Μηχατρονική

Ο όρος μηχατρονική ή μηχανοτρονική, είναι ένας σύγχρονος νεολογισμός που υποδηλώνει τον συνδυασμό των επιστημών της Μηχανολογίας, Ηλεκτρονικής - Ηλεκτρολογίας και Πληροφορικής.

Ετυμολογία και άλλες ονομασίες

Μηχατρονική: = Μηχανολογία + Ηλεκτρονική Παρόμοιος όρος για την Μηχατρονική είναι η Τεχνική Κυβερνητική - Technical Cybernetics.

Σπανίως χρησιμοποιείται και ο όρος Μηχανοτρονική ή Ηλεκτρομηχανολογικοί Αυτοματισμοί. Ωστόσο, στην Ελλάδα τα τελευταία χρόνια λόγω πιο ουσιαστικής συνδεσμολογίας ( μηχανό+τρονικός), χρησιμοποιείται ο πρώτος από τους παραπάνω όρους.

Η Μηχατρονική θεωρείται εμπλουτισμός των κατά βάση μηχανολογικών συστημάτων με ηλεκτρονικά εξαρτήματα που αρκετά συχνά εμπεριέχουν λογισμικό, δηλαδή:

Μηχατρονική είναι η συνεργία τριών επιστημών

με σκοπό τη δημιουργία συστημάτων που να απλοποιούν την παραγωγή.

Φιλοσοφία της μηχατρονικής

Στην φιλοσοφία της μηχατρονικής, ο ενσωματωμένος υπολογιστής ελέγχου είναι το κεντρικό στοιχείο, και ο πυρήνας της τεχνολογίας η οποία την καθιστά την Μηχατρονική ένα μοναδικό τομέα. Ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα, μαζί με επενεργητές και μετρητικά όργανα περιβάλλουν άμεσα τον ελεγκτή και λειτουργούν προσαρμοστικά μεταξύ του λογισμικού ελέγχου και του ελεγχόμενου φυσικού συστήματος. Τα χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν το κάθε σύγχρονο μηχανικό σύστημα, καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την εφευρετικότητα και αποτελεσματικότητα του ενσωματωμένου σε αυτό λογισμικό. Τα παρεμβαλλόμενα στοιχεία υποστηρίζουν το λογισμικό αυτό παρέχοντας του τις τρέχουσες πληροφορίες από το ελεγχόμενο σύστημα και μεταφράζοντας τις εντολές του σε ενεργή παροχή διαμορφωμένης ισχύος.

Ιστορία

Η Μηχατρονική επικεντρώνεται στη μηχανική, την ηλεκτρονική, την μηχανολογία συστημάτων ελέγχου, των ηλεκτρονικών υπολογιστών, τη μοριακή μηχανική (από νανοχημεία και Βιολογία), η οποία και σε συνδυασμό μεταξύ των, να καταστήσει την παραγωγή:

απλούστερη,
πιο οικονομική,
αξιόπιστη και ευέλικτη.

Ο όρος "Μηχανοτρονική" επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Tetsuro Mori, ανώτερο μηχανικό της ιαπωνικής εταιρείας Yaskawa, το 1969. Η Μηχατρονική εναλλακτικά, μπορεί να αναφέρεται και ως η Επιστήμη των "Ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων" ή λιγότερο συχνά ως η Επιστήμη "ελέγχου και του αυτοματισμού της μηχανικής".

Το 1982 επιτρέπεται από την εταιρεία η ελεύθερη χρήση του όρου.

Η Μηχατρονική αποτελεί το άμεσο εκείνο υπόβαθρο για την έρευνα στο τεχνικό τομέα της Κυβερνητικής. Σημαντικές φυσιογνωμίες και χρονολογίες σταθμοί στην Κυβερνητική και κατ' επέκταση στην Μηχατρονική υπήρξαν το 1936 από τον Άλαν Τούρινκ το 1948 από τον Νόρμπερτ Βίνερ και Μόρθυ (Morthy), με τις μηχανές ψηφιακού ελέγχου, που αρχικά αναπτύχθηκαν το 1946 ο Τηλεχειρισμός το 1951 από τον Γκερτζ (Goertz) καθώς και η ανώνυμη εταιρεία Bedford Associates που αναπτύχθηκε το 1968.

Ορισμοί Μηχατρονικής

Επί του παρόντος υπάρχουν διάφοροι ορισμοί της Μηχατρονικής, ανάλογα με την περιοχή ενδιαφέροντος. Ειδικότερα, η UNESCO ορίζει για την Μηχατρονική ότι είναι:

"Η συνεργιακή ολοκλήρωση της μηχανολογίας με την ηλεκτρονική και τον ευφυή υπολογιστή ελέγχου στον σχεδιασμό και την κατασκευή των προϊόντων και διαδικασιών."

Ωστόσο ένας πιο ενδιαφέρων ορισμός είναι ότι Μηχατρονική είναι: "Η Μελέτη και κατασκευή των ευφυών μηχανικών συστημάτων."

Κάτω από αυτή τη θεώρηση, η Μηχατρονική μπορεί να ερμηνευθεί ως "Η εφαρμογή πολύπλοκης διαδικασίας λήψης αποφάσεων κατά τη λειτουργία φυσικών συστημάτων."

Αντικείμενο

Η Μηχατρονική όπως προαναφέρθηκε, πρόκειται να συγχωνεύσει τις πιο πάνω επιστήμες και να περιγράψει αντί διάφορων προτύπων ένα γενικό ολιστικό Μηχατρονικό σύστημα.

Τα συστήματα της Μηχατρονικής έχουν το στόχο να μετατρέψουν με την τεχνολογία που τα διέπει:

Επεξεργαστές
Ενεργοποιητές
Αισθητήρες κτλ

την μορφή της ενέργειας αλλά και των υλικών, την μεταφορά τους και την περαιτέρω επεξεργασία τους καθώς και τη μεταφορά ή/και αποθήκευση των πληροφοριών.

Μηχατρονικό Σύστημα

Ένα Μηχατρονικό σύστημα αποτελείται κυρίως από μηχανισμούς

Κίνησης,
Ελέγχου και
Αισθητήρες.

Η παραδοσιακή Μηχανική αποτελείται μόνο από μηχανισμούς και ενεργοποιητές, και προαιρετικά μπορεί να ενσωματωθεί ο έλεγχος. Η Μηχατρονική ενσωματώνει όλες τις απαιτούμενες προϋποθέσεις για έλεγχο κλειστού βρόχου και ως εκ τούτου και τους ανάλογους αισθητήρες

Ένα Μηχατρονικό σύστημα είναι ένα σύστημα το οποίο ενσωματώνει την ψηφιακή επεξεργασία σήματος και την έκδοση του σήματος αυτού σε ένα τελικό σημείο δράσης μέσω ενός ενεργοποιητή, δημιουργώντας κινήσεις ή ενέργειες σχετικά με το σύστημα. Είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα με αισθητήρες, μικροεπεξεργαστές και ελεγκτές.

Τα συστήματα Μηχατρονικής μπορούν να διαιρεθούν έτσι σε ομάδες λειτουργίας, να διαμορφωθούν σε εκείνους τους βρόχους αυτόματου ελέγχου και να αποτελέσουν μέρος των ενοτήτων με τα μηχανικά - ηλεκτρικά - μαγνητικά - θερμικά - οπτικά στοιχεία τους και την τεχνολογία αισθητήρων, με σκοπό τη συλλογή των μετρημένων μεταβλητών της επιβλέπουσας κατάστασης, την ενεργοποίηση την κανονικοποίηση και τον έλεγχο καθώς επίσης και επεξεργασία και την πληροφορική στην επεξεργασία δεδομένων.

Παραδείγματα Μηχατρονικών Συστημάτων

1) Χειρισμός/συστήματα ρομπότ
2) Ενότητες εργαλειομηχανών
3) Ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές
4) Κίνηση και έλεγχος φορέα CD/DVD Player
5) Ανεμογεννήτριες
6) Αντιολισθητικά συστήματα
7) Ηλεκτρονικά προγράμματα σταθερότητας οχημάτων

Ειδικά για τα δύο τελευταία παραδείγματα, τα ηλεκτρονικά και το λογισμικό αντικαθιστούν τα μικρότερης ακρίβειας, πιο ευπαθή και πιο ακριβά αναλογικά μηχανικά συστήματα με ψηφιακό ηλεκτρονικό έλεγχο, όπως τα συστήματα αντιεμπλοκής πέδησης (ABS) τα συστήματα ελέγχου μείγματος, προπορείας, σπινθιρισμού (ECU) και τα συστήματα ελέγχου ολίσθησης (ASP/ESP) στα αυτοκίνητα. Παγκοσμίως η μηχατρονική είναι αντικείμενο ειδίκευσης μηχανολόγων ή μηχανικών παραγωγής.

Εφαρμογές

Η απλούστερη εφαρμογή αφορά στην δυναμική ανάλυση ενός μηχανικού συστήματος και τον (ενεργό, ημί - ενεργό ή παθητικό) έλεγχό του.

Οι πιο σημαντικές εφαρμογές της Μηχατρονικής είναι η ρομποτική, τα συστήματα μεταφορών, συστήματα παραγωγής, μηχανές CNC, και οι βιομηχατρονικές νανομηχανές. Η τελειότερη όμως εφαρμογή της Μηχατρονικής είναι το Ρομπότ.

Η Ρομποτική είναι κλάδος της Μηχατρονικής.

Ρομποτική είναι η τέχνη του σχεδιασμού και της κατασκευής επαναπρογραμματιζομένων στοιχείων - συσκευών ευέλικτων και ικανών να εκτελούν διάφορες λειτουργίες. Το επίπεδο του αυτοματισμού είναι πολύ πιο ευέλικτο και δείχνει τις μελλοντικές τάσεις στην υπόλοιπη μηχατρονική.

Η εφαρμογή των μηχατρονική στη μεταφορά λαμβάνει χώρα κατά το σχεδιασμό των ενεργητικών μηχανισμούς (π.χ. ενεργός αναστολή), τους κραδασμούς ελέγχου, μηχανισμούς σταθεροποίησης και αυτόνομη πλοήγηση.

Στην κατασκευή, η Μηχατρονική έχει χρησιμοποιηθεί για μοντέλα διακριτών κατά περίπτωση συστημάτων και έχει υποβάλει αίτηση για το βέλτιστο σχεδιασμό των γραμμών παραγωγής, καθώς και τη βελτιστοποίηση των υφιστάμενων διαδικασιών. Επίσης, έχει συμβάλει στην αυτοματοποίηση των γραμμών παραγωγής και τη δημιουργία της έννοιας της ευέλικτης κατασκευής.

Μηχατρονική είναι η ιστορία του ψηφιακού ελέγχου μηχανών. Σε αυτό το θέμα τις τελευταίες εξελίξεις είναι οι εξής: της ανάλυσης, ανίχνευσης και ελέγχου των κραδασμών και της θερμοκρασίας στην εργαλεία κοπής, των μεθόδων διάγνωσης και εργαλεία κοπής ταχεία προτυποποίηση, EDM λέιζερ και σύνθεση.

Στο πεδίο αυτό γίνεται σύντομη εισαγωγή στην προσομοίωση δυναμικών μηχανικών συστημάτων, στον έλεγχο κατασκευών και ιδιαίτερα στην χρήση μεθόδων Ανάλυσης και Μοντελοποίησης:

ευφυούς ελέγχου και συγκεκριμένα, σε μεθόδους οι οποίες στηρίζονται σε
ασαφή λογική,
νευρωνικά δίκτυα
συναφείς υβριδικές τεχνικές.
γενετικούς αλγορίθμους

Η βασική γνώση της τεχνικής δυναμικής καθώς και η δυνατότητα τουλάχιστον χρήσης ηλεκτρονικού υπολογιστή θεωρούνται αναγκαία .

Καθώς τα συστήματα αυτά σπάνια πληρούν τις προϋποθέσεις μιας μελέτης , το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται είναι πολύπλοκο (μη-γραμμικό), έχει ατέλειες κτλ. Για αυτό και χρησιμοποιούμε τα προαναφερθέντα ευφυή συστήματα ελέγχου .

Γενικότερες εφαρμογές

Αυτοματισμού, και στον τομέα της ρομποτικής
Σερβοϋδραυλική μηχανική
Αισθητήρες και συστήματα ελέγχου
Αυτοκίνητο Βιομηχανίες, στη σχεδίαση των υποσυστημάτων, όπως η αντι-εμπλοκή κατά την πέδηση
Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, του σχεδιασμού μηχανισμών, όπως οι οδηγοί δίσκων

Παραλλαγές Μηχατρονικής

Μια παραλλαγή του αναδυόμενου αυτού τομέα είναι η biomechatronics - Βιομηχατρονική, σκοπός της οποίας είναι η ενσωμάτωση μηχανικών μερών με ένα ανθρώπινο ον, συνήθως με τη μορφή των αποσπώμενων συσκευών όπως exoskeleton. Αυτή είναι η "πραγματική ζωή" έκδοση του cyberware.

Η Βιομηχατρονική είναι η εφαρμογή της μηχατρονικής για την επίλυση των προβλημάτων των βιολογικών συστημάτων, και ιδίως την ανάπτυξη νέων τύπων προθέσεων, χειρουργικών προσομοιωτών, τον έλεγχο της θέσης των ιατρικών πράξεων (π.χ. καθετήρες), αναπηρικές πολυθρόνες και χειρουργικές τηλεχειρισμός

Επίσης η νανομηχανική είναι ένας τομέας που έχει επωφεληθεί από τις εξελίξεις στη μηχατρονική. Ένα πολύ προφανές παράδειγμα είναι η ανάπτυξη του σκληρού δίσκου.

Εφαρμοσμένη Μηχατρονική

Εξαρτήματα

Μηχανισμοί

Στον τομέα των μηχανισμών, τα κυριότερα προβλήματα είναι

η μείωση της πολυπλοκότητας,
η κατάργηση των μηχανισμών και
η σύνθεση των επιμέρους Μηχατρονικών μηχανισμών.

Η μείωση της πολυπλοκότητας σχετίζεται με τη μείωση του αριθμού των στοιχείων του μηχανισμού και τη χρήση ευφυών ελέγχου.

Η κατάργηση των μηχανισμών περιλαμβάνει την άμεση και πιο πολύπλοκη χρήση των ενεργοποιητών και των στοιχείων ελέγχου .

Οι Ενεργοποιητές

Για την λειτουργία ενός Μηχανισμού απαιτείται μια πηγή ενέργειας. Αρχικά, αυτή η πηγή ήταν ζωικής προέλευσης, στη συνέχεια προήλθε από την ισχύ που παράγεται από τη ροή του αέρα ή του νερού, και στη συνέχεια η παραγόμενη ενέργεια με ατμό, από μηχανές εσωτερικής καύσης και του εν τέλει γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος. Για να είναι αυτή η δύναμη ρυθμιζόμενη και να μπορεί να ελεγχθεί υπάρχουν οι ενεργοποιητές. Οι κυριότερες εξελίξεις της ενεργοποιητών στη Μηχατρονική είναι: Η άμεση διαχείριση με τη χρήση ηλεκτρομαγνητικών ενεργοποιητών και πιεζοηλεκτρικών ενεργοποιητών. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο είδος των ενεργοποιητών οι ηλεκτρικοί κινητήρες, έχουν αναπτύξει νέα μαθηματικά μοντέλα στην έρευνα, νέα είδη διαχείρισης και νέες μορφές ελέγχου. Ένα είδος του ενεργοποιητή που έχει θα χρησιμοποιηθεί στο ευρέως σε ηλεκτροστατικούς ενεργοποιητές προέρχεται από το πεδίο της Νανομηχανικής

Ο Έλεγχος

Ένας χώρος αναπτυχθεί καλά στο Μηχανοτρονική είναι ο έλεγχος. Υπάρχουν δύο σημαντικές τάσεις: η χρήση των πλέον πρόσφατων τεχνικών της θεωρίας του αυτόματου ελέγχου και την ανάπτυξη ευφυών ελέγχου, η οποία επιδιώκει να βελτιώσει την αντίληψη του περιβάλλοντος και να αποκτήσει ένα καλύτερο εαυτό. Μερικά από τα πιο σημαντικά βήματα στον τομέα της αυτόματης ελέγχου είναι οι εξής: νευρωνικά δίκτυα, συρόμενη λειτουργία του ελέγχου, γεγονός διακριτά συστήματα, προσαρμοζόμενα ελέγχου, ασαφής λογική και σταθερό έλεγχο.

Οι Αισθητήρες

Οι αισθητήρες είναι συσκευές που μπορούν να μετρήσουν την πρόοδο της εγκατάστασης ή το περιβάλλον. Οι αισθητήρες για την ενσωμάτωση των μηχανισμών είναι το αποτέλεσμα της χρήσης κλειστού βρόχου ελέγχων. Ένα καλά ανεπτυγμένο παράδειγμα είναι η χρήση τεχνητής όρασης, το οποίο χρησιμοποιείται για να καθορίσει τη θέση και τον προσανατολισμό του μηχανισμού, το περιβάλλον ή τα εργαλεία, ωστόσο, δεν είναι πάντα δυνατή η απευθείας μέτρηση μιας μεταβλητής η αξία του εκτιμάται από το καθεστώς του παρατηρητή και φίλτρα. Ένα πρόβλημα που έχει πρόσφατα κατευθύνεται η ανάπτυξη των αναφορικός \ emph (από σταθερό) να καθορίσουν τη θέση και τον προσανατολισμό στην πλοήγηση προβλήματα να επιλυθούν με τη βοήθεια των παγκόσμιων συστημάτων εντοπισμού θέσης (GPS, για σύντομα).