Giáo trình cơ điện tử

B ộ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH C ĐIỆN TỬ N H À XU ẤT B ẢN XÂY D ự N G Bộ XÂY DựNG G IÁ O TRÌNH c DIỆN TỬ (Tái bản) TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TH O VIỆN , NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI - 2019 i LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, hệ thống Cơ điện tử tích hợp mãnh htẽ chiếm phần lớn khu cơng nghiệp xí nghiệp Thực tế địi hỏi trường đại học, cao đăng cung câp nguồn lực nhân lém công nhân, kỹ sư điều khiển vận hành hệ thơng điện tử thành thạo Dựa yêu cầu thiết sỗ trường đại học, cao đăng xây dựng chương trình đào tạo ngành Cơ điện tử phục vụ nhu cẩu xã hội Xuất phát từ thực tế đó, mạnh dạn biên soạn tài liệu “Giáo trình Cơ điện tử ” dành cho hệ cao đẳng nghề nhằm giúp cho em học sinh, sinh viên tiêp cận, tìm hiếu hệ Cơ điện từ cách nhanh nhắt Tài liệu tập trung giới thiệu kiên thức hệ thống Cơ điện tử với tập thực hành Đê tìm hiêu sâu thêm học viên phải đọc tài liệu lí thuyết khác Tài liệu dùng làm sách tham khảo cho giảo viên dạy nghê điện, sinh viên khơng chun ngành điện có liên quan đến chuyên ngành tự động hoả Do tài liệu đề cập đến nhiều vẩn đề mới, viết cho nhiều đối tượng trình độ khác nên khơng tránh khỏi thiểu sót Rất mong nhận ý kiên đóng góp quý báu bạn đọc để lần tái sau hoàn thiện Tác giả PHẦN I TỔ N G QƯAM HỆ THỐNG c Đ IỆ N T Ở Chương C ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG c ĐIỆN TỬ I c ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG c ĐIỆN TỬ 1.1 Mechantronic gì? Cơ điện tử hệ thống cấu máy có thiết bị điều khiển lập trình có khả hoạt động cách linh hoạt, ứ ng dụng sinh hoạt, công nghiệp , lĩnh vực nghiên cứu như: máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, máy chụp hỉnh, mơđun sản xuất linh hoạt, tự động hóa q trình sản xuất thiết bị hỗ trợ nghiên cứu thiết bị đo, hệ thống kiểm tra Một số nhà khoa học định nghĩa điện tử như: Khái niệm điện tử mở từ định nghĩa ban đầu công ty Yasakawa Electric: “Thuật ngữ Mechantronic (Cơ điện tử) tạo (Mecha) Mechanism (Trong cấu) ironies electronics (Điện tử) Nói cách khác, cơng nghệ sản phẩm ngày phát triển ngày kết hợp chặt chẽ hữu thành phần điện tử vào cấu khó ranh giới chúng Một định nghĩa khác điện từ thường hay nói tới Harashima, Tomizukava Fuduka đưa năm 1996: “Cơ điện tử tích hợp chặt chẽ kỹ thuật khí với điện tử điều khiển máy tính thông minh thiết kế chế tạo sản phẩm quy trình cơng nghiệp.” Cùng năm Ausländer Kempf đưa số định nghĩa khác sau: “ Cơ điện tử áp dụng tổng hợp định tạo nên hoạt động hệ vật lý.” Năm 1997, Shetty lại quan niệm: “ Cơ điện tử phương pháp luận dùng để thiêt kế tối ưu hóa sản phẩm điện.” Và gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa: “ Một hệ điện tử không chi kết hợp chặt chẽ hệ khí điện khơng đơn hệ điều khiển, tích hợp đầy đủ tất hệ trên.” Tất định nghĩa'Và phát biểu Cơ điện tử xác đáng giàu thông tin, nhiên thân chúhg, đứng riêng rẽ lại không định nghĩa đầy đủ định nghĩa điện từ.” Hình 1.1: Cơ điện từ liên kết robot tin học Hình 1.2: Robot tự động làm việc phòng thỉ nghiệm Hệ thống điện tử lĩnh vực đa ngành khoa học kỹ thuật hình thành từ ngành kinh điển như: Cơ khí, kỹ thuật điện - điện tử khoa học tính tốn tin hoc Trong tồng hợp hệ thống môn học truyền động điện, truyên động thủy khí đo lường Cảm biến Kỹ thuật vị xử lý, lập trình PLC, kết hợp với khí chê tạo máy, khoa học tính tốn tin học kỳ thuật điện - điện từ, mạng truyền thông công ngììiẹp Hình 1.3: Cơ điện tử Khảo sát thực tiễn mối quan hệ dạy học, học ứng dụng ngành điện tử công nghiệp sau: Hình 1.4: Định hướng đào tạo ngành Cơ điện tứ 1.2 Hệ thống điện tử ? Cũng giơng điện tứ, có nhiều khái niệm khác hệ thống điện từ Chúng ta khảo sát số quan điểm sau Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty Sự thành công ngành cộng nghiệp sản xuất bán hàng thị trường giới phụ thuộc nhiều v ô Ạ kết hợp điện - điện tử va cong nghẹ tin hộc vào sản phẩm khĩ phương thức sản xuất khí Đạc tính làm viec nhiều sản phẩm như: ôtô, máy giặt việc sản xuat chung phu thuộc nhiều khả ngành công nghiệp ứng dụng kỹ thuật mơi vào sàn xuất Ranh giới điện điện tử, máy tính khí bỊ thay the bơi kết hợp chúng Sự kết hợp tiến tới hệ thống đo là: Hê thong điện từ ' Trên thực tế hệ thống điện tử khơng có định nghĩa rõ ràng Nó tách biêt hoàn toàn phân riêng biệt dược kết hợp trình thực hiên Sư ket hợp trình bày hình 1.5, bao gồm phần riêng biệt điện - điện tư khí va máy tính liên kết chúng lại lĩnh vực giáo dục đào tao công viec th t x ngành cơng nghiệp sản xuất thí trường V ực e, cac Hình 1.5 Sự liên két cùa thành phần hệ thông ca điện từ theo Bradley • Quan điêm Okyay Kaynak: Theo qua điểm cùa Okyay Kaynak, giáo sư Thổ Nhĩ Kỳ đinh nghĩa Hê Điện tử sau: y ■ gma vê thổng Mechantronics system c C——►Cognition r Process monitoring Visuatíration Perception Execution -ti-L 111 Sensor actuators Mechanical process Controlling system J Controller system Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống điện từ theo Okyay Kaynak • Quan điểm Bolton: Theo Bolton điện tử thuật ngữ hệ thống Một hệ thống xem hộp đen mà chúng có đầu vào đầu Nó hộp đen chúng gồm phần tử chứa đựng bên hộp, để thực chức liên hệ đầu vào đầu Ví dụ: mơtơ điện có đầu vào nguồn điện đầu quay trục động Hình 1.7 Cấu trúc hệ thống điện tử theo Bolton 1.3 Cấu trúc hệ thống điện tử Các phần tử cấu thành nên hệ thống điện tử: + Hệ thống thông tin + Hệ thống điện + Hệ thống khí + Hệ thống máy tính + Cảm biến + Cơ cấu tác động + Giao tiếp thời gian thực Cơ điện tư s, J Hình 1.8 Các thành phần bàn Hệ thống điện tử Giải pháp modun, thiết kế •sản phẩm điện tử: Giải pháp ca điện tử trong'thiềt kế kỹ thuật liên quan đến việc cung.cấp mơt cấu trúc có tích hạp thành hệ thống thống công nghệ khác đưac thiết lập đánh giá: So đồ khếi Về hệ thơng tồn bơ nhu vTy hên ca ^ c c t ó X dựng modun thành phần thể hình 19 y Hình 1.9 Sàn phẩm điện từ theo môđun u HÊ THỐNG CO ĐIỆN TỪĐƯỌC sử DỤNG HIỆN NAY 2.1 Phần Loại theo lĩnh vực sử dụng \ Tr°ih L b í cắt lớp, thiết bị thí nghiệm AND, nhân bàn phơi, máy chiêu cáctoại tia chụp: X, lase, coban 2 Trong công nghiệp , ly công nghiệp tự động điều khiên theo chưang trình FMS (hệ thong J ^ T n h h o r t , CAD - CAM, ngưM 13 Trong văn phòng Đ hệ thống mạng cơng tác, có sử dụng máy tính, thiêt bị vàn phịng Trong sinh hoạt gia đinh Hê thông thông tin nhà cửa, sàn phầm tiêu dùng, hệ thống bảo ■ vệ nhà cửa, ô tô, gara 10 2.2 Phân loại theo kỹ thuật hệ thống Sản phẩm đơn sản phẩm linh hoạt, thực chức đứng máy C N C 2.2.1 H ệ thống tổ hợp Các sản phẩm điện tử q trình có quan hệ cụ thể như: + Dây chuyền lắp ráp đồng hồ, lắp vỏ hộp động + Dây chuyền sản xuất tivi, máy nén khí 2.2.2 Hệ thống tích hợp Các sản phẩm điện tử thành phần có quan hệ mật thiết như: + Tự động hóa sản xuất: Hệ thống gia công linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất tíẹh hợp vi tính (CIM) + Tự động hóa cơng nghiệp dân dụng: thiết bị sản xuất lắp ráp tơ, tàu thơng minh, tịa nhà thơng m ình HI NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM C ĐIỆN TỬ 3.1 Sản phẩm điện tử Những sản phẩm ừong công nghiệp robot thông minh, robot vượt chướng ngại vật, robot hồ bơi Hình 1.10 Các sàn phẩm cùa Hệ thắng điện từ 11 - Nguyên lý hoạt động sơ đồ sau: Khi cấp nguồn điện vào mạch điều khiển v ’nguồn lượng vào hệ thống-thủy khí Xi lanh trạng thái thu ngắn Khi ấn nút điều khiển PBi cuộn hutCỊÌa cơng tắc tơ Ki cấp điện, đóng tiếp điểm Ki mạch điều khiển để trì đong thời đóng điểm điểm Ki mạch động lực cấp nguồn điện vào van VE) Van điều khiển hướng có điện đảo chiều cấp lượng vào xi lanh, xi lanh chuyển động tịnh tiến từ trái sang phải chạm vào công tắc hậnh trình LS Khi tiếp điểm thường đóng LS mạch điều khiển mở cắt nguồn vào công tắc tơ Ki, tiếp điểm thường mở Ki mờ cắt mạch trì cắt nguồn vào van VE) Van VEi đổi chiều cấp lượng Xi lanh chuyển động tịnh tiến từ phải sang trái dừng lại Muốn chuyển động hết chu trình tác động vào nút ấn PB] Trong trình xi lanh chuyển động, ấn nút PB 2, xi lanh chuyển động bên trái dừng lại Các bước tiến hành Ket nối mạch điện theo sơ đồ hình 5.62 Ket nối hệ thống thuỷ lực theo sơ đồ hình 5.63 Kiểm tra kỹ lại mạch Bật áp tô mát nguồn Bật công tắc nguồn cho động thuỷ lực hoạt động Lần lượt thao tác sau: + Ấn nút PBi + Án nút PB Theo dõi hoạt động xi lanh sau lần thao tác rút nhận xét IV Báo cáo thực hành Số thứ tự tên Mục đích thực hành Mơ tả kết thực hành: Nhận xét kết luận V Câu hỏi kiểm tra Giải thích nguyên lý hoạt động mạch điện điều khiểu mạch thủy lực BÀI TẬ P T H Ự C H À N H BÀI THỰC HÀNH SỐ 15: TH ựC HÀNH ĐIỀU KHIÊN XI LANH I Mục đích - Hiểu nguyên tắc điều khiển khống chế hành trình xi lanh theo chu trình - Đấu nối vận hành mạch điều khiển 158 II Tóm tắt lý thuyết Sơ đồ hoạt động sau: - Khi chưã cấp nguồn vào mạch điện điều khiển, xi lanh vị trí LS| LS3 lực lò xo tác động vào van điều khiên hướng, nguôn lượng câp vào cửa bên phải, cửa bên trái thông với cửa xả Do xi lanh trạng thái ngăn nhât Khi tác động vào nút ấn PBi cấp nguồn vào mạch điều khiển, xi lanh chuyển động tính tiến sang trai từ vị trí LSi tới vị trí LS2 sau xi lanh chuyển động tịnh tiến từ vị trí LS3 tói VỊ trí LS4 Khi tới vị trí LS4 xi lanh chuyển động ngược lại từ LS4 LS3 sau xi lanh chuyển động từ vị trí LS2 LS, Quá trinh lặp lại cho tói ấn nút dừng PBo XI lanh trờ lại vị trí ban đầu chưa cấp điện vào mạch điều khiển - Nguyên lý hoạt động sơ đồ biểu diễn theo thờ) gian sau (hình 5.64) III Nội dung thực hành •> TT .3 ~ Thiết bị, dụnỤH1 _ số lượng G hi 01 c h iê c - Bộ nguồn thuỷ lực - Van đảo chiều 4/2 tác động đon - Xi lanh - Nút ấn - Cơng tắc hành trình - Rơ íe trung gian — Z J Z ~ - Đồng hồ vạn - Dây nối, răc căm ^ _ - ' 01 c h iế c 01 c h iế c 02 ch iếc ch iếc 05 ch iéc 01 01 b ộ 159 Sơ đổ thực hành Hình 5.65 Sơ đồ cấp nguồn lượng +24V 160 ov Các bước tiến hành: Kết nối hệ thống thuỷ lực theo sơ đồ hình 5.65 Kết nối mạch điện theo sơ đồ hình 5.66 Kiểm tra kỹ lại mạch Bật áp tô mát nguồn Bật công tắc nguồn cho động thuỷ lực hoạt động Lần lượt thao tác sau: + ấn nút PBi theo dõi hoạt động xi lanh + ấn nút PBo theo dõi hoạt động xi lanh Theo dõi hoạt động xi lanh sau lần thao tác rút nhận xét IV Báo cáo thực hành S ố th ứ tự v tên M ụ c đ ích củ a thực hành M ô tá két thự c hành: G hi lại chi tiết tác động tưạng xày N h ậ n x é t v kết luận V Câu hỏi kiểm tra G iả i th ích n g u y ên lý hoạt động cùa m ạch điện điều khiều m ạch thúy lực C âu h ỏ i, tập thực hành C âu 1: Trinh bày cấu tạo, nguyên lý hoạt dộng cúa loại bcạn C âu 2: Trinh b y câu tạo! nguyên lý làm việc c o c íu cháp hành (dộng co xi lanh) C âu 3: Trinh bày n gu yên V làm v ile cùa c c van diều khiẻn huóng C âu 4: V ẽ n cá c kiểu k ý hiệu tác dọng vao , _ , Vnm viêc cùa phẩn tử điêu chinh, điêu khiên nguôn Câu 5: Trinh bày nguyên lý làm việc cua V lượng „Ằ ™ khiển cho xi lanh hoạt động theo giàn dả W « thời gian (hình 31 tạ Câu 7: Vẽ sơ đồ khí sơ thịri gian (hình 5.64 tạp Câu 8: Vẽ sơ đồ khí sơ 0, X L 4/2 Z ddng £ ■ điên di¿u khiển cho xi lanh hoạt động theo giản ô n ạchƠ I ^ s^ d^ng van 4/3 tác động kép di¿u khiển cho xi lanh hoại động theo gián đồ sử dụng van 5/3 tác động kép đồ thời gian (hình 5.64 tập • đjAu Jjjjên cho xi lanh thực chu Câu 9: Vẽ sơ khí sơ đo mạcn ụ sir dụng van tùy chọn, trình hoạt động theo giản đồ thời gian sau Lưu y: 161 BÀ I T Ậ P T H ự C H À N H BÀI TẬP THỰC HÀNH SỐ 16: ĐIỀU KHIÊN TAY GẮP KHÍ NÉN I Mục đích - Hiểu ngun tắc điều khiển khống chế hành trình xi lanh dùng cơng tăc hành trình kết hợp điều khiển PLC - Đấu nối vận hành mạch điều khiển II Tóm tắt lỷ thuyết - Sơ đồ hoạt động sau: - Khi tác động vào nút ấn 10.0 xi lanh đẩy đến gặp cơng tắc hành trình LS2 tự động dừng lại phát sản phẩm tay kẹp gắp vật Có thể điều chỉnh tốc độ xi lanh nhờ van tiết lưu III Nội dung thực hành ĩ Chuẩn bị dụng cụ thiết bị TT Thiết bị, dụng cụ Số lượng - Bộ nguồn khí nén 01 -V an tiết lưu 02 - Van đảo chiều 4/2 01 - Xi lanh đẩy 01 162 Ghi Thiết bị, dụng cụ TT Số lượng - Xi lanh kẹp 02 - Cơng tắc hành trình - Cảm biến tiệm cận điện dung - Bộ điều khiển PLC 01 01 01 - Đồng hồ vạn 01 10 - Dây nối, rắc cắm 01 Ghi S đồ thực hành hành trình LSi dừng Các bước tiến hành Kết nối mạch điện theo sơ đồ hình 5.67 163 Kết nối hệ thống thuỷ lực theo sơ đồ hình 5.67 Kiễm tra kỹ lại mạch Bật áp tơ mát nguồn • Bật cơng tắc nguồn cho động thuỷ lực hoạt động Lần lượt thao tác sau: + Lập trình chương trình máy tính + Load chương trình xuống PLC + Nhấn 10.0 Theo dõi hoạt động xi lanh sau lần thao tác rút nhận xét IV Báo cáo thực hành Số thứ tự tên Mục đích thực hành Mô tả kết thực hành: Nhận xét kết luận V Câu hỏi kiểm tra Giải thích nguyên lý hoạt động mạch điện điều khỉểu mạch thửy lực BÀI TẬ P T H ự C H ÀNH BÀI TẬP THỰC HÀNH SỐ 17: ĐIỀU KHIÊN ĐỘNG c SERVO I Mục đích - v ề kiến thức: + Trình bày nguyên lý hoạt động động servo + Lập trình chương trình điều khiển động servo PLC - v ề kỹ năng: + Đấu nối vận hành thành thạo mạch điều khiển + Cài đặt thành thạo thơng số cho servopack II Tóm tất lý thuyết Nhắc lại động servo 1- Đ ộ n g c - B n g đ iệ n - D â y n gu ồn (+ ) - đ ỏ ^ - D â y t ín h i ệ u - v n g h o ặ c t r ắ n g - D y n gu ồn (-) - đ en - C h iế t p - T r ụ c r a /h ộ p s ố - B n h x e / ta y n ố i vỏ - C h ip đ i ề u k h iể n 164 Hình, 5.68: động servo R/C kích thước chn điên hình dùng mơ hình máy bay xe đua # H ình 5.69: Bên cùa động servo R/C Servo bứo gồm động cơ, chuỗi bảnh giảm tôc, mạch điều khiến vón kế Động vơn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vịng kín Cả mạch điều khiển động cấp nguồn DC (thường từ 4.8 - 7.2 V) Để quay động cơ, tín hiệu số gửi tới mạch điều khiển Tín hiệu khời động động thơng qua chuỗi bánh răng, nối với vơn kê Vị trí trục vơn kê cho biêt vị trí trục servo Khi vơn kể đạt vị trí mong muốn, mạch điều khiển tắt động Như ta dự đoán, động servo thiết kế để quay có giới hạn quay liên tục động DC hay động bước Mặc dù ta có thê chỉnh động servo R/C quay Hên tục (sẽ trinh bày sau) cơng dụng động servo đạt góc quay xác khoảng từ 90° - Việc điêu khiên có thê ứng dụng để lái robot, di chuyển tay máy lên xuống, quay cảm biên đê quét khắp phòng Servo điều biến độ rộng xung Trục động servo R/C định vị nhờ vào kỹ thuật gọi điều biến độ rộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo đáp ứng dãy xung số ổn định Cụ the mạch điều khiển đáp ứng tín hiệu số có xung biến đổi từ 1-2 ms Cac xung gửi 50 lần/giây Chú ý rầng số xung ' ‘ 4* ’ ' ~ C1— ua : ki :— ">f \ /CA hồ hình 5.70 Chiều dài thay đổi xung J m sl ■ J " _ Ị_ _ 11 u ì N - —— *-l I I _ Vị trí Servo C c tài liệu thời gian H ình 5.70: Điều khiến vị trí cùa trục cùa động cách (liều chẻ độ rộng Kutìg 165 Với độ dài xung ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật gọi tỉ lệ số'- chuyển động cùa servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển Công suất cung cấp cho động bên toong servo tỉ lệ Với độ lệch vị trí trục với vị trí cần đến Nếu servo gần vị trí đích, động truyền động với tốc" độ thấp Điều đảm bảọ ràng động không vượt điểm định đến Nhưng servo xa vị trí đích truyền động với vận tốc tối đa để đến đích nhanh tốt Khi trục đến vị trí mong muốn, động giảm tốc Quá trinh tưởng chừng phức tạp diễn khoảng thời gian ngắn - servo trung bình quay 600 vịng Va - Vi giây Vì độ dài xung thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo máy thu vô tuyến thuộc hãng để đảm bảo tương thích Đổi với robot ta phải làm vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ưu Nhắc lại điều chế độ rộng xung PLC PTO/PWM Pulse Output Wizard This wizard will h e * y o u configure the P ulse Output (unction lot the S7 -2 00 and define a set ol motion profiles for y o u application T h e wrzatd w i then p la c e this configuration in y o u project Specify a Pulse Generator The S 7-200 PLC supplies two pdse generators O ne is assigned to digital output point Q 0 arid the other is assigned to digital output point Q 0.1 W hich generator would you like to configure? jodio ~ ,r] Q0 1001 ^ ¿ iiiiiii J' t£ v PTO/PWM