امروزه كمتر محصول صنعتی را می توان یافت كه تركیبی از حوزه های مختلف مهندسی نباشد. اگر بیشتر به محیط زندگی خود و محصولاتی كه در زندگی روزمره از آنها استفاده می شود دقت كنیم، از ساعت مچی دیجیتالی تا ماشین لباسشویی در آشپزخانه، خودروی شخصی یا عمومی كه با آن به محل كار می رویم، چاپگرها و اسكنرها در محیط اداری و غیره، همگی نمونه هایی از تركیب حوزه های مختلف مهندسی و به خصوص مكانیك و الكترونیك است. اگر هم با محصولات جدیدتر صنعتی آشنا باشیم، تجمیع نرم افزار و سخت افزار كامپیوتر با حوزه های فوق را به وضوح می توان در بسیاری از محصولات از جمله ماشین های لباسشویی و خشك كن جدید هوشمند، دوربین های خودتنظیم، روبوت های صنعتی، خودروهای مجهز به سیستم ترمز ضدقفل، دیسك درایوهای كامپیوتر، فرهای مایكروویو، تلفن های همراه، سیستم پخش دیجیتال، محصولات دفاعی مدرن و تجهیزات پزشكی شناسایی كرد كه مثال هایی از تركیب حوزه های مهندسی مذكور است. در واقع، پیشرفت روزافزون علوم فناوری اطلاعات، الكترونیك به خصوص الكترونیك قدرت، ریزپردازنده ها و همچنین سیستم های هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتی با كیفیت بهتر، هزینه كمتر و زمان تولید كوتاه تر، افق جدیدی را در طراحی و ساخت محصولات الكترومكانیكی، به همراه آورده است. این فناوری كه براساس تجمیع مهندسی مكانیك، الكترونیك، كامپیوتر و سیستم های كنترل است، مكاترونیك نامیده می شود. این واژه تركیبی از دو بخش «مكا» مخفف مكانیسم و «ترونیك» مخفف الكترونیك است.واژه مكاترونیك برای اولین بار در اواخر دهه ۶۰ میلادی توسط یك مهندس ژاپنی، كه در زمینه كنترل كامپیوتری موتورهای الكتریكی در شركت یاسكاوا الكتریك تحقیق می كرد معرفی شد. تاكنون تعریف های گوناگونی از مكاترونیك ارائه شده است كه مهمترین آن عبارت است از: «یك تركیب هم افزایانه از مهندسی مكانیك، الكترونیك، كامپیوتر، سیستم های كنترل و فناوری اطلاعات در طراحی و ساخت محصولات و فرآیندهای صنعتی با دقت بالا». در واقع مكاترونیك یك تفكر جدید در طراحی و تولید محصولات صنعتی است كه به مهندسان اجازه می دهد تا با یكپارچه سازی حوزه های تخصصی یاد شده، از اولین مراحل طراحی و تولید، به خلق محصولاتی با كیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه كمتر و در زمان كوتاه تر، بیندیشند.عناصر اصلی یك سیستم مكاترونیكی عبارتند از فرآیند مكانیكی یا الكترومكانیكی، حسگرها، محركه ها، ریزپردازنده ها و نرم افزار كنترل كننده سیستم. در طراحی كلاسیك، اجزای مختلف یك سیستم به طور جداگانه طراحی شده و سپس تجمیع صورت می گیرد ولی در مكاترونیك، اجزای مكانیكی و الكتریكی به همراه استراتژی كنترلی از ابتدا به صورت یك سیستم یكپارچه در نظر گرفته می شوند و این به معنای مهندسی همزمان در طراحی است. نكته مهم در اینجا تفاوت مهندسی الكترومكانیك با مكاترونیك است. در مهندسی مكاترونیك، با آن كه عموماً با سیستم های الكترومكانیكی سروكار داریم، نكته اساسی در حاكمیت همزمان بودن طراحی، یكپارچه سازی و حتی بهینه سازی است، در حالی كه مهندسی الكترومكانیك لزوماً این معنا را نمی دهد. به عنوان مثال، در تفكر مكاترونیكی دیگر جایز نیست یك سیستم را از ابتدا طراحی كنید بدون آنكه به استراتژی كنترلی آن اندیشیده باشید.در اینجا ممكن است این سئوال پیش بیاید كه منظور از یكپارچه سازی چیست؟ به طور كلی باید گفت كه یكپارچه سازی در دو بعد مطرح است: طراحی و تولید. در مرحله طراحی اجزا، اگر هماهنگی با سایر اجزای سیستم در نظر گرفته شود قطعاً نتایج بهتری در پی خواهد داشت. به طور كلی، روند طراحی مكاترونیكی با تحلیل بازار و نیازهای مشتری آغاز و سپس مشخصات مورد نیاز محصول براساس تحلیل های انجام شده، تعیین می شود. با آغاز روند طراحی، مرزهای بین حوزه های گوناگون مهندسی كم رنگ شده و یكپارچه سازی این حوزه ها ضروری می نماید چرا كه محدودیت ها و تصمیم گیری ها در یك حوزه در واقع تابعی است از محدودیت ها و تصمیم گیری ها در حوزه های دیگر. به عنوان مثال در بحث كنترل موتورهای الكتریكی، امروزه دیگر برای كاهش زمان و هزینه تولید و بهبود كیفیت، طراحی موتور و درایو الكتریكی و كنترل كننده دیجیتال و حسگرها، همگی با هم در نظر گرفته می شوند. یكی از مسائل صنعتی _ تحقیقاتی، روش های كنترل سرعت بدون استفاده از حسگرهای سرعت، به منظور كاهش هزینه است، یعنی یك موتور الكتریكی را به یك مهندس كنترل می دهند تا یك كنترل كننده سرعت بدون استفاده از حسگر سرعت، طراحی كند. كارهای زیادی در این زمینه انجام شده ولی بعد از مدت ها به این نتیجه رسیده اند كه بهتر است از همان ابتدا، هنگام طراحی موتور الكتریكی، استراتژی كنترل بدون حسگر در نظر گرفته شود، یعنی موتور را طوری طراحی كنیم تا كنترل آن بدون حسگر خارجی تا حد زیادی آسان شود. واضح است كه این یكپارچه سازی باعث كاهش هزینه و زمان تولید محصول صنعتی خواهد شد.بعد دیگر یكپارچه سازی، در مرحله تولید است. شمای كلی یك سیستم كلاسیك الكترومكانیكی شامل فرآیند مكانیكی، محركه ها و حسگرها و همچنین پردازشگر اصلی است. در واقع الگوریتم كنترلی در پردازشگر اصلی اجرا می شود. بسیاری از فرآیندهای صنعتی كلاسیك در قالب فوق نمایش داده می شوند.در سیستم های مكاترونیكی، یكپارچه سازی اجزا در مرحله تولید، به دو روش انجام می شود: یكپارچه سازی سخت افزاری و یكپارچه سازی نرم افزاری. در یكپارچه سازی سخت افزاری، فرآیند مكانیكی به همراه حسگرها، محركه ها و پردازشگرها، به عنوان یك سیستم جامع در نظر گرفته می شوند. در اینجا معمولاً خود حسگرها و یا محركه ها دارای پردازشگرهای محلی هستند كه عموماً به آنها حسگرها و یا محركه های هوشمند اطلاق می شود. در اینجا اجزای سیستم دارای ارتباطات محلی بوده كه این ارتباطات، معمولاً از طریق خطوط ارتباطی باس یا به صورت بی سیم است.
در یكپارچه سازی نرم افزاری، یك سیستم نظارتی یا به عبارتی كنترل كننده مركزی، به منظور مدیریت كل فرآیند، تشخیص خطا و بهینه سازی، بر كل سیستم نظارت می كند كه در واقع به معنای پردازش اطلاعات در یك سطح بالاتر است. معمولاً این سیستم نظارتی یك سیستم هوشمند است كه این امر تصمیم سازی برای بهبود عملكرد سیستم فیزیكی را قابل اجرا می سازد. در اینجا می توان به این نكته پی برد كه یكی از دلایل منحصر به فرد بودن محصولات مكاترونیكی، به كارگیری قدرت محاسباتی بالا در خلق سیستم هایی است كه دارای كیفیت و قابلیت اعتماد بسیار بالا هستند.
• محصولات مكاترونیكی
فناوری مكاترونیك در بسیاری از زمینه ها كاربرد روزافزونی پیدا كرده است كه در اینجا به بعضی از آنها اشاره می كنیم. در صنایع خودروسازی، استفاده از موتورهای با كنترل الكترونیكی به جای كنترل كننده سنتی آن یعنی كاربراتور، باعث بهبود عملكرد موتور و كاهش مصرف سوخت و آلودگی شده است. همچنین سیستم ترمزهای ضدقفل، سیستم تهویه هوای اتوماتیك، فرمان های با كمك الكتریكی _ هیدرولیكی، خودروهای الكتریكی _ تركیبی و... از دیگر كاربردهای فناوری مكاترونیك در صنایع خودروسازی هستند.در زمینه محصولات صنعتی با مصارف خانگی، می توان به ماشین های لباسشویی و یا خشك كن جدید اشاره كرد كه عملكرد آنها با استفاده از كنترل هوشمند به منظور مصرف بهینه انرژی، صرفه جویی در مصرف آب و همچنین افزایش كیفیت، بهبود فراوانی یافته است.
در محصولات صنعتی با كاربرد اداری، می توان به چاپگرها و اسكنرهای لیزری، دستگاه های كپی دیجیتال و یا دیسك درایوهای جدید اشاره كرد كه از جمله محصولات مكاترونیكی هستند.در زمینه صنایع دفاعی می توان به سیستم های هدایت موشك و یا سلاح های هوشمند اشاره كرد. همچنین از دیگر محصولات مكاترونیكی، دوربین های خودتنظیم، ماشین های ابزار كامپیوتری و روبوت های صنعتی هستند كه تاثیر فراوانی در كاهش هزینه و زمان تولید و بهبود كیفیت محصولات تولیدی گذاشته اند.
• آموزش مكاترونیك
با توجه به گسترش نیاز روزافزون صنعت به استخدام نیروهای ماهر در مهندسی مكاترونیك، تربیت نیروی انسانی در این زمینه بیش از پیش اهمیت یافته است. نكته مهم و اساسی در آموزش مكاترونیك این است كه یك مهندس مكاترونیك باید دارای تخصص های چندحوزه ای باشد، بدین معنا كه تسلط به اصول اساسی مهندسی مكانیك، الكترونیك، كامپیوتر و كنترل، برای او ضروری است چرا كه باید قابلیت طراحی در حوزه های مختلف و در نهایت تجمیع و یكپارچه سازی این حوزه ها را داشته باشد. هم اكنون در تعداد قابل توجهی از دانشكده های مهندسی برق و مكانیك در دنیا، گرایش مكاترونیك در سطوح كارشناسی و بالاتر ایجاد شده است.هسته اصلی محتوی آموزشی مهندسی مكاترونیك، تركیبی از دروس اساسی گرایش های سیستم های كنترل، الكترونیك، كامپیوتر و مهندسی مكانیك است.
