۱- روباتیک و اتوماسیون در بسیاری از موارد می توانند ایمنی، میزان تولید، بهره و کیفیت محصولات را افزایش دهند.
۲- روباتها می توانند در موقعیت های خطرناک کار کنند و با این کار جان هزاران انسان را نجات دهند.
۳- روباتها به راحتی محیط اطراف خود توجه ندارند و نیازهای انسانی برای آنها مفهومی ندارد. روباتها هیچگاه خسته نمی شوند.
۴- دقت روباتها خیلی بیشتر از انسانها است آنها در حد میلی یا حتی میکرو اینچ دقت دارند.
۵- روباتها می توانند در یک لحظه چند کار را با هم انجام دهند ولی انسانها در یک لحظه تنها یک کار انجام می دهند.
معایب روباتها:
۱- روباتها در موقعیتهای اضطراری توانایی پاسخگویی مناسب ندارند که این مطلب می تواند بسیار خطرناک باشد.
۲- روباتها هزینه بر هستند.
۳- قابلیت های محدود دارند یعنی فقط کاری که برای آن ساخته شده اند را انجام می دهند.
واژه مكاترونيك
واژه مكاترونيك براي اولين بار در اواخر دهه ۶۰ توسط يك شرکت ژاپني به نام ياسكاوا الكتريك مورد استفاده قرار گرفت آن هم براي كنترل الكترونيكي موتورهاي الكتريكي ساخت اين شركت. اين واژه با آميخته شدن قطعات مكانيكي و حجم وسيعي از قطعات الكترونيكي نظير سنسورها، كنترل کنندها و وسايل الكترونيكي نوري به واژه اي فراگير تبديل شد.
بزودي ژاپني ها به عنوان بزرگترين توليد كننده روباتهاي صنعتي از انواع سيستمهاي مكاترونيك پيشرفته در كاربردهاي توليد صنعتي استفاده نمودند. همچنين ژاپن بزرگترين حجم توليد انواع اجزاء مكاترونيك نظير موتورهاي با عملكرد بالا و سنسورهاي تصويري CCD را در اختيار داشته و جزء اولين توسعه دهندگان و توليد كنندگان ميكروكنترلرها و پردازشگرهاي ديجيتال براي كاربردهاي مكاترونيك مي باشد.
واژه مكاترونيك در اروپا نيز بصورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت. هر چند در ابتدا پذيرش اين موضوع بعنوان يك فيلد مطالعاتي جداگانه بكندي پيشرفت، اما رشد روز افزون كاربردهاي اين شاخه علمي، گواهي پذيرش جهاني اين موضوع بود.
تا اوايل دهه ۱۹۸۰ مكاترونيك تنها به مكانيزمهاي الكتريكي اطلاق ميشد. در اواسط دهه ۱۹۸۰ اين موضوع به علم مهندسي در مرز مشترك الكترونيك و مكانيك گفته مي شد. اما امروزه اين واژه، محدوده عظيمي از تكنولوژيهاي مرتبط با مكانيك، الكترونيك و نرم افزارهاي كامپيوتري يا تكنولوژي اطلاعات را در بر مي گيرد. به عبارت بهتر مکاترونيک شاخه ای از علوم مهندسی است که در ارتباط با ترکيب علوم مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر بحث می کند. اجزاء يک سيستم مکاترونيکی شامل سنسورها (Sensor)، عملگرها (Actuator)، ميکروکنترلرها (Microcontroller) و نرم افزارهای کنترلی بلادرنگ (Real-Time) می باشد.
عملگرها عموماً موتورها يا سلونوئيدهای با دقت بسيار بالا هستند و سنسورها بسته به کاربردشان می توانند يکی از سنسورهای نور، شتاب، وزن، رنگ، دما، تصوير و ….باشند. ميکروکنترلرها نيز به عنوان مغز يک سيستم مکاترونيک وظيفه هدايت سيستم را با استفاده از نرم افزار نوشته شده در حافظه آن بعهده دارد.
مهمترين ويژگي سيستمهای مکاترونيکی عبارتند از:
۱- قابليت انعطاف پذيری اين سيستمها هم در طراحی و هم در عملکرد
۲- افزايش سرعت و دقت سيستم
۳- قابليت اتوماسيون نمودن، جمع آوری اطلاعات و تهيه گزارش
۴- امکان پياده سازی الگوريتمهای پيچيده کنترلی
در حقيقت رشته های الکترونيک و مکانيک امروزه چنان درهم آميخته اند که تفکيک آنها کاری غير ممکن می نمايد. در بعضی سيستمها، مکانيک در خدمت الکترونيک قرار می گيرد؛ مانند ماشينهای الکتريکی، دوربينها، ديسک درايورها و …و در برخی ديگر الکترونيک در خدمت مکانيک؛ مانند ماشينهای CNC، روباتهای صنعتی، موتورهای انژکتوری و ….
سیستم ها حرکتی
چرخ دنده های ساده
این چرخ دنده‌ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آنها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یکدیگر قرار گرفته اند. گاهی تعداد زیادی از آنها را در کنار هم قرار می‌دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند.
در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباسشویی، پنکه و … . اما در اتومبیل به کار نمی آیند، چون سر و صدای زیادی دارند. هر بار که دندانه یک چرخ به دندانه چرخ روبرو می‌رسد، صدای کوچکی در اثر برخورد ایجاد می‌شود. می‌توانید مجسم کنید وقتی تعداد زیادی از این چرخ دنده‌ها با هم کار کنند، چه سر و صدایی راه می‌اندازند؟ تازه این برخورد‌ها در دراز مدت، باعث شکستن دندانه‌ها می‌شود. برای کاهش سر و صدا و افزایش عمر چرخ دنده‌ها در بیشتر اتومبیلها از چرخ دنده های مارپیچ استفاده می‌کنند.
چرخ دنده های مارپیچ
دندانه این چرخ دنده‌ها اریب است. وقتی یکی از آنها می‌چرخد، ابتدا نوک دندانه‌ها با هم تماس پیدا می‌کنند سپس به تدریج دو دندانه کاملاً در هم جفت می‌شوند. این درگیری تدریجی همان چیزی است که هم سر و صدا را کم می‌کند و هم باعث می‌شود که این چرخ دنده‌ها نرم تر کار کنند.
در ماشین تعداد زیادی چرخ دنده مارپیچ وجود دارد. به خاطر مایل بودن دندانه ها، هنگام درگیری نیروی زیادی به آنها وارد می‌شود. به همین علت در وسایلی که از چرخ دنده های مارپیچی استفاده می‌کنند بلبرینگ هایی تعبیه شده است تا این فشار را تحمل کند. اگر زاویه دندانه‌ها را به دقت تنظیم کنیم، می‌توان دو چرخ دنده را به دو محور عمود بر هم وصل کرد تا جهت چرخش ۹۰ درجه تغییر کند.
چرخ دنده های مخروطی
این چرخ دنده‌ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آنها برای تغییر جهت ۹۰ درجه استفاده می‌شود، ولی می‌توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند.
دندانه های آنها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه‌ها صاف باشد همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی در هر دوی آنها باید محور چرخ دنده‌ها در یک صفحه قرار داشته باشد.
گاهی می‌خواهیم محور چرخها در یک صفحه نباشند. در چنین شرایطی از چرخ دنده هایی مانند شکل روبرو استفاده می‌کنیم.
در دیفرانسیل بسیاری از اتومبیلها از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود. این طراحی امکان آن را ایجاد می‌کند که محور چرخ دنده بیرونی پایین تر از محور چرخ دنده حلقوی قرار داده شود. شکل روبرو محور بیرونی ورودی را نشان می‌دهد که در تماس با چرخ حلقوی قرار گرفته است. از آنجایی که محور محرک (Drive Shaft) ماشین به چرخ بیرونی متصل می‌شود، پایین آمدن چرخ بیرونی امکان پایین آوردن محور محرک را هم ایجاد می‌کند، پس می‌توان محور را پایینتر آورد و در عوض فضای بیشتری را به سرنشینان اتومبیل اختصاص داد.
چرخ دنده های حلزونی
این چرخ دنده‌ها زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که بخواهیم تغییر زیادی در سرعت و یا قدرت ایجاد کنیم. معمولاً نسبت شعاع دو چرخ دنده ۲۰:۱ است و گاهی حتی به ۳۰۰:۱ و بیشتر نیز می‌رسد. شکل ۶
این چرخ دنده‌ها یک خاصیت جالب هم دارند که در هیچ چرخ دنده دیگری پیدا نمی شود. چرخ بالایی (حلزون) می‌تواند به راحتی چرخ دیگر (چرخ دنده حلزونی) را حرکت دهد، ولی چرخ پایینی نمی تواند حلزون رابچرخاند. زاویه دنده های روی حلزون آنقدر کوچک است که وقتی چرخ پایینی بخواهد آن را بچرخاند، اصطکاک به حدی زیاد می‌شود که از حرکت حلزون جلوگیری می‌کند. این ویژگی به ما امکان استفاده از این چرخ دنده‌ها را در جاهایی که به یک قفل خودکار نیاز داریم می‌دهد. فرض کنید از این چرخ دنده در یک بالابر استفاده کرده ایم؛ وقتی موتور بالابر از کار بیفتد، چرخ دنده‌ها قفل می‌شوند و نمی گذارند بار پایین بیاید. معمولاً در دیفرانسیل کامیونها و خودروهای سنگین از این چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود.
چرخ دنده شانه ای
این چرخ دنده‌ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شوند. یک مثال خوب برای این چرخ دنده‌ها فرمان اتومبیل است. فرمان، چرخ دنده ای را می‌چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان را می‌چرخانید، با توجه به جهت چرخش فرمان، شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می‌کند و باعث حرکت چرخها می‌شود. در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از سیستم مشابهی استفاده می‌شود.
نسبت دنده چگونه کار می کند؟
شما می توانید دنده ها را تقریباً در هر چیزی که از اجزای چرخنده تشکیل شده، ببینید. موتور اتومبیل ها و سیستم های انتقال نیرو از تعداد زیادی دنده تشکیل شده اند. اگر یک دستگاه VCR را باز کرده و داخل آن را نگاه کنید، تعداد زیادی دنده در آن خواهید دید. ساعت های کوکی، جیبی و پاندولی هر کدام شامل تعداد زیادی دنده هستند، به ویژه اگر دارای زنگ یا ناقوس هم باشند. شما احتمالاً یک کنتور برق در کنار خانه ی خود دارید، که اگر محفظه ی شفاف و شیشه مانند داشته باشد می توانید تعداد ۱۰یا ۱٥ دنده را داخل آن مشاهده کنید. دنده ها هر جا که اثری از ماشین ها و موتور ها که حرکت دورانی تولید می کنند، باشد حضور دارند.
در این جزوه درباره ی نسبت دنده ها و نحوه ی کار و توالی دنده ها مطالبی را خواهید آموخت، در نتیجه به خوبی درک خواهید کرد که چرخ دنده های گوناگون چگونه کار می کنند. شاید لازم باشد برای آشنایی با انواع مختلف چرخ دنده ها و موارد استفاده ی آنها، دنده چگونه کار می کند را هم مطالعه کنید.
به کار گیری چرخ دنده ها
چرخ دنده ها عموماً برای یکی از چهار دلیل زیر استفاده می شوند:
۱. برای تغییر جهت دوران
۲. برای زیاد یا کم کردن سرعت دوران
٣. برای انتقال حرکت دورانی به محوری دیگر
۵. برای حفظ هم زمانیِ دوران دو محور
چرخیدن دنده ها را در خلاف جهت همدیگر می بینید، و اینکه چرخ دنده ی کوچک تر با سرعت دو برابر چرخ دنده- ی بزرگ تر می چرخد، و بعلاوه محور دوران چرخ دنده ی کوچک تر، در سمت راست محور دوران چرخ دنده ی بزرگ تر قرار دارد.
دلیل این امر که سرعت یک چرخ دنده دو برابر چرخ دنده ی دیگر است، در نسبت بین دنده هاست-نسبت دنده ها. قطر چرخ دنده ی سمت راست دو برابر قطر چرخ- دنده ی سمت چپ است. بنابراین نسبت دنده ها ۲:١ است (بخوانید” دو به یک”). هر بار که چرخ دنده ی بزرگ تر یک دور می زند، چرخ دنده ی کوچک تر دو دور می زند. اگر هر دو چرخ دنده قطر یکسانی داشتند، دوران آنها با سرعت برابر امّا در جهت مخالف صورت می گرفت.
درک مفهوم نسبت دنده
درک مفهوم نسبت دنده آسان است، اگر شما مفهوم محیط یک دایره را درک کنید. به خاطر داشته باشید که محیط یک دایره برابر است با حاصل ضرب قطر دایره در عدد پی (عدد پی برابر است با …۱٤١٥٩⁄٣٣). بنابراین اگر یک دایره یا یک چرخ دنده با قطر١ اینچ داشته باشید،محیط دایره برابر با ۱٤١٥٩⁄٣ اینچ خواهد بود.
بیشتر چرخ دنده هایی که در زندگی روزمرّه می بینید، دندانه دارند. این دندانه ها سه مزیّت دارند:
● آنها از سُر خوردن دنده ها روی هم دیگر جلوگیری می کنند. بنابراین محورهایی که با چرخ دنده ها با هم ارتباط دارند، همواره دقیقاً با هم همزمان و هماهنگ خواهند بود.
● آنها برقراری نسبت های واقعی دنده ها را ممکن می سازند. کافیست تعداد دندانه های دو چرخ دنده را شمرده و بر هم تقسیم کنید. در نتیجه، به عنوان مثال اگر یک چرخ دنده ۶۰ دندانه و دیگری ۲۰ دندانه داشته باشد، نسبت دنده، زمانی که این دو چرخ دنده به هم متّصل باشند، ٣:١ خواهد بود.
● آنها باعث می شوند که خطاهای جزئی در اندازه ی واقعی قطر و محیط دو چرخ دنده، چندان مهم جلوه نکنند. نسبت دنده به وسیله ی تعداد دندانه ها تعیین می شود، حتّی اگر اندازه- ی قطرها ناجور باشند.
دنده های متوالی
برای به دست آوردن نسبت های بزرگ بین دنده ها، گاهی چرخ دنده ها به صورت متوالی و متّصل به کار برده می شوند، مانند شکل زیر:
دنده ی سمت راست (بنفش) در این سری، همان طور که در شکل نشان داده شده، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است. یک چرخ دنده ی کوچک و یک چرخ دنده ی بزرگ بر روی هم سوار شده و به هم متّصل اند. همان طور که در دو شکل زیر نشان داده شده، دنده های متوالی اغلب به صورت زنجیروار و از چرخ دنده های متعدّد و گوناگون، تشکیل شده اند.
در حالت بالا،چرخ دنده ی بنفش با سرعت دو برابر چرخ دنده ی آبی می چرخد. چرخ دنده ی سبز با سرعت دو برابر چرخ دنده ی بنفش دوران می کند. چرخ دنده ی قرمز با سرعت دو برابر چرخ دنده ی سبز چرخش می کند. توالی دنده هایی که در شکل زیر نشان داده شده، نسبت دنده ی بالاتری را ایجاد کرده است.
در این زنجیره، اندازه ی چرخ دنده های کوچک تر یک پنجم چرخ دنده های بزرگ تر است. این بدان معنیست که اگر چرخ دنده ی بنفش را به یک موتور با چرخش ١۰۰ دور در دقیقه وصل کنید، چرخ دنده ی سبز با سرعت ۵۰۰ دور در دقیقه و چرخ دنده ی قرمز با سرعت ۲۵۰۰دور در دقیقه خواهند چرخید. به همان طریق می توانید یک موتور با چرخش ۲۵۰۰دور در دقیقه را به چرخ دنده ی قرمز وصل کرده و سرعت ١۰۰ دور در دقیقه را در چرخ دنده ی بنفش ایجاد کنید. اگر داخل کنتور برق منزلتان را می توانید ببینید و کنتور شما از نوع قدیمی با پنج صفحه ی مکانیکی است، پنج قرص را که بدین شکل به صورت متوالی، و با نسبت دنده ی ١۰:١ به یکدیگر متّصل اند، خواهید دید. به دلیل اینکه قرص ها به طور مستقیم به هم وصلند، در جهت های مخالف هم می چرخند (خواهید دید که تعداد دورها در چرخ دنده های مجاور معکوس همدیگر است).