معرفی رشته طراحی ماشین و ابزار صنعتی | Machine Design

طراحی ماشین و ابزار صنعتی یکی از شاخه‌های حیاتی طراحی محصولات است که در پس پرده‌ی تولید، ساخت و کارایی تمام صنایع جهان قرار دارد. این رشته با ترکیب علم مهندسی و هنر طراحی، ابزارها و ماشین‌هایی را ایجاد می‌کند که زندگی انسان را ساده‌تر، دقیق‌تر و کارآمدتر می‌کنند.

از ابزارهای ساده‌ای مثل چکش و پیچ‌گوشتی گرفته تا ربات‌های پیچیده‌ای که خطوط تولید را خودکار می‌کنند، طراحی ماشین و ابزار صنعتی دنیای فناوری و تولید را متحول کرده است.

طراحی برای قدرت و دقت

ماشین آلات صنعتی و ابزارها (machine & Tool) جایگاه ویژه ای در صنعت هر کشور دارند، شرکت های سازنده ماشین آلات صنعتی با استفاده از فناوری های جدید و نوین و ارائه راه حل های کارآمد دستگاه هایی با مدل بالاتر تولید می کنند. طیف وسیعی از کارخانجات صنعتی که در زمینه تولید ماشین آلات بسته بندی، چاپ، مواد غذایی، صنایع چرم و پوشاک و..  نیازمند طراحی دستگاه های کارآمد تر و مدرن تر هستند.

هدف طراحی و ساخت ماشین آلات صنعتی اجرای اتوماسیون، افزایش قدرت تولید و صرفه جویی درنیروی انسانی و… می باشد.

خرید ماشین آلات صنعتی همیشه دغدغه بزرگی برای صنعت گران بوده و هست، تصمیم گیری درست برای خرید دستگاه های صنعتی که علاوه بر کیفیت مناسب، قیمت مناسبی نیز داشته باشد کمی دشوار است، اما با توجه به اینکه در سالهای اخیر علوم و فنون مختلف به لطف اینترنت با سرعت بیشتری منتقل می‌شن دیگه نیازی به وارد کردن دستگاه های پیشرفته خارجی کمتر شده و متخصصین داخلی اگر خودشون رو به روز نگه دارن می‌تونن  دست به کار تولید دستگاه هایی به مراتب ایرانیزه شده تر از نمونه‌های خارجی بزنن. از این رو رشته طراحی ماشین آلات صنعتی یک رشته استراتژیک و قابل توجه به شمار می‌رود. بریم که با این رشته جذاب بیشتر آشنا بشیم.

چرا طراحی ماشین و ابزار صنعتی اهمیت دارد؟

امروزه نقش انواع ماشین ها و دستگاه ها در تمام امور روزمره، چه شهری و چه روستایی غیر قابل انکار است و هر یک از ما با آنها در زندگی خود سر و کار داریم، خودرو و موتور سیکلت، هواپیما، چاپگر، آسانسور و پله برقی، مترو و …تنها نمونه هایی از ماشین هایی هستند که ما در زندگی روزمره با آن برخورد داریم؛ هرچه تکنولوژی بیشتر رو به جلو حرکت می کند، علوم بیشتری در طراحی دستگاه دخیل می شوند، امروزه اکثر ماشین آلات صنعتی تنها شامل یک مکانیزم مکانیکی ساده نیستند، بلکه سیستم برق و الکترونیک، کنترل و مانیتورینگ، شبکه و مخابرات و بسیاری از تخصص های مختلف باید گرد هم آیند تا ماشین آلات پیچیده امروزی تولید و در اختیار سایر صنایع و مشتریان قرار گیرند.

طراحی ماشین آلات صنعتی در واقع از زیر مجموعه های علم طراحی و مهندسی صنعتی می باشد که منجر به ایجاد یک دستگاه صنعتی کاملا جدید و یا بهینه سازی دستگاه می شود؛اتوماسیون صنعتی به بهره گیری از رایانه ها به جای نیروهای انسانی برای کنترل دستگاه ها و فرایندهای صنعتی گفته می شه، اتوماسیون یک گام فراتر از مکانیزه کردن است و مکانیزه کردن به معنی فراهم کردن متصدیان انسانی با ابزار و دستگاه هایی است که ایشان را برای انجام بهتر کارشان یاری میکند؛

امروزه ماشین الات پیشرفته صنعتی نقش مهمی در چگونگی اجرا،هزینه وسرعت تولید دارند؛حضور ماشین الات پیشرفته با قابلیت بالا در هر صنعت موجب می‌شود که محصولات تولیدی با هزینه نیروی کار کمتر وبا سرعت بالای تولید در واحد زمان و کیفیت به مراتب بالاتر تولید می شودو توان رقابت در بازارهای داخلی و خارجی برای تولید کنندگان بیشترشود.

1. تأثیر بر تولید و صنعت: ابزارها و ماشین‌آلات صنعتی، قلب تپنده‌ی صنایع تولیدی هستند و کارایی و کیفیت تولیدات به طراحی آن‌ها وابسته است.

2. ترکیب خلاقیت و مهندسی: طراحی این ابزارها نیازمند درکی عمیق از عملکرد مکانیکی، مواد و ارگونومی است تا هم کارآمد و هم امن باشند.

3. پاسخ به نیازهای مدرن: در دنیای امروز، طراحی ماشین‌ها باید با نیازهایی همچون کاهش مصرف انرژی، افزایش دقت، و کاهش نیروی انسانی تطابق داشته باشد.

تعریف ماشین‌(Machine)

یک ماشین وسیله ای است که با استفاده از نیرو، حرکت مورد نظری را ایجاد می کند، با این تعریف حتی یک آچار نیز جزء دسته ماشین ها قرار می گیرد، چون نیروی دست را به صورت گشتاور به پیچ وارد میکند و موجب چرخش آن می گردد؛اما ماشین ها بیش از یک قطعه دارند و از مجموعه ای از مکانیزم ها تشکیل شده اند. امروزه ماشین ها نقش بسیاری در انجام امور روزمره چه در شهر ها و چه در روستاها دارند.

ماشین ها برای برطرف ساختن نیاز انسان ها طراحی و ساخته می شوند و با توجه به اجزاء ماشين، هر ماشین، خود از ترکیب چند مکانیزم تشکیل می شوند؛ البته مكانيزم، به تنهايي يك ماشين محسوب نمي شود، برای مثال یک موتور یا دستگاه ماشین تراش، ماشین است، در صورتی که دستگاه اندازه گیری فشار (مانومتر) یک مکانیزم است؛پس در نتیجه مکانیزم دستگاهی است که فقط یک کار انجام می دهد. به عنوان مثال مکانیزم چرخ زنجیر، مکانیزم چرخ دنده و مکانیزم چرخ تسمه که هیچ کدام از آنها به تنهایی قادر به کار نیستند و باید حتما به صورت جفت عمل کنند و به همین علت مکانیزم نامیده می شوند، در حالی که چرخ دنده یا زنجیر به تنهایی اجزاء محسوب می شوند.

فرآیند عملکرد ماشین‌ها

 ماشین‌ها هر اندازه که از نظر عملكردی ​​با هم تفاوت داشته باشند، از نظر ساختمان نقاط مشترک زیادی دارند. عملکرد و خروجی یک ماشین ممکن است حاصل از تبدیل انرژی شیمیایی، حرارتی، الکتریکی یا هسته‌ای به انرژی مکانیکی یا برعکس باشد، یا ممکن است فقط حاصل تغییر و انتقال نیروها و حرکت‌ها باشد. همه ماشین‌ها دارای ورودی، خروجی و دستگاه تبدیل یا تغییر و انتقال (فرایند انجام شده) هستند.

پس در تعریفی دیگر، به سیستم‌های صنعتی که انرژی را به انرژی دیگر تبدیل می‌کنند، ماشین می‌گویند. مثلا در یک دستگاه ماشین تراش تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، باعث دوران سه نظام شده و عمل ماشین کاری و براده‌برداری انجام می‌شود.

مفاهیم کلیدی در طراحی ماشین و ابزار صنعتی

1. طراحی ابزارهای ساده: ابزارهای دستی همچون آچار، پیچ‌گوشتی و انبردست نمونه‌هایی از طراحی کاربردی هستند که با اصول ارگونومی و مواد مقاوم ساخته می‌شوند.

2. ماشین‌آلات پیچیده: ماشین‌هایی مثل دستگاه‌های CNC، پرینترهای سه‌بعدی و ربات‌های صنعتی با ترکیب فناوری‌های پیشرفته و مکانیک طراحی می‌شوند.

3. ربات‌های اتوماسیون: ربات‌هایی که در خطوط تولید استفاده می‌شوند، نمونه‌های پیشرفته‌ای از طراحی صنعتی هستند که علاوه بر دقت و کارایی، قابلیت یادگیری و انجام کارهای پیچیده را دارند.

تفاوت مکانیزاسیون و اتوماسیون صنعتی

مکانیزاسیون (Mechanization)، استفاده از ماشین آلات، به صورت کامل یا جزئی، با هدف جایگزینی انسان یا حیوان می‌باشد. یعنی استفاده بیشتر و درست از صنعت در بهبود و بهتر کردن روند کار. اتوماسیون (Automation) یا اتوماسیون صنعتی، برخلاف مکانیزاسیون، ممکن است به هیچ وجه به اپراتور انسانی وابسته نباشد و اکثرا هم هدف اتوماسیون صنعتی، عدم دخالت انسان و یکپارچه‌سازی و جایگزینی آن با هوش مصنوعی و منطق پذیر با کنترل پنل‌های مختلفی کامپیوتری، ربات‌ها با سیستم‌های مکانیکی، برقی و الکترونیکی می‌باشد.

مکانیزه کردن فرآیندهای صنعتی به منطور اهدافی مثلِ:

• بهینه‌سازی خطوط تولید برای افزایش بهره وری
• کاهش کار و شاید تعداد نیروی انسانی
• برای کم کردن خطرات خطوط تولید، هزینه‌های جانی و مالی (مانند کارخانه‌هایی که با مواد مذاب، شیمیایی، کارهای سنگین و … سر و کار دارند. )
• کم کردن هزینه‌های تولید
• افزایش دقت تولید با حذف نیروی انسانی
• افزایش کیفیت کار یا تولید با حذف نیروی انسانی
• استفاده از کامپیوترها (کنترل پنل ها) برای کنترل فرایند

نمونه‌های بارز مکانیزانسیون صنعتی را می‌توان در تجهیزات مربوط به خدمات شهری و دستگاه‌های نظافت شهری برای تمیز کردن کنار جدول‌ها، زمین شورهای صنعتی، استفاده از دستگاه‌های هوشمند الکل پاش زمبنی و دیواری و … که در این پاندمی اخیر هم زیاد خریداری و استفاده شدند.

برای دستگاه‌های نظافت یک دست تمیز کردن جزو کیفیت مورد نیاز سالن‌های ورزشی، فرودگاه‌ها و در کل مکان‌های عمومی با رفت و آمد زیاد می‌باشد.

اگر برای مکانیزاسیون کشاورزی بخواهیم مثالی بزنیم نیز کلا برای کاشت، داشت و برداشت محصول مخصوصا در کشورهای اروپایی و آمریکا زیاد مورد استفاده می‌باشد.

اتوماسیون صنعتی با اهدافی مثلِ:

• عدم نیاز به نیروی متخصص
• آن تایم بودن و کاهش انبارداری
• امکان نظارت از راه دور و اشراف کامل به پروسه تولید از منزل، ماموریت و …
• کاهش اسکرب‌ها و ضایعات تولیدی
• استفاده از ابزاردقیق و افزایش کیفیت
• مانیتورینگ لحظه‌ای ماشین آلات صنعتی
• نمایش، تغییر و ثبت پارامترهای مورد نیاز برای کار با دستگاه
• نمایش ارورها یا خطاهای دستگاه و نشان دادن محل دقیق و اجزای سیستم
• کنترل دقیق‌تر (کارکرد دستگاه، مواد اولیه مصرفی، میزان انرژی مصرفی و. . )

انجام م‌شود که از جمله عیب‌های اتوماسیون را می‌توان به کم شدن شغل و افزایش بیکاری و همانطوری که در اول مقاله هم گفته شد، هزینه زیاد استفاده از اتوماسیون که در دراز مدت باید جبران شود.

مهارت‌ها و ابزارهای موردنیاز در این رشته

1. دانش مکانیک و فیزیک: برای طراحی ابزارها و ماشین‌های کارآمد، طراح باید به اصول مکانیکی مانند نیروها، حرکت‌ها و اصطکاک مسلط باشد.

2. نرم‌افزارهای طراحی: نرم‌افزارهایی مثل SolidWorks، AutoCAD و Fusion 360 ابزارهای ضروری برای طراحی و مدل‌سازی سه‌بعدی هستند.

3. درک مواد: انتخاب مواد مناسب (فلز، پلاستیک، کامپوزیت‌ها) تأثیر زیادی بر عملکرد و دوام ابزارها دارد.

4. ارگونومی و ایمنی: ابزارها باید به گونه‌ای طراحی شوند که کاربر بتواند بدون خطر و با کمترین فشار، از آن‌ها استفاده کند.

کاربردها و زیرشاخه‌های طراحی ماشین و ابزار صنعتی

1. طراحی ابزارهای دستی: ساخت ابزارهای روزمره با تمرکز بر کارایی، دوام و راحتی.

2. ماشین‌های تولیدی: طراحی دستگاه‌های پیچیده مثل خطوط مونتاژ، ماشین‌های برش و چاپگرهای صنعتی.

3. ربات‌های صنعتی: ساخت ربات‌های اتوماسیون که می‌توانند وظایف پیچیده‌ای مثل مونتاژ، جوشکاری و بسته‌بندی را انجام دهند.

4. ماشین‌های هوشمند: توسعه ماشین‌آلاتی که به هوش مصنوعی مجهز هستند و می‌توانند فرآیندها را به‌صورت خودکار بهینه کنند.

نمونه‌های برجسته از طراحی ماشین و ابزار

1. ابزارهای ساده با طراحی نوآورانه:

• Leatherman Multi-tool: ابزاری چندکاره که تمامی نیازهای یک فرد ماجراجو را برطرف می‌کند.
• Snap-on Screwdriver: پیچ‌گوشتی با طراحی ارگونومیک برای کاهش خستگی دست.

2. ماشین‌های صنعتی:

• دستگاه CNC: ماشین‌آلات دقیق برای برش و شکل‌دهی مواد.
• ربات KUKA: ربات‌هایی که در صنایع خودروسازی و خطوط مونتاژ استفاده می‌شوند.

روند طراحی ابزارها و ماشین‌ها

1. ایده‌پردازی و تحقیق: شناسایی نیازها و مشکلاتی که باید حل شوند.
2. مدل‌سازی و طراحی اولیه: ایجاد طرح‌های اولیه با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی.
3. ساخت نمونه اولیه: ساخت نمونه‌ها برای آزمایش عملکرد و ارگونومی.
4. تولید نهایی: استفاده از مواد و فناوری‌های مناسب برای ساخت محصول نهایی.

چشم‌انداز آینده در طراحی ابزار و ماشین

1. ربات‌های پیشرفته‌تر: ربات‌هایی که توانایی‌های بیشتری برای تعامل با انسان دارند.

2. طراحی پایدار: ساخت ماشین‌هایی که کمتر به محیط‌زیست آسیب می‌رسانند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

3. ابزارهای هوشمند: ابزارهایی که با اینترنت اشیا (IoT) کار می‌کنند و داده‌های کاربردی را ارائه می‌دهند.

نکات حرفه‌ای

جمع بندی رشته طراحی ماشین و ابزار

طراحی ماشین و ابزار صنعتی، تلفیقی از علم و هنر است که زندگی را آسان‌تر، دقیق‌تر و خلاق‌تر می‌کند. اگر علاقه‌مند به طراحی ابزارهایی هستید که به صنایع و زندگی انسان‌ها کمک کنند، این رشته می‌تواند انتخاب مناسبی باشد.

آیا آماده‌اید ابزارهای آینده را طراحی کنید؟