تلفیق مکانیک و الکترونیک

امروزه کمتر محصول صنعتى را مى توان یافت که ترکیبى از حوزه هاى مختلف مهندسى نباشد. اگر بیشتر به محیط زندگى خود و محصولاتى که در زندگى روزمره از آنها استفاده مى شود دقت کنیم، از ساعت مچى دیجیتالى تا ماشین لباسشویى در آشپزخانه، خودروى شخصى یا عمومى که با آن به محل کار مى رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط ادارى و غیره، همگى نمونه هایى از ترکیب حوزه هاى مختلف مهندسى و به خصوص مکانیک و الکترونیک است. اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتى آشنا باشیم، تجمیع نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر با حوزه هاى فوق را به وضوح مى توان در بسیارى از محصولات از جمله ماشین هاى لباسشویى و خشک کن جدید هوشمند، دوربین هاى خودتنظیم، روبوت هاى صنعتى، خودروهاى مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسک درایوهاى کامپیوتر، فرهاى مایکروویو، تلفن هاى همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعى مدرن و تجهیزات پزشکى شناسایى کرد که مثال هایى از ترکیب حوزه هاى مهندسى مذکور است. در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناورى اطلاعات، الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازنده ها و همچنین سیستم هاى هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتى با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمان تولید کوتاه تر، افق جدیدى را در طراحى و ساخت محصولات الکترومکانیکى، به همراه آورده است. این فناورى که براساس تجمیع مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و سیستم هاى کنترل است، مکاترونیک نامیده مى شود. این واژه ترکیبى از دو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیک است.

واژه مکاترونیک براى اولین بار در اواخر دهه ۶۰ میلادى توسط یک مهندس ژاپنى، که در زمینه کنترل کامپیوترى موتورهاى الکتریکى در شرکت یاسکاوا الکتریک تحقیق مى کرد معرفى شد. تاکنون تعریف هاى گوناگونى از مکاترونیک ارائه شده است که مهمترین آن عبارت است از: «یک ترکیب هم افزایانه از مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر، سیستم هاى کنترل و فناورى اطلاعات در طراحى و ساخت محصولات و فرآیندهاى صنعتى با دقت بالا». در واقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحى و تولید محصولات صنعتى است که به مهندسان اجازه مى دهد تا با یکپارچه سازى حوزه هاى تخصصى یاد شده، از اولین مراحل طراحى و تولید، به خلق محصولاتى با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه کمتر و در زمان کوتاه تر، بیندیشند.
عناصر اصلى یک سیستم مکاترونیکى عبارتند از فرآیند مکانیکى یا الکترومکانیکى، حسگرها، محرکه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزار کنترل کننده سیستم. در طراحى کلاسیک، اجزاى مختلف یک سیستم به طور جداگانه طراحى شده و سپس تجمیع صورت مى گیرد ولى در مکاترونیک، اجزاى مکانیکى و الکتریکى به همراه استراتژى کنترلى از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته مى شوند و این به معناى مهندسى همزمان در طراحى است. نکته مهم در اینجا تفاوت مهندسى الکترومکانیک با مکاترونیک است. در مهندسى مکاترونیک، با آن که عموماً با سیستم هاى الکترومکانیکى سروکار داریم، نکته اساسى در حاکمیت همزمان بودن طراحى، یکپارچه سازى و حتى بهینه سازى است، در حالى که مهندسى الکترومکانیک لزوماً این معنا را نمى دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونیکى دیگر جایز نیست یک سیستم را از ابتدا طراحى کنید بدون آنکه به استراتژى کنترلى آن اندیشیده باشید.
در اینجا ممکن است این سئوال پیش بیاید که منظور از یکپارچه سازى چیست؟ به طور کلى باید گفت که یکپارچه سازى در دو بعد مطرح است: طراحى و تولید. در مرحله طراحى اجزا، اگر هماهنگى با سایر اجزاى سیستم در نظر گرفته شود قطعاً نتایج بهترى در پى خواهد داشت. به طور کلى، روند طراحى مکاترونیکى با تحلیل بازار و نیازهاى مشترى آغاز و سپس مشخصات مورد نیاز محصول براساس تحلیل هاى انجام شده، تعیین مى شود. با آغاز روند طراحى، مرزهاى بین حوزه هاى گوناگون مهندسى کم رنگ شده و یکپارچه سازى این حوزه ها ضرورى مى نماید چرا که محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در یک حوزه در واقع تابعى است از محدودیت ها و تصمیم گیرى ها در حوزه هاى دیگر. به عنوان مثال در بحث کنترل موتورهاى الکتریکى، امروزه دیگر براى کاهش زمان و هزینه تولید و بهبود کیفیت، طراحى موتور و درایو الکتریکى و کنترل کننده دیجیتال و حسگرها، همگى با هم در نظر گرفته مى شوند. یکى از مسائل صنعتى _ تحقیقاتى، روش هاى کنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهاى سرعت، به منظور کاهش هزینه است، یعنى یک موتور الکتریکى را به یک مهندس کنترل مى دهند تا یک کنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحى کند. کارهاى زیادى در این زمینه انجام شده ولى بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحى موتور الکتریکى، استراتژى کنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنى موتور را طورى طراحى کنیم تا کنترل آن بدون حسگر خارجى تا حد زیادى آسان شود. واضح است که این یکپارچه سازى باعث کاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتى خواهد شد.
بعد دیگر یکپارچه سازى، در مرحله تولید است. شماى کلى یک سیستم کلاسیک الکترومکانیکى شامل فرآیند مکانیکى، محرکه ها و حسگرها و همچنین پردازشگر اصلى است. در واقع الگوریتم کنترلى در پردازشگر اصلى اجرا مى شود. بسیارى از فرآیندهاى صنعتى کلاسیک در قالب فوق نمایش داده مى شوند.
در سیستم هاى مکاترونیکى، یکپارچه سازى اجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام مى شود: یکپارچه سازى سخت افزارى و یکپارچه سازى نرم افزارى. در یکپارچه سازى سخت افزارى، فرآیند مکانیکى به همراه حسگرها، محرکه ها و پردازشگرها، به عنوان یک سیستم جامع در نظر گرفته مى شوند. در اینجا معمولاً خود حسگرها و یا محرکه ها داراى پردازشگرهاى محلى هستند که عموماً به آنها حسگرها و یا محرکه هاى هوشمند اطلاق مى شود. در اینجا اجزاى سیستم داراى ارتباطات محلى بوده که این ارتباطات، معمولاً از طریق خطوط ارتباطى باس یا به صورت بى سیم است.
در یکپارچه سازى نرم افزارى، یک سیستم نظارتى یا به عبارتى کنترل کننده مرکزى، به منظور مدیریت کل فرآیند، تشخیص خطا و بهینه سازى، بر کل سیستم نظارت مى کند که در واقع به معناى پردازش اطلاعات در یک سطح بالاتر است. معمولاً این سیستم نظارتى یک سیستم هوشمند است که این امر تصمیم سازى براى بهبود عملکرد سیستم فیزیکى را قابل اجرا مى سازد. در اینجا مى توان به این نکته پى برد که یکى از دلایل منحصر به فرد بودن محصولات مکاترونیکى، به کارگیرى قدرت محاسباتى بالا در خلق سیستم هایى است که داراى کیفیت و قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.

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.

آموزش مکاترونیک

با توجه به گسترش نیاز روزافزون صنعت به استخدام نیروهاى ماهر در مهندسى مکاترونیک، تربیت نیروى انسانى در این زمینه بیش از پیش اهمیت یافته است. نکته مهم و اساسى در آموزش مکاترونیک این است که یک مهندس مکاترونیک باید داراى تخصص هاى چندحوزه اى باشد، بدین معنا که تسلط به اصول اساسى مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و کنترل، براى او ضرورى است چرا که باید قابلیت طراحى در حوزه هاى مختلف و در نهایت تجمیع و یکپارچه سازى این حوزه ها را داشته باشد. هم اکنون در تعداد قابل توجهى از دانشکده هاى مهندسى برق و مکانیک در دنیا، گرایش مکاترونیک در سطوح کارشناسى و بالاتر ایجاد شده است.
هسته اصلى محتوى آموزشى مهندسى مکاترونیک، ترکیبى از دروس اساسى گرایش هاى سیستم هاى کنترل، الکترونیک، کامپیوتر و مهندسى مکانیک است.
* استادیار دانشکده 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 ۱۳۸۲ 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(۱۰ نفر روزانه،۵ نفر شبانه) و سمنان(۴ نفر روزانه، ۱نفر شبانه) در سال ۸۵ 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 ۳۲ واحد درسی رو پاس کنند. که ۶ 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 ۱ ، مکاترونیک ۲ ، 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 ۱و۲، ریزپردازنده (ممکن است میکرو کنترلر هم درس بدند) ، کنترل خطی.

دوره کارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک

توصیه می شود ، جهت آشنایی اولیه با مهندسی مکاترونیک ابتدا به آشنایى با مهندسى مکاترونیک و کاربردهاى آن مراجعه کنید.
پذیرش دانشگاه ها
در سال ۱۳۸۷ دانشگاه تبریز ( ۱۰ نفر روزانه و ۵ نفر شبانه ) ، دانشگاه سمنان ( ۵ نفر روزانه و ۱ نفر شبانه ) ، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ( ۵ نفر روزانه ) ، دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی ( ۱۲ نفر روزانه و ۶ نفر شبانه ) و دانشگاه صنعتی شریف ( ۸ نفر روزانه و ۲ نفر شبانه ) اقدام به ثبت نام پذیرفته شدگان در رشته مهندسی مکاترونیک در مقطع کارشناسی ارشد کرده اند. در ادامه به بررسی و معرفی این دوره پرداخته می شود.
طبق مصوبه سال ۱۳۸۰ شورای عالی برنامه ریزی وزارت علوم ، تحقیقات و فناوری فارغ التحصیلان دوره های کارشناسی مهندسی مکانیک ، مهندسی برق ، مهندسی کامپیوتر و مهندسی پزشکی می توانند در آزمون ورود به دوره کارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک شرکت نمایند.

آزمون ورودی

آزمون ورودی کارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک شامل موارد زیر می باشد :

دروس اجباری :

* زبان عمومی و تخصصی
* ریاضیات ( شامل ریاضیات عمومی ۱ و ۲ ، معادلات دیفرانسیل و آمار )

دروس اختیاری : ( که داوطلبان باید از بین این ۶ درس ۳ درس را به دلخواه انتخاب کرده و به سوالات آن پاسخ دهند )

* دینامیک
* کنترل
* هوش مصنوعی
* مدارهای منطقی و ریزپردازنده ها
* الکترونیک ۱ و ۲
* برنامه نویسی و الگوریتم

معرفی دوره

حداقل طول این دوره ۳ نیمسال است . بدین معنی که دانشجویانی که ناچار به گرفتن دروس جبرانی نیستند ، چنانچه کار درسی خود را به نحو مطلوبی انجام دهند، می توانند دوره را در ۳ نیمسال به پایان برسانند. زمان هر نیسمال ۱۷ هغته و نظام آموزشی آن واحدی است و هر واحد نظری مشتمل بر ۱۶ ساعت می باشد.
جهت به پایان رساندن دوره ، دانشجویان می بایست در مجموع ۳۲ واحد را گذرانده باشند ، که ترکیب آنها به این صورت زیر می باشد :

* دروس اصلی و تخصصی – ۲۴ واحد
* سمینار – ۲ واحد
* پروژه تحقیق – ۶ واحد

علاوه بر موارد فوق ، هر دانشجوی این دوره که قبلا در دوره کارشناسی دروس جبرانی را نگذرانده باشد باید با موفقیت آنها را بگذراند. از دروس جبرانی واحدی به دانشجو تعلق نمی گیرد.

برنامه آموزشی و پژوهشی
دروس جبرانی
دروس جبرانی بنا بر نیاز هر دانشجو توسط شورای تحصیلات تکمیلی از دوره های کارشناسی مهندسی مکانیک ، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر و مهندسی پزشکی تعیین می گردد.
دروس عمومی
هر دانشجو موظف است ۳ درس ( ۹ واحد ) زیر را به عنوان دروس اجباری بگذراند :

* مکاترونیک ۱
* مکاترونیک ۲
* ریاضیات مهندسی پیشرفته

هر دانشجو موظف است ۳ درس از دروس زیر را به عنوان دروس تخصصی بگذراند:

* رباتیک پیشرفته
* کنترل خودکار پیشرفته
* شناسایی سیستم ها
* برنامه ریزی و کنترل تولید و کیفیت
* حساسه ها و کالیبراسیون ربات
* شبکه های عصبی
* شبیه سازی و مدلسازی در بیومکاترونیک
* هوش مصنوعی و سیستم های خبره
* مدیریت کیفیت و عملیات
* مدیریت تجاری و بازرگانی
* اتوماسیون صنعتی

دروس اختیاری
هر دانشجو موظف است باقیمانده واحدهای درسی خود را (دو درس) ، را با موافقت استاد راهنما و شورای تحصیلات تکمیلی از لیست دروس اختیاری در زیر و یا از رشته های مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر و مهندسی پزشکی مطابق با گرایش خود بگذراند:

* کنترل محرکه های الکتریکی
* روش اجزاء محدود
* تئوری و تکنولوژی ساخت نیمه هادیها
* اتوماسیون در تولید
* تکنولوژی مواد نوین : مرکب ، چند لایه، پوشش داده شده
* سیستم های بلادرنگ
* شبیه سازی کامپیوتری
* هیدرولیک و نیوماتیک پیشرفته
* بهینه سازی در طراحی و تولید
* بینایی ماشین
* هوش مصنوعی توزیع شده

سمینار
گذراندن سمینار برای هر دانشجوی این دوره اجباری می باشد. سمینار دوره کارشناسی ارشد مکاترونیک شامل قسمتهای زیر می باشد :
- معرفی مشکلات و نیاز کشور به بهینه سازی تولید

- معرفی فناوری های نوین مکاترونیکی بکار گرفته شده در سطح دنیا یا استفاده از مجلات و گزارشات علمی و همچنین ارتباط با دانشگاههای خارج از کشور

- معرفی زمینه های تحقیقاتی مطابق با نیاز کشور که دانشجویان ممکن است موضوع پروژه ی خود را از میان این زمینه های پیشنهاد شده برگزینند.

- تهیه یک گزارش مدون و ارائه آن در سمینار توسط هر دانشجو الزامی می باشد.

پروژه ( پایان نامه )
تعداد واحدهای پایان نامه در دوره کارشناسی ارشد آموزشی ۶ واحد و در دوره کارشناسی ارشد پژوهشی ۱۲ واحد می باشد.
گرایشات این دوره
دوره کارشناسی ارشد مکاترونیک دارای سه گرایش زیر می باشد که دانشجویان با توجه به گرایش انتخابی، پروژه های تحقیقاتی ( ۶ واحد ) خود را در یکی از آزمایشگاهها و در صنعت انجام خواهند داد :

* گرایش اتوماتیک و کنترل تولید
* گرایش طراحی رباتها و سیستم های مکاترونیکی
* گرایش ارتباطات جنبی انسان – ماشین – کامپیوتر

بعد از انتخاب گرایش دانشجو دروس مناسب را با نظر استاد راهنما از بین دروس عمومی و دروس اختیاری انتخاب می کند.