مهندسی مکاترونیک

تلفیق مکانیکوالکترونیک

امروزه کمترمحصول صنعتى را مىتوان یافت که ترکیبى از حوزه هاى مختلف مهندسى نباشد. اگربیشتربه محیط زندگى خود و محصولاتى که در زندگى روزمره ازآنها استفاده مى شود دقت کنیم،از ساعت مچى دیجیتالى تاماشین لباسشویى در آشپزخانه، خودروى شخصى یا عمومى که باآنبه محل کار مى رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط ادارى وغیره، همگى نمونه های از ترکیب حوزه هاى مختلف مهندسى و بهخصوص مکانیک و الکترونیک است

اگر همبامحصولات جدیدتر صنعتى آشنا باشیم، تجمع نرم افزار و سختافزار کامپیوتر با حوزهه اى فوق را به وضوح مى توان دربسیارى از محصولات از جمله ماشین هاى لباسشویى و خشک کنجدید هوشمند، دوربین هاى خودتنظیم، روبوت هاى صنعتى،خودروهاى مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسک درایوهاىکامپیوتر، فرهاى مایکروویو، تلفن هاى همراه، سیستم پخشدیجیتال، محصولات دفاعى مدرن و تجهیزات پزشکى شناسایى کردکه مثال هایى از ترکیب حوزه هاى مهندسى مذکوراست

در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناورىاطلاعات،الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازنده هاو همچنین سیستم هاى هوشمند، به همراه نیاز روزافزون بهتولید محصولات صنعتى با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمانتولید کوتاه تر، افق جدیدى را در طراحى و ساخت محصولاتالکترومکانیکى، به همراه آورده است. این فناورى که براساستجمیع مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و سیستم هاىکنترل است، مکاترونیک نامیده مى شود. این واژه ترکیبى ازدو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیکاست.

واژه مکاترونیک براى اولین بار در اواخر دهه۶۰میلادى توسط یک مهندس ژاپنى، که در زمینه کنترلکامپیوترى موتورهاى الکتریکى در شرکت یاسکاوا الکتریکتحقیق مى کرد معرفى شد. تاکنون تعریف هاى گوناگونى ازمکاترونیک ارائه شده است که مهمترین آن عبارت استاز

«یک ترکیب همافزایانه از مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر، سیستمهاى کنترل وفناورى اطلاعات در طراحى و ساخت محصولات وفرآیندهاى صنعتى با دقت بالا». 

درواقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحى و تولید محصولاتصنعتى است که به مهندسان اجازه مىدهد تا با یکپارچه سازىحوزه هاى تخصصى یاد شده، از اولین مراحل طراحى و تولید، بهخلق محصولاتى با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینهکمتر و در زمان کوتاه تر،بیندیشند.

عناصر اصلى یکسیستم مکاترونیکى عبارتند ازفرآیند مکانیکى یاالکترومکانیکى، حسگرها، محرکه ها، ریزپردازنده ها و نرمافزارکنترل کننده سیستم. در طراحى کلاسیک، اجزاى مختلف یکسیستم به طور جداگانه طراحى شده و سپس تجمیع صورت مى گیردولى در مکاترونیک، اجزاى مکانیکى و الکتریکى بههمراهاستراتژى کنترلى از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچهدر نظر گرفته مى شوند و این بهمعناى مهندسى همزمان درطراحى است. نکته مهم در اینجا تفاوت مهندسى الکترومکانیکبامکاترونیک است. در مهندسى مکاترونیک، با آن که عموماً باسیستم هاى الکترومکانیکى سروکار داریم، نکته اساسى درحاکمیت همزمان بودن طراحى، یکپارچه سازى و حتى بهینه سازىاست، در حالى که مهندسى الکترومکانیک لزوماً این معنا رانمى دهد. به عنوان مثال، در تفکر مکاترونیکى دیگر جایزنیست یک سیستم را از ابتدا طراحى کنید بدون آنکه بهاستراتژى کنترلى آن اندیشیده باشید.

در اینجا ممکن است این سئوال پیش بیاید کهمنظور از یکپارچه سازى چیست؟ 

به طور کلى بایدگفت که یکپارچه سازى در دوبعد مطرحاست

طراحى وتولید:در مرحله طراحى اجزا، اگر هماهنگى با سایراجزاىسیستم در نظر گرفته شود قطعاً نتایج بهترى در پىخواهد داشت. به طور کلى، روندطراحى مکاترونیکى با تحلیلبازار و نیازهاى مشترى آغاز و سپس مشخصات مورد نیاز محصولبراساس تحلیل هاى انجام شده، تعیین مى شود. با آغاز روندطراحى، مرزهاى بین حوزه هاى گوناگون مهندسى کم رنگ شده ویکپارچه سازى این حوزه ها ضرورى مى نماید چراکه محدودیت هاو تصمیم گیرى ها در یک حوزه در واقع تابعى است از محدودیتها و تصمیم گیرى ها در حوزه هاى دیگر

به عنوان مثالدر بحث کنترل موتورهاىالکتریکى، امروزه دیگر براى کاهش زمان و هزینه تولید وبهبود کیفیت، طراحى موتور و درایو الکتریکى وکنترل کنندهدیجیتال و حسگرها، همگى با هم در نظر گرفته مى شوند. یکىاز مسائل صنعتى _ تحقیقاتى، روش هاى کنترل سرعت بدوناستفاده از حسگرهاى سرعت، به منظور کاهش هزینه است، یعنىیک موتور الکتریکى را به یک مهندس کنترل مى دهند تا یککنترل کننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحى کند. کارهاى زیادى در این زمینه انجام شدهولى بعد از مدت ها بهاین نتیجه رسیده اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگامطراحىموتور الکتریکى، استراتژى کنترل بدون حسگر در نظرگرفته شود، یعنى موتور را طورى طراحى کنیم تا کنترل آنبدون حسگر خارجى تا حد زیادى آسان شود. واضح است کهاینیکپارچه سازى باعث کاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتىخواهد شد.

بعد دیگر یکپارچه سازى، در مرحله تولیداست. شماى کلى یک سیستم کلاسیک الکترومکانیکى شامل فرآیندمکانیکى، 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 دادهمى شوند.

در سیستم هاى مکاترونیکى، یکپارچه سازىاجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام مى شود: یکپارچهسازى سخت افزارى و یکپارچه سازى نرم افزارى. در یکپارچهسازى سخت افزارى، فرآیند مکانیکى به همراه حسگرها، محرکهها وپردازشگرها، به عنوان یک سیستم جامع در نظر گرفته مىشوند. در اینجا معمولاً خودحسگرها و یا محرکه ها داراىپردازشگرهاى محلى هستند که عموماً به آنها حسگرها ویامحرکه هاى هوشمند اطلاق مى شود. در اینجا اجزاى سیستمداراى ارتباطات محلى بوده که این ارتباطات، معمولاً ازطریق خطوط ارتباطى باس یا به صورت بى سیماست.

دریکپارچه سازى نرم افزارى، یک سیستم نظارتىیا به عبارتى کنترل کننده مرکزى، به منظور مدیریت کلفرآیند، تشخیص خطا و بهینه سازى، بر کل سیستم نظارت مى کندکه درواقع به معناى پردازش اطلاعات در یک سطح بالاتر است. معمولاً این سیستم نظارتى یک سیستم هوشمند است که این امرتصمیم سازى براى بهبود عملکرد سیستم فیزیکى را قابل اجرامى سازد. در اینجا مى توان به این نکته پى برد که یکى ازدلایل منحصر به فردبودن محصولات مکاترونیکى، به کارگیرىقدرت محاسباتى بالا در خلق سیستم هایى است که داراى کیفیتو قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.

محصولات مکاترونیکى

فناورىمکاترونیک در بسیارى از زمینه ها کاربرد روزافزونى پیداکرده است که در اینجا به بعضى از آنها اشاره مى کنیم. درصنایع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با کنترل الکترونیکىبه جاى کنترل کننده سنتى آن یعنى کاربراتور، باعث بهبودعملکرد موتور وکاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنینسیستم ترمزهاى ضدقفل، سیستم تهویه هواى اتوماتیک، فرمانهاى با کمک الکتریکى _ هیدرولیکى، خودروهاى الکتریکى_ ترکیبى و… از دیگر کاربردهاى فناورى مکاترونیک در صنایعخودروسازى هستند.

در زمینه محصولات صنعتى با مصارفخانگى، مى توان به ماشین هاى لباسشویى و یا خشک کن جدیداشاره کردکه عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند بهمنظور مصرف بهینه انرژى، صرفه جویىدر مصرف آب و همچنینافزایش کیفیت، بهبود فراوانى یافته است.
در محصولاتصنعتى با کاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسکنرهاىلیزرى، دستگاه هاى کپى دیجیتال ویا دیسک درایوهاى جدیداشاره کرد که از جمله محصولات مکاترونیکى هستند.

درزمینه صنایع دفاعى مى توان به سیستم هاى هدایت موشک و یاسلاح هاى هوشمند اشاره کرد. همچنین از دیگر محصولاتمکاترونیکى، دوربین هاى خودتنظیم، ماشین هاىابزارکامپیوترى و روبوت هاى صنعتى هستند که تاثیر فراوانىدر کاهش هزینه و زمان تولید وبهبود کیفیت محصولات تولیدىگذاشته اند.

آموزشمکاترونیک

با توجه به گسترش نیاز روزافزونصنعت به استخدام نیروهاى ماهر در مهندسى مکاترونیک، تربیتنیروى انسانى در این زمینه بیش از پیش اهمیت یافته است. نکته مهم و اساسى در آموزش مکاترونیک این است که یک مهندسمکاترونیک باید داراى تخصص هاى چندحوزه اى باشد،بدین معناکه تسلط به اصول اساسى مهندسى مکانیک، الکترونیک، کامپیوترو کنترل، براى او ضرورى است چرا که باید قابلیت طراحى درحوزه هاى مختلف و در نهایت تجمیع ویکپارچه سازى این حوزهها را داشته باشد. هم اکنون در تعداد قابل توجهى ازدانشکدههاى مهندسى برق و مکانیک در دنیا، گرایش مکاترونیکدر سطوح کارشناسى و بالاتر ایجادشده است.

هسته اصلىمحتوى آموزشى مهندسى مکاترونیک، ترکیبى از دروس اساسىگرایش هاى سیستم هاى کنترل، الکترونیک، کامپیوتر و مهندسىمکانیک است.

 *استادیاردانشکده فنىتهران

تحصیل در زمینه رشته مکاترونیک مستلزمگذراندن دروس مختلفی از قبیل ریاضیات مهندسی پیشرفته, تئوری کنترل و کنترل دیجیتال, مدارات الکترونیکی, رباتیک, هوش مصنوعی , دینامیک و استاتیک , پردازش سیگنال , میکروکنترلر ها , پردازش تصاویر و بینایی ماشین و انتقال داد هامیباشد.

دانشگاه های مختلفی در سراسر دنیا به اینرشته از مهندسی می پردازند و پیشرفتهای فراوانی همه روزهحاصل می شود.

در ایران نیزاولین دانشگاهی که اینرشته را تاسیس کرد , دانشگاه آزاد اسلامی قزوین بود که اینامر به همت آقای دکتر علیرضا محمد شهری و ریاست دانشگاهآقای دکتر مرتضی موسی خانی صورت گرفت. ایشان دارای دکتریمهندسی مکاترونیک از (دانشگاه ولونگنگ) استرالیا میباشند ودر حال حاضر عضو هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت ایرانهستند.

این دانشگاه هم اکنون فارغ التحصیلان زیادیدر مقطع کارشناسی ارشد داشته است. اولین سال جذب این رشتهدر دانشگاه قزوین سال ۱۳۸۲بوده است.

علاوه بردانشگاه قزوین ، دانشگاه های مطرح وفعال در ایران در این زمینه عبارتند از:

دانشگاه خواجه نصیر ، دانشگاه علم و صنعت، دانشگاه سمنان ، دانشگاه تبریز و دانشگاه علوموتحقیقات.

علاوه بردانشگاه آزاد اسلامی، دانشگاههای خواجه نصیر الدین طوسی(۱۰نفر روزانه،۵نفرشبانه) وسمنان(۴نفر روزانه، ۱نفر شبانه) در سال ۸۵در این رشتهدانشجو پذیرش کردهاند.

به کشورهایی که در حال حاضرسرمایه گذاری وسیعی در این رشته داشته اند می توان بهآمریکا ، ژاپن ،استرالیا ، اتریش ، آلمان ، بلژیک و روسیهاشاره کرد.

دانشجویان دردوره فوق لیسانس بایستی ۳۲واحد درسی رو پاس کنند. که ۶واحد آنپروژهاست.

معمولا فارق التحصیلان لیسانس رشته سختافزار کامپیوتر و الکترونیک در این رشته موفق تر میباشند. به این دلیل که این گروه خودشونو بهتر با سیستم هایمکانیکی وفق میدند وپروژهای نهایی جالبی دارند(یه پروژهمکاترونیکی واقعی). دانشجویان نرم افزار از همه بیشتردردسر دارند چون معمولا نه مدار می دونند ، نه کنترل والکترونیک پاس کردند وتقریبا با مشکل مواجه میشند. البتهاستثنا هم داریم.

دروساصلی:

مکاترونیک ۱،مکاترونیک ۲، رباتیکپیشرفته ، ریاضیات مهندسی پیشرفته ، کنترل پیشرفته (معمولاکنترل دیجیتال درس میدند+ فضای حالت و…. تا فازی هم پیشمیرند) ، شناسایی سیستمها ،کنترل محرک هایالکتریکی.

دروساختیاری:

شبکه های عصبی ،سیستم های توزیعشده ، پردازش تصویر (بینایی ماشین) ، اتوماسیون صنعتی ،مدیریت صنعتی (دقیقا یادم نیست چی بود، راجب تیم ورک بود)،کنترل فازی ، سیستم هایخبره.

دروس پیش نیاز: (برای کسانی که ایندروس را دردوره لیسانس پاس نکردند!)

استاتیک،دینامیک ، الکترونیک ۱و۲، ریزپردازنده (ممکن است میکروکنترلر هم درس بدند) ، کنترل خطی.

دوره کارشناسیارشدمهندسی مکاترونیک

توصیه می شود ،جهت آشناییاولیه با مهندسی مکاترونیک ابتدا به آشنایى با مهندسىمکاترونیک وکاربردهاى آن مراجعه کنید.

پذیرش دانشگاه ها

در سال ۱۳۸۷دانشگاه تبریز ( ۱۰نفر روزانه و ۵نفر شبانه ) ، دانشگاهسمنان ( ۵نفر روزانه و ۱نفر شبانه ) ،دانشگاه صنعتیامیرکبیر ( ۵نفر روزانه ) ، دانشگاه خواجه نصیر الدینطوسی ( ۱۲نفرروزانه و ۶نفر شبانه ) و دانشگاه صنعتی شریف( ۸نفر روزانه و ۲نفر شبانه ) اقدام به ثبت نام پذیرفتهشدگان در رشته مهندسی مکاترونیک در مقطع کارشناسی ارشدکرده اند. درادامه به بررسی و معرفی این دوره پرداخته میشود.

طبق مصوبه سال ۱۳۸۰شورای عالی برنامه ریزیوزارت علوم ، تحقیقات و فناوری فارغ التحصیلان دوره هایکارشناسی مهندسی مکانیک ، مهندسی برق ، مهندسی کامپیوتر ومهندسی پزشکی می تواننددر آزمون ورود به دوره کارشناسیارشد مهندسی مکاترونیک شرکت نمایند.

آزمون ورودی

آزمون ورودیکارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک شامل موارد زیر می باشد:

دروس اجباری:

*زبانعمومی وتخصصی
*ریاضیات ( شامل ریاضیات عمومی ۱و ۲، معادلات دیفرانسیل و آمار)

دروس اختیاری : ( که داوطلبان باید از بیناین ۶درس ۳درس را به دلخواه انتخاب کرده و به سوالات آنپاسخ دهند)

*دینامیک
*کنترل
*هوشمصنوعی
*مدارهای منطقی و ریزپردازندهها
*الکترونیک ۱و۲
*برنامهنویسی و الگوریتم

معرفیدوره

حداقل طول این دوره ۳نیمسال است. بدین معنی که دانش جویانی که ناچار به گرفتن دروس جبرانینیستند، چنانچه کار درسی خود را به نحو مطلوبی انجام دهند،می توانند دوره را در ۳نیمسالبه پایان برسانند. زمان هرنیسمال ۱۷هغته و نظام آموزشی آن واحدی است و هر واحدنظریمشتمل بر ۱۶ساعت می باشد.

جهت به پایان رساندندوره ، دانشجویان می بایست در مجموع ۳۲واحد را گذراندهباشند ، که ترکیب آنها به این صورت زیر می باشد:

*
دروس اصلی و تخصصی۲۴واحد
*سمینار۲واحد
*پروژه تحقیق۶واحد

علاوه بر مواردفوق ، هر دانشجوی ایندوره که قبلا در دوره کارشناسی دروس جبرانی را نگذراندهباشدباید با موفقیت آنها را بگذراند. از دروس جبرانی واحدیبه دانشجو تعلق نمیگیرد.

برنامه آموزشی وپژوهشی

دروس جبرانی

دروس جبرانی بنابر نیاز هر دانشجو توسط شورای تحصیلات تکمیلی از دوره هایکارشناسی مهندسی مکانیک ، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر ومهندسی پزشکی تعیین می گردد.

دروس عمومی

هر دانشجو موظف است ۳درس ( ۹واحد ) زیررابه عنوان دروس اجباری بگذراند:

*مکاترونیک۱
*مکاترونیک ۲
*ریاضیات مهندسیپیشرفته

هر دانشجوموظفاست ۳درس از دروس زیر را به عنوان دروس تخصصیبگذراند:

* رباتیک پیشرفته
*کنترل خودکارپیشرفته
*شناسایی سیستم ها
*برنامه ریزی وکنترلتولید و کیفیت
*حساسه ها وکالیبراسیون ربات
*شبکه های عصبی
*شبیه سازیومدلسازی در بیومکاترونیک
*هوش مصنوعی وسیستم های خبره
*مدیریت کیفیت وعملیات
*مدیریت تجاریو بازرگانی
*اتوماسیون صنعتی

دروس اختیاری

هر دانشجو موظف است باقیمانده واحدهای درسیخود را (دو درس) ، را با موافقت استاد راهنما و شورایتحصیلات تکمیلی از لیست دروس اختیاری در زیر و یا از رشتههای مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر و مهندسیپزشکی مطابق با گرایش خود بگذراند:

*کنترل محرکه های الکتریکی
*روشاجزاء محدود
*تئوری و تکنولوژی ساخت نیمههادیها
*اتوماسیون در تولید
*تکنولوژی مواد نوین : مرکب ، چند لایه، پوشش دادهشده
*سیستم های بلادرنگ
*شبیهسازی کامپیوتری
*هیدرولیک و نیوماتیکپیشرفته
*بهینه سازی در طراحی وتولید
*بینایی ماشین
*هوشمصنوعی توزیع شده

سمینار

گذراندن سمینار برای هر دانشجوی این دورهاجباری می باشد. سمینار دوره کارشناسی ارشد مکاترونیک شاملقسمتهای زیر می باشد:

- معرفی مشکلات و نیاز کشور به بهینهسازی تولید
- معرفیفناوریهاینوین مکاترونیکی بکار گرفته شده در سطح دنیا یااستفاده از مجلات و گزارشات علمی و همچنین ارتباط بادانشگاه های خارج از کشور
- معرفی زمینه های تحقیقاتی مطابق با نیاز کشور که دانشجویانممکن است موضوع پروژه ی خود را ازمیان این زمینه هایپیشنهاد شده برگزینند.
-
تهیه یک گزارش مدون و ارائه آن در سمینار توسط هر دانشجوالزامی می باشد.

پروژه( پایاننامه)

تعداد واحدهای پایان نامه در دورهکارشناسی ارشد آموزشی ۶واحد و در دوره کارشناسی ارشدپژوهشی ۱۲واحد میباشد.

گرایشات این دوره

دوره کارشناسی ارشد مکاترونیک دارای سهگرایش زیر میباشد که دانشجویان با توجه به گرایش انتخابی،پروژه های تحقیقاتی ( ۶واحد ) خود رادر یکی ازآزمایشگاهها و در صنعت انجام خواهند داد:

*گرایشاتوماتیک و کنترل تولید
*گرایشطراحی رباتها و سیستم های مکاترونیکی
*گرایشارتباطات جنبی انسان – ماشین – کامپیوتر

بعداز انتخاب گرایش دانشجو دروس مناسب را با نظر استاد راهنمااز بین دروس عمومی و دروس اختیاری انتخاب می کند