Introduction to mechatronic system

1. METR0360 Mechatronics System Design
Ch1 : Introduction to Mechatronics
เมคคาทรอนิกส์คืออะไรเมคคาทรอนกสคออะไร
องค์ประกอบของระบบเมคคาทรอนิกส์
ตัวอย่างระบบเมคคาทรอนิกส์ตวอยางระบบเมคคาทรอนกส
ความรู้พื้นฐานสาขาวิศวกรรมเมคคาทรอนิกส์
วัตถุประสงค์ :
ื่ ใ ้ ้ ใ ิ ื้ ิ ์เพือให้เข้าใจแนวคิดพืนฐานของระบบเมคคาทรอนิกส์
เพื่อให้เข้าใจองค์ประกอบของระบบเมคคาทรอนิกส์
2/2556 by psw1999@yahoo.com

2. Introduction to Mechatronics
1 1 ิ ส์ ื ไ1.1 เมคคาทรอนกสคออะไร
เมคคาทรอนิกส์เป็นศาสตร์ที่นําความรู้หลากหลายสาขามาผสมผสานกันโดยคําว่า
M h t i ี้ ิ ํ ํ ่ M h i El t i ื่ ั ึ่Mechatronics นเกดจากการนาเอาคาวา Mechanics และ Electronics เชอมกนซง
ศาสตร์นี้ถือกําเนิดมาเมื่อประมาณปี ค.ศ. 1970 โดยวิศวกรบริษัท Yasakawa ในประเทศ
ี่ป่ ซึ่ ใ ั้ ี ิ ่ ิ ส์ ็ ื ป ์ใช้ญปุน ซงในขณะนนมการนยามวาเมคคาทรอนกสกคอการประยุกตใช
ไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อการควบคุมเครื่องจักรกลหรือผลิตภัณฑ์ในแบบที่มีการผสมผสาน
กันร หว่างร บบไฟฟ้าแล กลไก (El t M h i l P d t) แต่อย่างไรก็ตามคํากนระหวางระบบไฟฟาและกลไก (Electro-Mechanical Product) แตอยางไรกตามคา
ว่าเมคคาทรอนิกส์ในปัจจุบันนั้นมีความหมายและการประยุกต์ใช้งานที่กว้างขวางมากกว่า
นั้นมาก จากบทความวิชาการ [1] ”M h t i A I d t i l P ti ”นนมาก จากบทความวชาการ [1] ”Mechatronics – An Industrial Perspective”
กล่าวถึงความหมายของคําว่า Mechatronics ไว้ดังนี้ “The synergistic integration
f h i l i i ith l t i d i t lli t tof mechanical engineering with electronics and intelligent computer
control in the design and manufacturing of industrial products and
” และนอกจากนั้นก็ยังมีผ้ให้คําจํากัดความไว้อีกหลายคนด้วยกันprocesses” และนอกจากนนกยงมผูใหคาจากดความไวอกหลายคนดวยกน

3. Introduction to Mechatronics
Takashi Yamaguchi วิศวกรบริษัทฮิตาชิที่ทํางานในหน่วยงานที่ชื่อว่า
่ ไ ้ ่Mechanical Engineering Laboratory กล่าวไว้ว่า
Mechatronics is a methodology for designing products that exhibit
fast, precise performance.
ซึ่งการที่จะได้ผลิตภัณฑ์คุณสมบัติดังกล่าวทําไม่สามารถเกิดได้โดยการออกแบบ
ี่ ี ่ ั้ ่ ้ ึ ิ ใ ่ระบบทางกลทีดีเท่านันแต่จะต้องรวมถึงการพิจารณาการออกแบบในส่วนของการ
ควบคุมเซอร์โว, เซนเซอร์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนั้น Takashi ยังกล่าวอีกว่า
ิ ์ไ ์ใ ื่ ิ ์ ื ่ ็ ั ่ ํ ็ ั ึ่ ์ใ ้ดิสค์ไดรว์ในเครืองคอมพิวเตอร์ถือว่าเป็นตัวอย่างความสําเร็จอันหนึงของการประยุกต์ใช้
ศาสตร์ที่เรียกว่า Mechatronics ลักษณะการทํางานของดิสค์ไดรว์นั้นต้องการให้ระบบ
ํ ไ ้ ็ ํ ่ ่ ํ ใ ้ ึ ึ่ ้ ึ ีทํางานได้รวดเร็วและตําแหน่งแม่นยําในการเข้าถึงซึงข้อมูลรวมถึงมีความคงทน
(Robust) ต่อสิ่งที่มารบกวนระบบจากภายนอก (Disturbances)

4. ั ื ไ ้ ่ ไ ้ ่ ี ิ
Introduction to Mechatronics
จากหนังสือ Mechatronics (Sabri Cetikunt) [2] ได้กล่าวไว้ว่าทีมวิศวกรออกแบบ
ผลิตภัณฑ์ที่เป็น Electromechanical Product จะประกอบด้วย
1. วิศวกรผู้ออกแบบส่วนประกอบทางกล
ิ ้ ่ ป ไฟฟ้ ่2. วิศวกรผู้ออกแบบส่วนประกอบทางไฟฟ้า เช่น Sensor, Actuator, Amplifier
ตลอดจน Algorithm ในการควบคุม เป็นต้น
ิ ้ ่ ป ้ ิ ์ ั้ ์ ์ ฟ ์ ์3. วิศวกรผู้ออกแบบส่วนประกอบด้านคอมพิวเตอร์ทังฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์
่ ํ ั ิ ิ ์ ้ ั้ ื่ ํ ้ ี่ ั้ ่ ใแต่สําหรับวิศวกรเมคคาทรอนิกส์แล้วนันจะถูกสอนมาเพือทําหน้าทีทังสามอย่างใน
วิศวกรคนเดียวกัน ดังนั้นการออกแบบจะไม่ใช่เป็นการออกแบบที่เป็นลําดับขั้นเช่น เริ่ม
้ ้ ไฟฟ้ ปิ ้ ้จากระบบทางกล ตามด้วยการออกแบบระบบด้านไฟฟ้า และปิดท้ายด้วยการออกแบบ
ระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ แต่วิศวกรเมคคาทรอนิกส์จะต้องออกแบบระบบต่างๆ
ไป ้ ั ื่ ใ ้ ิ ั ์ ป็ ไป ่ ี ี่ (O i l P dไปพรอมกันเพือใหการออกแบบผลิตภัณฑ์เป็นไปอยางดีทีสุด (Optimal Product
Design)

5. Introduction to Mechatronics
Davor Hrovat พนักงานผู้เชี่ยวชาญอาวุโสของ Ford Research Laboratory
่ ่กล่าวว่า Mechatronics is mixture of technologies and techniques that
together help in designing better products
และสุดท้ายสําหรับตัวอย่างคําจํากัดความจากหนังสือ Mechatronics System
็ ืDesign [3] ก็คือ Mechartonics is a methodology used for the optimal
design of electromechanical product. ซึ่งก็หมายความว่าเมคคาทรอนิกส์เป็น
ิ ี ี่ใ ้ใ ่ ิ ั ์ ี่ ี ่ ั้วิธีการทีใช้ในการออกแบบอย่างเหมาะสมของผลิตภัณฑ์ทีมีส่วนประกอบทังระบบทาง
กลและไฟฟ้า

6. ์ ิ ์
Introduction to Mechatronics
1.2 องค์ประกอบระบบเมคคาทรอนิกส์ [3]
องค์ประกอบระบบเมคคาทรอนิกส์ในมมมองของสิ่งที่มาประกอบกันให้เป็นระบบองคประกอบระบบเมคคาทรอนกสในมุมมองของสงทมาประกอบกนใหเปนระบบ
เมคคาทรอนิกส์อาจพิจารณาได้ดังรูปที่ 1.1
องค์ประกอบด้านฮาร์ดแวร์ ได้แก่องคประกอบดานฮารดแวร ไดแก
• ระบบทางกลและกลไกขับเคลื่อนเครื่องจักร (Mechanical systems)
• ระบบขับเคลื่อนกลไกของเครื่องจักร (Actuator)• ระบบขบเคลอนกลไกของเครองจกร (Actuator)
• อุปกรณ์ตรวจวัดสถานะของเครื่องจักร (Sensor)
• วงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อเชื่อมต่อระหว่างเซ็นเซอร์ แอคทเอเตอร์เข้ากับตัวควบคม• วงจรอเลกทรอนกสเพอเชอมตอระหวางเซนเซอร,แอคทูเอเตอรเขากบตวควบคุม
(Signal conditioning circuit & data conversion circuit)
• ตัวควบคม (Controller) เช่น คอมพิวเตอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์บอร์ดหรือ PLC• ตวควบคุม (Controller) เชน คอมพวเตอร,ไมโครคอนโทรลเลอรบอรดหรอ PLC
องค์ประกอบด้านซอฟต์แวร์
ซอฟต์แวร์ทําหน้าที่เป็นตัวควบคมซอฟตแวรทาหนาทเปนตวควบคุม

7. Introduction to Mechatronics
รูปที่ 1.1 องค์ประกอบของระบบ Mechatronics
จากหนังสือ Devdas Shetty and Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design 2nd edition, Cengage-Learing, 2011

8. Introduction to Mechatronics
รปที่ 1 2 องค์ประกอบระบบขับเคลื่อนกลไกด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงรูปท 1.2 องคประกอบระบบขบเคลอนกลไกดวยมอเตอรไฟฟากระแสตรง
จากหนังสือ Devdas Shetty and Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design 2nd edition, Cengage-Learing, 2011

9. Introduction to Mechatronics
ั ่ ิ ์
จากเอกสารอ้างอิงตัวอย่างของระบบที่ถือว่าเป็นเมคคาทรอนิคส์ได้แก่ ระบบการ
1.3 ตัวอย่างระบบเมคคาทรอนิกส์
ควบคุมเครื่องบินและอากาศยาน (Flight Control),ระบบควบคุมในรถยนต์ เช่น ระบบ
ป้องกันการสั่นสะเทือน, ระบบ ABS(Anti lock brake system), ระบบการผลิตแบบ
อัตโนมัติ เช่น หุ่นยนต์, เครื่องจักรกลแบบ CNC และยังได้รวมไปถึงอุปกรณ์
เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนอย่างเช่น เครื่องซักผ้า เป็นต้น
) ื่ CNC b) ส
รูปที่ 1.3 ตัวอยางระบบเมคคาทรอนิกส
a) เครอง CNC b) แขนกลอุตสาหกรรม

10. Introduction to Mechatronics
- เครื่องซักผ้า มีความต้องการของระบบคือทราบขนาดของโหลด(จํานวนเสื้อผ้าที่
จะซัก)มีระบบควบคมการปั่นผ้า/การนําน้ําเข้าเพื่อซัก ล้างให้เหมาะสมกับปริมาณผ้าจะซก)มระบบควบคุมการปนผา/การนานาเขาเพอซก-ลางใหเหมาะสมกบปรมาณผา
รปที่ 1 4 ตัวอย่างเครื่องซักผ้ารูปท 1.4 ตวอยางเครองซกผา

11. Introduction to Mechatronics
รูปที่1.5 ตัวอย่างโครงสร้างของเครื่องซักผ้าอัตโนมัติ

12. Introduction to Mechatronics
รปที่ 1 5 แสดงไดอะแกรมเครื่องซักผ้าแบบอัตโนมัติ ซึ่งพบว่าตัวควบคมที่เป็นหัวใจรูปท 1.5 แสดงไดอะแกรมเครองซกผาแบบอตโนมต ซงพบวาตวควบคุมทเปนหวใจ
สําคัญของระบบก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์(MCU) และมีเซนเซอร์ทําหน้าที่ตรวจจับ
สถานะต่างเช่น เซนเซอร์ตรวจวัดอณหภมิ ระดับน้ําในถัง เซนเซอร์ตรวจจับสถานะสถานะตางเชน เซนเซอรตรวจวดอุณหภูม, ระดบนาในถง,เซนเซอรตรวจจบสถานะ
ของการเปิด-ปิดฝาเครื่อง, ส่วนตรวจจับความสกปรกของน้ําในตอนล้างผ้า เป็นต้น
สําหรับส่วนที่เป็นอปกรณ์ที่ทําหน้าที่เป็น Actuator ในระบบนี้ได้แก่ มอเตอร์ โซลิสาหรบสวนทเปนอุปกรณททาหนาทเปน Actuator ในระบบนไดแก มอเตอร, โซล
นอยด์ ,วาล์วควบคุม นอกจากนั้นยังมีส่วนติดต่อกับผู้ใช้งานอันได้แก่ จอแสดงผล
,และป่มกดเพื่อสั่งงาน เป็นต้น,และปุมกดเพอสงงาน เปนตน

13. Introduction to Mechatronics
รูปที่1.6 รถยนตและตัวควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส (ECU)
- รถยนต ในรถยนตสมัยใหมจะมีอุปกรณคอมพิวเตอรที่ใชในการควบคุม
ระบบเพื่อใหเปนไปตามความตองการคือควบคุมระบบยอยๆในรถยนต เชน ระบบหาม
ลอและการเรงเครื่องยนต, Cruise Control และ ABS เปนตน ทําใหรถยนตใชงานไดงาย
้ขึ้นมีความนาเชื่อถือสูง

14. Introduction to Mechatronics
ป ี่ 1 7 ื่ ั ส ิ ั โ ั ิสํ ั ี รูปท 1.7 เครองตดพลาสตกอตโนมตสาหรบการบรรจุหบหอ

15. Introduction to Mechatronics
ในรูปที่ 1.7 ระบบประกอบดวยสายพานลําเลียงสินคาและมวนวัสดุที่เปน
ิ ึ่ ี ี่ ื่  ิ    ี่ พลาสติกซึงมีการคลีออกมาเพือหอสินคาดวยการหมุนมอเตอรทีแกนของมวน
พลาสติกนี้ และนอกจากนั้นระบบมีใบมีดที่ติดกับมอเตอรซึ่งถูกควบคุมตําแหนงดวย
ํ   ื่ ใ ใ ั ิ  ั ิ ีชุดควบคุมตําแหนงมอเตอรเพือใชในการตัดพลาสติก สวนการตัดพลาสติกจะมี
การสั่งตัดเมื่อชุดควบคุมตําแหนงมอเตอรตรวจจับไดวามีสินคาในสายพานลําเลียงและ
ื่ ี่ ึ ี่ ี ิ ั้ ไ  ึ่  ี่ ีใ ี ิ  ั้ ็ ื่ ี่เคลือนทีมาถึงจุดทีมีการติดตังเซนเซอรไว ซึงมอเตอรทีมีใบมีดติดอยูนันก็จะเคลือนที
แปรผันตรงตามความเร็วของสายพานลําเลียงและก็จะหมุนไปตัดแผนพลาสติกใน
ํ  ี่ไ โป ไ    ี้ ึ่ ี ั ิ้ ี่ ั้ ไ ใ โปตําแหนงทีไดโปรแกรมไวกอนหนานีซึงเพียงพอกับขนาดชินงานทีตังไวในโปรแกรม
และสิ่งสําคัญประการหนึ่งของระบบนี้คือ พีแอลซี ซึ่งในที่นี้ทําหนาที่ติดตอกับผูใช
  ั ั ั ึ่ ใ  ใ ใ ํเพราะสามารถตอเขากับจอแบบสัมผัส (Touch screen) ซึงผูใชงานจะใชในการกําหนด
พารามิเตอรตางๆของระบบ เชน ความยาวของแผนพลาสติกที่ตัด เปนตน

16. Introduction to Mechatronics
-เครื่องตัดโลหะแบบอัตโนมัติโดยใชพลาสมา
สวนประกอบของระบบ
1. คอมพิวเตอรพีซี
2. มอเตอรและชุดควบคุม
3. โปรแกรมควบคุมการทํางาน
ของระบบ และไฟลชิ้นงาน(CAD)
4. เครื่องตัดโลหะดวยพลาสมา
5. เซนเซอรที่เปนลิมิตสวิทช (Limit
Switch) ใชเปนจุดอางอิงในการ
เคลื่อนที่ของระบบ
รปที่ 1 8 เครื่องตัดโลหะดวยพลาสมารูปท 1.8 เครองตดโลหะดวยพลาสมา

17. Introduction to Mechatronics
มอเตอร
X
มอเตอร
Y
โปรแกรมควบคุม
แกน X แกน Y
พอรตเครื่องพิมพ
ชุดควบคุม
และวงจรขับ
สเต็ปปงมอเตอรสเตปปงมอเตอร
ไฟลชิ้นงาน
สัญญาณควบคุม
ป /ป ั ั ส
สัญญาณจาก
ลิมิตสวิตช
ไฟลชนงาน
ที่ตองการตัด
เปด/ปดหัวตัดพลาสมา
เครื่องตัดโลหะ
ดวยพลาสมา
รูปที่ 1.9 โครงสรางระบบควบคุมเครื่องตัดโลหะดวยพลาสมา

18. Introduction to Mechatronics
รูปที่ 1.10 The components of CNC system [4] 18

19. Introduction to Mechatronics
รูปที่ 1.11 ยานพาหนะสองล้อและโครงสร้างระบบ 19

20. Introduction to Mechatronics
www kuka-robotics comwww.kuka robotics.com
รปที่ 1.12 ตัวอย่างแขนกลในงานอตสาหกรรมรูปท 1.12 ตวอยางแขนกลในงานอุตสาหกรรม
20

21. Introduction to Mechatronics
รูปที่ 1.13 ระบบควบคุมแขนกลในงานอุตสาหกรรม
21

22. Introduction to Mechatronics
รูปที่ 1.14 หุ่นยนต์เพื่อการซ้อมแบดมินตันู ุ
22

23. 1 4 ้ ื้ ํ ั ิ ิ ์ [5]
Introduction to Mechatronics
1.4 ความรู้พืนฐานสาหรบสาขาวิศวกรรมเมคคาทรอนิกส [5]
รูปที่ 1.15 องค์ความรู้ที่สําคัญในสาขา Mechatronics
23

24. ปัจจบันวงการอตสาหกรรมแล มหาวิทยาลัยทั่วโลกได้มีการใช้คําว่าเมคคาทรอนิกส์
Introduction to Mechatronics
ปจจุบนวงการอุตสาหกรรมและมหาวทยาลยทวโลกไดมการใชคาวาเมคคาทรอนกส
กันอย่างแพร่หลายและในมหาวิทยาลัยต่างๆทั่วโลกก็ได้เปิดสอนสาขาวิชานี้กันมากขึ้น
เรื่อยๆทั้งในระดับปริญญาตรี โทและปริญญาเอก สําหรับเนื้อหาวิชาหรือองค์ความร้ที่เรอยๆทงในระดบปรญญาตร, โทและปรญญาเอก สาหรบเนอหาวชาหรอองคความรูท
ถูกจัดให้เป็นวิชาที่วิศกรสาขาวิชาวิศวกรรมเมคคาทรอนิกส์ต้องเรียนได้แก่
การควบคมการเคลื่อนที่ (M ti C t l)- การควบคุมการเคลอนท (Motion Control)
- หุ่นยนต์ (Robotics)
ระบบควบคมในรถยนต์ (A t ti S t )- ระบบควบคุมในรถยนต (Automotive Systems)
- ระบบควบคุมแบบฉลาด (Intelligent Control)
ตัวขับและอปกรณ์ตรวจจับ (Act ators and Sensors)- ตวขบและอุปกรณตรวจจบ (Actuators and Sensors)
- การจําลองและการออกแบบ (Modeling and Design)
การรวมระบบ (System Integration)- การรวมระบบ (System Integration)
- การผลิต (Manufacturing)
อปกรณ์ขนาดเล็กและอิเล็กทรอนิกส์เชิงแสง (Micro Devices and Optoelectronics)- อุปกรณขนาดเลกและอเลกทรอนกสเชงแสง (Micro Devices and Optoelectronics)
- การสั่นสะเทือนและการควบคุมเสียงรบกวน (Vibration and Noise Control) 24

25. Introduction to Mechatronics
่ ็ ์ ้และถ้าจะจัดหมวดหมู่วิชาตามสาขาย่อยทีมาประกอบกันเป็นเมคคาทรอนิกส์นัน
อาจแบ่งเป็นกลุ่มๆดังตัวอย่างต่อไปนี้
ความรู้ทางด้านวิศวกรรมเครื่องกล
- การออกแบบกลไกของเครื่องจักรกล
- กลศาสตร์เครื่องจักรกล
- เทคโนโลยีการผลิต
- ระบบนิวแมติกและไฮดรอลิคส์
- ระบบ CAD/CAM
ความรู้ทางด้านวิศวกรรมไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์
- วงจรไฟฟ้าวงจรไฟฟา
- เครื่องจักรกลไฟฟ้าและการควบคุม
- การออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งแบบอนาลอกและดิจิตอลการออกแบบวงจรอเลกทรอนกสทงแบบอนาลอกและดจตอล
- อิเล็กทรอนิกส์กําลัง 25

26. Introduction to Mechatronics
ความรู้ทางด้านวิศวกรรมคอมพิวเตอร์และสารสนเทศ
- ไมโครโปรเซสเซอร์
- การเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์
- วิศวกรรมซอฟต์แวร์และการพัฒนาโปรแกรมเชิงวัตถุ
่- การสือสารข้อมูลและเครือข่ายคอมพิวเตอร์
- การประมวลผลภาพ (Image processing)
ความรู้ทางด้านวิศวกรรมระบบควบคุม
- การวิเคราะห์และออกแบบระบบควบคุม
- ระบบการวัดและเซนเซอร์
- การควบคุมแบบดิจิตอล
- การควบคุมด้วยตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้
(Programmable Logic Controller)
26
- การควบคุมแบบฉลาด (Intelligent Control)
- วิศวกรรมหุ่นยนต์

27. แบบฝึกหัดท้ายบท
1 ให้ยกตัวอย่างระบบที่ถือว่าเป็นระบบเมคคาทรอนิกส์และวาดไดอะแกรมแสดง1. ใหยกตวอยางระบบทถอวาเปนระบบเมคคาทรอนกสและวาดไดอะแกรมแสดง
โครงสร้างระบบพร้อมทั้งอธิบายหลักการทํางานเบื้องต้น
2. ยกตัวอย่างของเซ็นเซอร์ที่ใช้ในระบบเมคคาทรอนิกส์สัก 2 ชนิดและบอกถึงประโยชน์
การใช้งานการใชงาน
3 ให้ค้นคว้าข้อมลจากอินเตอร์เน็ตในหัวข้อการประยกต์ใช้แขนกลในงานอตสาหกรรม3. ใหคนควาขอมูลจากอนเตอรเนตในหวขอการประยุกตใชแขนกลในงานอุตสาหกรรม
27

28. เอกสารอางอิง
[1] Kyura, Nobuhiro; Oho, H., "Mechatronics-an industrial perspective," Mechatronics,
IEEE/ASME Transactions on , vol.1, no.1, pp.10,15, March 1996, , , pp , ,
[2] Sabri Cetinkunt,'Mechatronics',John Wiley & Sons Inc., 2006
[3] Devas Shetty ,Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design”, PWS Publishing,1997
[4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung and Ian Stroud, "Theory and
Design of CNC Systems",(Springer Series in Advanced Manufacturing)
[5] ิ ิ ิ ิ ิ ี " ิ ส์ใ โ ส "[5] พสทธ วสุทธเมธกร,"เมคคาทรอนกสในโลกอุตสาหกรรม",MECHANICAL TECHNOLOGY MAGAZINE.
ปีที่ 2, ฉบับที่ 19 (พ.ค. 46), หน้า 96-102.