مهندسی مکاترونیک

مهندسی مکاترونیک (به انگلیسی: Mechatronics engineering) (یا مهندسی مکانیک و الکــترونیک) تلفیق سه رشته مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک و مهندسی کامپیوتر است. واژه مکاترونیک برای اولین بار در سال ۱۹۶۹ و توسط آقای تتسورو موری (Tetsuro Mori) مهندس ارشد شرکت یاسکاوا (YASKAWA) ژاپن مطرح شد. این رشته سعی بر آن دارد تا نگاهی یکپارچه به سیستم‌های تشکیل شده از اجزای مکانیکی - الکترونیکی - کنترلی و نرم‌افزار داشته باشد∗. واژهمکاترونیک توجه شمارا به علم مکانیک و الکترونیک جلب می‌کند. اما هدف مکاترونیک ایجاد و استفاده از ارتباط داخلیِ میان‌رشته‌های مهندسی مرتبط با اتوماسیون و خودکارسازی است، تا یک نمایه از کنترلِ پیشرفته را در سیستم‌های ترکیبی به خدمت بگیرد.

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.

دانشگاه های فعال در رشته مكاترونيک ایران

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.

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

دروس رشته مکاترونیک

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.