هندسة ميكاترونيات

ميكاترونيكس

ميكاترونيكس أوالميكاترونكس (بالإنجليزية: Mechatronics)‏ مصطلح يستعمل للدلالة على حقل هندسي واسع ومتشعب جداً، وهذا الحقل الهندسي يجمع بين الهندسة الميكانيكية، والهندسة الكهربائية، وهندسة الحاسوب وهندسة الإلكترونيات، ويتطور هذا المجال بصورة مذهلة من يوم إلى آخر. هذا المجال من الهندسة يتضمن تصميم أي منتج (product) يعتمد عمله على دمج أنظمة ميكانيكية وإلكترونية، إذ يقوم بدور المنسق فيما بينها ووضع منظومة تحكم (control system) لها.

ويُعرّف المعيار NF الفرنسي تحت الرقم E 01-010 الميكاترونكس على النحوالتالي: "النهج الذي يهدف إلى التكامل المستمر للميكانيكا والالكترونيات ونظرية التحكم، وعلوم الحاسب الآلي في تصميم المنتجات والصناعات التحويلية، من أجل تحسينه و/ أوتحسين وظائفه".

تاريخها

ظهرت حدثة ميكاترونكس لأول مرة في اليابان في أواخر الستينات، واستخدمت بعدها في أوروبا قبل حتى تنتشر في جميع أنحاء العالم.

وقد صيغ مصطلح الميكاترونيكس من قبل مهندس ياباني من شركة ياساكوا الكهربائية عام 1969م للإشارة إلى استخدام الإلكترونيات في التحكم الميكانيكي ( أي، "ميكا" من الهندسة الميكانيكية و"ترونكس" من الهندسة الكهربائية أوالإلكترونية )

وتصميم أية منظومة ميكاترونية يحتاج هندسة الميكانيك، والإلكترونيات، والتحكم (control)، وهندسة الحاسوب بشكل أساسي. فمهندس الميكاترونكس يجب حتىقد يكون قادرا على تصميم واستعمال الدارات الإلكترونية التماثلي والرقمي (Analog and digital circuits)، والمعالج الدقيق(microprocessors)، والآلات الميكانيكية، وحساسات (مجسات) (sensors)، ومحركات (actuators)، وأنظمة التحكم، كيقد يكون قادرا على الوصول إلى الأهداف المرجوة من تصميمه.

المنظومات الميكاترونية تدعى أحيانا بالأجهزة الذكية، لأنها يفترض حتى تحاكي كيفية التفكير البشري.

اليوم، دخلت الميكاترونكس إلى جميع الأجهزة تقريبا. فهي ليست مختصة بالروبوتات أوالمصانع فقط. مثلا نجدها في الطيار الالي؛ ونجد هذا واضحا في طيارة ايرباص Air Bus A380 الجديدة، إن الميكاترونيكس هي المستقبل بعينه، وهي كما نطق دافور هاروفات متخصص فني في معمل فورد للبحوث: "إن الميكاترونيكس هي خليط من التكنولوجيا والأساليب، فهما يساعدانا في الحصول على منتج أفضل"، كما في بخاخ السيارة الإلكتروني (electronic fuel injection system)، ومكابح الـ ABS في السيارات، وفي الأدوات المنزلية كالغسالة الاوتوماتيكيه وحتى بعض ألعاب الأطفال.

الوصف

يُوّحد مهندسُ الميكاترونيكس مبادئ الميكانيكا والإلكترونيات والحوسبة لإنشاء نظام أبسط وأكثر اقتصاداً وموثوق به. وتهجرز الميكاترونيك في الميكانيكا والإلكترونيات، والحوسبة، وهندسة التحكم، والهندسة الجزيئية (من نانوكيميائي والبيولوجيا)، والهندسة الضوئية، جنبا إلى جنب، وجعل من الممكن توليد أبسط وانظم وأكثر اقتصادا، وموثوقية وتنوعا. وحقيبة سفر "الميكاترونيك" التي صيغت من قبل موري تيتسورو، وكبار المهندسين من ياسكاوا الشركة اليابانية في عام 1969. الروبوت الصناعي هومثال ساطع على نظام الميكاترونيكس، بل يضم جوانب الإلكترونيات والميكانيكا والحوسبة والقيام به يوما بعد يوم فرص العمل.

فهم التحكم الآلي للهندسة يتناول مسألة هندسة التحكم لنظم الميكاترونيكس. يتم استخدامه لمراقبة أوتنظيم مثل هذا النظام (انظر نظرية التحكم). من خلال التعاون، وحدات الميكاترونيكس تطبيق أهداف الإنتاج والتصنيع المرنة ترث خصائص ومرونة في نظام الإنتاج. معدات الإنتاج الحديثة تتكون من وحدات الميكاترونيكس التي تتكامل وفقا لبنية السيطرة. بنى التحكم الأكثر شهرة تضم: تحكم التسلسل الهرمي، التحكم متعدد البنية، التحكم المتشعب البنية والتحكم الهجين. إذا الأساليب التي تتخذ لتحقيق الفعالية التقنية يمكن حتى توصف بـ" خوارزميات التحكم"، والتي يمكن استعمال الطرق المنهجية أوغيرها لتصميم هذه الخوارزميات. أهمية الأنظمة الهجينة بالنسبة للميكاترونيكس تضم: أنظمة الإنتاج، محُركات الطاقة الهجينة، روبوتات استكشاف الفضاء، النظم الفرعية في السيارات مثل أنظمة الكبح المانع للانغلاق ومساعدات الدوران، والمعدات اليومية مثل ضبط العدسة التلقائي للكاميرات، كاميرات الصوت والصورة، والأقراص الصلبة ومشغلات CD.

نظام الميكاترونكس ليس مجرد نظام تحكم بين الأجهزة الكهربائية والميكانيكية، بل هوالتكامل التام بين جميع هذه الأنظمة، حيث إذا هناك نهجا متزامنا للتصميم، وقد ازداد الاعتماد على هذا النهج المتكامل متعدد المجالات في التصميمات الهندسية، وهذا التكامل عبر الحدود التقليدية للهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية والإلكترونيات وهندسة التحكم، يجب حتى يحدثَ في المراحل الأولى من عملية التصميم إذا ما تم تطوير أنظمة أقل تكلفة وأكثر موثوقية وأكثر مرونة. ويجب على نظام الميكاترونكس حتى ينطوي على نهج متزامن لهذه المجالات بدلاً من نهج متسلسل للتطوير، فنقول على سبيل المثال: الجزء الميكانيكي ثم الجزء الكهربائي ثم الجزء المعالج. إلى غير ذلك فإن الميكاترونكس تعبير عن فلسفة للتصميم، وهونهج متكامل للهندسة.

تجمع الميكاترونكس مجالات التكنولوجيا التي تضم على أجهزة الاستشعار(Sensors) وأنظمة القياس(Measurement systems)، وأنظمة الدفع والتشغيل(Drive and Actuation systems)، وأنظمة المعالجات الدقيقة (Microprocessor systems)، جنباً إلى جنب مع تحليل سلوك النظم وأنظمة التحكم (Control systems).

المُحتوى الفهمي

يدرس طلابُ الميكاترونيكس موادًا دراسية من مجالات فهمية مختلفة وتضم المجالات التالية:

الهندسة الكهربائية
الهندسة الإلكترونية
هندسة التحكم الآلي
الهندسة الميكانيكية
الهندسة الضوئية
علوم الروبوتات

تطبيقاتها

من تطبيقات هندسة الميكاترونكس:

المتحكم المنطقي القابل للبرمجة (بالإنجليزية: (Programmable Logic Controller (PLC)‏.
التحكم الإشرافي واستحصال البيانات (بالإنجليزية: (Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)‏.
منظومة إدارة المباني (بالإنجليزية: (Building Management System (BMS)‏.
المحركات التي تتحرك بمقدار وزاويه معين (Servo-mechanics).
السيارات والهندسة، في تصميم النظم الفرعية مثل مكافحة قفل أنظمة الكبح
هندسة السيارات والمُعدّات الأوتوماتيكية في تصميم أنظمة الكبح المانع للانغلاق
أنظمة التحكّم بالحاسوب في الآلات التي تُدار بالحاسوب مثل آلات الفرز
هندسة الحاسوب، وتصميم آليات مثل أقراص الكمبيوتر
الأنظمة الخبيرة في تقنيات الذكاء الاصطناعي
الميكاترونكس كلغةٍ جديدة لتسيير المركبات
تقنيات أنظمة التحكّم والتشخيص الدقيق
أنظمة التصنيع المُعتمدة على الحاسوب
الأتمته، وهي جزء من الروبوتيات
الأنظمة الديناميكية البنيوية
التصميم بُمساعدة الحاسب
أنظمة النقل والمُواصلات
تطبيقات الهواتف النقّآلة
أنظمة التصوير الطبي
البضائع الاستهلاكية
أنظمة الميكاترونكس
البضائع الصناعية
المُتحكّمات الدقيقة
الرؤية الآلية
التغليف

صناعات السيارات

تشخيص المركبات والرصد الصحي لها. فتستخدم أجهزة استشعار مختلفة للكشف عن البيئة المحيطة أوظروف الطريق؛ وأجهزة استشعار لمراقبة سائل تبريد المحرك ودرجة حرارته وجودته؛ وضغط زيت المحرك ومستواه وجودته؛ وضغط الهواء في الإطارات؛ وضغط المكابح(الفرامل).
استشعار الضغط ودرجة الحرارة في مواقع مختلفة من المحرك وأماكن توليد الطاقة بواسطة تحكم متنوع، مثل حساسات الضغط؛ تحليل والتحكم في غازات العادم؛ تحديد مسقط العمود المرفقي (Crankshaft)؛ ضغط مضخة الوقود والتحكم في حقن الوقود؛ والتحكم في نقل الحركة والضغط.
نظام وسادة الأمان الهوائية(Airbag safety deployment system). أجهزة استشعار قياس السرعة والعزم المثبتة على هيكل السيارة والتي تقيس تباطؤ سرعة السيارة على المحور السيني والصادي، التي تستطيع مساعدة الوسادة الهوائية على العمل.
نظام منع انغلاق المكابح(الفرامل)(Anti-lock brake system)، نظام تثبيت السرعة. أجهزة استشعار المسقط لتسهيل نظام الفرامل؛ أجهزة استشعار الإزاحة والمسقط في أنظمة التعليق(suspension systems).
التحكم بالمقعد من أجل الراحة، من خلال مستشعرات الإزاحة والمحركات الصغيرة للتحكم في المقعد ؛ وأجهزة استشعار من أجل التحكم بجودة الهواء (درجة الحرارة والرطوبة) وأجهزة استشعار من أجل الضباب الذي يتشكل على زجاج السيارة.

صناعات الرعاية الصحية

أنظمة التشخيص الطبية، الفحوصات غير الغازية مثل: الفحص بالأجهزة فوق الصوتية. محول ضغط الدم المستخدم لمرة واحدة؛ منظم ضغط الرحم الداخلي خلال الولادة.
حساسات الضغط في مختلف الفحوصات التشخيصية. أنظمة السيطرة على السوائل الوريدية وتدفق الدواء؛ أجهزة استشعار الضغط على طرف أنبوب القسطرة .
عمليات بالمنظار وعمليات تقويم العظام. أجهزة استشعار الضغط في الأوعية الدموية اثناء القسطرة؛ أجهزة التنفس؛ مقياس سعة أوقدرة استيعاب الرئة.
ومنتجات أخرى مثل أدوات غسيل الكلى، أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي MRI.

صناعات الطائرات

نظام معدات الهبوط؛ معدات قمرة القيادة؛ أجهزة استشعار للزيت والوقود والانتنطق؛ رصد سرعة الهواء؛ تحديد الارتفاع؛ أنظمة التحكم.
كفاءة الوقود وأنظمة الأمان؛ التحكم بالدفع بوساطة أجهزة استشعار الضغط؛ كاشف تسرب المواد الكيميائية؛ أنظمة المراقبة والتحكم الحراري.
نظام الملاحة بالقصور الذاتي؛ جهاز قياس تسارع؛ الألياف البصرية الجيروسكوبات للتوجيه والرصد.
أنظمة الاتصالات والرادارات؛ نطاق التردد العالي؛ مفاتيح الترددات الراديوية منخفضة المقاومة؛ الأجهزة البصرية التي تستخدم الاتصالات الليزرية.

صناعات المستهلك

منتجات المستهلك مثل: الهجريز التلقائي في الكاميرا، الصوت والصورة، مشغل الأقراص المدمجة؛ المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية؛ الغسالات، وغسالات الصحون، وغيرها من الأجهزة المنزلية.
أنظمة الترفيه مثل: ألعاب الصوت والصورة وغيرها.
أنظمة دعم المنزل؛ أنظمة فتح أبواب المرآب التلقائية؛ أجهزة استشعار التدفئة والتهوية؛ وأنظمة تكيف المنزل؛ أنظمة أمان المنزل.
الأنظمة والمنتجات الصناعية
مراقبة عملية التصنيع والتحكم فيها؛ أدوات ال CNC الآلية؛ سرعة تشغيلية عالية ومتقدمة ومراقبة الجودة أيضاً؛ تشغيل ذكي وفحص الجودة عبر الإنترنت. مفاتيح ربط بشاشات رقمية تبين مقدار العزم، حفر وثقب بسرعات متغيرة وغيرها من الأدوات اليدوية.
النماذج الأولية السريعة؛ توفير تكاليف التصنيع عن طريق إنشاء نماذج سريعة بواسطة التكامل بين ال CAD (computer aided design) وال CAM (computer aided manufacturing)) وأدوات النمذجة الأولية السريعة أيضاً.
قيادة المركبات بشكل تلقائي، تطبيقات الفضاء؛ استخدام نظام تحديد المسقط التلقائي في مشاريع منظمة NASA; استخدام الأنظمة التلقائية في التحكم والرصد تحت الماء.

تطبيقات أخرى

الاتصالات السلكية واللاسلكية.
الروبوتات الحيوية.
مركبات التحليق المغناطيسي.
الماسحات الضوئية وآلات النسخ وغيرها من المنتجات المخطية

التطبيقات العملية

بالنسبة لمعظم أنظمة الميكاترونيكس، القضية الرئيسية لم تعد كيفية تطبيق نظام تحكم من ناحية المبدأ، ولكن بأي طريقة يتم التحكم بالمحركات التي هي مصدر الطاقة الحركية. في مجال الميكاترونيكس، اثنين من التقنيات تستخدم أساسا لإنتاج الحركة وهي: محركات البيزو-إلكتريك، والمحركات الكهرومغناطيسية. وربما أكثر أنظمة الميكاترونيكس شهرةً هونظام التحكم في ضبط العدسة للكاميرا أوالأنظمة المضادة للاهتزاز في الكاميرات.

فيما يخص الطاقة، فإن أغلب التطبيقات تستخدم البطاريات. لكن اتجاهاً جديداً بدأ بالوصول وهومبدأ الاعتماد على تجميع الطاقة، مما يتيح التحويل إلى الطاقة الكهربائية من أنواع الطاقة الأخرى كالطاقة الميكانيكية من الاهتزاز والصدمات، أوالطاقة الحرارية من التباين الحراري، إلخ .

الميادين البديلة

يُعتبر مجالُ الميكاترونيكس الحيوية مجالًا جديدًا نشئ في حقل الميكاترونيكس، ويهدف إلى دمج أجزاء ميكانيكية ضمن إنسان، عادة بشكل آلة صغيرة مثل هيكل خارجي. كثيراً ما حددت هذه الهيئة في الخيال الفهمي باعتبارها سايبورغ. هذا هونسخة الأدوات الإلكترونية في الحياة الواقعية.

مجال آخر ناشئ هوالتصميم المركزي الإلكتروني ECAD/MCAD التصميم المشارك (التصميم الإلكتروني/الميكانيكي بمساعدة الحاسوب).قد يكونُ النظامُ إلكترونيًا، عندما يحدثُ الاندماج والتصميم المُشارك بين فريق التصميم وأدوات التصميم لنظامٍ مركزيٍ إلكتروني من جهة، وفريق التصميم وأدوات التصميم لهذه الأنظمة، بشكلٍ فيزيائي/ميكانيكي.

مراجع

^ Mechanical and Mechatronics Engineering Department. "What is Mechatronics Engineering?". Prospective Student Information. University of Waterloo. مؤرشف من الأصل في 25 مارس 2012. اطلع عليه بتاريخ 30 مايو2011.
^ Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies TUL. "Mechatronics (Bc., Ing., PhD.)". مؤرشف من الأصل في 15 أغسطس 2016. اطلع عليه بتاريخ 15 أبريل 2011.