Медленное появление мехатроники как инженерной дисциплины
Используемая во всем, от антиблокировочной системы тормозов и смартфонов до роботизированных систем и биомедицинских устройств, область мехатроники объединяет механические, электрические, управляющие и компьютерные системы.
Получающиеся продукты, машины и системы демонстрируют улучшенное качество, производительность и эффективность благодаря основанному на модели проектированию и сотрудничеству между инженерами.
Концепция мехатроники не нова. Тетсуро Мори, инженер из Yaskawa Electric Corp., ввел этот термин (гибрид «механика» и «электроника») в начале 1970-х годов. Однако изменилось то, как производители подходят к мехатронике.
Некоторые признают необходимость в инженерах, способных справиться с междисциплинарными требованиями современных все более сложных систем.
Тем не менее, другие делают продукты, основанные на мехатронике, даже если их инженеры продолжают работать в бункерах, помеченных в соответствии с их специальностью или дисциплиной.
«Часто между разными инженерами, отвечающими за каждый компонент, мало общения, - говорит Кевин Крейг, профессор машиностроения и специалист по мехатронике в Школе инженерии и прикладных наук Университета Хофстра. - У них действительно нет общего опыта».
Стив Васлендер, профессор механики и мехатроники, с вертолетом с четырьмя винтами. Источник изображения: Университет Ватерлоо.
Это объясняется тем, что образование в колледже инженеров «не является междисциплинарным, интегрированным или ориентированным на системы», - говорит Крейг. Это оставляет отрасли два варианта: убедить университеты выделять больше ресурсов для обучения в области мехатроники
или развивать своих инженеров внутри компании.
Добавление концентрации мехатроники в инженерную программу, не говоря уже о степени бакалавра или выше, представляет собой почти непреодолимую проблему.
«Я слышал, что сказано:« Изменить учебную программу в университете - это все равно что пытаться переместить кладбище », - говорит Крейг. «Университеты безнадежны в этом отношении».
Экономика представляет собой одно из самых больших препятствий, поскольку создание нового отдела требует найма начальника отдела и штатного преподавателя.
Другие вопросы включают в себя то, как программа аккредитована, как она привлечет достаточное количество абитуриентов и как будет вовлечена отрасль.
Удаление надгробий
Некоторые американские университеты признают, что, хотя они не могут перемещать кладбище, они могут начать с удаления некоторых надгробий. Например, Калифорнийский государственный университет, Чико и Южный политехнический государственный университет в Джорджии предлагают степень бакалавра наук в области мехатроники. Степени магистра доступны через учреждения, которые включают Технологический университет Лоуренса и Университет Окленда.
Добавление концентрации мехатроники в инженерную программу может быть сложной задачей. Источник изображения: Vaughn.edu.
Хотя отрасль может испытывать трудности с влиянием на университеты для внесения изменений, некоторые колледжи слушают. Так было в случае Университета Северной Каролины (UNC) в Эшвилле и Университета штата Северная Каролина (Северная Каролина),
совместно получившего степень бакалавра наук в области машиностроения, которая предлагает концентрацию в области мехатроники. Концентрация началась в 1998 году после того, как директор программы провел опрос местных компаний,
которые определили необходимость для высокотехнологичных инженеров разрабатывать интеллектуальные продукты и системы, объединяющие механические, электрические, компьютерные и управляющие элементы.
Учебная программа по мехатронике сочетает курсовую работу с практическим опытом. Инженерный факультет Государственного университета NC обучает студентов, которые сидят в высокотехнологичных дистанционных классах, оборудованных возможностями дистанционного обучения.
На некоторых курсах студенты несут ответственность за просмотр предварительно записанных лекций перед тем, как войти в класс, где преподавательский состав направляет их работать в командах для решения проблем.
Стив Уолш, директор совместной инженерной программы, говорит, что концентрация мехатроники требует большего обучения компьютерному программированию, чем одной только механике или электронике, основанной на беседах с промышленностью и рассмотрении других программ мехатроники в университетах США.
Студенты берут теорию, которую они изучили в классе, и применяют ее во внеурочной деятельности. Эти внеклассные мероприятия включают в себя IEEE Robotics Competition и разработку электромобиля для Formula-I [NN1] SAE, студенческого конкурса, организованного SAE International
(ранее Общество инженеров автомобильной промышленности).
Выпускники программы мехатроники UNC Asheville / NC State пользуются большим спросом; Уолш говорит, что их часто помещают на руководящие должности «потому что они могут переводить между механикой, электрикой, компьютером и теорией управления».
«Этим детям так же удобно в механическом цехе, как они программируют микропроцессор».
Добавление к призыву для компаний - гуманитарное образование студентов UNC, целью которого является обучение выпускников инженерных специальностей навыкам общения. «Многие из них заканчивают в ролях, где у них есть значительный клиентский интерфейс как часть их ответственности», говорит Уолш.
Подобно тому, как отрасль обращается к академическим кругам, университеты обращают внимание компаний на важность инженеров, способных к мехатронике. И Уолш, и Крейг Хофстра работали с предприятиями, чтобы помочь им научиться, и в некоторых случаях создали программы по мехатронике.
Обучение мехатронике на рабочем месте
Несмотря на некоторое развитие в университетах, ответственность за образование в области мехатроники часто лежит на производителях, которые, как и колледжи, иногда пытаются изменить свою культуру.
Проблема усугубляется тем, что, по словам Крейга, компании не дают инженерам достаточно времени для тестирования, уточнения и проверки своих идей путем моделирования программного обеспечения.
Лаборатория мехатроники в Кейлирском технологическом институте. Источник изображения: KIT.
«В большинстве компаний признаком прогресса являются поставки оборудования или продуктов, даже если они не понимают, что строят, или не знают, как это исправить, если это не удается», - говорит Крейг.
«Но если они пойдут по пути моделирования, анализ и моделирование, было доказано снова и снова, что они придут к гораздо лучшему решению и гораздо быстрее ".
Компания Rockwell Automation реализует такие преимущества с помощью собственного программного обеспечения Motion Analyzer. В течение последних двух десятилетий компания использовала инструмент для моделирования механических систем и проектирования профилей движения машин.
Основываясь на модели механической системы и конструкции профиля движения, Motion Analyzer определяет возможные комбинации двигателя, приводов и коробок передач, которые могут надлежащим образом питать систему.
Хотя механическое моделирование и моделирование системы управления, а также проектирование профиля движения являются необходимыми шагами в процессе мехатронного проектирования промышленных машин, пробелы в инженерном образовании могут стать очевидными, говорит Адериано да Силва,
старший инженер по коммерческим проектам Rockwell Automation.
Например, программы машиностроения охватывают моделирование механических систем «но не обязательно до уровня сложности промышленных систем», - говорит да Силва. То же самое касается систем управления, поскольку более продвинутые методы управления,
используемые в промышленных сервоприводах, являются лишь частью аспирантуры. Программы: методы настройки систем управления, применимые к промышленным машинам, которые являются важным шагом для машин для достижения хорошей производительности, как правило, не включаются в инженерные программы, говорит да Силва.
По словам да Силвы, пожалуй, самой важной темой инженерных программ является проектирование профиля движения. В качестве важнейшего компонента в процессе мехатронного проектирования конструкция профиля движения позволяет машинам достигать высокого уровня производительности и снижать вибрацию,
механические и электрические шумы и нагрузку на механические компоненты, двигатели и приводы.
Rockwell предоставляет несколько возможностей для новых выпускников инженерных специальностей, чтобы расширить свою базу знаний. Непрерывное обучение доступно через внутренние и внешние вебинары и технические сессии. Волонтеры-наставники также направляют молодых инженеров в своей карьере для получения дальнейшего образования, если обе стороны согласны с необходимостью.
Тем не менее, как говорит да Силва, инженеры должны быть мотивированы и проявлять бдительность в отношении развития технологий, чтобы они могли «определить свои собственные пробелы в навыках и знаниях и пройти обучение и / или формальное образование, чтобы продвинуться по карьерной лестнице, выполнить рабочие обязанности и внести свой вклад». к инновациям в компании. "
Мехатроника на полу завода
Поскольку инженеры применяют принципы мехатроники к машинам, которые они проектируют, люди, ответственные за работу оборудования, должны знать, как их обслуживать.
PMMI, Ассоциация технологий упаковки и обработки, провела онлайн-тестирование сертификатов мехатроники для оценки навыков такого персонала. Тесты охватывают такие области, как гидравлическая энергия, промышленное электричество, механические компоненты и двигатели,
а также органы управления двигателем. Работая с Министерством труда США, PMMI разработала руководящие принципы обучения для техников мехатроники, которые работодатели могут использовать для развития как ученичества, так и стажировок.
«Программа сертификатов гарантирует работодателям, что их работники достигли определенного уровня навыков, который позволяет им выполнять свою работу», особенно когда производители потребительских упаковок сталкиваются с нехваткой персонала из-за сокращения рабочей
силы и ухода на пенсию опытных техников, - говорит Мария Ферранте, вице-президент по образованию. и развитие рабочей силы в PMMI.
Будущие тесты позволят углубиться в навыки более высокого уровня, такие как управление движением и принципы проектирования машин, говорит она.
Siemens Energy работает над развитием собственных инженерных талантов на своем турбинном заводе в Северной Каролине. Источник изображения: Siemens
Между тем, на заводе Siemens Energy в Шарлотте, штат Северная Каролина, 18 студентов участвуют в четырехлетней программе ученичества, включающей двухлетнюю вспомогательную степень по прикладной науке в области мехатроники из местного общественного колледжа и 6400 часов обучения на рабочем месте. производственное обучение на производственных линиях генераторов, газотурбинных и паротурбинных установок. После прохождения обучения студенты получат сертификат подмастерья в качестве специалиста по мехатронике.
«Наша стратегия заключалась в том, чтобы развивать свой собственный талант, поскольку у нас были трудности с поиском квалифицированной рабочей силы для определенных профессий», - говорит Доун Брасвелл, менеджер по обучению в Siemens Energy.
Учебный план программы включает в себя анализ контуров, расширенное управление двигателем, введение в машиностроение и несколько математических классов. Студенты также изучают программное обеспечение 3D CAD, такое как Solidworks и Creo Parametric, изучая токарные / фрезерные станки, горизонтально-расточные станки напольного типа и другое производственное оборудование.
Смешанный прогноз
Все больше производителей осознают ценность совместного, междисциплинарного подхода к мехатронике в дизайне своих продуктов и машин. Остается одна проблема - как найти или даже разработать подходящих инженеров для путешествия.
«С помощью промышленности университеты должны понимать, какие проблемы решают студенты-инженеры после выпуска, - говорит Крейг из Hofstra.
Но из-за нежелания университетов разрабатывать специализированные программы или степени по мехатронике, могут появиться альтернативные варианты. Крейг предвидит время, когда сертификаты и другие виды программ компетенций заменят традиционные степени.
«Компании хотят знать, кто вы, как вы решаете проблему и как вы работаете с другими инженерами, - говорит Крейг. - Мы приближаемся к тому моменту, когда студенты смогут продемонстрировать все это, они будут оценены в этой компании, независимо от того, где они получили образование ".
Те колледжи, которые посвятили себя программе мехатроники, не видят недостатка интереса среди студентов. В программе UNC Asheville / NC State University на первом курсе было около 30 студентов; За последние несколько лет число возросло до более чем 120.
«Студенты очарованы тем, что им удается создавать что-то, что движется, что они могут контролировать и что это представляет возможность для карьеры», - говорит Уолш.
И это может означать хорошие новости для целого ряда отраслей, которые объединяют механические, электрические, компьютерные и управляющие компоненты для высокопроизводительных продуктов и систем, которые направлены на улучшение нашей жизни.