آشنايى با مهندسى مكاترونيك و كاربردهاى آن

تلفيق مكانيك و الكترونيك
فرزاد رجايى سلماسى*

شرق : امروزه كمتر محصول صنعتى را مى توان يافت كه تركيبى از حوزه هاى مختلف مهندسى نباشد. اگر بيشتر به محيط زندگى خود و محصولاتى كه در زندگى روزمره از آنها استفاده مى شود دقت كنيم، از ساعت مچى ديجيتالى تا ماشين لباسشويى در آشپزخانه، خودروى شخصى يا عمومى كه با آن به محل كار مى رويم، چاپگرها و اسكنرها در محيط ادارى و غيره، همگى نمونه هايى از تركيب حوزه هاى مختلف مهندسى و به خصوص مكانيك و الكترونيك است. اگر هم با محصولات جديدتر صنعتى آشنا باشيم، تجميع نرم افزار و سخت افزار كامپيوتر با حوزه هاى فوق را به وضوح مى توان در بسيارى از محصولات از جمله ماشين هاى لباسشويى و خشك كن جديد هوشمند، دوربين هاى خودتنظيم، روبوت هاى صنعتى، خودروهاى مجهز به سيستم ترمز ضدقفل، ديسك درايوهاى كامپيوتر، فرهاى مايكروويو، تلفن هاى همراه، سيستم پخش ديجيتال، محصولات دفاعى مدرن و تجهيزات پزشكى شناسايى كرد كه مثال هايى از تركيب حوزه هاى مهندسى مذكور است. در واقع، پيشرفت روزافزون علوم فناورى اطلاعات، الكترونيك به خصوص الكترونيك قدرت، ريزپردازنده ها و همچنين سيستم هاى هوشمند، به همراه نياز روزافزون به توليد محصولات صنعتى با كيفيت بهتر، هزينه كمتر و زمان توليد كوتاه تر، افق جديدى را در طراحى و ساخت محصولات الكترومكانيكى، به همراه آورده است. اين فناورى كه براساس تجميع مهندسى مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و سيستم هاى كنترل است، مكاترونيك ناميده مى شود. اين واژه تركيبى از دو بخش «مكا» مخفف مكانيسم و «ترونيك» مخفف الكترونيك است.

واژه مكاترونيك براى اولين بار در اواخر دهه ۶۰ ميلادى توسط يك مهندس ژاپنى، كه در زمينه كنترل كامپيوترى موتورهاى الكتريكى در شركت ياسكاوا الكتريك تحقيق مى كرد معرفى شد. تاكنون تعريف هاى گوناگونى از مكاترونيك ارائه شده است كه مهمترين آن عبارت است از: «يك تركيب هم افزايانه از مهندسى مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر، سيستم هاى كنترل و فناورى اطلاعات در طراحى و ساخت محصولات و فرآيندهاى صنعتى با دقت بالا». در واقع مكاترونيك يك تفكر جديد در طراحى و توليد محصولات صنعتى است كه به مهندسان اجازه مى دهد تا با يكپارچه سازى حوزه هاى تخصصى ياد شده، از اولين مراحل طراحى و توليد، به خلق محصولاتى با كيفيت بهتر، قابليت اعتماد بالاتر، هزينه كمتر و در زمان كوتاه تر، بينديشند.
عناصر اصلى يك سيستم مكاترونيكى عبارتند از فرآيند مكانيكى يا الكترومكانيكى، حسگرها، محركه ها، ريزپردازنده ها و نرم افزار كنترل كننده سيستم. در طراحى كلاسيك، اجزاى مختلف يك سيستم به طور جداگانه طراحى شده و سپس تجميع صورت مى گيرد ولى در مكاترونيك، اجزاى مكانيكى و الكتريكى به همراه استراتژى كنترلى از ابتدا به صورت يك سيستم يكپارچه در نظر گرفته مى شوند و اين به معناى مهندسى همزمان در طراحى است. نكته مهم در اينجا تفاوت مهندسى الكترومكانيك با مكاترونيك است. در مهندسى مكاترونيك، با آن كه عموماً با سيستم هاى الكترومكانيكى سروكار داريم، نكته اساسى در حاكميت همزمان بودن طراحى، يكپارچه سازى و حتى بهينه سازى است، در حالى كه مهندسى الكترومكانيك لزوماً اين معنا را نمى دهد. به عنوان مثال، در تفكر مكاترونيكى ديگر جايز نيست يك سيستم را از ابتدا طراحى كنيد بدون آنكه به استراتژى كنترلى آن انديشيده باشيد.
در اينجا ممكن است اين سئوال پيش بيايد كه منظور از يكپارچه سازى چيست؟ به طور كلى بايد گفت كه يكپارچه سازى در دو بعد مطرح است: طراحى و توليد. در مرحله طراحى اجزا، اگر هماهنگى با ساير اجزاى سيستم در نظر گرفته شود قطعاً نتايج بهترى در پى خواهد داشت. به طور كلى، روند طراحى مكاترونيكى با تحليل بازار و نيازهاى مشترى آغاز و سپس مشخصات مورد نياز محصول براساس تحليل هاى انجام شده، تعيين مى شود. با آغاز روند طراحى، مرزهاى بين حوزه هاى گوناگون مهندسى كم رنگ شده و يكپارچه سازى اين حوزه ها ضرورى مى نمايد چرا كه محدوديت ها و تصميم گيرى ها در يك حوزه در واقع تابعى است از محدوديت ها و تصميم گيرى ها در حوزه هاى ديگر. به عنوان مثال در بحث كنترل موتورهاى الكتريكى، امروزه ديگر براى كاهش زمان و هزينه توليد و بهبود كيفيت، طراحى موتور و درايو الكتريكى و كنترل كننده ديجيتال و حسگرها، همگى با هم در نظر گرفته مى شوند. يكى از مسائل صنعتى _ تحقيقاتى، روش هاى كنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاى سرعت، به منظور كاهش هزينه است، يعنى يك موتور الكتريكى را به يك مهندس كنترل مى دهند تا يك كنترل كننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحى كند. كارهاى زيادى در اين زمينه انجام شده ولى بعد از مدت ها به اين نتيجه رسيده اند كه بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحى موتور الكتريكى، استراتژى كنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، يعنى موتور را طورى طراحى كنيم تا كنترل آن بدون حسگر خارجى تا حد زيادى آسان شود. واضح است كه اين يكپارچه سازى باعث كاهش هزينه و زمان توليد محصول صنعتى خواهد شد.
بعد ديگر يكپارچه سازى، در مرحله توليد است. شماى كلى يك سيستم كلاسيك الكترومكانيكى شامل فرآيند مكانيكى، محركه ها و حسگرها و همچنين پردازشگر اصلى است. در واقع الگوريتم كنترلى در پردازشگر اصلى اجرا مى شود. بسيارى از فرآيندهاى صنعتى كلاسيك در قالب فوق نمايش داده مى شوند.
در سيستم هاى مكاترونيكى، يكپارچه سازى اجزا در مرحله توليد، به دو روش انجام مى شود: يكپارچه سازى سخت افزارى و يكپارچه سازى نرم افزارى. در يكپارچه سازى سخت افزارى، فرآيند مكانيكى به همراه حسگرها، محركه ها و پردازشگرها، به عنوان يك سيستم جامع در نظر گرفته مى شوند. در اينجا معمولاً خود حسگرها و يا محركه ها داراى پردازشگرهاى محلى هستند كه عموماً به آنها حسگرها و يا محركه هاى هوشمند اطلاق مى شود. در اينجا اجزاى سيستم داراى ارتباطات محلى بوده كه اين ارتباطات، معمولاً از طريق خطوط ارتباطى باس يا به صورت بى سيم است.
در يكپارچه سازى نرم افزارى، يك سيستم نظارتى يا به عبارتى كنترل كننده مركزى، به منظور مديريت كل فرآيند، تشخيص خطا و بهينه سازى، بر كل سيستم نظارت مى كند كه در واقع به معناى پردازش اطلاعات در يك سطح بالاتر است. معمولاً اين سيستم نظارتى يك سيستم هوشمند است كه اين امر تصميم سازى براى بهبود عملكرد سيستم فيزيكى را قابل اجرا مى سازد. در اينجا مى توان به اين نكته پى برد كه يكى از دلايل منحصر به فرد بودن محصولات مكاترونيكى، به كارگيرى قدرت محاسباتى بالا در خلق سيستم هايى است كه داراى كيفيت و قابليت اعتماد بسيار بالا هستند.
• محصولات مكاترونيكى
فناورى مكاترونيك در بسيارى از زمينه ها كاربرد روزافزونى پيدا كرده است كه در اينجا به بعضى از آنها اشاره مى كنيم. در صنايع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با كنترل الكترونيكى به جاى كنترل كننده سنتى آن يعنى كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنين سيستم ترمزهاى ضدقفل، سيستم تهويه هواى اتوماتيك، فرمان هاى با كمك الكتريكى _ هيدروليكى، خودروهاى الكتريكى _ تركيبى و… از ديگر كاربردهاى فناورى مكاترونيك در صنايع خودروسازى هستند.
در زمينه محصولات صنعتى با مصارف خانگى، مى توان به ماشين هاى لباسشويى و يا خشك كن جديد اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژى، صرفه جويى در مصرف آب و همچنين افزايش كيفيت، بهبود فراوانى يافته است.
در محصولات صنعتى با كاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسكنرهاى ليزرى، دستگاه هاى كپى ديجيتال و يا ديسك درايوهاى جديد اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونيكى هستند.
در زمينه صنايع دفاعى مى توان به سيستم هاى هدايت موشك و يا سلاح هاى هوشمند اشاره كرد. همچنين از ديگر محصولات مكاترونيكى، دوربين هاى خودتنظيم، ماشين هاى ابزار كامپيوترى و روبوت هاى صنعتى هستند كه تاثير فراوانى در كاهش هزينه و زمان توليد و بهبود كيفيت محصولات توليدى گذاشته اند.
• آموزش مكاترونيك
با توجه به گسترش نياز روزافزون صنعت به استخدام نيروهاى ماهر در مهندسى مكاترونيك، تربيت نيروى انسانى در اين زمينه بيش از پيش اهميت يافته است. نكته مهم و اساسى در آموزش مكاترونيك اين است كه يك مهندس مكاترونيك بايد داراى تخصص هاى چندحوزه اى باشد، بدين معنا كه تسلط به اصول اساسى مهندسى مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و كنترل، براى او ضرورى است چرا كه بايد قابليت طراحى در حوزه هاى مختلف و در نهايت تجميع و يكپارچه سازى اين حوزه ها را داشته باشد. هم اكنون در تعداد قابل توجهى از دانشكده هاى مهندسى برق و مكانيك در دنيا، گرايش مكاترونيك در سطوح كارشناسى و بالاتر ايجاد شده است.
هسته اصلى محتوى آموزشى مهندسى مكاترونيك، تركيبى از دروس اساسى گرايش هاى سيستم هاى كنترل، الكترونيك، كامپيوتر و مهندسى مكانيك است.
* استاديار دانشكده فنى تهران

تحصیل در زمینه رشته مکاترونیک مستلزم گذراندن دروس مختلفی از قبیل ریاضیات مهندسی پیشرفته, تئوری کنترل و کنترل دیجیتال, مدارات الکترونیکی, رباتیک , هوش مصنوعی , دینامیک و استاتیک , پردازش سیگنال , میکرو کنترلر ها , پردازش تصاویر و بینایی ماشین و انتقال داد ها می باشد.

دانشگاه های مختلفی در سراسر دنیا به این رشته از مهندسی می پردازند و پیشرفتهای فراوانی همه روزه حاصل می شود.

در ایران نیز اولین دانشگاهی که این رشته را تاسیس کرد , دانشگاه آزاد اسلامی قزوین بود که این امر به همت آقای دکتر علیرضا محمد شهری و ریاست دانشگاه آقای دکتر مرتضی موسی خانی صورت گرفت. ایشان دارای دکتری مهندسی مکاترونیک از (دانشگاه ولونگنگ) استرالیا می باشند و در حال حاضر عضو هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران هستند.

این دانشگاه هم اکنون فارغ التحصیلان زیادی در مقطع کارشناسی ارشد داشته است. اولین سال جذب این رشته در دانشگاه قزوین سال 1382 بوده است.

علاوه بر دانشگاه قزوین ، دانشگاه های مطرح و فعال در ایران در این زمینه عبارتند از :

دانشگاه خواجه نصیر ، دانشگاه علم و صنعت ، دانشگاه سمنان ، دانشگاه تبریز و دانشگاه علوم و تحقیقات.

علاوه بر دانشگاه آزاد اسلامی، دانشگاه های خواجه نصیر الدین طوسی(10 نفر روزانه،5 نفر شبانه) و سمنان(4 نفر روزانه، 1نفر شبانه) در سال 85 در این رشته دانشجو پذیرش کرده اند.

به کشورهایی که در حال حاضر سرمایه گذاری وسیعی در این رشته داشته اند می توان به آمریکا ، ژاپن ، استرالیا ، اتریش ، آلمان ، بلژیک و روسیه اشاره کرد.

دانشجویان در دوره فوق لیسانس بایستی 32 واحد درسی رو پاس کنند. که 6 واحد آن پروژه است.

معمولا فارق التحصیلان لیسانس رشته سخت افزار کامپیوتر و الکترونیک در این رشته موفق تر می باشند. به این دلیل که این گروه خودشونو بهتر با سیستم های مکانیکی وفق میدند و پروژهای نهایی جالبی دارند(یه پروژه مکاترونیکی واقعی). دانشجویان نرم افزار از همه بیشتر دردسر دارند چون معمولا نه مدار می دونند ، نه کنترل و الکترونیک پاس کردند و تقریبا با مشکل مواجه میشند. البته استثنا هم داریم.

دروس اصلی:

مکاترونیک 1 ، مکاترونیک 2 ، رباتیک پیشرفته ، ریاضیات مهندسی پیشرفته ، کنترل پیشرفته (معمولا کنترل دیجیتال درس میدند+ فضای حالت و…. تا فازی هم پیش میرند) ، شناسایی سیستمها ، کنترل محرک های الکتریکی.

دروس اختیاری:

شبکه های عصبی ، سیستم های توزیع شده ، پردازش تصویر (بینایی ماشین) ، اتوماسیون صنعتی ، مدیریت صنعتی (دقیقا یادم نیست چی بود، راجب تیم ورک بود)، کنترل فازی ، سیستم های خبره.

دروس پیش نیاز: (برای کسانی که این دروس را در دوره لیسانس پاس نکردند!)

استاتیک ، دینامیک ، الکترونیک 1و2، ریزپردازنده (ممکن است میکرو کنترلر هم درس بدند) ، کنترل خطی.