هندسة ميكاترونيات

ميكاترونيكس أو الميكاترونكس (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 التخصص 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 النحو التالي: "النهج الذي يهدف إلى التكامل المستمر للميكانيكا والالكترونيات ونظرية التحكم، وعلوم الحاسب الآلي في تصميم المنتجات والصناعات التحويلية، من أجل تحسينه و/ أو تحسين وظائفه".

تاريخها

ظهرت كلمة ميكاترونكس لأول مرة في اليابان في أواخر الستينات، واستعملت بعدها في أوروبا قبل أن تنتشر في كل 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 أو الإلكترونية )
وتصميم أية منظومة ميكاترونية يتطلب هندسة الميكانيك، والإلكترونيات، والتحكم (control)، وهندسة الكومبيوتر بشكل أساسي. فمهندس الميكاترونكس يجب أن 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، كي يكون قادرا على الوصول إلى الأهداف المرجوة من تصميمه.
المنظومات الميكاترونية تدعى أحيانا بالأجهزة الذكية، لأنها يفترض أن تحاكي طريقة التفكير البشري.
اليوم، دخلت الميكاترونكس إلى كل الأجهزة تقريبا. فهي ليست مختصة بالروبوتات أو المصانع فقط. مثلا نجدها في الطيار الالي؛ ونجد هذا واضحا في طيارة ايرباص Air Bus A380 الجديدة، 
إن الميكاترونيكس هي المستقبل بعينه، وهي كما قال 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. وتتركز 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 هو مثال ساطع على نظام الميكاترونيكس، بل يشمل جوانب الإلكترونيات والميكانيكا والحوسبة والقيام به يوما بعد يوم فرص العمل.
علم التحكم الآلي للهندسة يتناول مسألة هندسة التحكم لنظم الميكاترونيكس. يتم استخدامه لمراقبة أو تنظيم مثل هذا النظام (انظر نظرية التحكم). من خلال التعاون، وحدات الميكاترونيكس تنفيذ 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 تشمل: تحكم التسلسل الهرمي، التحكم متعدد البنية، التحكم المتشعب البنية والتحكم الهجين. إن الأساليب التي تتخذ لتحقيق الفعالية التقنية يمكن أن توصف بـ" خوارزميات التحكم"، والتي يمكن استخدام الطرق المنهجية أو غيرها لتصميم هذه الخوارزميات. أهمية الأنظمة الهجينة بالنسبة للميكاترونيكس تشمل: 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 الفيديو، والأقراص الصلبة ومشغلات CD.
نظام الميكاترونكس ليس مجرد نظام تحكم بين الأجهزة الكهربائية والميكانيكية، بل هو التكامل التام بين جميع هذه الأنظمة، حيث إن هناك نهجا متزامنا للتصميم ، وقد ازداد الاعتماد على هذا النهج المتكامل متعدد التخصصات في التصميمات الهندسية، وهذا التكامل عبر الحدود التقليدية للهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية والإلكترونيات وهندسة التحكم، يجب أن يحدثَ في المراحل الأولى من عملية التصميم إذا ما تم تطوير أنظمة أقل تكلفة وأكثر موثوقية وأكثر مرونة. ويجب على نظام الميكاترونكس أن ينطوي على نهج متزامن لهذه التخصصات بدلاً من نهج متسلسل للتطوير، فنقول على سبيل المثال: الجزء الميكانيكي ثم الجزء الكهربائي ثم الجزء المعالج. وهكذا فإن الميكاترونكس عبارة عن فلسفة للتصميم، وهو نهج متكامل للهندسة.
تجمع الميكاترونكس مجالات التكنولوجيا التي تشمل 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).

التطبيقات الفعلية

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 هو نظام التحكم في ضبط العدسة للكاميرا أو الأنظمة المضادة للاهتزاز في الكاميرات.
فيما يخص الطاقة، فإن أغلب التطبيقات تستخدم البطاريات. لكن اتجاهاً جديداً بدأ بالوصول وهو مبدأ الاعتماد على تجميع الطاقة، مما يتيح التحويل إلى الطاقة الكهربائية من أنواع الطاقة الأخرى كالطاقة الميكانيكية من الاهتزاز والصدمات، أو الطاقة 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 العلمي باعتبارها سايبورغ. هذا هو نسخة الأدوات الإلكترونية في الحياة الواقعية.
مجال آخر ناشئ هو التصميم المركزي الإلكتروني ECAD/MCAD التصميم المشارك (التصميم الإلكتروني/الميكانيكي بمساعدة الحاسوب). 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.