אלקטרונים או אטומים?

מתי עלינו לפתור בעיה באמצעות מנגנון מכאני? ומתי על ידי מערכת אלקטרונית?

כמהנדסים, בבואנו לתכנן מוצרים ולמצוא פתרונות, עולה תמיד השאלה האם לממש פתרון בצורה אלקטרונית ("אלקטרונים") או בצורה מכאנית ("אטומים"). מצאו את הפתרון האופטימלי עבורכם :


בעבר הייתה חלוקה ברורה במוצרים- מכאניים / אלקטרונים. כמובן שמוצר מכאני יכול היה לכלול גם אלקטרוניקה, וכמובן שכל מוצר אלקטרוני דורש קצת מכאניקה (המארז בו הוא נמצא), אך הלקוח היה יכול לבחור בין פנייה אל המהנדסים המכאניים לבין המשרד לתכנון אלקטרוני.

עם השנים הגבול הלך והיטשטש, והיום אין כמעט מוצר שלא משלב את השניים.
גם מוצרים "טיפשים" כגון טוסטר, מייבש כביסה, או שואב אבק, הולכים והופכים ל"חכמים" עם תוספת מערכות אלקטרוניות המאפשרות שליטה על התהליך – כגון הגדרת הזמן לטוסטר בצורה דיגיטלית, תכניות ייבוש המתייחסות לרמת הלחות בתוך המייבש ושואבי אבק רובוטיים.

מנגנונים רבים, שבעבר היו ממומשים בצורה מכאנית לחלוטין, הופכים היום לנשלטים אלקטרונית. הדוגמה הנפוצה והחזקה ביותר היא כמובן מנועי הרכב- ממוצר מכאני לחלוטין, עם מערכת חשמלית "טיפשה", עברנו היום למוצר שופע אלקטרוניקה עם מחשבים רבים מוטמעים בתוכו.
היתרונות במנוע ברורים – ניתן לבצע פעולות שפעם היו קבועות, וזאת בהתאם למיקום המנוע (בעיקר תזמון וכמות אספקת הדלק ותזמון ההצתה) הנשלטים על ידי מחשב שמתחשב בגורמים רבים אחרים (חום המנוע, הגזים הנפלטים, מהירות המנוע, מידת הלחיצה של דוושת ה"גז" ועוד).

גם מערכות שנראות לנו כאילו הן מחייבות אלקטרוניקה, כגון מערכת ה ABS – Anti-lock Braking System (מערכת שמזהה במהלך בלימה שהגלגל ננעל, ומורידה את עוצמת הבלימה למנוע את הנעילה) היו בתחילת דרכן מכאניות לחלוטין, והיום הם מבוססות על "מוח" אלקטרוני עם מערך חיישנים מתאים.

אז נשאלת השאלה –


מתי עלינו לפתור בעיה באמצעות מנגנון מכאני ומתי על ידי מערכת אלקטרונית?

כשמתייחסים לתכנון מכאני, תהליך התכנון דורש מציאה או פיתוח של מנגנון העושה את הפעולה הנדרשת, וכן ייצור המנגנון עצמו. השאיפה היא למנגנון חכם ככל הניתן עם מינימום חלקים, לצד כמה שיותר חלקים זמינים לקניה (מוצרי מדף). בדרך כלל יהיו גם מספר חלקים הדורשים ייצור.

בתכנון אלקטרוני, נדרש למצוא את החיישנים המתאימים ואת האקטואטורים (כל רכיב שיוצר פעולה במערכת – מנוע, סלונואיד, אלקטרומגנט, שסתום, נורה) ואז לתכנן מערכת שתבצע את הבקרה – שתדע לקרוא את החיישנים, להפעיל את האקטואטורים, ולהפעיל מנגנון החלטות לפעולה. קיימים מוצרים המיועדים לביצוע המשימה (כגון בקרים מסוג PLC – Programmable Logic Controller) אבל פעמים רבות מתכננים כרטיס מיוחד (PCB) למוצר. מכיוון שהיום כמעט בכל מכשיר קיימת מערכת אלקטרונית / ממוחשבת, אז תוספת התכנון הנדרשת עבור מימוש מנגנון נוסף במכונה בצורה אלקטרונית היא יחסית זניחה.

זמן התכנון של מנגנון מכאני בדרך כלל קטן יותר מזמן הפיתוח של מנגנון אלקטרוני, הואיל וגם המנגנון האלקטרוני דורש תמיכת תכנון מכאני עבורו (חיבור החיישנים, האקטואטורים והמנגנון הבסיסי אותו האלקטרוניקה תפעיל). כמו כן, תהליך הבדיקות במערכת אלקטרונית ארוך ותובעני יותר מבדיקת מנגנון מכאני לחלוטין (דווקא בגלל הגמישות של המערכת האלקטרונית).

מנגנונים מכאניים בדרך כלל דורשים מספר חלקים בייצור (ולא בקניית מוכנים), ולכן העלות שלהם גדולה יותר מהעלות המכאנית של פתרון אלקטרוני (המנגנון המכאני עבור מערכת אלקטרונית). מצד שני, עלות האלקטרוניקה (והפיתוח שלה) בכמויות קטנות יקרה.

כאשר מדברים על ייצור בכמויות גדולות, בו עלות זמן התכנון יורדת (כי היא מתחלקת על כמות גדולה יותר) בדרך כלל המחיר של פתרון אלקטרוני הוא זול יותר. במוצרים בהם נדרשת בכל מקרה מערכת אלקטרונית, לדוגמא כאשר נדרש כי הפעלת המכשיר תהיה מפאנל ממוחשב (מסך מגע לדוגמא), אזי המחיר של הפתרון האלקטרוני יורד והכדאיות של המערכת האלקטרונית עולה.

אז מתי נשתמש בפתרון מכאני?

היתרונות הגדולים של המערכת המכאנית על האלקטרונית הם האמינות והפשטות. כאשר אנחנו משלבים מערכת אלקטרונית, אנו מוסיפים מערכת מורכבת יותר בהגדרתה. המערכת גם רגישה יותר (ברור לנו כי מחשב יותר עדין מפטיש) ולכן כאשר האמינות חשובה לי, אני אוותר על הביצועים והגמישות של המערכת האלקטרונית ואבחר מערכת מכאנית לחלוטין. ניתן לראות זאת בגנראטורים, ובמיוחד באלו המיועדים לתנאים קשים, בהם אנחנו נוותר על ביצועים (בעיקר חסכון בדלק) אשר מערכת אלקטרונית תיתן לנו, ונעבוד בצורה מכאנית לחלוטין לטובת האמינות שנקבל.

כמו כן, במוצרים מאוד זולים, מאוד קטנים או בייצור בכמויות קטנות, אנחנו נוותר על מערכות אלקטרונית משיקולי עלויות. נציין כמובן, שאנחנו רואים היום יותר ויותר פתרונות אלקטרונים מוכנים, במחירים נמוכים יותר, ובגודל פיזי קטן יותר, אשר מאפשרים שימוש באלקטרוניקה במצבים שפעם לא היו כדאיים כלל כלכלית (מוצרים כמו Arduino, Raspberry Pi, Beaglebone ועוד).

בפועל, היום נדרשת יכולת בחינה של כל מוצר, כל פרויקט וכל מנגנון ומציאת הפתרון האופטימאלי עבורו, הן בצורה אלקטרונית הן בצורה מכאנית והן בשילוב נכון של שניהם. לכן אנחנו רואים היום מקומות שמציעים פתרונות הנדסיים, אשר יש להם יכולות תכנון מכאני, אלקטרוני ומשולב. ריבוי היכולות מחייב גם כוח אדם רב ומיומן, אשר מסוגל להתמודד בצורה יעילה יותר עם האתגרים ההנדסיים שבפניו.

לסיכום, השאלה באיזו דרך פתרון לבחור היא שאלה טובה ונכונה, והתשובה תלויה במקרה הספציפי. יש הרבה שיקולים, יתרונות וחסרונות (כדוגמת אלה שהוזכרו במאמר) אך הדבר הכי חשוב כמובן – הוא לקבל את הפתרון האופטימאלי עבורכם.