کتاب مقدمه ای بر مکاترونیک

کتاب مقدمه ای بر مکاترونیک نوشتهٔ رابرت اچ. بیشاب و ترجمهٔ جواد وحیدی و حمیده جعفرپوریان است و انتشارات فناوری نوین آن را منتشر کرده است.

درباره کتاب مقدمه ای بر مکاترونیک

به بیان تخصصی، مکاترونیک شاخه‌ای از مهندسی است که بر روی طراحی و ساخت و نگه‌داری محصولاتی که اجزای الکتریکی و مکانیکی دارد، تمرکز می‌کند. این واژه از دو بخش «مکا» مخفف مکانیسم و «ترونیک» مخفف الکترونیک ترکیب‌شده است. در سال ۱۹۶۹ این اصطلاح توسط مهندس تسترو موری (Tetsuro Mori) ساخته شد تا همکاری بین کنترل سیستم‌های الکترونیکی و ماشین‌های مکانیکی را توضیح دهد. از آن موقع، معنی این اصطلاح گسترده شده که شامل ترکیب چند رشته دیگر مانند مهندسی و برنامه‌نویسی کامپیوتر می‌شود. به‌طور خلاصه می‌توان گفت:

مکاترونیک یک مجموعه بین‌رشته‌ای تلفیقی از رشته‌های مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی کنترل، مهندسی کامپیوتر، مهندسی مولکولی (از نانوشیمی و بیولوژی) پدید آمده است.

با توجه به تعریف اولیه مکاترونیک که شرکت یاساکاوا الکتریک ارائه کرد و تعاریفی که از آن زمان به بعد ظاهر شد، بسیاری از محصولات مهندسی طراحی و تولیدشده در سی سال گذشته را که سیستم‌های مکانیکی و الکتریکی را یکپارچه می‌کنند می‌توان به‌عنوان سیستم‌های مکاترونیک در اسناد درخواست علامت تجاری یاساکاوا طبقه‌بندی کرد. مکاترونیک را به این صورت تعریف کرد:

کلمه مکاترونیک از "مکا" از مکانیزم و "ترونیک" از الکترونیک تشکیل‌شده است. به‌عبارت‌دیگر، فن‌آوری‌ها و محصولات توسعه‌یافته، الکترونیک را به‌طور صمیمی‌تر و ارگانیک‌تر در مکانیزم‌ها ادغام می‌کنند و تشخیص اینکه یکی به کجا ختم می‌شود و دیگری شروع می‌شود غیرممکن می‌سازد.

ظهور میکرو کامپیوتر، کامپیوترهای تعبیه‌شده و فناوری‌های اطلاعاتی مرتبط و پیشرفت‌های نرم‌افزاری منجر به پیشرفت‌های مهمی در مکاترونیک شده است. به‌عنوان‌مثال، خودرو را در نظر بگیرید. در مراحل اولیه طراحی خودرو، رادیو تنها ابزار الکترونیکی قابل‌توجه در آن بود. تمام عملکردهای دیگر کاملاً مکانیکی یا الکتریکی بودند. امروزه حدود ۳۰ تا ۶۰ میکروکنترلر در یک خودرو وجود دارد. و با تلاش برای توسعه سیستم‌های مدولار برای زیرسیستم‌های مکاترونیک شناسایی خودکار سخت‌افزار پس از اتصال (plug-n-play)، انتظار می‌رود این افزایش یابد.

کتاب مقدمه ای بر مکاترونیک مقدمه‌ای بر زمینه پر جنب‌وجوش مکاترونیک فراهم می‌کند. همان‌طور که تقسیمات تاریخی بین شاخه‌های مختلف مهندسی و علوم کامپیوتر به‌وضوح کمتر تعریف می‌شود، تخصص مکاترونیک نقشه راهی برای دانشجویان مهندسی غیر سنتی فراهم می‌کند که در ساختار سنتی اکثر دانشکده‌های مهندسی تحصیل می‌کنند. بدیهی است که آزمایشگاه‌ها و کلاس‌های مکاترونیک در محیط دانشگاه در سراسر جهان در حال گسترش است. فهرست دست‌اندرکاران این کتاب که شامل نویسندگانی از سرتاسر جهان است نشان‌دهنده این موضوع است.

کتاب مکاترونیک به‌عنوان یک منبع مرجع برای بخش‌های تحقیق و توسعه در دانشگاه، دولت و صنعت و برای کتابخانه‌های دانشگاهی در نظر گرفته شد. همچنین به‌عنوان منبعی برای محققان علاقه‌مند به درک و توضیح فرآیند طراحی مهندسی در نظر گرفته‌شده است. کتاب پیش‌رو برای کسانی که به دنبال یک نمای کلی از مکاترونیک هستند، سودمند خواهد بود. این کتاب قصد دارد در خدمت این مخاطبان جدید باشد.

هدف مکاترونیک این است که به سیستم‌های ساده‌تر، ارزان‌تر، راحت‌تر و انعطاف‌پذیرتر دست یابیم. در نگاه دیگر فارغ‌التحصیلان رشته مهندسی مکاترونیک که دید جامعی که از علوم مهندسی (الکترونیک – مکانیک – کامپیوتر) دارند می‌توانند بر اجرای طرح‌های مهندسی، نظارت داشته و برای آن‌ها برنامه‌ریزی نمایند

ساختار کتاب

کتاب مکاترونیک، مجموعه‌ای از ۲۱ مقاله است که عناصر کلیدی مکاترونیک را پوشش می‌دهد:

مدل‌سازی سیستم‌های فیزیکی

حس‌گرها و محرک‌ها

سیگنال‌ها و سیستم‌ها

کامپیوترها و سیستم‌های منطقی

نرم‌افزار و جمع‌آوری داده‌ها

‌***

پنج مقاله ابتدایی مکاترونیک را تعریف و سازمان‌دهی می‌کند. این مقالات یک مرور کلی را تشکیل می‌دهند که عناصر کلیدی مکاترونیک را معرفی می‌کند. این مقالات به ترتیب ظاهر فهرست شده‌اند:

مکاترونیک چیست؟

رویکرد طراحی مکاترونیک

سیستم‌های رابط، ابزار دقیق و کنترل

کنترل‌کننده‌های مبتنی بر ریزپردازنده و میکروالکترونیک

 مقدمه‌ای بر میکرو و نانوتکنولوژی

***

یکی از عناصر اصلی مکاترونیک مدل‌سازی سیستم فیزیکی است. سه مقاله بعدی مروری بر مدل‌های ریاضی مکانیکی و الکتریکی که اکثر سیستم‌های مکاترونیک را شامل می‌شوند، ازجمله موضوعات مهم سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی و سیستم‌های الکترومکانیکی سنتی را موردبحث قرار می‌دهند. این مقالات به ترتیب اولویت فهرست شده‌اند:

مدل‌سازی سیستم‌های الکترومکانیکی

 مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی

 مبانی فیزیکی قیاس‌ها در مدل‌های سیستم فیزیکی

***

سه مقاله بعدی عناصر ضروری حسگرها و محرک‌ها را برای مکاترونیک خلاصه می‌کنند. این بخش با مقدمه‌ای بر موضوع شروع می‌شود و با مقالاتی در مورد موضوعات مهم زمان و فرکانس و ویژگی‌های حسگر و محرک پایان می‌یابد. این مقالات به ترتیب اولویت فهرست شده‌اند:

مقدمه‌ای بر حسگرها و محرک‌ها

 مبانی زمان و فرکانس

 ویژگی‌های حس‌گر و محرک

***

سیگنال‌ها و سیستم‌ها عناصر کلیدی هر سیستم مکاترونیک هستند. سیستم‌های کنترل و سایر زیرسیستم‌هایی که «محصولات هوشمند» را تشکیل می‌دهند در این حوزه کلی مطالعه گنجانده‌شده‌اند. ازآنجایی‌که مطالب قابل‌توجهی در مورد موضوع کلی سیگنال‌ها و سیستم‌ها به‌راحتی در دسترس خواننده است، این مطالب در اینجا تکرار نمی‌شود. در عوض، گروه بعدی از مقالات جنبه‌های مرتبط سیگنال‌ها و سیستم‌های دارای اهمیت ویژه برای مطالعه مکاترونیک را ارائه می‌کنند. مقاله‌ها نقش کنترل در مکاترونیک و نقش مدل‌سازی در طراحی مکاترونیک را شرح می‌دهند و با بحث بهینه‌سازی طراحی به پایان می‌رسند. این مقالات به ترتیب اولویت فهرست شده‌اند:

 نقش کنترل‌ها در مکاترونیک

 نقش مدل‌سازی در طراحی مکاترونیک

بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های مکاترونیک

***

توسعه کامپیوتر به‌شدت جهان را تحت تأثیر قرار داده است. این امر به‌ویژه در مکاترونیک صادق است، جایی که ادغام رایانه‌ها با سیستم‌های الکترومکانیکی منجر به نسل جدیدی از محصولات هوشمند شده است. آینده مملو از نوید محصولات بهتر و هوشمندتر است که حاصل پیشرفت مداوم در فناوری کامپیوتر و مهندسی نرم‌افزار است. هفت مقاله آخر کتاب به مباحث کامپیوتر و نرم‌افزار اختصاص دارد. چهارمقاله بعدی بر روی سخت‌افزار کامپیوتر و مسائل مرتبط با منطق، ارتباطات، شبکه، رابط، کامپیوترهای تعبیه‌‌شده و کنترل‌کننده‌های منطقی قابل‌برنامه‌ریزی تمرکز دارند. این مقالات به ترتیب اولویت فهرست شده‌اند:

 مقدمه‌ای بر کامپیوتر و سیستم‌های منطقی

 رابط‌های سیستم

 ارتباطات و شبکه‌های کامپیوتری

 کنترل با رایانه‌های تعبیه‌شده و کنترل‌کننده‌های منطقی قابل‌برنامه‌ریزی

***

ازآنجایی‌که رایانه‌ها نقش اصلی را در محصولات مکاترونیک مدرن ایفا می‌کنند، مهم است که بدانیم داده‌ها چگونه به دست می‌آیند و برای پردازش و ثبت به رایانه راه پیدا می‌کنند. سه مقاله پایانی بر مسائل مربوط به نرم‌افزار کامپیوتری و جمع‌آوری داده‌ها تمرکز دارد. این مقالات به ترتیب اولویت فهرست شده‌اند:

 مقدمه‌ای بر جمع‌آوری داده‌ها

سیستم‌های ابزار دقیق مبتنی بر کامپیوتر

طراحی و توسعه نرم‌افزار

خواندن کتاب مقدمه ای بر مکاترونیک را به چه کسانی پیشنهاد می‌کنیم

این کتاب برای کسانی است که به دنبال یک نمای کلی از مکاترونیک هستند.