Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Nhập môn cơ điện tử: Chương 1 - Tổng quan cơ điện tử được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Lịch sử phát triển của cơ điện tử; Định nghĩa cơ điện tử; Vai trò của cơ điện tử; Ứng dụng của cơ điện tử; Phần tử cơ bản trong hệ cơ điện tử; Phương pháp biểu diễn hệ cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
10/27/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nhập môn Cơ điện tử Introduction to Mechatronics Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà Nội Email: bktuan2000@gmail.com Content Chương Tổng quan Cơ điện tử Chương Cảm biến Chương Cơ cấu chấp hành Chương Thiết bị điều khiển Chương Thị giác máy Chương Xử lý tín hiệu Chương Rơ bốt cơng nghiệp Chương Phần mềm 1 10/27/2018 Reference Cơ điện tử, GS.TSKH B Heimann, GS.TSKH W Gerth, GS.TSKH K Popp, Tập thể biên dịch: GS TSKH Nguyễn Văn Khang, PGS.TS Nguyễn Phong Điền, TS.Nguyễn Quang Hoàng, PGS.TS Hoàng Minh Sơn, NXB Khoa học & Kỹ thuật , 2008 Cơ điện tử phần tử bản, TS Dương Hữu Trí, TS.Võ Thị Ry NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 Mechatronics An Introduction, Robert H Bishop, CRC Press, 2006 Mechatronics System Design, K Janscheck, Spinger , 2011 Mechatronics Handbook, Robert H Bishop, CRC Press, 2002 Requirement Nhiệm vụ sinh viên: - Dự lớp: đầy đủ theo quy chế - Bài tập: hoàn thành tập học phần - Thí nghiệm: hồn thành đầy đủ thí nghiệm học phần Đánh giá kết quả: KT/BT(0.3)-T(TN/TL:0.7) - Điểm trình: trọng số 0.3 - Làm thí nghiệm đầy đủ, có báo cáo bảo vệ - Kiểm tra kỳ - Thi cuối kỳ (trắc nghiệm tự luận): trọng số 0.7 2 10/27/2018 Chapter I Introduction CHƯƠNG TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển • Tên gọi Cơ điện tử nguồn gốc vào năm 1969 kỹ sư Tetsura Mori, công ty Nhật Yasakawa Electric Company • Cơ điện tử “Mechatronics” ghép “Mecha” xuất phát từ “Mechanism” “tronics” xuất phát từ “electronics” • Năm 1970, Yaskawa đăng ký thương hiệu, thức sử dụng 1973 • Những năm 1980s, Cơ điện tử trở nên phổ biến tính hữu dụng thực tế Chapter I Introduction • Trong kỷ XXI có lĩnh vực xếp vào lĩnh vực khoa học kỹ thuật mũi nhọn: Công nghệ thơng tin, Tự động hóa, Cơng nghệ sinh học, Khoa học vật liệu Năng lượng • Ngày nay, thành tựu vi xử lý, máy tính nhúng, cơng nghệ thơng tin, phần mềm có đóng góp quan trọng Cơ điện tử Hình Định nghĩa điện tử (Mechatronics) 3 10/27/2018 Chapter I Introduction • Cơ điện tử trở thành kết hợp nhiều lĩnh vực khác thành lĩnh vực có tầm cao bao trùm nhiều lĩnh vực Tự động hóa Cơ điện tử có điểm chung Tự động hóa hệ thống kỹ thuật Tín hiệu Hệ thống: Dạng tín hiệu đảm bảo truyền liệu, giá trị phần tử, hệ thống phụ tạo nên quan hệ vào hệ thống tổng thể Phần mềm thu thập liệu: Phần mềm hỗ trợ, thu thập, truyền liệu hệ thống giao tiếp kết nối với thiết bị hệ thống bên ngồi Mơ hình hóa hệ thống vật lí: Xây dựng dạng biểu diễn tốn học hệ thống vật lí Cảm biến phần tử chấp hành: Đóng vai trị cấu đo giá trị phần tử chấp hành tín hiệu điều khiển tạo đáp ứng đầu mong muốn Máy tính hệ thống logic: Tính tốn thiết lập thuật tốn chương trình tính tốn cho điều khiển hệ thống điện tử Hình Phần tử điện tử (key elements of Mechatronics) Chapter I Introduction Hình Hệ thống điện tử ô tô (Application of mechatronics into automobile) 10/27/2018 Chapter I Introduction Định nghĩa Cơ điện tử • Wikipedia1: Cơ điện tử ngành kỹ thuật đa lĩnh vực bao gồm kỹ thuật hệ thống, kỹ thuật khí, kỹ thuật điện, kỹ thuật truyền thơng, kỹ thuật điều khiển kỹ thuật máy tính • Theo Journal - Elsevier2: Cơ điện tử kết hợp đỉnh cao kỹ thuật khí xác, kỹ thuật điều khiển điện tử hệ thống tư thiết kế sản phẩm hệ thống sản xuất • Đại học Waterloo3: Cơ điện tử thiết kế hệ thống điện điều khiển máy tính Qua định nghĩa ta thấy bật lên vai trị cốt lõi Cơ điện tử điều khiển máy tính Chapter I Introduction Vai trị Cơ điện tử • Vai trị ngành khí thiết kế phần cho máy móc thiết bị, đặc biệt cấu xác - Kỹ sư điện tử phải trang bị kiến thức vẽ kỹ thuật, học, sức bền vật liệu, nguyên lý máy, chi tiết máy, khí xác, khoa học vật liệu, v.v - Cơ khí đóng vai trị móng cấu chấp hành, hệ điện 10/27/2018 Chapter I Introduction • Vai trị ngành điện – điện tử trang bị kiến thức điện, động cơ, cấu chấp hành điện từ, thiết bị điều khiển, thiết bị xử lý tín hiệu, cảm biến, v.v - Nhiệm vụ kỹ sư điện tử thiết kế mạch điều khiển, mà tích hợp thiết bị điện, điện tử với hệ thống khí tạo nên hệ thống tổng thể chuẩn bị cho đáp ứng theo yêu cầu đặt hệ thống - Điện – điện tử với khí tạo phần cứng hệ thống Chapter I Introduction • Vai trị tự động hóa, điều khiển tự động tìm quy luật tốn học để điều khiển nhanh xác hệ thống điện - Đây cốt lõi điện tử, hay nói não hệ thống mà cụ thể tư hoạt động hệ thống • Vai trị ngành công nghệ thông tin thiết lập phần mềm điều khiển phần mềm quản lý hệ thống, quản lý liệu - Công nghệ thông tin giúp thể quy luật điều khiển phần mềm áp dụng lên thiết bị điện tử 10 10/27/2018 Chapter I Introduction • Cơ điện tử khơng tự động hóa hệ thống kỹ thuật, mà đỉnh cao tự động hóa hệ thống kỹ thuật diện điều khiển máy tính • Kỹ sư điện tử có nhiệm vụ thiết kế phần khí, tích hợp với thiết bị điện – điện tử, tạo phần cứng hệ thống, tìm quy luật điều khiển, thiết kế phần mềm điều khiển quản lý liệu 11 Chapter I Introduction Ứng dụng Cơ điện tử • Cơ điện tử có mặt từ lâu đóng vai trị quan trọng tất lĩnh vực từ trước khái niệm Cơ điện tử đời • Khoa học vũ trụ: Nghiên cứu chế tạo tàu thám hiểm vũ trụ, vệ tinh, rô bốt thám hiểm, thiết bị bay chí hệ thống phịng thủ vũ trụ Hình Cơ điện tử ứng dụng • Quân sự: Chế tạo loại vũ khí, khí tài đại, máy bay, tên lửa hệ thống phịng khơng, hệ thống cơng loại vũ khí đại dùng cho binh, pháo binh, tàu chiến, … 12 10/27/2018 Chapter I Introduction • An ninh: Các hệ thống bảo mật, hệ thống giám sát, hệ thống đảm bảo an ninh mạng, hệ thống bảo vệ khu vực trọng yếu, v.v… • Giao thơng vận tải: Các hệ thống lái tự động, loại thiết bị không người lái, hệ thống giám sát, điều hành tự động, thiết bị tự động dùng cho máy bay, tàu chiến, tàu thủy, tàu hỏa, ô tô, xe tự hành, v.v… • Cơng nghiệp: Các máy cơng cụ điều khiển số CNC, rô bốt công nghiệp, AGV, băng tải thiết bị tự động khác, … • Y sinh: Rô bốt phẫu thuật, thiết bị y sinh kỹ thuật cao, thiết bị phân tích hóa nghiệm tự động xác cao, 13 Chapter I Introduction • Sản phẩm điện tử đa dạng, nhiên hai sản phẩm quan trọng rô bốt công nghiệp máy công cụ điều khiển số CNC • Các sản phẩm có u cầu kỹ thuật cao khí xác, thiết bị điều khiển, cảm biến phần mềm điều khiển nhằm đáp ứng hai vấn đề tự động hóa: nhanh xác Vấn đề cốt lõi điện tử điều khiển tốc độ điều khiển vị trí Vị kỹ sư điện tử ngày khẳng định tất lĩnh vực từ nghiên cứu khoa học đến sản xuất lĩnh vực dịch vụ Các sản phẩm điện tử ngày có cơng nghệ tiên tiến đem lại nhiều tiện ích, tăng sức cạnh tranh cho sản xuất công nghiệp cho lĩnh vực khác 14 10/27/2018 Chapter I Introduction Phần tử hệ Cơ điện tử (8) liên quan với việc di chuyển thông tin mức hệ thống mức cao nhất, cung cấp giao diện ngườimáy cần thiết cho truyền thông tin người sử dụng (6) có nhiệm vụ xử lí thơng tin mô đun giao diện mô đun đo kiểm cung cấp Các tham số đầu vào gồm thông số đo được, thiết lập yêu cầu thông số tốc độ vận hành,… (5) thực truyền thông tin mô đun phạm vi hệ thống Các trạng thái đầu vào đầu phụ thuộc vào chất thông tin truyền, khoảng cách truyền môi trường (7) gồm thị hoạt động thuật toán xác định dành cho hệ thống điều khiển hoạt động mô đun xử lí (4) thể yêu cầu hệ thống Các điều kiện đầu vào mô đun thiết lập đầu mơ đun xử lí cịn đầu xác định kiểu chuyển động yêu cầu (2) thể thực vật lí thành phần cấu trúc thành phần hệ thống Mô đun liên quan trước hết tham số tính chất vật liệu, cách hoạt động cấu trúc tình thực Đầu vào mô đun tập hợp bao gồm chuyển động mơ đun kích/truyền động (actuation module) cung cấp điều kiện xác định mô đun môi trường Đầu thông số kỹ thuật sản phẩm (1) Liên quan đến thơng số bên ngồi nhiệt độ, yếu tố tải trọng, vv… tác động đến hoạt động sản phẩm đồng Trong thiết kế tổng thể, tham số thiết lập loạt điều kiện biên, mà sản phẩm phải tồn hoạt động (3) liên quan đến phương pháp sử dụng sensor để thu thập cảm nhận thông tin trạng thái Thông tin đầu vào thường tín hiệu vật lý cịn đầu chuyển đổi sang dạng thơng tin phù hợp với xử lí tín hiệu Từ đó, truyền tới chấp hành để thực hoạt động theo yêu cầu Chapter I Introduction (1) Mơ đun mơi trường (Environment module) • Mơ đun môi trường liên quan đến thông số bên nhiệt độ, yếu tố tải trọng, vv… tác động đến hoạt động sản phẩm đồng Trong thiết kế tổng thể, tham số thiết lập loạt điều kiện biên, mà sản phẩm phải tồn hoạt động (2) Mơ đun tập hợp (Assembly module) • Mơ đun tập hợp thể thực vật lí thành phần cấu trúc thành phần hệ thống Mô đun liên quan trước hết tham số tính chất vật liệu, cách hoạt động cấu trúc tình thực Đầu vào mơ đun tập hợp bao gồm chuyển động mơ đun kích/truyền động (actuation module) cung cấp điều kiện xác định mô đun môi trường Đầu thông số kỹ thuật sản phẩm 16 10/27/2018 Chapter I Introduction (3) Mơ đun đo kiểm (Measurement module) • Mơ đun đo kiểm liên quan đến phương pháp sử dụng sensor để thu thập cảm nhận thông tin trạng thái Thơng tin đầu vào thường tín hiệu vật lý đầu chuyển đổi sang dạng thơng tin phù hợp với xử lí tín hiệu Từ đó, truyền tới chấp hành để thực hoạt động theo yêu cầu (4) Mô đun chấp hành (Actuator module) • Mơ đun chấp hành thể yêu cầu hệ thống Các điều kiện đầu vào mô đun thiết lập đầu mô đun xử lí cịn đầu xác định kiểu chuyển động yêu cầu 17 Chapter I Introduction (5) Mơ đun truyền thơng (Communication module) • Mơ đun truyền thông thực truyền thông tin mô đun phạm vi hệ thống Các trạng thái đầu vào đầu phụ thuộc vào chất thông tin truyền, khoảng cách truyền môi trường (6) Mơ đun xử lý (Processor module) • Mơ đun xử lí có nhiệm vụ xử lí thơng tin mô đun giao diện mô đun đo kiểm cung cấp Các tham số đầu vào gồm thông số đo được, thiết lập yêu cầu thơng số tốc độ vận hành,… • Đầu từ mơ đun xử lí định hoạt động mô đun truyền động cung cấp thông tin tới mô đun giao diện 18 10 10/27/2018 Chapter I Introduction (7) Mơ đun phần mềm (Software module) • Mơ đun phần mềm gồm thị hoạt động thuật toán xác định dành cho hệ thống điều khiển hoạt động mơ đun xử lí • Bản chất hình thái mơ đun phần mềm có mối liên quan với chất cấu mô đun xử lí (8) Mơ đun giao diện (Interface module) • Mô đun giao diện liên quan với việc di chuyển thông tin mức hệ thống mức cao nhất, cung cấp giao diện người-máy cần thiết cho truyền thông tin người sử dụng 19 Chapter I Introduction Phương pháp biểu diễn hệ Cơ điện tử • Cơ điện tử chế tạo máy Hình Sơ đồ khối sản phẩm điện tử • Một hệ thống điện tử có phần tử - Bộ dẫn động - Cảm biến - Bộ điều khiển 20 11 10/27/2018 Chapter I Introduction • Tối thiểu cơng tác thiết kế sản phẩm điện tử giải về: - Thành phần kết cấu - Thực trình - Cảm nhận - Xử lí (máy tính) • Hơn nữa, hệ thống điện tử có truyền thơng q trình hệ thống kết hợp giao diện với người sử dụng 21 Chapter I Introduction Hình Sơ đồ khối sản phẩm điện tử - dây chuyền sản xuất 23 12 10/27/2018 Chapter I Introduction • Một sơ đồ khối dây chuyền sản xuất, với giả thiết phôi cấp gia công hệ thống 1-máy công cụ CNC • Vận chuyển phát bán thành phẩm hỏng hệ thống • Hồn thiện máy CNC – hệ thống • Các hệ thống thành phần, ngồi việc chịu điều khiển máy tính hệ cịn điều hành máy tính trung tâm để phối hợp hoạt động hệ thống qua mô đun truyền thông hệ 22 13 ... phần tử - Bộ dẫn động - Cảm biến - Bộ điều khiển 20 11 10 /27/2 018 Chapter I Introduction • Tối thiểu công tác thiết kế sản phẩm điện tử giải về: - Thành phần kết cấu - Thực trình - Cảm nhận - Xử... vật liệu, v.v - Cơ khí đóng vai trị móng cấu chấp hành, hệ điện 10 /27/2 018 Chapter I Introduction • Vai trò ngành điện – điện tử trang bị kiến thức điện, động cơ, cấu chấp hành điện từ, thiết... Introduction CHƯƠNG TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển • Tên gọi Cơ điện tử nguồn gốc vào năm 19 69 kỹ sư Tetsura Mori, cơng ty Nhật Yasakawa Electric Company • Cơ điện tử “Mechatronics” ghép