مکاترونیک

معنی لغوی:

مکاترونیک ترکیبى از دو بخش «مکا» مخفف مکانیک و «ترونیک» مخفف الکــترونیک است.

تعریف

مکاترونیک بسیاری تکنیکها را کنار هم جمع می‌کند: مهندسی مکانیک ، مهندسی الکترونیک ، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر و مهندسی کنترل. چنین چیزی می‌تواند به عنوان کاربردی از کامپیوتر بر پایه تکنیک‌های کنترل رقمی(دیجیتال)، همراه واسطه‌های الکتریکی و الکترونیکی برای حل مسایل مکانیکی باشد مکاترونیک فرصت یک نگاه تازه به مسایل را فراهم می‌کند و مهندسان مکانیک نه‌تنها مسایل را با اصول مکانیکی می‌بینند، بلکه آن را بر پایه بسیاری فناوری‌های دیگر مشاهده می‌کنند. الکترونیک و ... به عنوان یک تکنیک مجرد برای سخت افزارهای مکانیکی نباید فرض شود. یک رهیافت مکاترونیکی نیاز به طراحی مناسب دارد، باید یک فکر تازه در مورد نیازها و اقلام ضروری در این تکنیک صورت گیرد. کاربردهای زیادی از مکاترونیک در تولیدات به کاررفته در خانه وجود دارد. کنترل کننده‌های بر پایه ریزپردازنده‌ها در ماشین‌های لباسشویی خانگی، ماشین‌های ظرفشویی، اجاق‌های میکروویو( موج کوتاه) دوربین‌ها، ساعت ها و سیستم‌های ضبط ویدیویی، سیستم‌های گرمایش مرکزی، چرخ های خیاطی و ... وجود دارد. این سیستم‌ها در خودروها، در فعالیت ماشینهای بالابر، ترمزها و کنترل موتور، نمایشگر سرعت موتور، انتقال و ... یافت می‌شود کاربرد وسیعتر مکاترونیک یک سیستم انعطاف پذیر مهندسی تولید است که شامل ماشین های کنترل شده"ربات ها، انتقال خودکار مواد و کنترل‌های نظارتی است .

تاریخچه مکاترونیک

واژه مکاترونیک برای اولین بار در اواخر دهه 60 توسط یک شرکت ژاپنی به نام یاسکاوا الکتریک مورد استفاده قرار گرفت آن هم برای کنترل الکترونیکی موتورهای الکتریکی ساخت این شرکت. این واژه با آمیخته شدن قطعات مکانیکی و حجم وسیعی از قطعات الکترونیکی نظیر سنسورها، کنترل کنندها و وسایل الکترونیکی نوری به واژه ای فراگیر تبدیل شد.
بزودی ژاپنی ها به عنوان بزرگترین تولید کننده روباتهای صنعتی از انواع سیستمهای مکاترونیک پیشرفته در کاربردهای تولید صنعتی استفاده نمودند. همچنین ژاپن بزرگترین حجم تولید انواع اجزاء مکاترونیک نظیر موتورهای با عملکرد بالا و سنسورهای تصویری CCD را در اختیار داشته و جزء اولین توسعه دهندگان و تولید کنندگان میکروکنترلرها و پردازشگرهای دیجیتال برای کاربردهای مکاترونیک می باشد.
واژه مکاترونیک در اروپا نیز بصورت وسیع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذیرش این موضوع بعنوان یک فیلد مطالعاتی جداگانه بکندی پیشرفت، اما رشد روز افزون کاربردهای این شاخه علمی، گواهی پذیرش جهانی این موضوع بود.
تا اوایل دهه 1980 مکاترونیک تنها به مکانیزمهای الکتریکی اطلاق میشد. در اواسط دهه 1980 این موضوع به علم مهندسی در مرز مشترک الکترونیک و مکانیک گفته می شد. اما امروزه این واژه، محدوده عظیمی از تکنولوژیهای مرتبط با مکانیک، الکترونیک و نرم افزارهای کامپیوتری یا تکنولوژی اطلاعات را در بر می گیرد. به عبارت بهتر مکاترونیک شاخه ای از علوم مهندسی است که در ارتباط با ترکیب علوم مکانیک، الکترونیک، کنترل و کامپیوتر بحث می کند. اجزاء یک سیستم مکاترونیکی شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، میکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهای کنترلی بلادرنگ (Real-Time) می باشد.
معرفی چند واژه در مکاترونیک:

سنسورها

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند.

عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.
سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل می‌آید:
سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند.
سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.
سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.
سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به‌ ‌همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به دو قسمت تقسیم می‌شوند:
1. سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند.
سنسورهای تشخیص تماس
سنسورهای نیرو-فشار
2. سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار می‌دهند.

حسگرهای مورد استفاده در رباتیک:

در یک دسته بندی کلی حسگرهای مورد استفاده در رباتها را می توان در یک دسته خلاصه کرد:
– حسگرهای تماسی ( Contact )
مهمترین کاربردهای این حسگرها به این شرح می باشد:
– آشکارسازی تماس دو جسم
– اندازه گیری نیروها و گشتاورهایی که حین حرکت ربات بین اجزای مختلف آن ایجاد می شود .

در شکل یک میکرو سوئیچ یا حسگر تماسی نشان داده شده است. در صورت برخورد تیغه فلزی به مانع و فشرده شدن کلید زیر تیغه همانند قطع و وصل شدن یک کلید ولتا? خروجی سوئیچ تغییر می کند.
– حسگرهای هم جواری (Proximity )
آشکارسازی اشیا نزدیک به روبات مهمترین کاربرد این حسگرها می باشد.
انواع مختلفی از حسگرهای هم جواری در بازار موجود است از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– القایی
– اثرهال
– خازنی
– اولتراسونیک
– نوری

– حسگرهای دوربرد ( Far away)
کاربرد اصلی این حسگرها به شرح زیر می باشد:
– فاصله سنج (لیزو و اولتراسونیک)
– بینایی (دوربینCCD)

در شکل یک زوج گیرنده و فرستنده اولتراسونیک (ماورا صوت) نشان داده شده است. اساس کار  این حسگرها بر مبنای پدیده داپلر می باشد.
- حسگر نوری (گیرنده-فرستنده)
یکی از پرکاربردترین حسگرهای مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهای نوری هستند. حسگر نوری گیرنده- فرستنده از یک دیود نورانی (فرستنده) و یک ترانزیستور نوری (گیرنده) تشکیل شده است.
خروجی این حسگر در صورتیکه مقابل سطح سفید قرار بگیرد 5 ولت و در صورتی که در مقابل یک سطح تیره قرار گیرد صفر ولت می باشد. البته این وضعیت می تواند در مدلهای مختلف حسگر برعکس باشد. در هر حال این حسگر در مواجهه با دو سطح نوری مختلف ولتاژ متفاوتی تولید می کند.

در زیر یک نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوری گیرنده فرستنده نشان داده شده است. مقادیر مقاوتهای نشان داده شده در مدلهای متفاوت متغییر است و با مطالعه دیتا شیت آنها می توان مقدار بهینه مقاومت را بدست آورد.

میکرو کنترلر (Microcontroller)

کلمه میکروکنترلر از دو کلمه میکرو و کنترلر تشکیل شده است که میکرو یک واحد یونانی است و برابر با 10 به توان منفی 6 متر است. یعنی یک ملیونیوم متر کنترلر نیز به معنای کنترل کننده است.

میکرو کنترلر به دو صورت می تواند عمل کند
بر مبنای ورودی هایی که به آن داده می شود خروجی خود را تنظیم می کند.
یا اینکه ورودی تعریف نشود و تنها بر اساس برنامه عمل کند و خروجی فقط بر اساس برنامه باشد.
به آی سی هایی که قابل برنامه ریزی می باشد و عملکرد آنها از قبل تعیین شده میکروکنترلرگویند میکرو کنترلر ها دارای ورودی - خروجی و قدرت پردازش می باشد که از بخش های مختلفی چون
Cpu (واحد پردازش)
Alu (واحد محاسبات)
I /O (ورودی ها و خروجی ها)
Ram حافظه اصلی میکرو
Rom حافظه ای که برنامه روی آن ذخیره می گردد
Timer برای کنترل زمان ها
می باشد. علاوه برآن میکروکنترلرها دارای خانواده های مختلفی چون PIC - AVR – 8051 ها می شوند . از قابلیت های فوق العاده میکرو کنترلر ها و مزیت آنها قابلیت برنامه ریزی آنها می باشد و دارای کامپایلرهای خاصی می باشند که با زبان های Assembly basic, c می توان برای آنها برنامه نوشت سپس برنامه نوشته شده را توسط دستگاهی به نام programmer که در این دستگاه ای سی قرار می گیرد و توسط یک کابل که قابلیت اتصال به یکی از پورت های کامپیوتر را دارد برنامه نوشته شده روی آی سی انتقال پیدا می کند و در Rom (حافظه) آن ذخیره می شود این آی سی ها حکم یک کامپیوتر در ابعاد کوچک و قدرت کمتر را دارند و بیشتربرای کنترل استفاده می شود و طبق الگوریتم برنامه آن عمل می شود این آی سی ها برای کنترل ربات ها تا استفاده در کارخانه صنعتی کاربرد دارند. برای شروع کار با یک میکروکنترلر که در رباتیک کاربردهای فراوانی از آن را خواهید دید در ابتدا لازم است یک زبان برنامه نویسی مانند C , Basic را بیاموزید

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.

سابقه مکاترونیک در ایران

در سنوات اخیر به منظور گسترش و پیشبرد و ارتقای علمی - تخصصی و ایجاد شبکه ارتباطی میان صاحب نظران، محققان و کارشناسان و بهبود بخشیدن به امور آموزشی و پژوهشی در زمینه‌های مرتبط با علم مکاترونیک، انجمن مکاترونیک در ایران تشکیل گردیده‌است . امروزه زمینه تخصصی مکاترونیک در همه جای جهان شناخته شده‏است . تعداد مجلات علمی و کنفرانس‌های مختص رشته مکاترونیک نیز به صورتی فراگیر در حال گسترش است . در حــوزه صنعت نـیز شرکـت‌های بین المـللی با بهره گیری از این تخصص اقدام به تولید و عرضه محصولاتی کرده‌اند که طیف آن از دوربین‌های پیشرفته ، روبات‌های انسان گون،دستگاه‌های پزشکی و خودروهای هوشمند گرفته تا محصولات بدیع نظامی و هوا فضایی است. رشته مکاترونیک در ایران و بسیاری از کشورهای جهان با نام روباتیک در هم آمیخته‌است در واقع روباتها یکی از جلوه‌های کلاسیک محصولاتی هستند که بر پایه علم مکاترونیک طراحی و ساخته می‌شوند. با این توصیف، علم مکاترونیک در ایران نیز سابقه‌ای 15 تا 20ساله داشته . و با توجه به کاربرد روزافزون محصولات پیچیده و مرکب در صنایع کشور، ضرورت ایجاد ساختارهای جدید برای توسعه دانش مکاترونیک و تربیت نیروهای متخصص روز آمد اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌است. با توجه به ماهیت میان رشته‌ای دانش مکاترونیک و حجم وسیعی از تولیدات عملی کشور که عملا ارتباط مستقیمی با تخصص مکاترونیک دارند، تأسیس دوره‌های آموزشی مکاترونیک در هنرستان‏های فنی، آموزشکده‏ها و دانشگاه‏ها، به عنوان محملی برای تشویق و تسهیل تعاملات عملی و فناوری ضروری به نظر می‌رسید. با توجه به تولید دستگاههای هوشمند، نیاز به این رشته نمود بسیاری پیدا کرد. امروزه از لوازم خانگی، خودروها تا صنایعی مثل پالایشگاه، نیروگاه، پتروشیمی و سیمان نیز از کاربردهای این علم استفاده می‌کنند. این رشته به سه گرایش رباتیک، اتوماسیون خطوط تولید و رابط انسان ماشین تقسیم می‌گردد. در حقیقت توسط این علم می‌توان سیستم‌های مکانیکی را به صورت هوشمند درآورد. سیستم‌های ترمز ABS در اتومبیل، دستگاههای CNC و کلیه سیستم‌های اتوماسیون را می‌توان از نمونه‌های بارز این علم دانست.
منابع:
http://fa.wikipedia.org
http://dbase.irandoc.ac.ir
http://daysystem.ir
http://www.study1000.com
http://college.um.ac.ir