Giáo trình nhập môn cơ điện tử (nghề cơ điện tử trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Nhập môn điện tử môn học sở của nghề Cơ điện tử biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng và ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Cơ điện tử hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, chương có thí dụ câu hỏi/bài tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình có và cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với lượng thời gian đào tạo 30 gồm có: Chương 01 MH18-01: Tổng quan điện tử Chương 02 MH18-02: Kỹ thuật cảm biến hệ thống điện tử Chương 03 MH18-03: Xử lý thông tin hệ thống điện tử Chương 04 MH18-04: Cơ cấu chấp hành Chương 05 MH18-05: Các ví dụ điển hình Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận sự đóng góp ý kiến thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Bùi Chí Thanh Đỗ Hữu Hậu MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ Lịch sử hình thành phát triển .6 Các khái niệm .8 2.1 Cơ điện tử .8 2.2 Hệ thống điện tử 2.3 Điều khiển điều chỉnh .9 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 13 Khái niệm cảm biến .13 Các thông số đặc trưng cảm biến .13 2.1 Độ nhạy cảm biến 13 2.2 Độ tuyến tính 14 2.3 Sai số độ xác 14 2.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp 15 2.5 Giới hạn sử dụng cảm biến 15 Một số loại cảm biến thông dụng 16 3.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến .16 3.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 16 3.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 17 3.4 Một số loại cảm biến thường gặp 18 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ .20 Một số hệ đếm điển hình 20 1.1 Hệ thống số thập phân (Decimal) 20 1.2 Hệ thống số nhị phân (Binary) 20 1.3 Hệ thống số bát phân (Octal) 20 1.4 Hệ thống số thập lục phân (Hex) 21 1.5 Chuyển đổi số 21 1.6 Mã số 21 Mã hóa giải mã 23 2.1 Mã hóa 23 2.2 Giải mã .23 Một số ví dụ 24 CHƯƠNG 4: CƠ CẤU CHẤP HÀNH 27 Khái niệm CCCH 27 Kết cấu phương thức làm việc CCCH 27 Phân loại CCCH 27 3.1 Cơ cấu chấp hành điện từ 27 3.2 Cơ cấu chấp hành thủy khí 30 3.3 Cơ cấu chấp hành đặc biệt – động Servo 32 CHƯƠNG 5: CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH 33 Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS 33 Ngôi nhà thông minh .34 Robot dò đường .34 Máy điều khiển theo chương trình số CNC 35 Bài tập: 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: NHẬP MƠN CƠ ĐIỆN TỬ Mã mơn học: MH18 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị mơn học: - Vị trí: Trước bắt đầu học môn học học sinh phải học môn học, mô đun kỹ thuật sở - Tính chất: Là mơn học bắt buộc - Ý nghĩa và vai trị mơn học: Cung cấp cho sinh viên kiến thức tổng quát nghề điện tử, để tạo thích thú nghiên cứu q trình học tập Mục tiêu mơn học: - Kiến thức: + Giải thích Cơ điện tử + Giải thích yếu tố thành phần hệ thống sản phẩm điện tử - Kỹ năng: + Nhận biết loại hình thơng tin hệ thống điện tử + Phân biệt dạng sản phẩm điện tử công nghiệp - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chun mơn nghiệp vụ + Có khả đưa kết luận vấn đề chuyên môn, nghiệp vụ thông thường số vấn đề phức tạp mặt kỹ thuật + Có lực lập kế hoạch, điều phối, phát huy trí tuệ tập thể + Có lực đánh giá cải tiến hoạt động chuyên môn quy mô trung bình Nội dung mơn học: Thời gian (giờ) Thực hành, thí Số Tên mơn học Tổng Lý nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo tra luận, tập Chương1: Tổng quan điện tử 4 Lịch sử hình thành phát triển 2 Các khái niệm 2.1 Cơ điện tử ? 2.2 Hệ thống điện tử 2.3 Điều khiển điều chỉnh Chương 2: Kỹ thuật cảm biến 5 hệ thống điện tử Khái niệm cảm biến Các thông số đặc trưng cảm biến 2.1 Độ nhạy cảm biến 2.2 Độ tuyến tính 2.3.Sai số độ xác 2.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp 4 2.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Một số loại cảm biến thông dụng 3.1 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 3.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 3.3 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 3.4 Một số loại cảm biến thường gặp Chương 3: Xử lý thông tin hệ thống điện tử Một số hệ đếm điển hình 1.1 Hệ thống số thập phân 1.2 Hệ thống số nhị phân 1.3 Hệ thống số bát phân 1.4 Hệ thống số thập lục phân 1.5 Chuyển đổi số Mã hóa giải mã 2.1 Mã hóa 2.2 Giải mã Một số ví dụ Kiểm tra Chương 4: Cơ cấu chấp hành Khái niệm cấu chấp hành Kết cấu phương thức làm việc cấu chấp hành Phân loại cấu chấp hành 3.1 Cơ cấu chấp hành điện từ 3.2 Cơ cấu chấp hành thủy khí 3.3 Cơ cấu chấp hành đặc biệt – động Servo Chương 5: Các ví dụ điển hình Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS Ngôi nhà thơng minh Robot dị đường Máy điều khiển theo chương trình số CNC Bài tập Kiểm tra Cộng 2 0.5 0.5 1 1 1 30 25 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ Mã chương MH18-01 Giới thiệu: Cơ điện tử hệ thống cấu máy có thiết bị điều khiển lập trình có khả hoạt động cách linh hoạt Ứng dụng sinh hoạt, công nghiệp lĩnh vực nghiên cứu… Mục tiêu: - Trình bày lịch sử hình thành phát triển ngành điện tử - Trình bày khái niệm điện tử - Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung chính: Lịch sử hình thành phát triển Thuật ngữ Cơ điện tử (Mechatronics) giới thiệu tập đoàn Yaskawa Elektric Nhật (Tập đoàn thành lập năm 1915), đến năm 1971 tập đoàn đăng ký Mechatronics quyền họ Cơ điện tử lúc định nghĩa Mechatronics = mechanics + electronics nghĩa đơn ứng dụng điều khiển xây dựng kỹ thuật điện tử số để điều khiển khí xác Hình 1.1: Ví dụ điện tử điều khiển từ xa Năm 1982 Yaskawa Elektric chấp thuận để Mechatronics từ công chúng, nghĩa người sử dụng Mechatronics, Mechatronics biết đến từ Tiếng Anh thuật ngữ để ngành riêng biệt "Cơ điện tử" Từ đến 30 năm, Cơ điện tử phát triển nhanh chóng tất quốc gia, châu lục trở thành ngành cơng nghiệp mũi nhọn đất nước Chính phát triển nhanh chóng mà qua thời kỳ Cơ điện tử có nhiều định nghĩa khác nhau, định nghĩa sau bổ xung thêm cho định nghĩa trước Một số định nghĩa điển hình điện tử phát biểu sau: - Cơ điện tử hệ thống thiết kế chế tạo sản phẩm mà hệ thống có chức khí chức điều khiển thuật tốn tích hợp - Hệ thống điện tử máy tích hợp với hệ thống lập trình khả trình với nhận thức, hoạt động truyền thông (Royal institute of technology Thụy điển) - Cơ điện tử tích hợp cơng nghệ then chốt: Cơ khí, điện điều khiển (Louisian State University USA) - Cơ điện tử kết hợp mảng kiến thức: Cơ khí, điện tử, điều khiển máy tính (Theo giáo sư Kevin Craig USA) - Cơ điện tử kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu, thiết kế, thực bảo trì sản phẩm thiết kế thơng minh tích hợp cơng nghệ khí, điện tử, máy tính cơng nghệ phần mềm (Theo engineersaustralia.org Úc) Hình 1.2: Sơ đồ khái niệm “cơ điện tử” Cơ điện tử chưa có định nghĩa cuối khơng có giới hạn định nghĩa lẽ Cơ điện tử cách mạng khoa học kỹ thuật mà ngành ứng dụng kỹ thuật khoa học khí xác, lí thuyết điều khiển, khoa học máy tính, điện điện tử trình thiết kế để tạo nên sản phẩm có khả tương thích cao, độ tin cậy với nhiều chức Các khái niệm 2.1 Cơ điện tử Định nghĩa ban đầu cơng ty Yasakawa Electric Thuật ngữ mechatronics tạo thành “mecha” mechanics “tronics” electronics Nói cách khác, công nghệ sản phẩm phát triển ngày kết hợp chặt chẽ hữu thành phần điện tử vào cấu khó ranh giới chúng Harashima, Tomizuko Fukada đưa năm 1996 “Cơ điện tử kết hợp chặt chẽ kỹ thuật khí với điện tử điều khiển máy tính thơng minh thiết kế, chế tạo sản phẩm quy trình cơng nghiệp.” Năm 1997, Shetty Kolk quan niệm “Cơ điện tử phương pháp luận dùng để thiết kế tối ưu sản phẩm điện.” Gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa “Một hệ điện tử không kết hợp chặt chẽ hệ khí, điện khơng đơn hệ điều khiển Nó tích hợp đầy đủ hệ trên.” 2.2 Hệ thống điện tử Cũng giống điện tử, có nhiều khái niệm khác hệ thống cơ điện tử Chúng ta khảo sát số quan điểm sau Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty. Sự thành công ngành công nghiệp sản xuất bán hàng thị trường giới phụ thuộc nhiều vào khả kết hợp ĐiệnĐiện Tử công nghệ tin học vào sản phNm khí phương thức sản xuất khí Đặc tính làm việc nhiều sản phẩm xe ô tô, máy giặt, robot, máy công cụ… cũng việc sản xuất chúng phụ thuộc nhiều khả ngành công nghiệp về ứng dụng kỹ thuật vào việc sản xuất sản phẩm qui trình sản xuất Kết tạo hệ thống rẻ hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy linh hoạt so với hệ thống trước Ranh gới điện điện tử, máy tính vá cơ khí bị thay kết hợp chúng Sự kết hợp tiến tới một hệ thống là: Hệ thống điện tử. Trên thực tế hệ thống điện tử khơng có định nghĩa rõ ràng Nó được tách biệt hoàn toàn phần riêng biệt kết hợp trình thực hiện Sự kết hợp trình bày hình 5, bao gồm phần riêng biệt Điện-điện tử, khí máy tính liên kết chúng lại lĩnh vực giáo dục đào tạo, công việc thực tế, ngành công nghiệp sản xuất thị trường 2.3 Điều khiển điều chỉnh 2.3.1 Điều khiển Điều khiển tổ chức trình tiến triển theo quy luật nhằm thực mục đích định Hệ thống điều khiển: tập hợp linh kiện, máy móc theo trình tự cần thiết để thực nhiệm vụ điều khiển gọi hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển hệ thống điều khiển trực tiếp hay không trực tiếp - Hệ thống điều khiển trực tiếp hệ thống điều khiển khơng có q trình khuếch đại tín hiệu (ở cần hiểu tín hiệu từ cấu đo lường) Tín hiệu từ cấu đo lường trực tiếp tác động lên cấu chấp hành - Hệ thống điều khiển không trực tiếp (gián tiếp) hệ thống điều khiển tín hiệu từ cấu đo lường khuếch đại nhờ nguồn lượng bên đưa đến cấu chấp hành hoạt động Trong đó, hệ thống điều khiển tự động hệ thống mà q trình điều khiển thực mà khơng có tham gia trực tiếp Điều khiển theo nguyên lý mạch hở điều khiển theo tác động đặt trước (hay điều khiển theo chương trình), tức nhiệm vụ điều khiển đặc trưng lượng vào x(t) định sẵn trước cấu đặt cấu chương trình, kết điều khiển phụ thuộc vào nhiệm vụ điều khiển Ví dụ điều khiển hở: * Một hệ thống thủy lợi, lập trình để bật khoảng thời gian đặt trước có lẽ ví dụ hệ thống vịng hở khơng đo lường độ ẩm của đất để phản hồi trở lại Ngay mưa xuống, hệ thống thủy lợi làm việc theo lịch, làm lãng phí nước * Việc xác định điện áp để cung cấp cho một động điện mà mang tải cố định, để đạt tốc độ mong muốn có lẽ ứng dụng tốt điều khiển vịng hở Nếu tải khơng đốn trước được, mặt khác, tốc độ động biến đổi hàm số tải giống điện áp, điều khiển vòng hở khơng đủ khả để đảm bảo điều khiển vận tốc lặp lặp lại Một ví dụ điều hệ thống băng chuyền, yêu cầu di chuyển với vận tốc không đổi Với điện áp không đổi, băng chuyền di chuyển với vận tốc khác phụ thuộc vào tải trọng đặt vào động (ở trọng lượng vật đặt băng chuyền) Để băng chuyền chạy với tốc độ không đổi, điện áp đưa vào động phải điều chỉnh theo tải Trong trường hợp này, hệ thống điều khiển vịng kín cần sử dụng Điều khiển theo nguyên lý mạch kín hay điều khiển có phản hồi q trình điểu khiển sử dụng thông tin qua mạch phản hồi tạo thành mạch vịng kín hệ thống Q trình điều khiển có sử dụng thơng tin kết điều khiển thơng qua mạch phản hồi để tạo tín hiệu (tác động điều khiển) cấu điều khiển, tạo thành mạch vịng kín hệ thống điều khiển, gọi hệ thống điều khiển theo mạch kín hay điều khiển có phản hồi Ví dụ điều khiển kín: * Máy nướng bánh: Giả sử nung cấp nhiệt phía bánh chất lượng bánh xác định màu sắc Một sơ đồ đơn giản hố áp dụng nguyên tắc hồi tiếp cho máy nướng bánh tự động Hình 1.3: Sơ đồ máy nướng bánh tự động Ban đầu, máy nướng qui chuẩn với chất lượng bánh, cách đặt nút chỉnh màu Không cần phải chỉnh lại không muốn thay đổi tiêu chuẩn nướng Khi SW đóng, bánh nướng, phân tích màu "thấy" màu mong muốn Khi SW tự động mở, tác động đường hồi tiếp (mạch điện tử điều khiển relay hay đơn giản phận khí) Hình 1.4: Sơ đồ mạch điều khiển máy nướng bánh tự động 10 Vậy 1706(8) = 966(10) Ví dụ 4: Biến đổi số thập phân sang bát phân: Chuyển đổi 1752085(10) => ?(8) Ta có: Vậy 1752085(10) = 6536025(8) Ví dụ 5: Biến đổi số thập lục phân sang thập phân: Chuyển đổi 2A1C(16) => ?(10) Ta có: 2A1C(16) = 2.163 + 10.162 + 1.161 + 12.160 = 8192 + 2560 + 16 + 12 = 10780(10) Vậy 2A1C(16) = 10780 (10) Ví dụ 6: Biến đổi số thập phân sang thập lục phân: Chuyển đổi 1752085(10) => ?(16) Ta có: Vậy 1752085(10) = 1ABC15 (16) Câu hỏi tập: Câu hỏi : Thế mã hóa giải mã? Bài tập: Biến đổi số nhị phân sau sang thập phân: a) 10110 b) 10001101 Biến đổi số thập phân sau số nhị phân: a) 37 b) 149 c) 18526 Biến đổi số thập lục phân sau sang nhị phân: a) 4B7 b) AF23 c) 1D7A0F Biến đổi số thập phân sau sang bát phân: a) 111 b) 9763 c) 23456 Biến đổi số thập phân sau sang thập lục phân: a) 22 b) 3210 c) 2021 Hãy chuyển đổi mã số sau: a Từ mã Binary sang Hexadecimal: 111001011 b Từ mã Hexadecimal sang Octal: ED Mã hóa số thập phân dùng mã BCD : a/ 12 b/ 192 c/ 2079 d/15436 e/ 0,375 f/ 17,250 25 Những trọng tâm cần ý chương - Các hệ đếm điển hình - Cách chuyển đổi hệ đếm khác - Mã ASCII ứng dụng - Mã hóa giải mã Bài tập mở rộng nâng cao Tìm hiểu mã hóa UTF-8 (8-bit Unicode Transformation Format) Nó có ưu, nhược điểm so sánh với mã ASCII? Áp dụng bảng mã ASCII 7bit, mã hóa chuỗi kí tự “CO DIEN TU“ Yêu cầu đánh giá kết học tập chương Nội dung: - Về kiến thức: + Trình bày chuyển đổi hệ thống số đếm điển hình + Phân tích q trình mã hóa giải mã - Về kỹ năng: Phân tích ví dụ xử lý thơng tin hệ thống điện tử - Về lực tự chủ trách nhiệm: Có tác phong cơng nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật, khả làm việc độc lập phối hợp làm việc nhóm q trình thực tập Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Về kỹ năng: Phân tích ví dụ xử lý thông tin hệ thống điện tử - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập 26 CHƯƠNG 4: CƠ CẤU CHẤP HÀNH Mã chương: MH18-04 Giới thiệu: Về bản, cấu chấp hành (CCCH) phần phía sau hệ điện tử, nhận lệnh điều khiển (hầu hết dạng tín hiệu điện) sinh thay đổi hệ vật lý cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dịng chảy, v.v Thơng thường, cấu chấp hành sử dụng kết hợp với nguồn lượng cấu ghép nối Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, kết cấu phương thức làm việc CCCH - Nhận biết loại CCCH - Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung chính: Khái niệm CCCH Cơ cấu chấp hành là loại động cơ dùng để di chuyển điều khiển cấu hay hệ thống Nó vận hành nguồn lượng, điển hình dịng điện, áp lực thủy lực, áp lực khí nén, chuyển lượng thành chuyển động Một cấu chấp hành cấu mà hệ thống điều khiển tác động theo môi trường Hệ thống điều khiển đơn giản (một cấu khí cố định hệ thống điện tử cố định), dựa phần mềm (một trình điều khiển máy in, hệ thống điều khiển robot), người, đầu vào khác Kết cấu phương thức làm việc CCCH Tùy chức loại cấu chấp hành mà có kết cấu định Nhưng nhìn chung, CCCH có chung phương thức làm việc: nhận nguồn cấp, nhận tín hiệu điều khiển, xuất tín hiệu thơng qua cấu ghép nối để điều khiển thiết bị Hình 4.1: Sơ đồ phương thức làm việc CCCH Phân loại CCCH Cơ cấu chấp hành phân loại sau: Theo dạng lượng: điện, điện cơ, điện từ, thủy lực khí nén Theo dạng tín hiệu: dạng nhị phân dạng liên tục 3.1 Cơ cấu chấp hành điện từ Trong cấu chấp hành điện từ nam châm điện phận chủ yếu Nó sinh lực điện từ cần thiết cho cấu làm việc Trong cấu điện từ, nam châm điện chiều dùng phổ biến lý sau: - Làm việc không rung, ồn, Fđt = const - Khơng có tổn hao sắt từ - Dịng điện khơng phụ thuộc vào khe hở KK - Có thể dùng nguồn ắc quy để dự phòng điện 27 - Lực điện từ lớn gấp lần mạch từ xoay chiều kích thước Nhược điểm lớn nam châm điện chiều lượng từ tích lũy cuộn dây lớn, nên cắt dễ gây điện áp cao làm hỏng cách điện thiết bị điện Mặt khác hồ quang điện chiều khó dập tắt hơn, ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị đóng cắt Có nhiều dạng cấu điện từ chấp hành với chức khác nhau, sau đề cập đến số loại thông dụng Nam châm điện nâng hạ Hình 4.2: Cấu tạo nam châm điện nâng hạ Cuộn dây Mạch từ Cuộn từ Móc hàng Tấm đệm phi từ tính Cực từ ngồi Ngun lý làm việc: Nam châm điện nâng hạ nam châm điện chiều có cuộn dây mạch từ tĩnh Nắp hàng hóa cần bốc dỡ Khi đưa điện vào cuộn dây, lực điện từ hút giữ chặt hàng hóa cực từ Sau chuyển dịch đến chỗ cần thiết, cần cắt điện cuộn dây dỡ xong Đặc điểm: - Móc hàng khơng cần người, dây buộc - Bốc dỡ hàng hóa điều khiển từ xa - Có thể vận chuyển hàng hóa trạng thái nóng - Tải trọng có ích phụ thuộc kích thước hàng hóa - Fđt phụ thuộc vào bề mặt hàng hóa - Mắc ắc quy song song với nguồn điện - Đóng cắt nặng nề Van điện từ Van điện từ dùng để đóng, mở ống dẫn chất lỏng chất khí cách đóng cắt điện vào cuộn dây 28 Hình 4.3: Cấu tạo van điện từ Dây quấn Mạch từ Phần ứng (nắp) Phốt chặn Lò xo chịu nén Van Thành ống dẫn Phanh hãm điện từ Phanh hãm điện từ cấu điện từ chấp hành dùng để hãm thiết bị quay Nó phận khơng thể thiếu thang máy, cần cẩu Ngoài chức hãm, cịn dùng để đo moment động điện Hình 4.4: Phanh hãm điện từ Cuộn dây Mạch từ 29 3.Phần ứng (nắp) Lò xo chịu kéo Má phanh Bánh đà Trục quay 3.2 Cơ cấu chấp hành thủy khí 3.2.1 Ưu nhược điểm Ưu điểm: So với cấu chấp khác, cấu chấp hành thủy khí sử dụng với cơng suất cao, cấu thủy lực có cơng suất cao Nhược điểm: - Cơ cấu khí nén cần có phận cung cấp khí - Cơ cấu chấp hành thủy lực cồng kềnh, hệ số phi tuyến lớn khó điều chỉnh 3.2.2 Cơ cấu chấp hành khí nén - Xilanh chiều - Xilanh chiều - Động chiều - Động chiều 3.2.3 Cơ cấu chấp hành thủy lực Cơ cấu chấp hành dùng để biến dầu thủy lực thành theo chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Tương tự bắp cánh tay chân thể người Xylanh thủy lực motor thủy lực cấu chấp hành Xylanh thủy lực: Căn vào cấu tạo ta có Xylanh hoạt động chiều Xylanh hoạt động hai chiều: Xylanh hoạt động chiều: Hình 4.6: Cấu tạo xylanh hoạt động chiều Xylanh hoạt động hai chiều: 30 Hình 4.7: Cấu tạo xylanh hoạt động chiều Thành phần cấu tạo Xylanh gồm có: cần Piston, phết chắn dầu, Piston, vòng đệm, phết chắn bụi Động thủy lực: Động thủy lực cấu chấp hành biến dòng thủy lực áp suất cao thành chuyển động quay Có cấu tạo tương tự bơm thủy lực Điểm khác động thủy lực bơm thủy lực bơm thủy lực biến thành lượng dòng thủy lực, động thủy lực biến lượng dịng thủy lực thành Cấu tạo động thủy lực: Hình 4.8: Cấu tạo Motor thủy lực 31 3.3 Cơ cấu chấp hành đặc biệt – động Servo Động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến gọi động servo RC (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo điều khiển vơ tuyến, nối với máy thu vô tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu Hình 4.8: Động servo Câu hỏi: Câu hỏi 1: Cơ cấu chấp hành (CCCH) gì? Câu hỏi 2: Trình bày kết cấu phương thức làm việc CCCH? Câu hỏi 3: Trình bày nguyên lý hoạt động CCCH điện từ, CCCH thủy khí, CCCH động servo? Những trọng tâm cần ý chương - Định nghĩa cấu chấp hành - Các dạng cấu chấp hành thường gặp đời sống - Cấu tạo nguyên lý làm việc CCCH điện từ - Cấu tạo nguyên lý làm việc CCCH thủy khí Bài tập mở rộng nâng cao Cơ cấu chấp hành điện (xylanh điện) gì? Trình bày ưu, nhược điểm cấu chấp hành điện Nêu ví dụ cấu chấp hành dạng nhị phân cấu chấp hành dạng liên tục thực tế Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc cấu chấp hành Yêu cầu đánh giá kết học tập chương Nội dung: - Về kiến thức: Trình bày khái niệm, kết cấu va phương thức làm việc CCCH - Về kỹ năng: Nhận biết loại CCCH - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tự đánh giá mức độ hoàn thành Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm viết, trắc nghiệm - Về kỹ năng: Nhận biết loại CCCH - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập 32 CHƯƠNG 5: CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH Mã chương: MH18-05 Giới thiệu: Sự phát triển tính trội điện tử tạo cho sản phẩm hệ thống thực tốt hơn, linh hoạt hơn, thông minh chức khả vận chuyển, giao tiếp truyền thống, ngày xuất Ngày điện tử ứng dụng nhiều sản xuất công nghiệp nhiều lĩnh vực khác Các sản phẩm điện tử điển : Robotics, hệ thống sản xuất linh hoạt FMS có tích hợp CIM, hệ thống sản xuất linh hoạt dạng module (MPS), máy công cụ CNC, hệ vi điện tử… tạo nên cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày cấu trúc, đặc tính vi mạch tương tự thông dụng - Thiết kế mạch ứng dụng yêu cầu kỹ thuật - Kiểm tra, thay vi mạch tương tự đạt yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỉ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp Nội dung chính: Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) hệ thống sản xuất điều khiển tự động máy tính, có khả thay đổi chương trình điều khiển sản phẩm cách linh hoạt q trình sản xuất.Vì hệ thống FMS tự động đặt lại cấu hình để sản xuất chủng loại sản phẩm khác Đó lý biết hệ thống sản xuất linh hoạt Khái niệm sản xuất linh hoạt biết đến lần vào năm 1965 công ty British firmMolins, Ltd đưa sản phẩm với tên gọi System 24 System 24 hệ thống FMS thật Tuy nhiên hệ thống phát triển thêm cơng nghệ tự động hố cơng nghệ thơng tin cịn chưa phát triển nên hỗ trợ cho phát triển hệ thống Khái niệm sản xuất linh hoạt bị quên lãng Tuy nhiên vào năm 70 đầu thập kỷ 80, với phát triển nhảy vọt công nghệ thông tin ứng dụng công nghệ thông tin sản xuất mà sản xuất linh hoạt phát triển trở lại với tốc độ đáng kinh ngạc Hệ thống sản xuất linh hoạt sử dụng lần Mỹ để sản xuất ôtô máy kéo Như vậy, hệ thống sản xuất linh hoạt nói chung gồm có phần sau: - Thiết bị xử lý trung tâm gia công, trạm lắp ráp, robot - Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu ví dụ robot, băng chuyền… - Một hệ thống truyền thông - Một hệ thống điều khiển máy tínhTrong sản xuất linh hoạt, máy gia cơng tự động tiện, phay, khoan,…và hệ thống vận chuyển nguyên liệu tự động giao tiếp với thông qua mạng máy tính Hình 5.1: Hệ thống sản xuất linh hoạt MFS 33 Ngôi nhà thông minh Nhà thông minh là kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử điều khiển hoặc tự động hố hoặc bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc giao diện web Hình 5.2: Ngơi nhà thơng minh Robot dị đường Robot loại máy có thể thực cơng việc cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử lập trình Robot tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường một hệ thống cơ khí-điện tử Với xuất chuyển động mình, robot gây cho người ta cảm giác giác quan giống người Từ "robot" thường hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động Về lĩnh vực robot, Mỹ Nhật Bản nước đầu giới lĩnh vực Robot dị đường Robot dị đường loại robot theo đường vẽ băng dính đen Thật ra, robot dò đường biến thể đặc biệt robot hướng sáng Sở dĩ nói chúng có nguyên tắc hoạt động sử dụng cảm biến quang điện (quang trở diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ điều chỉnh hướng thích hợp Tuy nhiên, robot dị đường, cảm biến bố trí gần mặt đường nguồn sáng để so sánh lúc robot tạo Nhưng đâu lại có sai lệch cường độ sáng Câu trả lời nằm đường vẽ, đường vẽ có tính chất khác với xung quanh, thường có màu đen để hấp thụ ánh sáng Khi robot lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát từ robot không phản xạ lại bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ phần làm sai lệch độ sáng cảm biến Việc cịn lại thiết kế cho robot có hành vi khắc phục sai lệch ta có loại robot theo đường vẽ 34 Hình 5.3: Robot dị đường Máy điều khiển theo chương trình số CNC Hình 5.5: Máy CNC điều khiển theo chương trình số CNC (Computer Numerical Control) là dạng máy NC điều khiển tự động có trợ giúp máy tính, mà phận tự động lập tình để hoạt động theo kiện tiếp nối với tốc độ xác định trước để tạo mẫu vật với hình dạng kích thuốc yêu cầu Phân loại máy CNC: Các máy CNC có thể phần chia theo loại theo hệ thống điều khiển: - Theo loại máy tương tự máy công cụ truyền thống, chia loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC…và trung tâm gia cơng CNC Các trung tâm CNC có khả thực gia công nhiều loại bề mặt sử dụng nhiều loại dụng cụ khác Phân chia theo hệ điều khiển phân loại: + Các máy điều khiển điểm tới điểm máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập… + Các máy điều khiển đoạn thẳng: các máy có khả gia cơng qua trình thực dịch chuyển theo trục + Các máy điều khiển đường: bao gồm máy 2D, 3D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 4D, 5D Chương trình điều khiển số CNC là hệ điều khiển lập trình ghi nhớ, bao gồm máy tính cấu thành từ vi xử lý kèm theo phận ngoại vi Các chương trình CNC hàm logic lưu vi mạch máy tính đặc biệt (các thanh ghi nhớ máy tính) dạng các phần mềm thay vì được nối kết cứng (nối dây) 35 Đặc trưng máy điểu khiển số CNC: - Tự động hóa cao - Tốc độ dịch chuyển tốc độ quay lớn - Độ xác cao - Nâng suất gia cơng cao - Tính linh họat cao - Tập trung ngun cơng cao - Máy CNC như máy cắt dây CNC, máy tiện CNC, máy phay CNC thường có chi phí lớn Ưu điểm máy điều khiển số so với điều khiển thường: - So với máy công cụ điều khiển tay, kết làm việc máy CNC không phụ thuộc tay nghề thợ Người điều khiển máy đóng vai trị theo dõi kiểm tra chức họat động máy - So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng máy CNC có tính linh họat cao việc lập trình gia cơng, tiết kiệm thời gian chỉnh máy, hiệu kinh tế cao với sản xuất loại nhỏ - Phương thức làm việc với hệ thống xử lý thơng tin “điện tử số hóa” cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số phạm vi tồn xí nghiệp, dễ dàng để mở rộng từ động hóa q trình sản xuất Bài tập: Bài tập 1: Phân tích hệ thống robot ứng dụng cơng nghiệp Ví dụ: Hệ thống ROBOT hàn ứng dụng công nghiệp Cấu tạo: Hệ thống gồm phần: Cánh tay robot (Manipulator): Cơ cấu khí ROBOT gồm khâu động, khớp tạo cấu gồm bậc tự Ở khớp động servo với kích thước cơng xuất khác Bộ điều khiển AX21 (Controller AX21): Bộ điều khiển gồm CPU AX21 với cổng hộp điều khiển bang tay (Teach pendant) hộp thuật toán (Operation Box) Thiết bị hàn hồ quang: Thiết bị hàn bao gồm: súng hàn gắn vào khâu cuối cánh tay robot, phận điều khiển khí hàn, nguồn hàn DTC-DM350, bình khí hàn hệ thống dây hàn Hình 5.4: Robot hàn OTC Daihen AII-V6 36 Nguyên lý hoạt động hệ thống Đầu tiên, hệ thống nhận lệnh điều khiển tự hộp điều khiển tay hộp thuật tốn, CPU nhận lệnh xử lí Sau đưa lệnh điều khiển động servo hệ thống hàn để có đường hàn theo ý muốn, động servo điều khiển góc quay xác, kết hợp đồng thời động tạo cho quỹ đạo chuyển động đầu súng hàn theo ý muốn Phạm vi ứng dụng hệ thống Ngày nay, robot công nghiệp ứng dụng rộng rãi, đặc biệt công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng Theo thống kê cho thấy, robot công nghiệp chủ yếu robot hàn robot lắp ráp, robot hàn chiếm 25%, robot lắp ráp chiếm 33% robot giới Hệ thống robot hàn OTC Daihen AII-V6 ứng dụng hàn TIG/MIG/MAG/CO2 ứng dụng cắt Plasma, ngồi hệ thống ứng dụng để nâng đồ vật OTC Daihen AII-V6 trang bị cho dây chuyền sản xuất oto xe máy sản phẩm khí, tự động Với đặc thù công nghiệp hàn nguy hiểm, độc hại địi hỏi độ xác cao nên robot hàn giải pháp thay cần thiết cho việc hàn thủ công Khi sử dụng robot việc hàn, đặc biệt hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong khơng gian cần phải đảm bảo cho điều phương hướng khoản cách điện cực so với mặt phẳng mối hàn Nhiệm vụ xem xét tổng hợp chuyển động bàn kẹp xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi Kinh nghiệm cho thấy thực tốt cơng việc thông số chuyển động đầu điện cực chế độ hàn điều khiển chương trình thống nhất, đồng thời trang bị phận cảm biến, kiểm tra điều chỉnh Ngoài robot hàn phát huy tác dụng lớn hàn môi trường đặc biệt Bài tập 2: Phân tích nguyên lý hoạt động ứng dụng điện tử nhà thông minh Bài tập 3: Phân tích nguyên lý hoạt động robot dò đường ứng dụng thực tế Bài tập 4: Phân tích nguyên lý hoạt động máy điều khiển theo chương trình số CNC sử dụng công nghiệp Những trọng tâm cần ý chương - Hệ thống sản xuất linh hoạt ứng dụng thực tế đời sống - Cấu trúc nhà thông minh nguyên lý điều khiển nhà thông minh - Robot dò đường ứng dụng thực tế đời sống - Máy điều khiển theo chương trình số CNC loại máy CNC công nghiệp Bài tập mở rộng nâng cao Cho ví dụ số ứng dụng hệ thống điện tử y học Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống Nêu ví dụ số loại robot thông minh chế tạo giới lĩnh vực mà chúng phục vụ Yêu cầu đánh giá kết học tập chương Nội dung: - Về kiến thức: Trình bày ứng dụng điện tử - Về kỹ năng: Nhận biết hệ thống điện tử 37 - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tự đánh giá mức độ hoàn thành Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Về kỹ năng: Nhận biết hệ thống điện tử - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập Điều kiện hồn thành mơn học để dự thi kết thúc môn học: + Người học tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ buổi học thực hành + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10 + Người học có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở người học phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc môn học theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt môn học đào tạo: + Người học công nhận cấp chứng nhận đạt mơn học có điểm trung bình môn học theo thang điểm 10 đạt từ 4,0 trở lên 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hệ thống Cơ điện tử, Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Bạch Dương - ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh, 2007 [2] Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering, William Bolton, 2015 [3] Einfuehrung in die Mechatronik, B.G Teubner Stuttgart, 1997 [4] Cơ điện tử, Nguyễn Văn Khang, Nxb KH &KT, 2008 [5] Fundamentals of Mechatronics, Musa Jouaneh, 2012 39