mohamad.s
03-14-2011, 08:18 PM
مقاله برق مکاترونيک
آشنايي با مهندسي مكاترونيك و كاربردهاي آن
امروزه كمتر محصول صنعتي را مي توان يافت كه تركيبي از حوزه هاي مختلف مهندسي نباشد. اگر بيشتر به محيط زندگي خود و محصولاتي كه در زندگي روزمره از آنها استفاده مي شود دقت كنيم، از ساعت مچي ديجيتالي تا ماشين لباسشويي در آشپزخانه، خودروي شخصي يا عمومي كه با آن به محل كار مي رويم، چاپگرها و اسكنرها در محيط اداري و غيره، همگي نمونه هايي از تركيب حوزه هاي مختلف مهندسي و به خصوص مكانيك و الكترونيك است. اگر هم با محصولات جديدتر صنعتي آشنا باشيم، تجميع نرم افزار و سخت افزار كامپيوتر با حوزه هاي فوق را به وضوح مي توان در بسياري از محصولات از جمله ماشين هاي لباسشويي و خشك كن جديد هوشمند، دوربين هاي خودتنظيم، روبوت هاي صنعتي، خودروهاي مجهز به سيستم ترمز ضدقفل، ديسك درايوهاي كامپيوتر، فرهاي مايكروويو، تلفن هاي همراه، سيستم پخش ديجيتال، محصولات دفاعي مدرن و تجهيزات پزشكي شناسايي كرد كه مثال هايي از تركيب حوزه هاي مهندسي مذكور است. در واقع، پيشرفت روزافزون علوم فناوري اطلاعات، الكترونيك به خصوص الكترونيك قدرت، ريزپردازنده ها و همچنين سيستم هاي هوشمند، به همراه نياز روزافزون به توليد محصولات صنعتي با كيفيت بهتر، هزينه كمتر و زمان توليد كوتاه تر، افق جديدي را در طراحي و ساخت محصولات الكترومكانيكي، به همراه آورده است. اين فناوري كه براساس تجميع مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و سيستم هاي كنترل است، مكاترونيك ناميده مي شود. اين واژه تركيبي از دو بخش «مكا» مخفف مكانيسم و «ترونيك» مخفف الكترونيك است.واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه ۶۰ ميلادي توسط يك مهندس ژاپني، كه در زمينه كنترل كامپيوتري موتورهاي الكتريكي در شركت ياسكاوا الكتريك تحقيق مي كرد معرفي شد. تاكنون تعريف هاي گوناگوني از مكاترونيك ارائه شده است كه مهمترين آن عبارت است از: «يك تركيب هم افزايانه از مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر، سيستم هاي كنترل و فناوري اطلاعات در طراحي و ساخت محصولات و فرآيندهاي صنعتي با دقت بالا». در واقع مكاترونيك يك تفكر جديد در طراحي و توليد محصولات صنعتي است كه به مهندسان اجازه مي دهد تا با يكپارچه سازي حوزه هاي تخصصي ياد شده، از اولين مراحل طراحي و توليد، به خلق محصولاتي با كيفيت بهتر، قابليت اعتماد بالاتر، هزينه كمتر و در زمان كوتاه تر، بينديشند.عناصر اصلي يك سيستم مكاترونيكي عبارتند از فرآيند مكانيكي يا الكترومكانيكي، حسگرها، محركه ها، ريزپردازنده ها و نرم افزار كنترل كننده سيستم. در طراحي كلاسيك، اجزاي مختلف يك سيستم به طور جداگانه طراحي شده و سپس تجميع صورت مي گيرد ولي در مكاترونيك، اجزاي مكانيكي و الكتريكي به همراه استراتژي كنترلي از ابتدا به صورت يك سيستم يكپارچه در نظر گرفته مي شوند و اين به معناي مهندسي همزمان در طراحي است. نكته مهم در اينجا تفاوت مهندسي الكترومكانيك با مكاترونيك است. در مهندسي مكاترونيك، با آن كه عموماً با سيستم هاي الكترومكانيكي سروكار داريم، نكته اساسي در حاكميت همزمان بودن طراحي، يكپارچه سازي و حتي بهينه سازي است، در حالي كه مهندسي الكترومكانيك لزوماً اين معنا را نمي دهد. به عنوان مثال، در تفكر مكاترونيكي ديگر جايز نيست يك سيستم را از ابتدا طراحي كنيد بدون آنكه به استراتژي كنترلي آن انديشيده باشيد.در اينجا ممكن است اين سئوال پيش بيايد كه منظور از يكپارچه سازي چيست؟ به طور كلي بايد گفت كه يكپارچه سازي در دو بعد مطرح است: طراحي و توليد. در مرحله طراحي اجزا، اگر هماهنگي با ساير اجزاي سيستم در نظر گرفته شود قطعاً نتايج بهتري در پي خواهد داشت. به طور كلي، روند طراحي مكاترونيكي با تحليل بازار و نيازهاي مشتري آغاز و سپس مشخصات مورد نياز محصول براساس تحليل هاي انجام شده، تعيين مي شود. با آغاز روند طراحي، مرزهاي بين حوزه هاي گوناگون مهندسي كم رنگ شده و يكپارچه سازي اين حوزه ها ضروري مي نمايد چرا كه محدوديت ها و تصميم گيري ها در يك حوزه در واقع تابعي است از محدوديت ها و تصميم گيري ها در حوزه هاي ديگر. به عنوان مثال در بحث كنترل موتورهاي الكتريكي، امروزه ديگر براي كاهش زمان و هزينه توليد و بهبود كيفيت، طراحي موتور و درايو الكتريكي و كنترل كننده ديجيتال و حسگرها، همگي با هم در نظر گرفته مي شوند. يكي از مسائل صنعتي _ تحقيقاتي، روش هاي كنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاي سرعت، به منظور كاهش هزينه است، يعني يك موتور الكتريكي را به يك مهندس كنترل مي دهند تا يك كنترل كننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحي كند. كارهاي زيادي در اين زمينه انجام شده ولي بعد از مدت ها به اين نتيجه رسيده اند كه بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحي موتور الكتريكي، استراتژي كنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، يعني موتور را طوري طراحي كنيم تا كنترل آن بدون حسگر خارجي تا حد زيادي آسان شود. واضح است كه اين يكپارچه سازي باعث كاهش هزينه و زمان توليد محصول صنعتي خواهد شد.بعد ديگر يكپارچه سازي، در مرحله توليد است. شماي كلي يك سيستم كلاسيك الكترومكانيكي شامل فرآيند مكانيكي، محركه ها و حسگرها و همچنين پردازشگر اصلي است. در واقع الگوريتم كنترلي در پردازشگر اصلي اجرا مي شود. بسياري از فرآيندهاي صنعتي كلاسيك در قالب فوق نمايش داده مي شوند.در سيستم هاي مكاترونيكي، يكپارچه سازي اجزا در مرحله توليد، به دو روش انجام مي شود: يكپارچه سازي سخت افزاري و يكپارچه سازي نرم افزاري. در يكپارچه سازي سخت افزاري، فرآيند مكانيكي به همراه حسگرها، محركه ها و پردازشگرها، به عنوان يك سيستم جامع در نظر گرفته مي شوند. در اينجا معمولاً خود حسگرها و يا محركه ها داراي پردازشگرهاي محلي هستند كه عموماً به آنها حسگرها و يا محركه هاي هوشمند اطلاق مي شود. در اينجا اجزاي سيستم داراي ارتباطات محلي بوده كه اين ارتباطات، معمولاً از طريق خطوط ارتباطي باس يا به صورت بي سيم است.
در يكپارچه سازي نرم افزاري، يك سيستم نظارتي يا به عبارتي كنترل كننده مركزي، به منظور مديريت كل فرآيند، تشخيص خطا و بهينه سازي، بر كل سيستم نظارت مي كند كه در واقع به معناي پردازش اطلاعات در يك سطح بالاتر است. معمولاً اين سيستم نظارتي يك سيستم هوشمند است كه اين امر تصميم سازي براي بهبود عملكرد سيستم فيزيكي را قابل اجرا مي سازد. در اينجا مي توان به اين نكته پي برد كه يكي از دلايل منحصر به فرد بودن محصولات مكاترونيكي، به كارگيري قدرت محاسباتي بالا در خلق سيستم هايي است كه داراي كيفيت و قابليت اعتماد بسيار بالا هستند.
• محصولات مكاترونيكي
فناوري مكاترونيك در بسياري از زمينه ها كاربرد روزافزوني پيدا كرده است كه در اينجا به بعضي از آنها اشاره مي كنيم. در صنايع خودروسازي، استفاده از موتورهاي با كنترل الكترونيكي به جاي كنترل كننده سنتي آن يعني كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگي شده است. همچنين سيستم ترمزهاي ضدقفل، سيستم تهويه هواي اتوماتيك، فرمان هاي با كمك الكتريكي _ هيدروليكي، خودروهاي الكتريكي _ تركيبي و... از ديگر كاربردهاي فناوري مكاترونيك در صنايع خودروسازي هستند.در زمينه محصولات صنعتي با مصارف خانگي، مي توان به ماشين هاي لباسشويي و يا خشك كن جديد اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژي، صرفه جويي در مصرف آب و همچنين افزايش كيفيت، بهبود فراواني يافته است.
در محصولات صنعتي با كاربرد اداري، مي توان به چاپگرها و اسكنرهاي ليزري، دستگاه هاي كپي ديجيتال و يا ديسك درايوهاي جديد اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونيكي هستند.در زمينه صنايع دفاعي مي توان به سيستم هاي هدايت موشك و يا سلاح هاي هوشمند اشاره كرد. همچنين از ديگر محصولات مكاترونيكي، دوربين هاي خودتنظيم، ماشين هاي ابزار كامپيوتري و روبوت هاي صنعتي هستند كه تاثير فراواني در كاهش هزينه و زمان توليد و بهبود كيفيت محصولات توليدي گذاشته اند.
• آموزش مكاترونيك
با توجه به گسترش نياز روزافزون صنعت به استخدام نيروهاي ماهر در مهندسي مكاترونيك، تربيت نيروي انساني در اين زمينه بيش از پيش اهميت يافته است. نكته مهم و اساسي در آموزش مكاترونيك اين است كه يك مهندس مكاترونيك بايد داراي تخصص هاي چندحوزه اي باشد، بدين معنا كه تسلط به اصول اساسي مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و كنترل، براي او ضروري است چرا كه بايد قابليت طراحي در حوزه هاي مختلف و در نهايت تجميع و يكپارچه سازي اين حوزه ها را داشته باشد. هم اكنون در تعداد قابل توجهي از دانشكده هاي مهندسي برق و مكانيك در دنيا، گرايش مكاترونيك در سطوح كارشناسي و بالاتر ايجاد شده است.هسته اصلي محتوي آموزشي مهندسي مكاترونيك، تركيبي از دروس اساسي گرايش هاي سيستم هاي كنترل، الكترونيك، كامپيوتر و مهندسي مكانيك است.
آشنايي با مهندسي مكاترونيك و كاربردهاي آن
امروزه كمتر محصول صنعتي را مي توان يافت كه تركيبي از حوزه هاي مختلف مهندسي نباشد. اگر بيشتر به محيط زندگي خود و محصولاتي كه در زندگي روزمره از آنها استفاده مي شود دقت كنيم، از ساعت مچي ديجيتالي تا ماشين لباسشويي در آشپزخانه، خودروي شخصي يا عمومي كه با آن به محل كار مي رويم، چاپگرها و اسكنرها در محيط اداري و غيره، همگي نمونه هايي از تركيب حوزه هاي مختلف مهندسي و به خصوص مكانيك و الكترونيك است. اگر هم با محصولات جديدتر صنعتي آشنا باشيم، تجميع نرم افزار و سخت افزار كامپيوتر با حوزه هاي فوق را به وضوح مي توان در بسياري از محصولات از جمله ماشين هاي لباسشويي و خشك كن جديد هوشمند، دوربين هاي خودتنظيم، روبوت هاي صنعتي، خودروهاي مجهز به سيستم ترمز ضدقفل، ديسك درايوهاي كامپيوتر، فرهاي مايكروويو، تلفن هاي همراه، سيستم پخش ديجيتال، محصولات دفاعي مدرن و تجهيزات پزشكي شناسايي كرد كه مثال هايي از تركيب حوزه هاي مهندسي مذكور است. در واقع، پيشرفت روزافزون علوم فناوري اطلاعات، الكترونيك به خصوص الكترونيك قدرت، ريزپردازنده ها و همچنين سيستم هاي هوشمند، به همراه نياز روزافزون به توليد محصولات صنعتي با كيفيت بهتر، هزينه كمتر و زمان توليد كوتاه تر، افق جديدي را در طراحي و ساخت محصولات الكترومكانيكي، به همراه آورده است. اين فناوري كه براساس تجميع مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و سيستم هاي كنترل است، مكاترونيك ناميده مي شود. اين واژه تركيبي از دو بخش «مكا» مخفف مكانيسم و «ترونيك» مخفف الكترونيك است.واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه ۶۰ ميلادي توسط يك مهندس ژاپني، كه در زمينه كنترل كامپيوتري موتورهاي الكتريكي در شركت ياسكاوا الكتريك تحقيق مي كرد معرفي شد. تاكنون تعريف هاي گوناگوني از مكاترونيك ارائه شده است كه مهمترين آن عبارت است از: «يك تركيب هم افزايانه از مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر، سيستم هاي كنترل و فناوري اطلاعات در طراحي و ساخت محصولات و فرآيندهاي صنعتي با دقت بالا». در واقع مكاترونيك يك تفكر جديد در طراحي و توليد محصولات صنعتي است كه به مهندسان اجازه مي دهد تا با يكپارچه سازي حوزه هاي تخصصي ياد شده، از اولين مراحل طراحي و توليد، به خلق محصولاتي با كيفيت بهتر، قابليت اعتماد بالاتر، هزينه كمتر و در زمان كوتاه تر، بينديشند.عناصر اصلي يك سيستم مكاترونيكي عبارتند از فرآيند مكانيكي يا الكترومكانيكي، حسگرها، محركه ها، ريزپردازنده ها و نرم افزار كنترل كننده سيستم. در طراحي كلاسيك، اجزاي مختلف يك سيستم به طور جداگانه طراحي شده و سپس تجميع صورت مي گيرد ولي در مكاترونيك، اجزاي مكانيكي و الكتريكي به همراه استراتژي كنترلي از ابتدا به صورت يك سيستم يكپارچه در نظر گرفته مي شوند و اين به معناي مهندسي همزمان در طراحي است. نكته مهم در اينجا تفاوت مهندسي الكترومكانيك با مكاترونيك است. در مهندسي مكاترونيك، با آن كه عموماً با سيستم هاي الكترومكانيكي سروكار داريم، نكته اساسي در حاكميت همزمان بودن طراحي، يكپارچه سازي و حتي بهينه سازي است، در حالي كه مهندسي الكترومكانيك لزوماً اين معنا را نمي دهد. به عنوان مثال، در تفكر مكاترونيكي ديگر جايز نيست يك سيستم را از ابتدا طراحي كنيد بدون آنكه به استراتژي كنترلي آن انديشيده باشيد.در اينجا ممكن است اين سئوال پيش بيايد كه منظور از يكپارچه سازي چيست؟ به طور كلي بايد گفت كه يكپارچه سازي در دو بعد مطرح است: طراحي و توليد. در مرحله طراحي اجزا، اگر هماهنگي با ساير اجزاي سيستم در نظر گرفته شود قطعاً نتايج بهتري در پي خواهد داشت. به طور كلي، روند طراحي مكاترونيكي با تحليل بازار و نيازهاي مشتري آغاز و سپس مشخصات مورد نياز محصول براساس تحليل هاي انجام شده، تعيين مي شود. با آغاز روند طراحي، مرزهاي بين حوزه هاي گوناگون مهندسي كم رنگ شده و يكپارچه سازي اين حوزه ها ضروري مي نمايد چرا كه محدوديت ها و تصميم گيري ها در يك حوزه در واقع تابعي است از محدوديت ها و تصميم گيري ها در حوزه هاي ديگر. به عنوان مثال در بحث كنترل موتورهاي الكتريكي، امروزه ديگر براي كاهش زمان و هزينه توليد و بهبود كيفيت، طراحي موتور و درايو الكتريكي و كنترل كننده ديجيتال و حسگرها، همگي با هم در نظر گرفته مي شوند. يكي از مسائل صنعتي _ تحقيقاتي، روش هاي كنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاي سرعت، به منظور كاهش هزينه است، يعني يك موتور الكتريكي را به يك مهندس كنترل مي دهند تا يك كنترل كننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحي كند. كارهاي زيادي در اين زمينه انجام شده ولي بعد از مدت ها به اين نتيجه رسيده اند كه بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحي موتور الكتريكي، استراتژي كنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، يعني موتور را طوري طراحي كنيم تا كنترل آن بدون حسگر خارجي تا حد زيادي آسان شود. واضح است كه اين يكپارچه سازي باعث كاهش هزينه و زمان توليد محصول صنعتي خواهد شد.بعد ديگر يكپارچه سازي، در مرحله توليد است. شماي كلي يك سيستم كلاسيك الكترومكانيكي شامل فرآيند مكانيكي، محركه ها و حسگرها و همچنين پردازشگر اصلي است. در واقع الگوريتم كنترلي در پردازشگر اصلي اجرا مي شود. بسياري از فرآيندهاي صنعتي كلاسيك در قالب فوق نمايش داده مي شوند.در سيستم هاي مكاترونيكي، يكپارچه سازي اجزا در مرحله توليد، به دو روش انجام مي شود: يكپارچه سازي سخت افزاري و يكپارچه سازي نرم افزاري. در يكپارچه سازي سخت افزاري، فرآيند مكانيكي به همراه حسگرها، محركه ها و پردازشگرها، به عنوان يك سيستم جامع در نظر گرفته مي شوند. در اينجا معمولاً خود حسگرها و يا محركه ها داراي پردازشگرهاي محلي هستند كه عموماً به آنها حسگرها و يا محركه هاي هوشمند اطلاق مي شود. در اينجا اجزاي سيستم داراي ارتباطات محلي بوده كه اين ارتباطات، معمولاً از طريق خطوط ارتباطي باس يا به صورت بي سيم است.
در يكپارچه سازي نرم افزاري، يك سيستم نظارتي يا به عبارتي كنترل كننده مركزي، به منظور مديريت كل فرآيند، تشخيص خطا و بهينه سازي، بر كل سيستم نظارت مي كند كه در واقع به معناي پردازش اطلاعات در يك سطح بالاتر است. معمولاً اين سيستم نظارتي يك سيستم هوشمند است كه اين امر تصميم سازي براي بهبود عملكرد سيستم فيزيكي را قابل اجرا مي سازد. در اينجا مي توان به اين نكته پي برد كه يكي از دلايل منحصر به فرد بودن محصولات مكاترونيكي، به كارگيري قدرت محاسباتي بالا در خلق سيستم هايي است كه داراي كيفيت و قابليت اعتماد بسيار بالا هستند.
• محصولات مكاترونيكي
فناوري مكاترونيك در بسياري از زمينه ها كاربرد روزافزوني پيدا كرده است كه در اينجا به بعضي از آنها اشاره مي كنيم. در صنايع خودروسازي، استفاده از موتورهاي با كنترل الكترونيكي به جاي كنترل كننده سنتي آن يعني كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگي شده است. همچنين سيستم ترمزهاي ضدقفل، سيستم تهويه هواي اتوماتيك، فرمان هاي با كمك الكتريكي _ هيدروليكي، خودروهاي الكتريكي _ تركيبي و... از ديگر كاربردهاي فناوري مكاترونيك در صنايع خودروسازي هستند.در زمينه محصولات صنعتي با مصارف خانگي، مي توان به ماشين هاي لباسشويي و يا خشك كن جديد اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهينه انرژي، صرفه جويي در مصرف آب و همچنين افزايش كيفيت، بهبود فراواني يافته است.
در محصولات صنعتي با كاربرد اداري، مي توان به چاپگرها و اسكنرهاي ليزري، دستگاه هاي كپي ديجيتال و يا ديسك درايوهاي جديد اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونيكي هستند.در زمينه صنايع دفاعي مي توان به سيستم هاي هدايت موشك و يا سلاح هاي هوشمند اشاره كرد. همچنين از ديگر محصولات مكاترونيكي، دوربين هاي خودتنظيم، ماشين هاي ابزار كامپيوتري و روبوت هاي صنعتي هستند كه تاثير فراواني در كاهش هزينه و زمان توليد و بهبود كيفيت محصولات توليدي گذاشته اند.
• آموزش مكاترونيك
با توجه به گسترش نياز روزافزون صنعت به استخدام نيروهاي ماهر در مهندسي مكاترونيك، تربيت نيروي انساني در اين زمينه بيش از پيش اهميت يافته است. نكته مهم و اساسي در آموزش مكاترونيك اين است كه يك مهندس مكاترونيك بايد داراي تخصص هاي چندحوزه اي باشد، بدين معنا كه تسلط به اصول اساسي مهندسي مكانيك، الكترونيك، كامپيوتر و كنترل، براي او ضروري است چرا كه بايد قابليت طراحي در حوزه هاي مختلف و در نهايت تجميع و يكپارچه سازي اين حوزه ها را داشته باشد. هم اكنون در تعداد قابل توجهي از دانشكده هاي مهندسي برق و مكانيك در دنيا، گرايش مكاترونيك در سطوح كارشناسي و بالاتر ايجاد شده است.هسته اصلي محتوي آموزشي مهندسي مكاترونيك، تركيبي از دروس اساسي گرايش هاي سيستم هاي كنترل، الكترونيك، كامپيوتر و مهندسي مكانيك است.