بازار کار رشته مهندسی مکاترونیک

امروزه کمترمحصول صنعتى را مى توان یافت که ترکیبى از حوزه هاى مختلف مهندسى نباشد. اگر بیشتربه 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 باآن به محل کار مى رویم، چاپگرها و اسکنرها در محیط ادارى و غیره، همگى نمونه های از ترکیب حوزه هاى مختلف مهندسى و به خصوص مکانیک و الکترونیک است.
اگر هم بامحصولات جدیدتر صنعتى آشنا باشیم، تجمع نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر با حوزهه اى 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 وفناورى 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 مىدهد 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 ازفرآیند مکانیکى یا الکترومکانیکى، حسگرها، محرکه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزارکنترل 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 همراهاستراتژى کنترلى از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته مى شوند و این بهمعناى مهندسى همزمان در طراحى است. نکته مهم در اینجا تفاوت مهندسى الکترومکانیک بامکاترونیک 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 دوبعد مطرح است:
طراحى و تولید: در مرحله طراحى اجزا، اگر هماهنگى با سایر اجزاىسیستم در نظر گرفته شود قطعاً نتایج بهترى در پى خواهد داشت. به طور کلى، روندطراحى 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 چراکه 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 وکنترل 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 شدهولى بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند که بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحىموتور 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 اینیکپارچه 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 وپردازشگرها، به عنوان یک سیستم جامع در نظر گرفته مى شوند. در اینجا معمولاً خودحسگرها و یا محرکه ها داراى پردازشگرهاى محلى هستند که عموماً به آنها حسگرها و یامحرکه 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.
دریکپارچه 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 درواقع 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 فردبودن 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 وکاهش 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 کردکه عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند به منظور مصرف بهینه انرژى، صرفه جویىدر 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 ویا 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 ابزارکامپیوترى و روبوت هاى صنعتى هستند که تاثیر فراوانى در کاهش هزینه و زمان تولید وبهبود 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 ویکپارچه سازى این حوزه ها را داشته باشد. هم اکنون در تعداد قابل توجهى از دانشکدههاى مهندسى برق و مکانیک در دنیا، گرایش مکاترونیک در سطوح کارشناسى و بالاتر ایجادشده است.
هسته اصلى محتوى آموزشى مهندسى مکاترونیک، ترکیبى از دروس اساسى گرایش هاى سیستم هاى کنترل، الکترونیک، کامپیوتر و مهندسى مکانیک است.
* استادیاردانشکده 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 میباشد.
دانشگاه های مختلفی در سراسر دنیا به این رشته از مهندسی می پردازند و پیشرفتهای فراوانی همه روزه حاصل می شود.
در ایران نیزاولین 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 میباشند 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 بردانشگاه 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 وتحقیقات.
علاوه بردانشگاه آزاد اسلامی، دانشگاه های خواجه نصیر الدین طوسی(۱۰ نفر روزانه،۵ نفرشبانه) و سمنان(۴ نفر روزانه، ۱نفر شبانه) در سال ۸۵ در این رشته دانشجو پذیرش کردهاند.
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 دردوره فوق لیسانس بایستی ۳۲ واحد درسی رو پاس کنند. که ۶ واحد آن پروژهاست.
معمولا فارق التحصیلان لیسانس رشته سخت افزار کامپیوتر و الکترونیک در این رشته موفق تر میباشند. به این دلیل که این گروه خودشونو بهتر با سیستم های مکانیکی وفق میدند وپروژهای 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 وتقریبا 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 هایخبره.
دروس پیش نیاز: (برای کسانی که این دروس را دردوره لیسانس پاس نکردند!)
استاتیک ،دینامیک ، الکترونیک ۱و۲، ریزپردازنده (ممکن است میکرو کنترلر هم درس بدند) ، کنترل خطی.
پذیرش دانشگاه ها
در سال ۱۳۸۷ دانشگاه تبریز ( ۱۰نفر 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 نفرروزانه 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 ۱۳۸۰شورای عالی برنامه ریزی وزارت علوم ، تحقیقات و فناوری فارغ التحصیلان دوره های کارشناسی مهندسی مکانیک ، مهندسی برق ، مهندسی کامپیوتر و مهندسی پزشکی می تواننددر آزمون ورود به دوره کارشناسی ارشد مهندسی مکاترونیک شرکت نمایند.
 
دوره های مربوطه
دوره آموزشی روباتیک
روباتیک، علم مطالعه فن آوری مرتبط با طراحی ساخت و اصول کلی و کاربرد روباتهاست. روباتیک علم و فن آوری ماشین های قابل برنامه ریزی، با کاربردهای عمومی می باشد.
برخلاف تصور افسانه ای عمومی از رباتها به عنوان ماشینهای سیار انسان نما که تقریباً قابلیت انجام هر کاری را دارند، بیشتر دستگاههای روباتیک در مکانهای ثابتی در کارخانه ها بسته شده اند و در فرایند ساخت با کمک کامپیوتر، اعمال قابلیت انعطاف، ولی محدودی را انجام می دهند چنین دستگاهی حداقل شامل یک کامپیوتر برای نظارت بر اعمال و عملکردهای و اسباب انجام دهنده عمل مورد نظر، می باشد. علاوه براین، ممکن است حسگرها و تجهیزات جانبی یا ابزاری را که فرمان داشته باشد بعضی از رباتها، ماشینهای مکانیکی نسبتاً ساده ای هستند که کارهای اختصاصی مانند جوشکاری و یا رنگ افشانی را انجام می دهند .

 
دوره آموزشی موتورهای AC
برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان، استفاده می‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادی هادی‌های مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادی‌ها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.
این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از بسامد منبع تغذیه اعمالی به موتور، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور هم‌زمان وجود دارد، موتور به صورت هم‌زمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز، به گردش در می‌آید. موتورهای هم‌زمان (سنکرون) را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش، یا اختلاف در سرعت چرخش بین چرخانه و میدان ایستانه، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می‌توانیم با تغییر دادن بسامد منبع تغذیه، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم.

 
دوره آموزشی protel DXP
پروتل قوی ترین نرم افزار طراحی بورد های الکترونیکی ست ، به کمک این نرم افزار شما میتوانید از بوردهای بسیار ساده با چند المان تا پیچیده ترین بورد های فرکانس بالا با المانهای زیاد را طراحی کنید. امکان شبیه سازی ۳ بعدی این نرم افزار امکان این را میدهد تا محصول نهایی را در کامپیوتر مشاهده و تصحیح کنید.
در گذشته برای ساخت یک مدارالکترونیکی ابتدا نقشه مدارراروی فیبرمخصوص قرار می دادند،سپس جای پایه های المان الکترونیکی را روی فیبر سوراخ می کردند وپایه راطبق نقشه از زیر با سیم به هم اتصال می دادنداین عمل پارازیت زیادی را در مداربه وجود می آورد و جای زیادی را نیزاشغال می کرد،امروزه با پیشرفت علم نرم افزارهای زیادی برای طراحی PCB های تک و چند لایه موجود است،یکی از این نرم افزارها Porotel Dxp است.

 
 
دوره آموزشی Solid Work
Solid Work یک نرم‌ افزار سه بعدی طراحی مکانیکی است که که بر روی مایکروسافت ویندوز اجرا می‌شود و توسط شرکت Solid Work که اکنون زیر مجموعه‌ای از شرکت دسالت سیستمز فرانسه‌ است توسعه یافته. این نرم‌ افزار اکنون یکی از محبوب ترین نرم‌افزارها در زمینه طراحی سه بعدی مکانیکی است.Solid Work یک مدل ساز برای مدلسازی جامدات است که مبتنی بر پارا سالید بوده و از رویکرد پارامتری مبتنی بر ویژگی برای ساخت مدلها و مونتاژها استفاده می‌کند. پارامتر به ثابت‌های اطلاق می‌شود که مقدار آنها شکل یا هندسه مدل یا مونتاژ را تعیین می‌کند. پارامترها هم به صورت پارامترهای عددی نظیر طول خطوط یا قطر دایره بوده و هم به صورت پارامترهای هندسی نظیر مماس، موازی، متقارب، هم مرکز و غیره هستند. پارامترهای عددی می‌توانند از طریق استفاده روابط با یکدیگر مرتبط بوده که امکان برآورده ساختن خواسته‌های طراحی را فراهم می‌کند. خواسته‌های طراحی به این معناست که طراح مایل است تا مدل نسبت به تغییرات و به روز آوری‌ها به چه صورت پاسخ دهد.
 
 

 
 
دوره آموزشی کتیا (CATIA)
نرم افزار کتیا، نرم افزار طراحی قطعات است که در صنعت کاربرد گسترده ای دارد و نرم افزار تخصصی رشته مهندسی مکانیک می باشد.در واقع یک نرم افزار مهندسی کامل بوده که متعلق به شرکت آی بی ام است. این نرم افزار یکی از قدرتمندترین مدلسازی ، طراحی، نقشه کشی و ساخت بوده که در زمینه های مهندسی هوافضا،عمران ، صنایع و برق است که از کارایی بسیار بالایی برخوردار بوده و بسیاری از دفاتر طراحی بنام دنیا به نام بویینگ،سسنا و امبرائر که جز شرکت های طراحی و ساخت هواپیما می باشند از این نرم افزار بهره کامل برده اند.

دوره آموزشی مبانی الکتریسیته و مغناطیس
الکتریسیته و مغناطیس ( الکترومغناطیس ) شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از ۴ نیروی بنیادی طبیعت است. الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد.
درس الکترومغناطیس یکی از دروس بسیار سنگین رشته برق می باشد که بسیاری از دانشجویان با این درس مشکل دارند . مفهومی بودن درس و نبود یک جزوه مرتب و کامل، الکترومغناطیس را به یکی از سنگین ترین دروس برای دانشجویان مهندسی برق بدل ساخته است .