Мехатронная инженерия , также называемая мехатроникой , является междисциплинарной отраслью инженерии, которая фокусируется на интеграции машиностроения , электротехники , электронной инженерии и разработки программного обеспечения , [1] а также включает в себя комбинацию робототехники , компьютерных наук , телекоммуникаций , систем , управления , автоматизации и продуктовой инженерии . [2] [3]
По мере развития технологий с течением времени различные подотрасли инженерии преуспели как в адаптации, так и в умножении. Цель мехатроники — создать проектное решение, которое объединяет каждую из этих различных подотраслей. Первоначально предполагалось, что область мехатроники будет не более чем комбинацией механики, электрики и электроники, отсюда и название, представляющее собой гибрид слов « механика » и «электроника » ; однако, поскольку сложность технических систем продолжала развиваться, определение было расширено, чтобы включить больше технических областей.
Слово мехатроника произошло от японо-английского и было создано Тецуро Мори, инженером Yaskawa Electric Corporation . Слово мехатроника было зарегистрировано как торговая марка компанией в Японии с регистрационным номером "46-32714" в 1971 году. Позднее компания передала право на использование слова общественности, и слово стало использоваться во всем мире. В настоящее время это слово переведено на многие языки и считается важным термином для передовой автоматизированной промышленности. [4]
Многие люди рассматривают мехатронику как современное модное слово, синонимичное автоматике , робототехнике и электромеханике . [5]
Французский стандарт NF E 01-010 дает следующее определение: «подход, направленный на синергетическую интеграцию механики, электроники, теории управления и информатики в проектировании и производстве продукции с целью улучшения и/или оптимизации ее функциональности» [6] .
Слово «мехатроника» было зарегистрировано компанией в Японии в качестве товарного знака под регистрационным номером «46-32714» в 1971 году. Позднее компания передала право на использование слова широкой публике, и оно стало использоваться во всем мире.
С появлением информационных технологий в 1980-х годах в механические системы были внедрены микропроцессоры , что значительно повысило производительность. К 1990-м годам достижения в области вычислительного интеллекта были применены в мехатронике способами, которые произвели революцию в этой области.
Инженер-мехатроник объединяет принципы механики, электрики, электроники и вычислительной техники для создания более простой, экономичной и надежной системы. [7]
Инженерная кибернетика занимается вопросом управления инженерией мехатронных систем. Она используется для управления или регулирования такой системы (см. теорию управления ). Благодаря сотрудничеству мехатронные модули выполняют производственные цели и наследуют гибкие и маневренные производственные свойства в производственной схеме. Современное производственное оборудование состоит из мехатронных модулей, которые интегрированы в соответствии с архитектурой управления. Наиболее известные архитектуры включают иерархию , полиархию , гетерархию и гибрид. Методы достижения технического эффекта описываются алгоритмами управления , которые могут использовать или не использовать формальные методы в своей конструкции. Гибридные системы, важные для мехатроники, включают производственные системы , синергетические приводы, исследовательские вездеходы , автомобильные подсистемы, такие как антиблокировочные тормозные системы и системы помощи при вращении, а также повседневное оборудование, такое как камеры с автофокусом, видео, жесткие диски , проигрыватели компакт-дисков и телефоны.
Машиностроение является важной частью мехатронной инженерии. Оно включает в себя изучение механической природы того, как работает объект. Механические элементы относятся к механической структуре, механизму, терможидкости и гидравлическим аспектам мехатронной системы. Изучение термодинамики , динамики , механики жидкости , пневматики и гидравлики . Инженер-мехатроник, работающий инженером-механиком, может специализироваться на гидравлических и пневматических системах , где его можно найти работающим в автомобильной промышленности. Инженер-мехатроник также может проектировать транспортное средство, поскольку у него есть сильный механический и электронный опыт. Знание программных приложений, таких как автоматизированное проектирование и автоматизированное производство, необходимо для проектирования продуктов. Мехатроника охватывает часть механической программы, которая широко применяется в автомобильной промышленности.
Мехатронные системы представляют большую часть функций автомобиля. Контур управления, образованный датчиком — обработкой информации — исполнительным механизмом — механическим (физическим) изменением, встречается во многих системах. Размер системы может быть очень разным. Антиблокировочная тормозная система (ABS) — это мехатронная система. Сам тормоз также является таковой. И контур управления, образованный управлением движением (например, круиз-контролем), двигателем, скоростью движения транспортного средства в реальном мире и измерением скорости, также является мехатронной системой. [8] Большое значение мехатроники для автомобильной инженерии также очевидно из того факта, что производители транспортных средств часто имеют отделы разработки со словом «мехатроника» в своих названиях.
Электроника и телекоммуникационная инженерия специализируется на электронных устройствах и телекоммуникационных устройствах мехатронной системы. Инженер-мехатроник, специализирующийся на электронике и телекоммуникациях, имеет знания об аппаратных компьютерных устройствах. Передача сигнала является основным применением этого подвида мехатроники. Где цифровые и аналоговые системы также образуют важную часть мехатронных систем. Телекоммуникационная инженерия занимается передачей информации через среду .
Электронная инженерия связана с компьютерной инженерией и электротехникой . Управляющая инженерия имеет широкий спектр электронных приложений от систем полета и движения коммерческих самолетов до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . Проектирование СБИС важно для создания интегральных схем. Инженеры-мехатроники обладают глубокими знаниями микропроцессоров, микроконтроллеров, микрочипов и полупроводников. Применение мехатроники в электронной промышленности может проводить исследования и разработки потребительских электронных устройств, таких как мобильные телефоны, компьютеры, камеры и т. д. Инженерам-мехатроникам необходимо изучить операционные компьютерные приложения, такие как MATLAB и Simulink, для проектирования и разработки электронных продуктов.
Инженерия мехатроники — междисциплинарный курс, включающий концепции как электрических, так и механических систем. Инженер-мехатроник занимается проектированием трансформаторов большой мощности или радиочастотных модульных передатчиков .
Авионика также считается вариантом мехатроники, поскольку она объединяет несколько областей, таких как электроника и телекоммуникации с аэрокосмической техникой . Это субдисциплина мехатронной техники и аэрокосмической техники, которая является инженерной отраслью, фокусирующейся на электронных системах самолетов. Слово авионика представляет собой смесь авиации и электроники. Электронная система самолета включает в себя систему адресации и отчетности связи самолета , аэронавигацию , систему управления полетом самолета , системы предотвращения столкновений самолетов , бортовой самописец , метеорологический радар и детектор молний . Они могут быть такими простыми, как прожектор для полицейского вертолета , или такими сложными, как тактическая система для бортовой платформы раннего предупреждения .
Другой вариант — управление движением для передовой мехатроники, в настоящее время признанной ключевой технологией в мехатронике. Надежность управления движением будет представлена как функция жесткости и основа для практической реализации. Цель движения параметризуется жесткостью управления, которая может быть переменной в соответствии с заданием. Системная надежность движения всегда требует очень высокой жесткости в контроллере. [9]
Отрасль промышленного инженера включает проектирование машин, сборочных и технологических линий различных производственных отраслей. Эту отрасль можно назвать чем-то похожим на автоматизацию и робототехнику. Инженеры-мехатроники, работающие промышленными инженерами, проектируют и разрабатывают инфраструктуру производственного предприятия. Также можно сказать, что они являются архитекторами машин. Можно работать промышленным дизайнером, чтобы проектировать промышленную планировку и планировать создание производственной отрасли, или промышленным техником, чтобы изучать технические требования и ремонтировать конкретное предприятие.
Робототехника — одно из новейших развивающихся направлений мехатроники. Это изучение роботов и того, как они производятся и работают. С 2000 года эта отрасль мехатроники привлекает множество претендентов. Робототехника взаимосвязана с автоматизацией, поскольку здесь также не требуется большого вмешательства человека. На большом количестве заводов, особенно на автомобильных заводах, роботы находятся на сборочных линиях, где они выполняют работу по сверлению, установке и подгонке. Навыки программирования необходимы для специализации в робототехнике. Знание языка программирования — ROBOTC — важно для функционирования роботов. Промышленный робот — яркий пример системы мехатроники; он включает в себя аспекты электроники, механики и вычислений для выполнения своих повседневных задач.
Интернет вещей (IoT) — это сетевое взаимодействие физических устройств, встроенных в электронику , программное обеспечение , датчики , исполнительные механизмы и сетевое подключение , которые позволяют этим объектам собирать и обмениваться данными . IoT и мехатроника дополняют друг друга. Многие из интеллектуальных компонентов, связанных с Интернетом вещей, будут по сути мехатронными. Развитие IoT заставляет инженеров, дизайнеров, практиков и преподавателей мехатроники исследовать способы восприятия, проектирования и производства мехатронных систем и компонентов. Это позволяет им решать новые проблемы, такие как безопасность данных, машинная этика и интерфейс человек-машина. [10]
Знание программирования очень важно. Инженер-мехатроник должен заниматься программированием на разных уровнях – например, программированием ПЛК , программированием дронов , программированием оборудования , программированием ЧПУ и т. д. Из-за сочетания электронной инженерии важны гибкие навыки работы с компьютером. Важными языками программирования для инженера-мехатроника являются Java , Python , Rust , C++ и язык программирования C.
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )