آشنایی با رشته مکاترونیک
امروزه کمتر محصول صنعتی را می‌توان یافت که ترکیبی از حوزه‌های مختلف مهندسی نباشد. اگر به محیط زندگی خود و محصولات مورد استفاده روزمره بیشتر دقت کنیم متوجه می‌شویم ساعت مچی دیجیتالی تا ماشین لباس‌شویی در آشپزخانه، خودروی شخصی یا عمومی که با آن به محل کار می‌رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط اداری و غیره، همگی نمونه‌هایی از ترکیب حوزه‌های مختلف مهندسی و به خصوص مکانیک و الکترونیک است.
اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتی آشنا باشیم، تجمیع نرم‌افزار و سخت‌افزار کامپیوتر با حوزه‌های فوق را به وضوح می‌توان در بسیاری از محصولات از جمله ماشین‌های لباس‌شویی و خشک‌کن جدید هوشمند، دوربین‌های خودتنظیم، روبوت‌های صنعتی، خودروهای مجهز به سیستم ترمز ضد قفل، دیسک درایوهای کامپیوتر، فرهای مایکروویو، تلفن‌های همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعی مدرن و تجهیزات پزشکی شناسایی کرد که مثال‌هایی از ترکیب حوزه‌های مهندسی مذکور است. در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناوری اطلاعات، الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازنده‌ها و همچنین سیستم‌های هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتی با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمان تولید کوتاه‌تر، افق جدیدی را در طراحی و ساخت محصولات الکترومکانیکی، به همراه آورده است. این فناوری که بر اساس تجمیع مهندسی مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و سیستم‌های کنترل است، مکاترونیک نامیده می‌شود. این واژه ترکیبی از دو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیک است.
واژه مکاترونیک برای اولین بار در اواخر دهه ۶۰ میلادی توسط یک مهندس ژاپنی، که در زمینه کنترل کامپیوتری موتورهای الکتریکی در شرکت یاسکاوا الکتریک تحقیق می‌کرد معرفی شد. تاکنون تعریف‌های گوناگونی از مکاترونیک ارائه شده است که مهم‌ترین آن عبارت است از: «یک ترکیب هم افزایانه از مهندسی مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر، سیستم‌های کنترل و فناوری اطلاعات در طراحی و ساخت محصولات و فرآیندهای صنعتی با دقت بالا». در واقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحی و تولید محصولات صنعتی است که به مهندسان اجازه می‌دهد تا با یکپارچه‌سازی حوزه‌های تخصصی یاد شده، از اولین مراحل طراحی و تولید، به خلق محصولاتی با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه کمتر و در زمان کوتاه‌تر، بیندیشند.
عناصر اصلی یک سیستم مکاترونیکی عبارتند از فرآیند مکانیکی یا الکترومکانیکی، حسگرها، محرکه‌ها، ریزپردازنده‌ها و نرم‌افزار کنترل کننده سیستم. در طراحی کلاسیک، اجزای مختلف یک سیستم به طور جداگانه طراحی شده و سپس تجمیع صورت می‌گیرد ولی در مکاترونیک، اجزای مکانیکی و الکتریکی به همراه استراتژی کنترلی از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته می‌شوند و این به معنای مهندسی همزمان در طراحی است. نکته مهم در اینجا تفاوت مهندسی الکترومکانیک با مکاترونیک است. در مهندسی مکاترونیک، با آن که عموما با سیستم‌های الکترومکانیکی سروکار داریم، نکته اساسی در حاکمیت همزمان بودن طراحی، یکپارچه‌سازی و حتی بهینه‌سازی است، در حالی که مهندسی الکترومکانیک لزوما این معنا را نمی‌دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونیکی دیگر جایز نیست یک سیستم را از ابتدا طراحی کنید بدون آنکه به استراتژی کنترلی آن اندیشیده باشید.
در اینجا ممکن است این سئوال پیش بیاید که منظور از یکپارچه‌سازی چیست؟ به طور کلی باید گفت که یکپارچه‌سازی در دو بعد مطرح است: طراحی و تولید. در مرحله طراحی اجزا، اگر هماهنگی با سایر اجزای سیستم در نظر گرفته شود قطعا نتایج بهتری در پی خواهد داشت. به طور کلی، روند طراحی مکاترونیکی با تحلیل بازار و نیازهای مشتری آغاز و سپس مشخصات مورد نیاز محصول براساس تحلیل‌های انجام شده، تعیین می‌شود. با آغاز روند طراحی، مرزهای بین حوزه‌های گوناگون مهندسی کم‌رنگ شده و یکپارچه‌سازی این حوزه‌ها ضروری می‌نماید زیرا محدودیت‌ها و تصمیم‌گیری‌ها در یک حوزه در واقع تابعی است از محدودیت‌ها و تصمیم‌گیری‌ها در حوزه‌های دیگر. به عنوان مثال در بحث کنترل موتورهای الکتریکی، امروزه دیگر برای کاهش زمان و هزینه تولید و بهبود کیفیت، طراحی موتور و درایو الکتریکی و کنترل کننده دیجیتال و حسگرها، همگی با هم در نظر گرفته می‌شوند. یکی از مسائل صنعتی _ تحقیقاتی، روش‌های کنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهای سرعت، به منظور کاهش هزینه است، یعنی یک موتور الکتریکی را به یک مهندس کنترل می‌دهند تا یک کنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحی کند. کارهای زیادی در این زمینه انجام شده اما بعد از مدت‌ها به این نتیجه رسیده‌اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحی موتور الکتریکی، استراتژی کنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنی موتور را طوری طراحی کنیم تا 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.
بعد دیگر یکپارچه‌سازی، در مرحله تولید است. شمای کلی یک سیستم کلاسیک الکترومکانیکی شامل فرآیند مکانیکی، محرکه‌ها و حسگرها و همچنین پردازشگر اصلی است. در واقع الگوریتم کنترلی در پردازشگر اصلی اجرا می‌شود. بسیاری از فرآیندهای صنعتی کلاسیک در قالب فوق نمایش داده می‌شوند. در سیستم‌های مکاترونیکی، یکپارچه‌سازی اجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام می‌شود: یکپارچه‌سازی سخت افزاری و یکپارچه‌سازی نرم‌افزاری. در یکپارچه‌سازی سخت‌افزاری، فرآیند مکانیکی به همراه حسگرها، محرکه‌ها و پردازشگرها، به عنوان یک سیستم جامع در نظر گرفته می‌شوند. در اینجا معمولا خود حسگرها و یا محرکه‌ها دارای پردازشگرهای محلی هستند که عموما به آن‌ها حسگرها و یا محرکه‌های هوشمند اطلاق می‌شود. در اینجا اجزای سیستم دارای ارتباطات محلی اند که این ارتباطات، معمولا از طریق خطوط ارتباطی باس یا به صورت بی‌سیم است.
در یکپارچه‌سازی نرم‌افزاری، یک سیستم نظارتی یا به عبارتی کنترل کننده مرکزی، به منظور مدیریت کل فرآیند، تشخیص خطا و بهینه‌سازی، بر کل سیستم نظارت می‌کند که در واقع به معنای پردازش اطلاعات در یک سطح بالاتر است. معمولا این سیستم نظارتی یک سیستم هوشمند است که این امر تصمیم سازی برای بهبود عملکرد سیستم فیزیکی را قابل اجرا می سازد. در اینجا می‌توان به این نکته پی برد که یکی از دلایل منحصر به فرد بودن محصولات مکاترونیکی، به کارگیری قدرت محاسباتی بالا در خلق سیستم‌هایی است که دارای کیفیت و قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.
محصولات مکاترونیکی
فناوری مکاترونیک در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد روزافزونی پیدا کرده است که در اینجا به بعضی از آن‌ها اشاره می کنیم. در صنایع خودروسازی، استفاده از موتورهای با کنترل الکترونیکی به جای کنترل کننده سنتی آن یعنی کاربراتور، باعث بهبود عملکرد موتور و کاهش مصرف سوخت و آلودگی شده است. همچنین سیستم ترمزهای ضد قفل، سیستم تهویه هوای اتوماتیک، فرمان‌های با کمک الکتریکی _ هیدرولیکی، خودروهای الکتریکی _ ترکیبی و… از دیگر کاربردهای فناوری مکاترونیک در صنایع خودروسازی هستند. در زمینه محصولات صنعتی با مصارف خانگی، می‌توان به ماشین‌های لباس‌شویی یا خشک‌کن جدید اشاره کرد که عملکردشان با استفاده از کنترل هوشمند به منظور مصرف بهینه انرژی، صرفه جویی در مصرف آب و همچنین افزایش کیفیت، بهبود فراوانی یافته است.
در محصولات صنعتی با کاربرد اداری، می‌توان به چاپگرها و اسکنرهای لیزری، دستگاه‌های کپی دیجیتال یا دیسک درایوهای جدید اشاره کرد که از جمله محصولات مکاترونیکی هستند. در زمینه صنایع دفاعی می‌توان به سیستم‌های هدایت موشک یا سلاح‌های هوشمند اشاره کرد. همچنین از دیگر محصولات مکاترونیکی، دوربین‌های خودتنظیم، ماشین‌های ابزار کامپیوتری و روبوت‌های صنعتی هستند که تاثیر فراوانی در کاهش هزینه و زمان تولید و بهبود کیفیت محصولات تولیدی گذاشته‌اند.
آموزش مکاترونیک
نخستین بار در ایران دانشگاه آزاد اسلامی قزوین در سال ۱۳۸۲ این رشته را تاسیس کرد. پس از آن دانشگاه‌های مطرح ایران نظیر خواجه‌نصیر، دانشگاه علم و صنعت، دانشگاه سمنان، دانشگاه تبریز و دانشگاه علوم و تحقیقات این را به برنامه واحدهای درسی خود افزودند.
با توجه به گسترش نیاز روزافزون صنعت به استخدام نیروهای ماهر در مهندسی مکاترونیک، تربیت نیروی انسانی در این زمینه بیش از پیش اهمیت یافته است. نکته مهم و اساسی در آموزش مکاترونیک این است که یک مهندس مکاترونیک باید دارای تخصص های چندحوزه ای باشد، بدین معنا که تسلط به اصول اساسی مهندسی مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و کنترل، برای او ضروری است چرا که باید قابلیت طراحی در حوزه های مختلف و در نهایت تجمیع و یکپارچه سازی این حوزه ها را داشته باشد. هم اکنون در تعداد قابل توجهی از دانشکده های مهندسی برق و مکانیک در دنیا، گرایش مکاترونیک در سطوح کارشناسی و بالاتر ایجاد شده است .
برای مشاهده سایر رشته ها اینجا کلیک کنید
از تجربیات دیگران استفاده کنید!
مطالعه تجربیات شرکت کنندگان آزمون‌های استخدامی سازمان‌های مختلف در دوره های گذشته می تواند نقش بسزایی در قبولی شما در سازمان مورد نظر داشته باشد.
۱ نظر برای آشنایی با رشته مکاترونیک