Cơ điện tử các thành phần cơ bản trương hữu chí, võ thị ry

THU’ VIEN DAI HQC NHA TRANG D ^ Ö N G H Q jj C H f RY THU VIEN DAI HOC NHA TRANG N H A XUAT B Ä N K H O A HOC VA KY THUÄT PGS TS TRƯƠNG HỮU CHÍ TS VÕ THỊ RY Cơ ĐIỆN TỬ ■ C Á C THÀNH PHẦN c BẢN (In lần thú ba) Ü P NHÁ XUẤT BẢN KHOA HỌC V À KỸ THUẬT HÀ NÔI - 2007 LỜI NÓI ĐẨU (Cho lần in thứ hai) Cơ điện tử 06 ngành công nghệ mũi nhọn kỷ 21 Việt Nam vòng 10 năm trở lại đặc biệt năm tới xuất nhu cầu lớn đào tạo nhân lực trình độ đại học sau đại học ngành điện tử Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế nghiên cứu, sản xuất sản phẩm điện tử sở lực kinh nghiệm qua năm chuyển đổi từ khí truyền thống sang điện tử, Viện Máy Dụng cụ (IMI) chuẩn bị chương trình khung cho việc đào tạo đại học ngành điện tử để đào tạo lại kỹ sư Viện tốt nghiệp trường đại học kỹ thuật nước đào tạo sinh viên đại học tương lai Quyển “Cơ điện tử -các thành phần ” nằm loạt sách điện tử biền soạn cán khoa học nhóm biên soạn giáo trình cho môn “Cơ điện tử ” IMỈ Đã gần năm kể từ mắt bạn đọc “Cơ điện tử -các thành phần ”, nhóm tác giả nhận ỷ kiến đóng góp quý báu bạn đọc Chúng tội biên soạn tập ngành Cơ điện tử, dự định tháng 212005 tập “Cơ điện tử-hệ thống chế tạo máy "sẽ dược giới thiệu với bạn đọc Vì thời gian hạn hẹp nên lần tái này, cập nhật sô' nội dung sửa chữa số khiếm khuyết biên soạn lần đầu, chúng tơi cịn thiếu sót Chúng xin chân thành cảm ơn bạn đọc mong nhận ỷ kiến đóng góp tiếp tục để tài liệu hoàn chỉnh lần tái bansau Những ý kiến đống góp xin gửi về: Viện Máy Dụng cụ công nghiệp, 46 Láng Hạ, Đôhg Đa, Hà Nội Các tác giả CHƯƠNG KHÁI NIỆM VẺ ĐIỆN TỬ 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN c ĐIỆN TỬ Cơ điện tử thuật ngữ lĩnh vực khoa học cơng nghệ giao khí với kỹ thuật điện-điện tử, điều khiển hệ thống công nghệ thông tin Từ điện tử, tiếng Anh “Mechatronics” đựợc viết tắt từ ghép Mechanics Electronics, người Nhật sử dụng vào năm 1975 [1] việc điều khiển động điện máy tính Thuật ngữ sau trở nên phổ thơng Nhật nhanh chóng nhiều nước giới sử dụng linh kiện điện tử máy tính sử dụng ngày nhiều điều khiển thiết bị, đặc biệt hệ thống sản xuất Tác nhân dẫn đến việc điện tử thành thuật ngữ phổ thông nhu cầu môn đào tạo riêng biệt, độc lập bất ngờ hình thành dựa khả sử dụng lực máy tính thiết bị điều khiển số không đắt, lưu hành tương đối sẩn viện nghiên cứu trường đại học Sự phát triển linh kiện thiết bị điện tứ số khoa học máy tính năm 75-H 80 đẩy nhanh đáng kể khả áp dụng chúng dự án công nghệ sản xuất Trong khoảng thời gian viện nghiên cứu nhà công nghiệp nhận thức cần thiết đào tạo lại cho kĩ sư khí vấn đề ngành đa công nghệ Đã gần 25 năm trôi qua kể từ thuật ngữ điện tử xem xét tích hợp kĩ thuật khí, điện điện tử, nay, thuật ngữ khái niệm tiến triển khơng ngừng, có nghĩa chung lẫn nghĩa riêng để sử dụng Rất nhiều người có quan điểm "cơ điện tử" lĩnh vực đa công nghệ, phát triển sở ngành khí truyền thống, kỹ thuật điện tử tin học Sau số định nghĩa điện tử số quan tổ chức: - Cơ điện tử kết hợp kỹ thuật khí, điều khiển điện tử kỹ thuật hệ thống thiết kế sản phẩm trình (theo Nanyang Politechnic Singapore) - Cơ điện tử kết họp đồng vận kỹ thuật khí, điều khiển điện tử tư hệ thống thiết kế sản phẩm trình sản xuất (theo Ưỷ ban Tư vấn Phát triển Nghiên cứu Công nghiệp châu Âu viết tắt IRDAC) - Cơ điện tử hệ thống thiết kế chế tạo sản phẩm mà hệ thống có chức khí chức điểu khiển thuật tốn tích hợp (theo trang “Mechatronics Forum” W W W ) - Cơ điện tử xem xét ứng dụng kỹ thuật đồng thời (concurrent engineering) vào thiết kế tích hợp hệ thống cơ-điện tử (theo trường Đại học Atlanta U.S.A) - Hệ thống điện tử máy tích hợp với hệ thống lập trình khả trình với nhận thức, hoạt động truyền thông (theo Royal Institute of Technology- Thụy Điển) - Cơ điện tử kết hợp cơng nghệ then chốt: khí, điện điều khiển (theo Louisian State University U.S.A) - Cơ điện tử kết hợp mảng kiến thức: khí, điện tử, điều khiển máy tính (theo giáo sư Kevin Craig khoa Cơ khí Kỹ thuật Hàng khơng Đại học Renssenlaser U.S.A) Đa số trường đại học Anh, Đức, Áo, úc thống quan điểm điện tử phối hợp đồng vận kỹ thuật khí, điện tử cơng nghệ thơng tin.v v Khơng có giới hạn định nghĩa thuật ngữ điện tử v ề chất, việc ứng dụng điện tử cách mạng khoa học kỹ thuật Đó tiến triển, 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 náng tương thích cao với nhiều chức Điều nhiều nhà thiết kế kỹ sư nhìn thấy trước đưa vào sản phẩm thực chất sản phẩm điện tử tồn phát triển trước có quan điểm rõ ràng chúng Theo dòng lịch sử, đa số hệ thống sản xuất sản phẩm hàng hố khí hố hồn tồn có diện động điện thuỷ lực kết cấu, xuất phát điểm Sự xuất linh kiện bán dẫn thập kỷ 50 máy tính điện tử số năm 70 tạo nên hệ thống nối ghép tương hỗ kỹ thuật khí với điện tử, điều khiển vi tính có tính đa ngành cao Phần lớn sản phẩm điện tử thởi kì liên quan đến kỹ thuật servo, sử dụng cho sản phẩm mở cửa tự động, máy bán hàng tự động, camera tự điều chỉnh tiêu cự V V Những sản phẩm điện tử hệ thể kết cấu đơn giản chức nhờ việc sử dụng phương pháp điều khiển tiên tiến, phù hợp với cấu chấp hành đơn giản Trong năm 80, phát triển công nghệ thông tin làm kỹ sư nảy sinh bắt đầu áp dụng vi xử lí vào hệ thống khí để cải thiện đặc tính hệ thống Máy công cụ, thiết bị điều khiển số robot trở nên gọn hơn, ứng dụng lĩnh vực xe bánh điều khiển động điện tử phanh an toàn trở nên phổ biến Cịn thập kỷ 90, cơng nghệ truyền thơng bổ sung vào điện tử tính mềm dẻo, hỗn hợp: sản phẩm nối kết thành mạng lớn Sự phát triển tạo nên chức vận hành từ xa cánh tay máy, điều khiển hệ thống sản xuất qua mạng, đặt hàng-thiết kế- tạo mẫu (protype)- sản xuất khoảng không gian vô rộng V V Cùng thời gian cảm biến nhỏ hơn, chí siêu cực nhỏ cơng nghệ kích truyền động (actuator) tăng cường hệ thống sản phẩm Các hệ thống -điện tử siêu nhỏ (micromechatronics) mở xu hướng phát triển công nghệ siêu nhỏ (nano technology) kỷ 21 Sự mở mang dự đoán thiết kế, phát triển sản xuất, kỹ thuật tự động sản phẩm tiêu dùng kích thích thúc đẩy nhà quản lí kỹ sư thiết kế, chế tạo, khai thác công nghệ điện tử Điều đặt thách thức đào tạo cơng nghệ điện tử để đáp ứng nhu cầu ứng dụng tự động hố ngành cơng nghiệp kể cơng nghiệp tiêu dùng Về đào tạo, từ 1983 Viện Kỹ thuật Nhật Bản- Singapo đưa vào khoá đào tạo kỹ thuật điện tử (mechatronics enginerring) chương trình năm để đào tạo lại kỹ sư khí Khố giảng mang tên “Mechatronics” cho kỹ sư học viên cao học (B.Eng/M.Eng) thực trường Đại học Landcaster (U.K) năm 1984/1985 Kể từ khoá đào tạo điện tử bắt đầu phát triển mạnh tất nước công nghiệp phát triển phát triển Cả nước “con rồng mới” thuộc vùng châu Á -Thái Bình Dương nhanh nhạy đưa ngành đào tạo vào giảng dạy Những nãm đầu thập kỷ 90, trường đại học bách khoa Singapo có chương trình năm đào tạo quy kỹ sư điện tử Trường đại học TUT-Nhật Bản trường đại học châu Á đưa điện tử vào giảng dạy thức khoa riêng trường Cùng thời gian đó, hầu hết sinh viên khoa kỹ thuật trường đại học khác Nhật dạy nguyên lí điện tử hướng nghiên cứu lĩnh vực trường Đại học Sidney úc có khoá đào tạo cấp kỹ sư theo chuyên ngành điện tử từ năm đầu 90, không lâu trường đại học Curtin New South Weles châu Âu, từ năm 1980 có hoạt động có liên quan đến đào tạo điện tử, khố học thức điện tử trường đại học bất đầu từ chương trình năm cao học trường đại học Katholieke (Leuuven -Bỉ) 1986 đến 1989 trường mở ngành đào tạo điện tử Năm 1989 Trung tâm Nghiên cứu điện tử thuộc trường Đại học Twente (Hà Lan) thành lập để phối hợp chương trình nghiên cứu giảng dạy nhà trường Trong nám 1990 loạt trường đại học CHLB Đức, Đan Mạch, Hà Lan, Ireland (châu Âu) đưa điện tử vào giảng dạy Từ 1992-M996 Liên Minh Châu Âu tài trợ để thực dự án TEMOUS đưa khoá học điện tử vào giảng dạy khoa khí trường đại học: TU Brno, CTU, TU Plzeo, University Libre Bruxelles, University College Dublin, Johannes Kepler University Linz, Loughborough University of Technology, University Stuttgart Các trường đại học Anh giảng dạy điện tử, Trường Lancaster, trường Đại học London, Surrey, Dundee, Hull, Brunei, Loughborough, Manchester Leeds, Bắc Mỹ có nhiều trường đại học hoạt động lĩnh vực điện tử, 1995 chưa xuất khoá giảng dạy mang tên “Cơ điện tử” Đến tất trường đại học kỹ thuật Mỹ có khoa Tính đến 1999 giới có khoảng 90 trường đại học viện nghiên cứu có đào tạo giảng dạy nghiên cứu điện tử [3], Nhìn chung, điện tử coi ngành tích hợp đối Kĩ THUẬT Cơ KHÍ (Mechanical engineering) KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN (Control enginerring) •Động học máy •Thiết kế máy Kĩ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ (Electronics&electrical enginerring) •Thiết kế vi điện tử 1C •Hệ thống thơng tin •Vi xử lí •Cơng nghệ phần mềm •Hệ thống giao diện xử lý & truyền thơng •Chế tạo phầm mểm Hình 1.1 Các lĩnh vực đào tạo liên quan đến điện tứ tượng tồn mơn có liên quan theo hình thức khác với truyền thống phát triển hàm lâm ngành học Để đáp ứng ngành đa công nghệ, gắn với thay đổi cấu trúc chương trình giảng dạy hướng kỹ thuật (enginerring), nhiều trường đại học theo đặc thừ riêng đưa chương trình giảng dạy khác nhau, nhiên phạm vi đào tạo liên quan đến điện tử thường bao gồm lĩnh vực thể hình 1.1 đây, vấn đề học thuật coi thiếu thiết kế sản phẩm quy trình chế tạo sản phẩm là: khoa học máy tính, kỹ thuật kích truyền động khí-thuỷ lực-khí nén -điện- điện tử, kỹ thuật điện- điện tử- vi điện tử, cảm biến, vật liệu, điều khiển tự động hoá, động lực học robot, CAD/CAM, CIM sở liệu cơng nghiệp, V V Trong chương trình giảng dạy coi sở cho đào tạo điện tử thiết bị di động điện (Electromechanical Motion Device), điện tử công suất (Power Electronics) vi điện tử (Microelectronics), vi xử lí giao diện (Microprocessor and Interfacing), hộ thống điện (Electromechanical Systems), nhập mơn điện tử (Introduction to Mechatronics), lí thuyết hệ thống điều khiển điều khiển hệ điện tử (Control systems Theory and Control of Mechatronic Systems), hệ thống điện tử cấu trúc thông minh (Mechatronic System and Smart Structures), hệ thống điện tử siêu nhỏ (Microelectromechanical Systems) hệ thống điện tử nano (Nano electromechanical Systems) 1.2 SẢN PHẨM C ĐIỆN TỬ 1.2.1 Tổng quan Như phát triển khoa học công nghệ kỹ thuật nhanh chóng cho phép sản phẩm, hệ thống cơng nghiệp tiến triển từ dạng khí hố thời kì đầu đến dạng tích hợp cơ- điện sau đến điện tử -tự động cứng ngày loại có tính thực linh hoạt, thơng minh (gọi tắt sản phẩm điện tử) Các sản phẩm điện tử thật phát triển mạnh sản xuất cơng nghiệp kinh tế hàng hố cuối kỉ 20 có mặt hầu hết ngành kinh tế quốc dân sinh học, y học, công nghiệp vũ trụ, công nghiệp sản xuất V V Từ đồ dùng thường nhật đầu CD, máy giặt, đầu video, máy ảnh tự động, máy photocopy, loại thiết bị linh động thông minh đến sản phẩm hệ nhúng cảm biến thông minh để thu nhận môi trường xung quanh theo thời gian thực, có bảng mạch sử dụng liệu, cấu "học tập" để phát triển sở kiến thức kích hoạt “thông minh” để thực nhiệm vụ theo yêu cầu Một số sản phẩm có khả người, ví dụ nhận biết tốc độ, điều chỉnh tốc độ, nhận biết cử “học cách nhìn” Những sản phẩm; xếp thẹo thứ tự độ "thông minh" tăng dần như: máy công cụ CNC, trung tâm gia công, hệ thống công nghệ gia công linh hoạt (FMS), máy công cụ hệ máy gia công tốc độ cao (HSC), hexapod, robot đào ngầm, người máy năm cuối kỉ 20 hộ thống thiết bị "thông minh" siêu nhỏ V V Sự phát triển tính trội điện tử tạo cho sản phẩm hệ thống thực tốt hơn, linh hoạt hơn, thông minh chức khả nãng vận chuyển, giao tiếp truyền thông Xu sản phẩm hệ thống sản xuất theo hướng điện tử dường tránh khỏi thách thức tiến công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử cung cấp giải pháp tất yếu để thoả mãn nhu cầu thị trường Các sản phẩm điện tử tiêu biểu cho hệ sản phẩm mới, phân loại sau 1.2.2 Phân loại theo lĩnh vực sử dụng Sau số ví dụ phân loại sản phẩm điện tử theo lĩnh vực sử dụng: Trong y học: Các loại thiết bị cắt lớp; thiết bị thí nghiệm ADN, nhân phôi; máy chiếu loại tia chụp: X, lase, coban; thiết bị mổ nội soi, V V Trong công nghiệp: Các loại máy công nghiệp tự động điều khiển khiển theo chương trình, FMS (hệ thống công nghệ sản xuất linh h o t), CAD-CAM, người máy, hệ thống tự động, kho tàng tự động, công cụ vận chuyển thông minh, Trong văn phịng: V V Đây hệ thống mạng cơng tác, có sử dụng máy tính (như hệ thơng tin quản lí), thiết bị văn phịng (máy tính, máy fax, máy in laser), V V Trong sinh hoạt giơ đình: Hệ thống thơng tin nhà cửa, sản phẩm tiêu dùng (audio/ thiết bị nghe nhìn, máy giặt V V ) , hệ thống bảo vệ nhà cửa, loại robot phục vụ, ô tô, gara ô tô tự động, V V 10 1.2.3 Phân ioại theo kỹ thuật hệ thống Sản phẩm đơn sản phẩm linh hoạt, thực chức đứng máy CNC, thiết bị vận chuyển thông minh, vật gia dụng thông minh V V Hệ thống tổ hợp sản phẩm điện tử q trình có quan hệ cụ thể như: ■ Dây chuyền ỉắp ráp âồng hồ, lắp vỏ hộp động cơ, đóng bao gói, ■ Dây chuyền sản xuất ti vi, máy nén khí, V V V V Hệ thống tích hợp: sản phẩm điện tử thành phần có quan hệ mật thiết như: Tự động hố sản xuất: hệ thống gia công linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất tích hợp vi tính (CIM), V V Tự động hố cơng nghiệp dân dụng: thiết bị sản xuất lắp ráp ô tô, tầu thông minh, tồ nhà thơng minh, V V Như thể trên, nội dung điện tử rộng Những vấn để điện tử quan điểm khí cho mở rộng bổ sung sensor cho hệ thống cơ, thành phần kích hoạt (cơ cấu chấp hành) tiên tiến so với hệ khí truyền thống điều khiển máy tính Khả truyền thông hệ thống thành phần làm tăng cường đáng kể tính sản phẩm điện tử Để thiết kế chế tạo sản phẩm hệ mới, người thiết kế cần nắm rõ thành phần sản phẩm điện tử 1.3 ĐẶC TRƯNG CỦA SẢN PHẨM C ĐIỆN TỬ 1.3.1 Hệ thống Đăc trưng giải pháp điện tử thiết kế kĩ thuật tích hợp cơng nghệ điện tử, HỘP ĐEN Đầu vào Đầu Hinh J Mơ hình hộp đen máy tính hệ thống Trong hệ thống thường đơn giản, chi tiết để hướng tới hệ thống có tính thực cao hơn, dễ điều khiển, động so với hệ trước Thuật ngữ hay dùng điện tử hệ thống Một hệ thống xem hộp đen có đầu vào đầu (hình 2) Gọi hộp đen 11 sử dụng sản phẩm điện tử sản xuất loạt lớn Mục đích tạo mẫu nhanh là: - Gỡ lỗi cho sản phẩm cuối - Kiểm hình dáng khớp chi tiếp lắp ghép, mối nối - Kiểm dịng khí chất lỏng, nhiệt, độ cứng tính chất học - Làm mẫu phận khó hình dung thiết kế - Làm sáng tỏ lỗi kích thước - Minh chứng khả chế tạo - Kiểm nghiệm phản ứng khách hàng sản phẩm 4.2.3 Công cụ thiết kế điện Công cụ thiết kế điện chuyển đặc tính thiết kế thành gói đầu để phát triển bảng mạch Các công cụ kiểu áp dụng cho hầu hết cơng việc q trình thiết kế phần cứng: phân tích chọn lựa chi tiết, lập sơ đồ, mô thiết kế, phát triển danh sách mạch lập danh sách chi tiết 4.2.4 Công cụ phát triển mạch in Công cụ phát triển mạch in thường kỹ sư điện trung tâm CAD sử dụng Đầu vào công cụ đầu gói cơng cụ thiết kế kỹ thuật như: sơ đồ, danh sách mạch đồ thị khối logic Các công cụ phát triển sử dụng để đưa thơng tin vào tư liệu phát triển mạch in hoàn chỉnh dùng cho chế tạo Các công cụ phát triển tự động việc thay thành phần mạch lớp sở, sau vạch tuyến chỗ nối thành phần mối nối đầu nhập/xuất bảng chip Các công cụ sử dụng để phân tích tiêu thụ lượng mức nhiệt chấp nhận thành phần mạch kết hợp để tránh vấn đề xảy thiết kế # 4.2.5 Công cụ mô Mô phần điện thiết kế để phân tích đánh giá đặc tính hoạt động xem thiết kế có hoạt động mong muốn khơng Cơng cụ mơ thực mơ hình phần mền, thể phần hệ thống sản phẩm dự định xây dựng Mơ rút ngắn chu kì thiết kế, loại trừ cần thiết tạo mẫu nhanh mở rộng, giảm thời gian lập thử nghiệm chương trình, giảm thời gian gỡ lỗi kiểm tích hợp phần cứng mềm Thiết kế sản phẩm điện tử mô nhiều lớp: thành phần, mạch, bảng mạch hệ thống 152 4.2.6 Kỹ thuật phần mềm hỗ trợ máy tính Các cơng cụ kỹ thuật phần mềm có trợ giúp máy tính phương tiện giúp ứng dụng phương pháp làm việc khoa học vào trình phát triển phần mềm, chúng công cụ tự động để hoạch định, phân tích thiết kế phần mềm Chúng loại bỏ mức thấp (các mức tự động sinh theo lịch trình thường lệ), cơng việc vặt thời gian lập sở liệu V V , cho phép kĩ sư trọng vào công việc thiết kế phần mềm trước viết mã, tập trung vào vấn đề trọng tâm họ, tàng thời gian để để làm rõ vấn đề thiết kế hệ thống, giải pháp phù hợp thay bắt tay vào cơng việc viết mã Hình 4.1 thể lưu đồ công việc bước thiết kế phần mềm Thiết kế bậc cao thực kiểm tra trước thiết kế mơđun Sau thiết kế kiểm tra môđun thực Lưu đồ thể kế hoạch hợp lí cho thử nghiệm tiến hành song song sau hồn thiện mã hố chương trình Hình 4.1 Các cơng việc cho bước thiết kể phần mềm 4.3 THỦ TỤC THIẾT KẾ ĐỔNG THỜI CHO HỆ THỐNG c ĐIỆN TỬ Các bước thiết kê Bảng 4.1 thể bước phát triển quan trọng cho hệ thống điện tử, xuất phát từ hệ thống khí túy kết hệ thống điện tử tích hợp 153 Cường độ bước phát triển phụ thuộc vào hệ thống khí Ví dụ khí xác, hệ thống tích hợp điện tử hồn tồn rõ rệt Cịn máy móc/thiết bị đầu tiên, thiết kế điện tử cho thành phần nó, thiết kế lại chi tiết kết cấu toàn Bảng 4.1 Năm bước phát triển quan trọng hệ thống điện tử Miêu tả TT Hệ thống khí Bổ sung sensor, actuator, vi điện tử, chức điéu khiển Cơ khí xác •A Tích hợp thành phẩn (tích hợp Jk f 'ỉ ~T' ịf cứng) • / \ Các phận khí \ • * \ j 'w } Tích hợp xử lí thơng tin (tích hợp phần mềm) Thiết kế lại hệ thống khí Tạo tâc động đồng vận Hệ thống điện từ tích hợp Các ví dụ Máy1thiết bị \ s \ / , ■ À /* V 1' ố A ỉ ị Â J, i Ồ Sensors, Giảm chấn, Truyền actuators, phanh điện, camera truyền cơ, dụng cụ, động, li hợp rôbôt G h i chú: Các đường tròn thể cưòng độ phát triển điện tử tương ứng dẫn động đường tròn to, nhỏ, bé thể cường độ mạnh, vừa nhỏ Sử dụng công cụ CAD/CAE Sự phát triển với trợ giúp máy tính cho hệ thống điện tử bao gồm: - Sử dụng công cụ CAD CAE định rõ kết cấu giai đoạn phát triển kỹ thuật - Xây dựng mơ hình cho q trình động tĩnh - Chuyển đổi thành mã máy tính cho mơ hệ thống - Lập trình thi hành phần mềm cuối cho hệ thống điện tử Trên thị trường cồ nhiều phần mềm thiết kế CAD/CAE để thiết kế 2D, 3D-CƠ khí Autocad kết nối với hệ thống CAM (chế tạo với trợ giúp máy tính) PRO/E, CATIA, ALFA-CAM.„ thiết kế bố trí 154 mạch in PADS Tuy nhiên kỹ thuật mơ hình hóa với trợ giúp máy tính chưa có nhiều tiến Để mô hệ thống (và thiết kế điều khiển) có số chương trình ACSL, SIMPACK, MATLAB/SIMƯLINK MATRIX-X Đó kỹ thuật mơ phỏng, cơng cụ có giá trị để thiết kế Chúng cho phép người thiết kế nghiên cứu giao diện thành phần thay đổi tham số trước chế tạo Tuy nhiên đa số chương trình khơng phù hợp cho mơ thời gian thực Mơ hình hóa q trình Mơ hình tốn học cho hoạt động động học tuyến tính hệ thống yêu cầu cho bước thiết kế điện tử mô phỏng, thiết kế điều khiển tái thiết tham số Có hai phương pháp để thu mơ hình thực mơ hình lí thuyết ngun lí vật lí thực mơ hình thực nghiệm với biến đầu ra, đầu vào đo Vấn đề mơ hình lí thuyết hệ thống điện tử thành phần có gốc từ miền khác Hiện có kiến thức phát triển tốt cho miền mơ hình mạch điện, hệ thống đa chi tiết, hệ thống thủy/khí gói phần mềm tương ứng Tuy nhiên, nhìn chung cơng cụ để thực mơ hình mơ thành phần miền khác thiếu, chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng Mơ thịi gian thực Mô thời gian thực ứng dụng ngày nhiều vào thiết kế hệ thống điện tử Điều đặc biệt phù hợp trình, phần cứng phần mềm phát triển đồng thời để tối thiểu chu kì phát triển lặp lại, rút ngắn thời gian từ thiết thị trường Trên sở tốc độ tính tốn u cầu phương pháp mơ (simulation methods), chia chúng sau: mẫu điéu khiển “phần mém vòng lặp T - Q - t ỈT vòng lặp r c - p Hình 4.2: Phân ìoại mơ thời gian thực 155 Mô không giới hạn thời gian Mô thời gian thực Mô nhanh thời gian thực Mô thời gian thực có nghĩa mơ thành phần thực cho tín hiệu đầu vào đầu thể giá trị phụ thuộc thời gian thành phần hoạt động thực Các phương pháp mô thời gian thực thể hình 4.2 Lí u cầu thời gian thực gần thành phần hệ thống khảo sát khơng phải tái tạo mơ hình mà thực.Ta chia thành trường hợp: • Q trình thực (real process) vận hành với điều khiển mô (simulated control) sử dụng phần cứng không phần cứng cuối, gọi “mẫu điều khiển” (control prototyping) • Quá trình mơ (simulated process) vận hành với phần cứng điều khiển thực (real control hardware), gọi mô phần cứng mạch lặp (hardware in- the- loop simulation) • Q trình mơ chạy với điều khiển mô thời gian thực Điều yêu cầu chưa có phần cứng cuối xem xét bước thiết kế trước mô phần cứng mạch lặp Mô phần cứng mạch lặp (hardware in- the- loop simulation) Mô phần cứng mạch lặp (HIL) thể đặc tính họat động thành phần thực kết nối với thành phần mô thời gian thực Thường phần cứng hệ thống điều khiển phần mềm hệ thống thực Quá trình điều khiển (gồm actuators, q trình vật lí sensor) có thành phần mơ thành phần thực (hình 4.3) Nhìn chung, thực hịên trường hợp kết hợp thể hình 4.3 Nhưng thường actuators thực cịn q trình sensor mơ Mơ phần cứng mạch lặp (HIL) mang lại lợi ích sau: - Thiết kế kiểm nghiệm phần cứng phần mềm điều khiển không cần vận hành trình thực (thực phịng thí nghiệm) - Kiểm nghiệm phần cứng điều khiển phần mềm điều kiện mơi trường khắc nghiệt phịng thí nghiệm (nhiệt độ cao/thấp, gia tốc cao biến động học mạnh, mơi trường nhạy cảm, khả tương thích điện-từ) - Kiểm tác động lỗi thiếu lực actuator, sensor máy tính tồn thể hệ thống 156 - Vận hành kiểm nghiệm điều kiện làm việc nguy hiểm /thái - Thử nghiệm khả thường lập lại - Vận hành dễ dàng với giao diện người-máy khác - Tiết kiệm thời gian kinh phí phát triển Thực nguyên mẫu điều khiển (control prototyping) (a) Hình 4.3: Mô thời gian thực: cấu trúc lai a) mô hardware-in-the loop b) control prototyping Để thiết kế kiểm nghiệm hệ thống điều khiển phức tạp thuật toán chúng theo ràng buộc thời gian thực , mô điều khiển thời gian thực thực với phần cứng khác với phần cứng cuối Khi trình, actuator sensor phải thực Như gọi nguyên mẫu điều khiển (hình 4.3b) Tuy nhiên phần q trình sensor mơ phỏng, tạo nên mô pha trộn HIL control prototyping Lợi sử dụng control prototyping HIL kết hợp chúng : • Phát triển sớm phương pháp xử lí tín hiện, mơ hình trình cấu trúc hệ điều khiển kể thuật toán với phần mềm bậc cao phần cứng có tính thực cao • Kiểm nghiệm xử lí tín hiệu hệ thống điều khiển, với thiết kế khác actuator, phần q trình cơng nghệ sensor để tạo tác động đồng vận • Rút gọn mơ hình thuật toán để thỏa mãn yêu cầu phần cứng cho sản xuất loạt lớn với giá rẻ 157 CHƯƠNG MỘT SÔ SẢN PHẨM c ĐIỆN TỬ TIÊU BIỂU CỦA VIỆN MÁY VÀ DỤNG cụ CÔNG NGHIỆP - IMI Một số sản phẩm điện tử tiêu biểu lĩnh vực máy thiết bị công nghiệp Viện Máy Dụng cụ công nghiệp (IMI) nghiên cứu, thiết kế đưa vào sản xuất công nghiệp từ 1996 đến 2002 Sau số sản phẩm 5.1 TRẠM TRỘN BÊ TƠNG Ngun lý làm việc trạm trộn bê tơng Hình 5.1 thể nguyên lí làm việc trạm: cấp liệu vào cân ximăng cân cốt liệu, trọng lượng cốt liệu ximăng tác động đến đầu đo (4,3) Tín hiệu từ đầu đo qua hộp nối (5,6), hộp chỉnh(7,8) đưa máy tính cơng nghiệp BUCODAT(13) (BUCODAT có chức điều khiển q trình định lượng hộ thống) BUCODAT tính tốn xử lý liệu nhận được, sau đưa liệu hộp rơle (12) Các tín hiệu đưa tới hệ thống động lực để điều khiển hệ thống hoạt động Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý trạm trộn bê tông Hệ thống cân nước (1-giảm chấn, 2- đầu đo cân nước, 9- hộp nối cấn nước,10- hộp nguồn cân nước, 11-cân nước), điều khiển hệ điều khiển định lượng đơn giản (WLC2 WE31) có chế hoạt động 158 tương tự BUCODAT Cả hai điều khiển định lượng có cổng nối ghép với máy tính PC qua giao diện RS232 Khi nối ghép, chương trình viết máy tính cho phép điều khiển tổng thể hệ thống, nhờ dễ dàng lưu trữ, thống kê liệu đặc biệt thiết lập giao diện người dùng cách thân thiện (thường máy tính cơng nghiệp cọ giao.diện khơng thân thiện với người sử dụng) Đặc tính kỹ thuật Đặc tính kỹ thuật Đơn vị BM-30 750 1000 1500 Độ cao phun ximăng mm 3920 3920 3920 Chiều cao bệ trộn mm 4480 4480 4480 Tổng trọng lượng kg 1500 2200 2800 Lượng ximăng kg 400 500 600 Lượng nước m3 15 20 20 Silo ximàng T 40 40 40 T/h 20 25 30 1 2 2 kW 52 70 85 Năng suất Cấp độ trộn Cấp độ ximăng Mức tiêu thu điên BM-45 BM-60 5.2 HỆ THỐNG CÂN BĂNG PHỐI LIỆU NHIỀU THÀNH PHẦN Nguyên lý làm việc Phối liệu đưa xuống bàng tải qua xilơ cấp liệu, tín hiệu m (khối lượng), V(tốc độ) băng tải đọc vào máy tính theo đường khối lượng (sử dụng card chuyển đổi A/D kênh), đường tốc độ (cổng COM1, từ chuyển đổi RS 232/RS-485), máy tính tính suất thực cân Qt=mV, so sánh với suất định mức Qđặt chúng, từ đưa tín hiệu điều khiển Ưđk để điều khiển động thơng qua biến tần (dinverter) Mục đích điều chỉnh tốc độ hợp lý cho bâng tải cân, cho sai lệch suất thực với suất định mức