tài liệu hướng dẫn môn học cơ điện tử chọn lọc 2014

1.1.18[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động học trong thiết kế và trong điều khiển vận hành của một hệ cơ điện tử?. 1.1.19[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động lực học tron

LỜI MỞ ĐẦU

Nhiệm vụ chuyên môn là phần công việc dành cho Sinh viên thực hiện ngoài giờ lên lớp, đây là những kiến thức có quan hệ chặt chẽ đến môn học mà giảng viên yêu cầu sinh viên phải tìm hiểu qua nhiều tài liệu tham khảo khác nhau để bổ trợ kiến thức cho bản thân Tất cả các câu hỏi, bài tập và nhiệm vụ được thực hiện trên một cuốn vở ghi chép riêng ngoài vở ghi bài trên lớp và được kiểm tra đánh giá định kì

Mỗi câu hỏi , bài tập hay nhiệm vụ chuyên môn được đánh số theo ký hiệu gồm 2 phần, phần số bên ngoài dấu ngoặc vuông thể hiện vị trí câu hỏi, bài tập hay nhiệm vụ chuyên môn thuộc chương, mục nào, phần số trong ngoặc vuông mô tả khối lượng qui đổi của nhiệm vụ sang đơn vị là một bài tập thương

Ví dụ: 1.2.3[2] có nghĩa là nhiệm vụ này là nhiệm vụ thứ 3 trong mục 1.2 và có khối lượng qui đổi là 2 bài tập thường

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Câu hỏi lý thuyết:

1.1.1[1] Cơ điện tử là gì? Các thành phần cơ bản cấu thành khái niệm này?

1.1.2[1] Thế nào là một sản phẩm cơ điện tử, nêu các tiêu chí nhận biết Thế nào là mức

độ tích hợp của một sản phẩm cơ điện tử, cho một vài ví dụ

1.1.3[1] Trình bày cấu trúc nguyên lý của một sản phẩm Cơ điện tử dưới dạng sơ đồ khối Trình bày sự hình thành các nguồn tín hiệu trong sơ đồ trên và diễn giải quá trình hoạt động của chúng (truyền đi và được xử lý như thế nào?)

1.1.4[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của Hệ thống đo trong các hệ thống Cơ điện

tử? Các quá trình xử lý tín hiệu trong hệ thống đo

1.1.5[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của khối Cơ cấu chấp hành trong các hệ thống

Cơ điện tử? Phân tích rõ đặc điểm về mặt cấu trúc của khối Cơ cấu chấp hành

1.1.6[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của Bộ điều khiển trong các hệ thống Cơ điện

1.1.9[1] Phân tích cấu trúc hệ thống phanh ABS?

1.1.10[1] Phân tích cấu trúc Hệ thống phun xăng điện tử?

1.1.11[1] Các chức năng của một hệ cơ điện tử gồm chức năng động học, chức năng động lực học và chức năng cơ điện tử, hãy kể tên các bài toán cơ bản trong tổng hợp cấu hình tương ứng của hệ cơ điện tử, nội dung hay những điểm cần đạt được trong các bài toán đó

1.1.12[1] Thông tin điều khiển toàn diện một hệ thống cơ điện tử được khởi tạo từ đâu, được xử lý và gia công như thế nào trong hệ, cho ví dụ

1.1.13[1] Thế nào là một tế bào của hệ thống sản xuất tự động linh hoạt, các tế bào của

hệ thống tương tác với nhau như thế nào?

1.1.14[1] So sánh các điểm căn bản của sản phẩm cơ điện tử với một sản phẩm cùng chức năng khác nguyên lý hoạt động, sử dụng kiểu bảng liệt kê

1.1.15[1] Khi nào một hệ thống chấp hành được coi là hệ servo, cơ sở để đảm bảo sự chính xác trong thực hiện các nhiệm vụ công nghệ của một hệ servo và một hệ không servo khác nhau như thế nào?

1.1.16[1] Thế nào là một tế bào sản xuất tự động linh hoạt, trong hai loại hình sản xuất là trình độ Cơ điện tử và trình độ CIM thiết bị có gì khác nhau?

1.1.17[1] Một hệ Cơ điện tử có những chức năng gì, có những hình thức nào khởi tạo thông tin điều khiển vận hành của hệ?

1.1.18[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động học trong thiết kế và trong điều khiển vận hành của một hệ cơ điện tử?

1.1.19[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động lực học trong thiết kế và trong điều khiển vận hành của một hệ cơ điện tử?

1.1.20[1] Giải thích cơ sở của việc rút gọn được kích thước, khối lượng và tăng cường được năng lực công tác của truyền dẫn chấp hành trên máy CNC và trên máy vạn năng cùng loại? (chẳng hạn truyền dẫn chính máy tiện vạn năng, truyền dẫn chính máy tiện CNC)

1.1.21[1]Khi rút gọn truyền dẫn cơ khí của một dạng chấp hành truyền thống có sử dụng hộp giảm tốc thành một thiết kế sử dụng truyền dẫn servo cần lưu ý những đặc điểm gì? 1.1.22[1] Trình bày cơ sở của việc điều khiển một hệ cơ điện tử với dự báo sớm nhằm bảo vệ an toàn cho người và thiết bị?

1.1.23[1] Khi điều khiển một thiết bị Cơ điện tử như máy tiện CNC 2 trục người ta không thiết lập bài toán động học thuận ngược như với một robot 2 trục, có gì giống và khác nhau trong việc điều khiển hai thiết bị này?

1.1.24[1] Phân tích hệ thống điều khiển tốc độ quay động cơ bằng cơ cấu ly tâm như hình vẽ?

Hình 1.1 1.1.25[1] Phân tích hệ thống điều khiển lái tự động của ô tô?

Hình vẽ 1.2

1.1.26[1] Phân tích hệ thống điều khiển số máy công cụ

Hình vẽ 1.3 1.1.27[1] Phân tích hệ thống điều khiển tuabin nồi hơi công nghiệp?

Hình 1.4 1.1.28[1] Vẽ sơ đồ khối thể hiện hệ thống hồi tiếp điều khiển tốc độ chuyển động ô tô Với hệ thống này, tốc độ chuyển động của ô tô luôn duy trì ở một tốc độ không đổi đặt trước

1.1.29[1] Hình vẽ 1.5 thể hiện một hệ thống điều khiển mức nướctrong thùng chứa do người điều khiển bằng tay Có thể xem đây là hệ thống điều khiển hồi tiếp mạch kín Vẽ

sơ đồ khối của hệ thống điều khiển này

Hình 1.5

1.1.30[1] Hình vẽ 1.6 và 1.7 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ quay của đĩa CD Hình 1.6

mô tả hệ thống điều khiển theo kiểu mạch hở Hình 1.7 mô tả hệ thống điều khiển hồi tiếp Vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển trong hai trường hợp trên

Hình 1.6

Hình 1.7

1 2 Bài tập-Nhiệm vụ chuyên môn

1.2.1[3] Lập quy trình thiết kế Robot cấp phôi tự động

1.2.2[3] Lập quy trình thiết kế hệ thống cửa tự động

1.2.3[3] Lập quy trình thiết kế thang máy tự động

1.2.4[3] Lập quy trình thiết kế máy CNC 3 trục

1.2.5[3] Lập quy trình thiết kế hệ thống lưu trữ tự động

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CÁC HỆ VẬT LÝ

2.1 Câu hỏi lý thuyết

2.1.1[1] Mô hình nói chung được sử dụng như thế nào trong thiết kế, các mô hình thông

dụng và chức năng của nó trong các giai đoạn khác nhau của thiết kế sản phẩm

2.1.2[1] Nêu một số nguyên mẫu của mô hình cơ hệ một bậc tự do trên thực tế, làm rõ

các giả thiết khi xây dựng mô hình này và vai trò của nó trong thiết kế động lực học hệ chấp hành

2.1.3[1] Sử dụng phương trình lagrange II xây dựng mô hình động lực học của cơ hệ một

bậc tự do, so sánh kết quả với phương pháp cân bằng lực (dựa vào điều kiện cân bằng và nguyên lý cộng tác dụng của hệ tuyến tính) Cho kết luận về phương pháp hoặc lợi thế

của từng cách làm sau khi so sánh

2.1.4[1] Những thay thế về mặt hình thức bằng hệ cùng bản chất và thay thế một hệ bằng

hệ khác bản chất trong thiết kế, cơ sở để đảm bảo sự tương thích trong việc làm này Cho

ví dụ minh họa

2.1.5[1] Các phương phương pháp xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho các

hệ cơ học? Viết phương trình Lagrange loại 2 Trình bày các bước xây dựng phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ với phương trình Lagrange loại 2

2.1.6[1] Viết phương trình Lagrange dạng nhân tử Trình bày các bước xây dựng

phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ với phương trình Lagrange dạng nhân tử Khi nào dùng phương trình Lagrange loại 2 và khi nào dùng dạng nhân tử?

2.1.7[1] Hãy thiết lập các phương trình Newton – Euler đối với hệ p vật rắn Đưa

phương trình về dạng tối giản

2.1.10[1] Ứng dụng của mô hình cơ hệ hai bậc tự do trong thiết kế, vận dụng phương

trình lagrange II xây dựng mô hình toán cho hệ này

2.1.11[1] Trình bày mô hình của lò xo đơn (trụ, bước không đổi) trong hệ quy chiếu gắn

với nó và trong hệ quy chiếu cơ sở tạo với hệ quy chiếu của lò xo góc a

2.1.12[1] Trình bày mô hình tính toán động năng, thế năng, quán tính, ma sát, lực ly

2.1.13[1] Phương pháp khảo sát động học hệ nhiều vật, trình bày các nguyên tắc căn bản

và trình tự xây dựng hệ phương trình động học đặc trưng

2.1.14[1] Mô hình độ cứng của hệ hai lò xo mắc nối tiếp, các tính chất của mô hình này,

cơ sở của sự tương tự giữa phần tử lò xo tuyến tính và phần tử thanh chịu kéo nén đúng

2.1.20[1] Tọa độ suy rộng, hệ quy chiếu suy rộng là gì, có những quy tắc nào để xác lập

tọa độ suy rộng, chúng có vai trò như thế nào trong điều khiển hệ cơ điện tử, giải thích khái niệm hệ dư dẫn động và hệ dư chấp hành, ứng dụng của các hệ đó?

2.1.21[1] Việc lựa chọn phương pháp năng lượng hay phương pháp lực để giải quyết vấn

đề mô hình hóa một bài toán cụ thể căn cứ trên những dấu hiệu nào?

2.1.22[1] Phân tích những sai sót về mặt phương pháp thường gặp khi mô hình hóa hệ

nhiều vật theo phương pháp lý thuyết?

2.1.23[1] Phân tích những sai sót về mặt phương pháp thường gặp khi mô hình hóa hệ

nhiều vật theo phương pháp lý thuyết?

2.1.24[1] Trình bày quan hệ giữa mô hình động học và mô hình động lực học của một hệ

cơ điện tử?

2.1.25[1] Trình bày quan hệ giữa mô hình động học và mô hình điều khiển của hệ cơ

điện tử?

2.1.26[1] Lấy ví dụ minh họa về việc sử dụng mô hình đồng dạng trong thiết kế máy,

phân tích các chỉ tiêu được đảm bảo qua ví dụ đó?

- Nhóm phương pháp véc tơ: dựa vào các phương trình cân bằng véctơ để thiết lập phương trình, ví dụ như phương pháp lực, phương pháp D’Alembert, các định lý biến thiên động lượng, mô men động lượng,…

- Nhóm phương pháp năng lượng: dựa vào các mối quan hệ hình học, động học, động lực học giữa các phần tử trong hệ thống để xác định các đại lượng vô hướng như động năng của hệ, thế năng, năng lượng hao tán từ đó kết hợp với các định lý cơ học để thiết lập phương trình và xây dựng thành phương trình tổng quát để áp dụng Ví dụ như phương trình Lagrange loại 2, phương trình Hamilton, các định lý biến thiên động năng, cơ năng,…

B Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho hệ cơ học vật rắn bằng phương trình Lagrange loại 2

Các bước tiến hành như sau:

Bước 1 Phân tích hệ và chọn tọa độ suy rộng

Cần phân tích được ba yếu tố:

- Số bậc tự do của cơ hệ: là số di chuyển độc lập tối thiểu mà hệ có thể thực hiện được

- Phân tích chuyển động của từng phần tử trong hệ

- Phân tích ngoại lực tác dụng lên hệ

Từ đó đưa ra quyết định chọn tọa độ suy rộng mô tả chuyển động của hệ

Bước 2 Xây dựng biểu thức tính động năng cho hệ

Động năng toàn hệ được tính theo công thức:

1

n

i

T =åT , trong đó n là số phần tử trong hệ

Dựa vào các bước phân tích ở bước một để tính động năng T của từng phần tử trong hệ i

- Nếu phần tử thứ i chuyển động tịnh tiến ta có công thức tính động năng như sau:

Bước 3 Xây dựng biểu thức tính năng lượng cản

Trong các tính toán cơ học lực cản thường được tính tỷ lệ tuyến tính bậc nhất với vận tốc chuyển động:

Bước 4 Xây dựng biểu thức tính thế năng

Thế năng được định nghĩa là công của lực có thế để di chuyển vật từ vị trí đang xét về gốc thế năng

- Thế năng trọng lực:

mgh

P = ±

Trong đó m là khối lượng vật thể, g là gia tốc trọng trường, h là chiều cao thế năng Dấu

± được xác định dựa vào vị trí chọn gốc thế năng

- Thế năng đàn hồi của lò xo:

2

12

Bước 5 Xác định các lực suy rộng không thế

Ngoại lực (không thế) tác dụng gây ra chuyển vị theo tọa độ nào sẽ là lực suy rộng theo tọa độ đó

Bước 6 Thiết lập phương trình

Thay các đại lượng sau khi đã thực hiện các tính toán trung gian vào phương trình Lagrange loại 2 tổng quát ta được phương trình vi phân chuyển động của hệ

Ví dụ 1.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho cơ hệ sau:

-Xét vật thể khối lượng m dao động theo phương ngang Cơ hệ 1 bậc tự do

- Chọn tọa độ x theo phương dao động của vật, gốc tại vị trí lò xo không dãn, chiều

Năng lượng cản:

2 1

2.1.3 Bài tập - Nhiệm vụ chuyên môn

2.1.3.1[1] Tại sao động năng của hệ có thể cộng tuyến tính theo công thức

1

n i

T =åT ? 2.1.3.2[1] Suy luận lý do tại sao lực cản là hàm tuyến tính bậc nhất theo vận tốc?

2.1.3.3[1]Mô hình dao động của hệ chịu kích động bởi khối lượng lệch tâm cho trên hình

1 Roto có khối lượng lệch tâm m , quay đều với vận tốc góc 1 W

Hình 2.1 Mô hình khối lượng lệch tâm

Thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ

2.1.3.4[1] Xét mô hình dao động hai bậc tự do như hình vẽ Trong đó u u1, 2 là các kích

động ngoài

Thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ

2.1.3.5[1]Cho mô hình con lắc đàn hồi như hình vẽ, khối lượng con lắc là m Lò xo treo

có độ cứng k, chiều dài tự nhiên là l0 Hệ chịu mô men cản và lực cản tỷ lệ bậc nhất với vận tốc, các hệ số cản lần lượt là b1 và b2

2.1.3.6[1]Cho cơ hệ hai bậc tự do chuyển động như

trên hình vẽ Chọn vị trí cân bằng tại vị trí lò xo không

giãn

Hãy thiết lập phương trình vi phân chuyển động của

hệ bằng phương pháp Lagrang II

b k

2.1.3.7[1] Máy đo gia tốc trên băng thử động cơ tên lửa gồm đế gắn động cơ, có khả

năng trượt dọc theo băng dẫn hướng Nếu

tổng khối lượng của đế là m , khối lượng 1

của gia tốc kế là m , độ cứng của lò xo là 2

k và hệ số giảm chấn là b thì chuyển vị x 1

và x phản ánh lực đẩy 2 f t( ) của động cơ

Bỏ qua ma sát giữa đế và băng trượt Hãy

thiết lập mô hình toán mô tả mối quan hệ

trên

2.1.3.8[1] Bộ ly hợp đĩa thường được sử

dụng trong các ứng dụng truyền động của

ôtô để truyền năng lượng từ động cơ đến các

bánh xe dẫn động được mô hình hóa dưới

dạng cơ học như hình vẽ Hệ số đàn hồi xoắn

của khớp nối trục động cơ là k Tổng mômen

quán tính khớp nối và bánh đà là J , mô 1

men quán tính bánh dẫn động là J , hệ số 2

cản trên ly hợp ma sát là b Mômen quán tính trục động cơ là J Đầu vào của bộ ly hợp là

mô men xoắn T in =M ñc, q&in =j&1 vận tốc quay trục động cơ và đầu ra là vận tốc q&out =j&2,

mô men tải T out =M t Hãy thiết lập mô hình toán mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng trên (chọn tọa độ suy rộng q={j j1, 2}

2.1.3.9[1] Một cổ tay robot được dẫn động nhờ động cơ 1 chiều điều khiển bằng dòng điện phần ứng thông qua cánh tay Mômen dẫn động quy đổi là M Cánh tay là khâu ñc mềm, được biểu diễn bằng hệ lò xo, giảm chấn xoắn với độ cứng k và hệ số giảm chấn b

1

J và J là mô men quán tính của cánh tay và cổ tay Tín hiệu vào là mô men quy đổi của 2

động cơ, tín hiệu ra là góc quay j2 của cổ tay Thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ giữa hai đại lượng này

2.1.3.10[1] Cho mô hình một hệ dẫn động trong nước như hình vẽ Trục quay có độ cứng

xoắn k, tổng mô men quán tính bánh đà và trục động cơ là J , trục quay và cánh quạt có 1

tổng mô men quán tính là J Hệ số 2

cản của nước với cánh quạt là b Đầu

vào hệ dẫn động là mô men

q j

= ,& = &1

T M và đầu ra là tốc độ

quay trục đỡ q&out =j&2 Hãy thiết lập mô

hình toán học mô tả mối quan hệ giữa

hai đại lượng trên (chọn tọa độ suy

rộng q={j j1, 2}

2.1.3.11[4] Cho mô hình hệ thống giảm chấn như hình vẽ

a Thiết lập mô hình toán học mô tả chuyển động của hệ thống

b Giải phương trình vi phân thu được bằng phương pháp giải tích,

tính chọn các hệ số k và b sao cho hệ dao động với biên độ lớn nhất

bằng 5cm và tần số f=0.5Hz

c Lập chương trình tính toán trên Matlab để mô phỏng kết quả lựa

chọn được ở ý (b) dưới dạng bảng số và đồ thị Các kết quả mô

phỏng tính toán trong hai chu kỳ

2.2 Mô hình hóa hệ điện

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Để có thể thiết lập được các phương trình vi phân mô tả hệ điện ta căn cứ vào các mối quan hệ của các phần tử, các định luật chuyên biệt của hệ điện

Các mối quan hệ giữa các đại lượng và các phần tử được thể hiện như sau:

Quan hệ điện áp – dòng điện: u t( )=Ri t( ) (Định luật Ôm)

Quan hệ dòng điện – điện áp: i t( ) 1u t( )

Quan hệ điện áp – dòng điện: u t( ) L di t( )