السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
ما هي الميكاترونيات ؟
الميكاترونيات هي كلمه تجمع وتصف التكامل بين الميكانيكا والالكترونيات و تكنولوجيا الكمبيوتر في عمليات التصميم المعقد للمنتجات .
ويكون هذا التكامل تكامل فعال من اجل الزيادة و تعتبر أيضا فلسفه في عمليه التصميم و تمثل هذه الفلسفة الاستخدام الأمثل للتكنولوجيا المتاحة .
تعريفات الميكاترونيات
قامت شركه يوسوكاوا بوضع التعريف الأصلي من الملاحظة للتكامل الفعال بين الميكانيكا والالكترونيات في brushless motor وعرف يوسوكاوا الميكاترونيات على أنها تتكون من mech"" وفى من mechanism و tronics"" من electronics وقدمت للعالم في نهاية 1960 بواسطة شركه يوسوكاوا اليابانية .
والسؤال هنا هل كان قبل 1960يوجد ميكاترونيات ؟ الإجابة نعم ولكن بدون اسم لن بعض الناس يعتقدون أن الميكاترونيات ليست سوى هندسة جيده أو تصميم جيد
وبعد يوسوكاوا توالت التعريفات وكان من أهمها التعريف الخاص بهاراشيما و توموزوكا وفاكادا في أوراقهم وهو التكامل الفعال للأنظمة الطبيعية مع تكنولوجيا المعلومات و اتخاذ القرار الصعب في عمليات التصنيع و التصميم وإنتاج المنتجات الصناعية و العمليات الصناعية أيضا وعرف هذا التعريف بتعريف سنه 2000 أو Y2K ويوضح هذا التعريف أن تكنولوجيا المعلومات تلعب دور متزايد في الميكاترونيات و يشمل على الكمبيوتر و معالجه الإشارات الرقمية DSP و التصميم بواسطة الكمبيوتر CAD .
ومن ناحية أخرى فان عمليه اتخاذ القرار تشمل الطرق والنظريات مثل نظريه تصميم التغذية أو الراجع feedback design theory ونظريه التحكم وكلا هذين الأساسين التكنولوجيين وأساس المعرفة في عمليه اتخاذ القرار الصعب انتشر جدا خلال العقود الثلاثة الماضية والذي أدى إلى توسيع مجال تطبيقات الميكاترونيات .
وبعد ذلك توالت التعريفات مثل Auslander and Kempf at 1996 وهو كما يأتي .
"Mechatronics is the application of complex decision making to the operation of physical systems."
وهناك تعريف أخر ظهر سنه 1997
" Mechatronics is a methodology used for the optimal design of electromechanical products."
وهناك تعريف أخر قام به Bolton
"A Mechatronics system is not just a marriage of electrical and mechanical systems and is more than just a control system it is a complete integration of all of them and Mechatronics engineering appears modern concurrent engineering design practices.
ولذلك يمكن اعتبار التعريف المبسط للميكاترونيات وهو من فروع الهندسة و ليس مشتق من الهندسة الميكانيكية أو الكهربية و الذي يتعامل مع الميكانيكا والالكترونيات و تكنولوجيا المعلومات
و الميكاترونيات تقدمت كثيرا خلال ال 25 سنه الماضية و انتشرت انتشار واسع من خلال المنتجات الذكية والصناعات الجديدة وتوضح هذه الصور الميكاترونيات و تعرفيها ومكونتها
مكونات الميكاترونيات
تتكون الميكاترونيات من مقياس أعلى من الأنظمة الميكانيكية وهو الأنظمة الطبيعية كلها و عناصر الميكاترونيات تشمل المجسات sensors المشغلات actuators and microcontrollers (microprocessors) and real time control software.
وتكون المشغلات actuators عالية الدقة مثل المواتير الكهربية عالية الدقة وال solenoids
وهناك العديد من أل sensors ويستخدم كل نوع منها حسب التطبيق وتشمل حساسات للضوء و العجلة و الوزن و اللون ودرجه الحرارة و الصورة .
أذن يمكنا القول أن الميكاترونيات ت تتكون من ثلاث أشياء رئيسيه و موضح دور كل منها كل منها في النظام
1- Senseo perceive environemental
2- Actuators make decision
3- Controllers take action
وفى الشكل التالى نلاحظ مكونات الميكاترونيات
ويمكن تحليل عناصر هذا الشكل الموجوده فى كل جزء
1- Physical system modeling
وتشتمل على
• mechanics of solids
• translation and rotational systems
• fluid systems
• electrical systems
• thermal systems
• micro and nano systems
• rotational electromagnetic MEMS
2- Sensors and actuators
وتنقسم ال sensors الى عده انواع
1- optical
ex * photodiodes
* phototransistor
2- magnetic
* hall effect device
3- acceleration
• MEMS ACCELEROMETERS
4- force
• strain gauge and load cell (strain gauge are hard to mount on flexures
• prefab load cells are expensive
• very accurate
• very stiff
• multiaxis load cells are available
وهذه بعض اشكال ال sensors
MEMS
4- Actuators
• Elctro-mechanical actuators
• Motors
DC motors
AC motors
Stepper motors
• Piezoelectric actuators
• pneumatic and hydraulic actuators
• micro and nana actuators
5- Signals and systems
• Mechatronics modeling
• Signals and systems in Mechatronics
• Response of dynamic systems
• Root locus method
• Frequency response method
• State variable method
• Stability , controllability and observability
• Observers and kalman filters
• Design of digital filter
• Optimal control design
• Adaptive and non-linear control design
• Neural networks and fuzzy design
• Intelligent control for Mechatronics
• Identification and design optimization
6- Software and data acquisition
• Data acquisition systems
• Transducers and measurement systems
• A/D , D/A conversion
• Amplifiers and signals conditioning
• Computer ****d instrumentation system
• Software engineering
• Data recording
6- Computer and logic systems
• Digital logic
• Communication systems
• Fault detection
• Logic system design
• Asynchronous and synchronous sequential
• Computer architectures and microprocessors
• System interfaces
• Programmable logic controllers PLC
• Embedded control computer
من الشكلين السابقين لاحظنا أن الميكاترونيات تبدأ بفكره واضحة عن طبيعة النظام الطبيعي و لا يشترط أن يكون النظام ميكانيكي أو كهربي .
وعمليه التصميم تتكون من مجموعه من الخطوات هي
1- اختيار العناصر في جميع المكان أو اختيار مكونات النظام
2- نمذجة و تحليل و تشخيص سلوك هذه العناصر و تشخيص سلوكها أيضا عند تجميعها مع بعضها
3- حساب النواتج الناشئة من عمليات الدمج بين العناصر و هل هي تحقق المطلوب أم لا ؟
وأيضا كل منتج أو عمليه في الميكاترونيات يكون وحيد في الوظيفة و الشكل و لكن هذه المنتجات والعمليات تشترك في التركيب عندما ننظر إليها على هيئه تبين وظائف مكونتها .
والتصميم يرتبط بالاختيار الأمثل و التصميم الجيد الذي يستثمر جميع العناصر الموجودة في النظام الميكاترونى و هذا يودى بنظام الميكاترونيات إلى التكامل الذي هو أساس هندسة الميكاترونيات و تكون صور التكامل في المكونات الميكانيكية و المكونات الكهربية و في تكنولوجيا المعلومات أيضا .
فنحن نرى أن هناك ماكينات تتكامل مع الالكترونيات وذلك مثل ماكينات أنتاج القدرة مثل
electrical drives, pneumatic and hydraulic drives
والماكينات المستهلكة للقدرة مثل المولدات و المضخات و الكمبيروسور و أيضا يتتضح التكامل في مختلف المركبات كالسيارات و الغواصات و الطائرات.
و الماكينات الدقيقة توجد بها الكترونيات طبعا في صوره تكاملية مثل أجهزه الاتصالات و أجهزه معالجه البيانات و الحساسات و المشغلات و الاجهزه البصرية و الاجهزه الطبية .
وتكامل الالكترونيات في هذه الاجهزه يسمح للعديد من الوظائف الجديدة و المحسنة مثل
تحكم السرعة الدقيق في مختلف الظروف و العمليات فى أجواء غير مستقره أو خطره .
هذه الأمثلة توضح التكامل بين مكونات الميكاترونيات و هذا التكامل يتمثل فى نوعان و هما
1- التكامل فى المكونات
2- التكامل فى معالجه المعلومات
أولا التكامل فى المكونات أو ما يسمى
(hardware integration) وهذا ينتج عند تصميم نظام ميكاترونى كنظام عام أو شامل overall system و يكون عبارة عن وضع و تركيب الحساسات sensors و المشغلات actuators والمعالجات الرقمية الدقيقة microprocessors فى النظام الميكانيكى .
و الميكروبروسيسور يتكامل أيضا مع المشغلات و مع الحساسات فيما بينهم كما يتكاملون مع النظام .
وهذا يودى إلى حساسات ذكيه و مشعلات ذكيه و متكاملة و يكون الربط بينهم بواسطة الباص bus connection بدلا من الكابلات المعقدة .
ومن هنا نجد الإمكانيات المتعددة لبناء نظام عام و شامل متكامل بواسطة تكامل المكونات
(hardware integration) والنوع الثاني من التكامل وهو software integration وهذا يعتمد على خصائص التحكم و اختيار الطريقة المثلي لذلك
تحيااتي
العميد نهاد العراقي
