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه کمتر و در زمان کوتاه تر، بیندیشند.
عناصر اصلى یک سیستم مکاترونیکى عبارتند از فرآیند مکانیکى یا الکترومکانیکى، حسگرها، محرکه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزار کنترل کننده سیستم. در طراحى کلاسیک، اجزاى مختلف یک سیستم به طور جداگانه طراحى شده و سپس تجمیع صورت مى گیرد ولى در مکاترونیک، اجزاى مکانیکى و الکتریکى به همراه استراتژى کنترلى از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته مى شوند و این به معناى مهندسى همزمان در طراحى است. نکته مهم در اینجا تفاوت مهندسى الکترومکانیک با مکاترونیک است. در مهندسى مکاترونیک، با آن که عموماً با سیستم هاى الکترومکانیکى سروکار داریم، نکته اساسى در حاکمیت همزمان بودن طراحى، یکپارچه سازى و حتى بهینه سازى است، در حالى که مهندسى الکترومکانیک لزوماً این معنا را نمى دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونیکى دیگر جایز نیست یک سیستم را از ابتدا طراحى کنید بدون آنکه به استراتژى کنترلى آن اندیشیده باشید.

در اینجا ممکن است این سئوال پیش بیاید که منظور از یکپارچه سازى چیست؟ به طور کلى باید گفت که یکپارچه 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 کلى، روند طراحى مکاترونیکى 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 کم رنگ شده و یکپارچه سازى این حوزه ها ضرورى مى نماید چرا که محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در یک حوزه در واقع تابعى است از محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در حوزه هاى دیگر. به عنوان مثال در بحث کنترل موتورهاى الکتریکى، امروزه دیگر براى کاهش زمان و هزینه تولید و بهبود کیفیت، طراحى موتور و درایو الکتریکى و کنترل کننده دیجیتال و حسگرها، همگى با هم در نظر گرفته مى شوند. یکى از مسائل صنعتى _ تحقیقاتى، روش هاى کنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاى سرعت، به منظور کاهش هزینه است، یعنى یک موتور الکتریکى را به یک مهندس کنترل مى دهند تا یک کنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحى کند. کارهاى زیادى در این زمینه انجام شده ولى بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحى موتور الکتریکى، استراتژى کنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنى موتور را طورى طراحى کنیم تا کنترل آن بدون حسگر خارجى تا حد زیادى آسان شود. واضح است که این یکپارچه سازى باعث کاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتى خواهد شد.
بعد دیگر یکپارچه سازى، در مرحله تولید است. شماى کلى یک سیستم کلاسیک الکترومکانیکى شامل فرآیند مکانیکى، محرکه ها و حسگرها و همچنین پردازشگر اصلى است. در واقع الگوریتم کنترلى در پردازشگر اصلى اجرا مى شود. بسیارى از فرآیندهاى صنعتى کلاسیک در قالب فوق نمایش داده مى شوند.

در سیستم هاى مکاترونیکى، یکپارچه سازى اجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام مى شود: یکپارچه سازى سخت افزارى و یکپارچه سازى نرم افزارى. در یکپارچه سازى سخت افزارى، فرآیند مکانیکى به همراه حسگرها، محرکه ها و پردازشگرها، به عنوان یک سیستم جامع در نظر گرفته مى شوند. در اینجا معمولاً خود حسگرها و یا محرکه ها داراى پردازشگرهاى محلى هستند که عموماً به آنها حسگرها و یا محرکه هاى هوشمند اطلاق مى شود. در اینجا اجزاى سیستم داراى ارتباطات محلى بوده که این ارتباطات، معمولاً از طریق خطوط ارتباطى باس یا به صورت بى سیم است.
در یکپارچه سازى نرم افزارى، یک سیستم نظارتى یا به عبارتى کنترل کننده مرکزى، به منظور مدیریت کل فرآیند، تشخیص خطا و بهینه سازى، بر کل سیستم نظارت مى کند که در واقع به معناى پردازش اطلاعات در یک سطح بالاتر است. معمولاً این سیستم نظارتى یک سیستم هوشمند است که این امر تصمیم سازى براى بهبود عملکرد سیستم فیزیکى را قابل اجرا مى سازد. در اینجا مى توان به این نکته پى برد که یکى از دلایل منحصر به فرد بودن محصولات مکاترونیکى، به کارگیرى قدرت محاسباتى بالا در خلق سیستم هایى است که داراى کیفیت و قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.

تاریخچه مكاترونيك

واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه 60 توسط يك شرکت ژاپني به نام ياسكاوا الكتريك مورد استفاده قرار گرفت آن هم براي كنترل الكترونيكي موتورهاي الكتريكي ساخت اين شركت. اين واژه با آميخته شدن قطعات مكانيكي و حجم وسيعي از قطعات الكترونيكي نظير سنسورها، كنترل کنندها و وسايل الكترونيكي نوري به واژه اي فراگير تبديل شد.

بزودي ژاپني ها به عنوان بزرگترين توليد كننده روباتهاي صنعتي از انواع سيستمهاي مكاترونيك پيشرفته در كاربردهاي توليد صنعتي استفاده نمودند. همچنين ژاپن بزرگترين حجم توليد انواع اجزاء مكاترونيك نظير موتورهاي با عملكرد بالا و سنسورهاي تصويري CCD را در اختيار داشته و جزء اولين توسعه دهندگان و توليد كنندگان ميكروكنترلرها و پردازشگرهاي ديجيتال براي كاربردهاي مكاترونيك مي باشد.

واژه مكاترونيك در اروپا نيز بصورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذيرش اين موضوع بعنوان يك فيلد مطالعاتي جداگانه بكندي پيشرفت، اما رشد روز افزون كاربردهاي اين شاخه علمي، گواهي پذيرش جهاني اين موضوع بود.

تا اوايل دهه 1980 مكاترونيك تنها به مكانيزمهاي الكتريكي اطلاق ميشد. در اواسط دهه 1980 اين موضوع به علم مهندسي در مرز مشترك الكترونيك و مكانيك گفته مي شد. اما امروزه اين واژه، محدوده عظيمي از تكنولوژيهاي مرتبط با مكانيك، الكترونيك و نرم افزارهاي كامپيوتري يا تكنولوژي اطلاعات را در بر مي گيرد. به عبارت بهتر مکاترونيک شاخه ای از علوم مهندسی است که در ارتباط با ترکيب علوم مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر بحث می کند. اجزاء يک سيستم مکاترونيکی شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، ميکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهای کنترلی بلادرنگ (Real-Time) می باشد.

عملگرها عموماً موتورها يا سلونوئيدهای با دقت بسيار بالا هستند و سنسورها بسته به کاربردشان می توانند يکی از سنسورهای نور، شتاب، وزن، رنگ، دما، تصوير و ….باشند. ميکروکنترلرها نيز به عنوان مغز يک سيستم مکاترونيک وظيفه هدايت سيستم را با استفاده از نرم افزار نوشته شده در حافظه آن بعهده دارد.

محصولات مکاترونیکى

فناورى مکاترونیک در بسیارى از زمینه ها کاربرد روزافزونى پیدا کرده است که در اینجا به بعضى از آنها اشاره مى کنیم. در صنایع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با کنترل الکترونیکى به جاى کنترل کننده سنتى آن یعنى کاربراتور، باعث بهبود عملکرد موتور و کاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنین سیستم ترمزهاى ضدقفل، سیستم تهویه هواى اتوماتیک، فرمان هاى با کمک الکتریکى _ هیدرولیکى، خودروهاى الکتریکى _ ترکیبى و… از دیگر کاربردهاى فناورى مکاترونیک در صنایع خودروسازى هستند.
در زمینه محصولات صنعتى با مصارف خانگى، مى توان به ماشین هاى لباسشویى و یا خشک کن جدید اشاره کرد که عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند به منظور مصرف بهینه انرژى، صرفه جویى در مصرف آب و همچنین افزایش کیفیت، بهبود فراوانى یافته است.

در محصولات صنعتى با کاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسکنرهاى لیزرى، دستگاه هاى کپى دیجیتال و یا دیسک درایوهاى جدید اشاره کرد که از جمله محصولات مکاترونیکى هستند.
در زمینه صنایع دفاعى مى توان به سیستم هاى هدایت موشک و یا سلاح هاى هوشمند اشاره کرد. همچنین از دیگر محصولات مکاترونیکى، دوربین هاى خودتنظیم، ماشین هاى ابزار کامپیوترى و روبوت هاى صنعتى هستند که تاثیر فراوانى در کاهش هزینه و زمان تولید و بهبود کیفیت محصولات تولیدى گذاشته اند.