Bài giảng thiết kế hệ thống cơ điện tử

Thiết kế hệ thống cơ điện tử, sách dành cho sinh viên khoa cơ điện tử

Giảng viên:Th.s Nguyễn Minh Tuấn

Bộ Môn: Cơ điện tử- Khoa cơ khí

Đại học bách khoa Tp.HCM Email: minhtuandavi@yahoo.com(Mechatronics System Design)

NỘI DUNG

Mục tiêu của môn học:

Môn học giới thiệu các thành phần cơ bản hình

thành nên hệ thống Cơ điện tử, phương pháp

thiết kế hệ thống cơ điện tử đối tượng cụ thể,

những ứng dụng cụ thể của các hệ thống và sản phẩm cơ điện tử.

Các hiểu biết, các kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học

 Kiến thức: Nắm vững các thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu

tố hình thành hệ thống Cơ điện tử Tiệm cận một phương pháp

thiết kế “phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử”.

 Kỹ năng nhận thức: Nhận biết được mối liên kết giữa các thành

phần trong hệ thống cơ điện tử;

 Kỹ năng chuyên môn: kỹ năng phân tích, thiết kế sản phẩm cơ

điện tử

 Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này

để tiếp cận các hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau.

NỘI DUNG (tt)

đề 20%, thí nghiệm 10%)

 [1] Devdas Shetty-Mechatronics system design 1997

 [2] Robert H Bishop – The Mechatronics Handbook

 [3] W.botlton – Mechatronics – Electronic Control

systems in mechanical engineering 1995

 [4] D.A Bradley - Mechatronics – Electronic in product and processes – chapman & Hall 1993

Lý thuyết thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Báo cáo chuyên đề

T ng quan v c i n t ổng quan về cơ điện tử ề cơ điện tử ơ điện tử điện tử ện tử ử

6 Oân tập

Đề tài tiểu luận

Nguyễn quang nghĩa Nguyễn đức thành Vương đình tuấn

Tuần 6

2 Robot lau kính nhà cao tầng Phạm trường sơn

Lê nhật toàn Tưởng anh tuấn Nguyễn lê minh huy

6

3 Máy tập luyện tennis Nguyễn hồng duy bằng

Chung quốc huy Nguyễn lê hồng vũ Nguyễn việc dung

7

4 Walking robot (loại 6 chân) Nguyễn đỗ trung chánh

Triệu đình công Đinh việt khánh Cao trần đức

7

Đề tài tiểu luận

5 Robot song song (hexapod) Trần tân khoa

Võ thuận lâm Nguyễn thái duy Cao đình điền

8

6 Bãi giữ xe tự động Lưu triều hiệp

Lương quốc anh Lê hữu nam Bùi quốc vũ

8

7 Thiết kế máy chỉnh hình (máy kéo cột sống) Đậu văn hoàn

Nguyễn phi bình Phạm trần kiên Võ quang đúng

9

lộc Trương tấn lộc Võ minh thịnh Đỗ ngọc bình phương

9

Đề tài tiểu luận

9 Máy bán hàng tự động Phạm ngọc lợi

Mạch quang thành Đào duy tân

Lê quang hoàn

10

Đinh nam nga Phan thành tấn Phạm bá ngọc

10

11 Hệ thống xử lý nước thải Lê minh đức

Nguyễn trọng hiền Trần thiện bách Phạm quốc huân

11

12 Tay máy gắp sản nhựa Đoàn phúc trí

Nguyễn bá từ Nguyễn viết thành Trần minh nhật

11

Đề tài tiểu luận

13 Thiết kế máy tập luyện thể thao toàn năng Phạm ngọc khuê

Lưu đức anh Phan thanh bình Võ thanh huệ

Tuần 12

Trần thái sơn Nguyễn văn hòa Nguyễn thiên trung

Đặng trường côn

Tuần 12

tổng quan về cơ điện tử

chương 1

Khái niệm Cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric : “ Thuật ngữ Mechatronics( cơ điện tử ) được tạo thành bởi “mecha” trong mechanism (cơ cấu) và “tronics” trong electronics (điện tử) Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng.”

1.1 KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

 Một định nghĩa khác về Cơ điện tử thường hay được nói tới do Harashima, Tomizuka va Fuduka đưa ra năm 1996 : “ Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong

thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình công

nghiệp.”

định nghĩa khác như sau : “ Cơ điện tử là sự áp dụng

tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý.”

phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện.”

Và gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa : “ Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển; nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả các hệ trên.”

 Tất cả những định nghĩa và phát biểu trên về

Cơ điện tử đều xác đáng và giàu thông tin, tuy nhiên bản thân chúng, nếu đứng riêng lẻ lại không định nghĩa được đầy đủ thuật ngữ Cơ điện tử.

 Ngoài ra còn co các định nghĩa khác về cơ điện tử như:

  Chico state university:

 Là lĩnh vực nghiên cứu mà nó kết hợp những nguyên tắc chủ yếu của

cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính

 Là khoa học mà nó thống nhất giữa cơ khí và điều khiển điện tử

  Inductrial Research and Development Advisory Committee of the

European [Alciatore 1998]:

 Là sự liên kết hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác, điều khiển điện tử và hệ thống tư duy trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất

  Introduction to mechatronic and meaurement systems (book):

 Là lĩnh vực kỹ thụât liên nghành thực hiện việc thiết kế sản

phẩm dự trên sự sát nhập các phần tử cơ khí và điện tử được

phối hợp bởi một cấu trúc điều khiển.

  Journal of mechatronics:

 Là sự liên kết hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác , điều khiển điện tử và hệ thống tư duy trong thiết kế tư duy và các quá trình sản xuất.

  Loughborough university (United Kingdom):

 Cơ điện tử là trí tuệ thiết kế mà nó sử dụng một khối thống nhất kết hợp của cơ khí, điện tử và kỹ thuật máy tính làm nâng cao chất lượng sản phẩm, quá trình hoặc hệ thống.

  ME magazine:

 “Là tác dụng hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác, lí thuyết điều khiển, khoa học máy tính, cảm biến cơ cấu tác động, để thiết kế sản phẩm và cải tiến quá trình” “ứng dụng của công nghệ mới nhất trong kỹ thuật cơ khí chính xác, lý thuyết điều khiển, khoa học máy tính và điện tử vào việc thiết kế các quá trình tạo ra các sản phẩm đa chức năng hơn và đáp ứng nhu cầu tiêu dùng”.

nghành trên luôn hổ trợ và tăng cường lẩn nhau một cách không ngừng.

  Mechatronics –Electromechanics and Controlmechanics (Miu 1990):

 Là lĩnh vực liên nghành mà nó bao gồm đồng thời cơ khí, điện tử và sự điều khiển bằng máy tính – hệ thống giao tiếp cơ điện.

  Mechatronics – Electronic control systems in mechanical

engineering (Bolton 1995)

 Là sự kết hợp giữa điện tử, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật cơ khí

  Mechatronics – Electronics in products and processes [Bradley

1994]:

 L à lĩnh vực tích hợp trong quá trình thiết kế kết hợp giữa kỹ thuật điện tử, máy tính và kỹ thuật cơ khí

  Mechatronics – Mechanical system interfacing [Auslander 1994]:

 Là sự ứng dụng của các khả năng phức tạp đối với sự hoạt động của các hệ thống vật chất

  Mechatronics engineering (book):

 Là hoạt động trước khi lập kế hoạch liên quan đến cơ khí, điện tử và phần mềm vào vòng đời sản phẩm trong hoạt động đồng thời của quá trình phát triển

  Mechatronics system design (shetty 1998):

 Phương thức được dùng cho thiết kế tối ưu hóa các sản phẩm điện cơ

  North Carolina state university course:

 Là sự liên kết hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác, điều

khiển điện tử và hệ thống tư duy trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản suất thông minh

  University of California at Berkeley:

 Là sự tiếp cận linh hoạt, đa kỹ thuật trong sự kết hợp của kỹ thuật

cơ khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin

  University of Linz:

 Hệ thống kỹ thuật vận hành một cách máy móc với sự phản hồi tới một vài bộ phận chủ yếu nhưng với nhiều hoặc ít sự hổ trợ đắc lực của điện tử cho các cơ cấu cơ khí

  University of Twente (the Neherlands):

 Là công nghệ mà nó kết hợp cơ khí với điện tử và công nghệ thông tin để hình thành trường tích hợp và tương tác trong các chi tiết,

môdun, sản phẩm và hệ thống



 University of Washington:

 Sự nghiên cứu tổng hợp của thiết kế hệ thống và sản phẩm mà

trong đó sự tính toán, cơ khí hóa, sự tác động, cảm biến và điều

khiển được kết hợp với nhau để đạt được chất lượng và tính năng của sản phẩm tiên tiến

  Virginia polytechnic institute:

 Cơ điện tử liên quan đến sự kết hợp của cơ khí, điện tử, phần mềm, và kỹ thuật lý thuyết điều khiển vào trong một khung công việc hợp nhất mà nó làm tăng cường quá trình thiết kế

 Đối với Takashi Yamaguchi, người làm việc ở phòng kỹ thuật cơ khí Cty Hitachi ở Ibaraki Nhật Bản thì cơ điện tử là “một phương pháp luận cho việc thiết kế những sản phẩm mà được tung ra nhanh trên thị trường, có đặc tính chính xác Những đặc tính này có được vì sản phẩm

không chỉ mang yếu tố thiết kế cơ khí mà còn là sử dụng điều khiển servo, cảm biến và điện tử” Ông cũng nói thêm rằng, nó cũng rất quan trọng để làm cho cấu trúc cứng vững Các ổ đỉa máy tính là ví dụ của sự ứng dụng thành công cơ điện tử: “đĩa ghi được yêu cầu cung cấp sự truy cập rất nhanh, vị trí chính xác và độ cứng vững tốt để chống lại những tác động nhiễu biến đổi”.

 Đối với Giorgio Rizzoni, phó giáo sư cơ khí ở Đại học bang Ohio tại Columbus thì “cơ điện tử là sự hội tụ của phương thức thiết kế truyền thống với cảm biến và khí cụ đo kiểm, truyền dộng, kỹ thuật cơ cấu tác động được gắn vào hệ thống vi xử lí thời gian thực” Ông nói:

những sản phẩm cơ điện tử thể hiện những tính chất đặt biệt nào đó, bao gồm sự thay thế nhiều chức năng cơ khí với những chức năng điện tử mà nó mang đến sự thiết kế, lập trình dể dàng và linh hoạt hơn, khả năng bổ sung những điều khiển được sắp xếp trong hệ thống phức tạp và khả năng điều khiển sự xuất nhập dữ liệu tự động.

 Đối với Masayoshi Tomiyuka giáo sư cơ khí ở Đại học California, Berkeley: “ cơ điện tử thật sự không là gì cả nhưng là một công cụ thiết kế tốt Ý tưởng cơ bản là ứng dụng những phương pháp điều khiển mới để tạo ra những đặc tính mới từ thiết bị cơ khí Nó có nghĩa là sử dụng kỹ thuật hiện đại có giá trị thật sự để cải tiến đặc tính và tính linh hoạt của sản phẩm và quá trình sản xuất.

 Ngoài những định nghĩa tương tự như trên, khái niệm về cơ điện tử còn được thể hiện bằng hình ảnh, một hình thức khái niệm trực giác hơn Giáo sư Kevin Craig – Đại học Rensselaer (Mỹ) mô tả khái niệm bằng hình như sau :

Hình 1.1 Các thành phần tích hợp trong cơ điện tử

 Ơû Viêt Nam PGS TSKH Ph m Th ng Cát đã ạm Thượng Cát đã ượng Cát đã định nghĩa cơ điện tử như sau:

 “Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học và cơng nghệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học cơng nghệ nhằm hồn thiện,

thơng minh hố tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm và cơng cụ phục vụ cho con người”

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Cũng giống như cơ điện tử, có nhiều khái niệm khác nhau về hệ thống cơ điện tử Chúng ta hãy khảo sát qua một số quan điểm sau của Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty.

 Quan điểm của Bradley

 Sự thành công của các nghành công nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp của điện –điện tử và công nghệ tin học vào trong các sản phẩm

cơ khí và các phương thức sản xuất cơ khí Đặc tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại – xe ôtô, máy giặt, robot, máy công cụ…-cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất nhiều khả năng của các nghành công nghiệp về ứng dụng những kỹ thuật mới vào trong

việc sản xuất sản phẩm và các quy trình sản xuất Kết quả là đã tạo

ra một hệ thống rẻ hơn, đơn giản hơn đáng tin cậy hơn và linh hoạt hơn so với các hệ thống trước đây Ranh giới giữa điện – điện tử, máy tính và cơ khí đã dần dần bị thay thế bởi sự kết hợp giữa

chúng Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống mới: Hệ thống

cơ điện tử

 Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng Nó được tách biệt hoàn toàn ở các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện Sự kết hợp này được trình bày ở hình 1.2, bao gồm các phần riêng biệt điện - điện tử , cơ khí và máy tính và sự liên kết chúng lại trong các lĩnh vực như giáo dục – đào tạo, công việc thực tế,các nghành công nghiệp sản xuất và thị trường.

Giáo dục và đào tạo

Điện –điện tử

Hình1.2 Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử theo Bradley

 Quan điểm của Okyay Kaynak

 Theo Okyay Kaynak, gíao sư đại học ở Thổ Nhị Kỳ thì hệ thống cơ điện tử được khái niệm theo hình sau:

Controller system

Process

monitoring

visualiration

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo quan

điểm của Okyay Kaynak

 Quan điểm của Bolton

 Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ

thống Một hệ thống có thể được xem như một cái hộp đen mà chúng có một đầu vào và một đầu ra Nó là một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên trong hộp, để thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra Ví dụ như : cái môtơ điện có đầu vào là

nguồn điện và đầu ra là sự quay của trục động cơ.

Môtơ Đầu vào

Nguồn điện Sự quay của trục

Đầu ra

 Một hệ thống đo lường có thể xem như một cái hộp màu

đen, mà chúng có thể đo lường Chúng có đầu vào là giá

trị cần đo và đầu ra là giá trị đo được Ví dụ hệ thống đo

nhiệt độ, nhiệt kế có đầu vào là nhiệt độ đầu ra là số chỉ

trên thang đo

Nhiệt kế

Nhiệt độ Số chỉ trên thang đoMột hệ thống điều khiển có thể xem như một cái hộp màu đen dùng để điều khiển, đầu ra của nó là những giá trị đặc biệt Ví dụ : một hệ thống điều khiển nhiệt độ có đầu vào là nhiệt độ môi trường và đầu ra là nhiệt độ mong muốn

Nhiệt kế Nhiệt độ Giá trị nhiệt độ cài đặtmôi trường

 Quan điểm của Shetty

 Như Bradly đã nói ở trên “trên thực tế cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng” Vậy bằng cách nào ta phân biệt được hệ thống cơ điện tử với các hệ thống khác? Chúng ta sẽ được hướng dẫn rõ ràng hơn về vấn đề này trong phần đưới đây (theo sách Mechatronic

System Design của Shetty)

 Từ nhiều năm trước đây người ta đã thiết kế và ứng dụng

thành công những hệ thống đa lĩnh vực Một trong các hệ thống

được sử dụng phổ biến nhất là hệ thốngcơ điện Hệ thống này

thường sử dụng thuật toán máy tính để điều khiển hoạt động chấp hành của hệ thống cơ và điện tử làm nhiệm vụ giao tiếp thông tin qua lại giữa máy tính và hệ thống cơ khí

 Như vậy hệ thống đa lĩnh vực cũng có cấu trúc giống như hệ

thống cơ điện tử mà ta đã đề cập Vậy sự khác nhau giữa hệ thống

cơ điện tử và hệ thống đa lĩnh vực là gì?

  Điểm khác nhau giữa hệ thống cơ điện tử và hệ thống đa lĩnh

vực không phải ở các thành phần cấu tạo nên chúng mà là ở trình tự mà chúng được thiết kế [Shetty] Trước đây những hệ thống đa

ngành sử dụng phương thức thiết kế trình tự, theo từng lĩnh vực riêng biệt Ví dụ như thiết kế một hệ thống cơ điện thì người ta luôn thực hiện theo trình tự sau: đầu tiên là thiết kế hệ thống cơ, khi hệ thống cơ đã hoàn tất người ta mới thiết kế các mạch điều khiển và mạch công suất ở phần điện và cuối cùng là thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ thống Mặt hạn chế lớn nhất của phương pháp thiết kế này là việc cố định các quá trình thiết kế ở từng lĩnh vực riêng biệt đã tạo nên những ràng buộc mới (ràng buộc phát sinh), kết quả là phần thiết kế trước luôn ảnh hưởng áp đặt lên phần thiết kế phía sau Nhiều kỹ sư hệ

thống đã quen thuộc với câu nói dí dỏm sau:

 “Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ, sau đó mang nó đến cho người thợ sơn sơn nó và người kỹ sư hệ thống điều khiển sẽ lắp bộ điều khiển cho nó”

 Phương pháp thiết kế cơ điện tử được đặc trên kỹ thuật đồng thời thay cho kỹ thuật trình tự

 

 Trong ngành kỹ thuật hệ thống thì kỹ thuật đồng thời được ứng

dụng trong các giai đoạn thiết kế cơ sở (thiết kế sơ bộ) Ở một khía cạnh nào đó thì cơ điện tử chính là sự mở rộng của ngành kỹ thuật hệ thống, nhưng nó được bổ xung thêm hệ thống thông tin nhằm tạo sự thuận lợi trong quá trình thiết kế và kỹ thuật đồng thời được áp dụng ở tất cả các giai đoạn thiết kế chứ không phải chỉ ở giai đoạn thiết kế cơ sở

Nhìn chung hệ thống Cơ Điện Tử được cấu thành

bởi các yếu tố sau :

Sự hình thành và phát triển hệ thống cơ điện tử

1.3 SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ

 Sản phẩm của cơ điện tử là sản phẩm của nền công

nghệ kỹ thuật cao, là kết quả của sự vận dụng thành

công từ khái niệm cơ bản của hệ thống cơ điện tử Sản

phẩm cơ điện tử luôn thể hiện những đặc tính vượt trội

hơn các sản phẩm truyền thống khác Các đặt tính đó có thể là một hay nhiều hơn các đặc tính sau:

+ Thể hiện sự tác động qua lại giữa cơ khí với điện tử và kỹ thuật thông tin trong các chức năng làm việc.

+ Thể hiện tính linh hoạt và thích ứng cao với các điều kiện môi trường khác nhau.

+ Là kết quả của chức năng điều khiển một cách thông minh.

+ Thể hiện tính chính xác và kinh tế cao mà không phải với bất cứ sản phẩm nào cũng có được.

+ Mang tính đồng bộ và đồng loạt cao, được thiết kế theo cấu trúc nên dể dàng mở rộng và phát triển lên mức cao hơn.

 Ngày nay, với yêu cầu ngày càng cao của xã hội như sản phẩm phải thể tính linh hoạt, an toàn, tiện dụng, có tính năng hoạt động thông minh, độ tin cậy cao và giá thành hạ… thì cơ điện tử chính là giải pháp hoàn hảo cho các yêu cầu trên.

 Sản phẩm cơ điện tử luôn hướng đến yêu cầu đơn

giản hóa trong sử dụng, thực hiện các chức năng thay

thế con người và điều này chính là độ phức tạp trong

quá trình thiết kế Vì vậy việc thiết kế các sản phẩm hay tiến trình xử lý cơ điện tử là kết quả của sự rèn luyện trí óc ở nhiều khía cạnh.

 Các sản phẩm cơ điện tử tiêu biểu bao gồm:

 camara điện tử, ổ đĩa cứng ở máy tính, các robot công nghiệp, máy đo tọa độ 3 chiều, máy hát CD, máy photocopy, máy Fax, Mouse, robo chiếu sáng, robo dịch chuyển, camara tự động …

 Những loại xe trước đây đơn thuần chỉ là các kết cấu cơ khí chính xác và mọi hoạt động của xe phụ thuộc hoàn toàn

vào người điều khiển Khi lái xe, người điều khiển phải tập trung cao độ dẫn đến tình trạng mệt mỏi, mất tập trung dễ gây tai nạn, mặt khác tình trạng ô nhiễm khói bụi từ xe hơi cũng đáng để quan tâm Chính vì vậy các nhà sản xuất ô tô

cố gắng giảm bớt căng thẳng và tạo tiện lợi cho người điều khiển ô tô, họ kết hợp khéo léo các hệ thống điện, điện tử, công nghệ tin học, kỹ thuật lập trình, các thuật toán điều khiển lại với nhau Kết quả là các loại ô tô ngày càng thông minh, tiết kiệm nhiên liệu, gon gàng và đẹp mắt, và công việc phối hợp và đưa các công nghệ mới vào các loại ô tô

đã hình thành nên một ngành mới: " Cơ điện tử ô tô".

 hệ thống phanh chống bó(ABS)ở nhiều phương tiện di động mục đích của động cơ này là nhằm ngăn chặn việc bó cứng một bánh xe và như vậy sẽ tránh cho lái xe mất điều khiển hướng lái do bị trượt.