Cơ điện tử trong chế tạo máy trương hữu chí, võ thị ry

THU’ VIEN DAI HOC NHA TRANG M Tr 561 Ch PGS TS TRlföNG HÜU CHI TS VÖ THI RY a THU VIEN DAI HOC NHA TRANG 3000011919 NHA XUAT BÄN KHOA HOC VA KY THUÄT \~T/ PGS TS TRKDNG Hữll CHÌ TS VỐ THỊ RY CU BIỆN TỬ TRONG CH Ế TẠO MÁY (In lần thứ nhất) I mmmHQCHBAïa-jfc [ THƯ VIỆN ụK 1' I \ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Hà N ội 2007 ĐIỆN TỬ TRONG CHẾ TẠO MÁY Tác giả: PGS TS TRƯƠNG HŨƯ CHÍ TS VỎ THỊ RY Chịu trách nhiệm xuất Biên tập sửa chế bản: PGS TS TỔ ĐÃNG HÁI NGỦYỄN THỊ DIỆU THƯÝ Trình bày chế bản: VÕ THỊ RY V ẽ bìa: THẾ VINH NẸÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Hà Nội 2007 ln 800 cuốn, khổ 16 X 24cm Cơng ty TNHH Bao bì In Hải Nam Ọuyết định xuất số: 539-2006/CXẸ/43-45/KHKT cấp ngày 15/9/2006 in xong nộp lưu chiểu tháng 1/2007 LỜI NÓI ĐẨU Cơ điện tử xu hướng (trong dân dụng, công nghiệp, hàng không vũ y Hơn phát haithập kỷ qua, tân trongtrang nhờ nângcao thiết lên, triể bị,máy móc, phương thức sản xuất vaitrò hội chức Công ngh quantrọng địnhhướng dầu diện tủ qua tư chiềuvào số lĩnh cácđề tài nghiên cứu đào tạo kỹ sư điện tử năm qua trình,cụmcơng trình tặng Giải thưỏn Minh vê khoa học công nghệ năm 2005 thuộc nhiều :“ Nghi ên cứu, Bộ Công nghiệp đê tự động vực, có hai cơng thiếtkế chế tạo cụm thiết bị điện tử cho cử “Nghiên cí(u ứng dụng phát cơng ngh hốtrong cơng nghiệp chế biến sô' nông sản, thực phẩm" thuộc Bộ Giáo dụcvà đào tạo thuộc Liênhiệp hội Khoa học Kỹ thuật Việt N lĩnhvực "cơ điện tử" (m echatronics).Đ iềunày thể đư củacác ngành, cấp đơn niềmmong muốn dột phá vào vịnghiên cứu,sảnxuất nước Đ ể đáp ứng nhu cấu tài c này,các nhà khoa học nước đ Năm 2005, 12 cơng tâm hố Nó thực chocác nước dang phát Nắm bắt xu hướng trình cảcác ngành xuyên suốt kỷ XXI tínhhiệu quả, tạo giá điệntử dóng tất liệutham khảo cho sinh cáccán nghiên cứutrong „Cơ diện l tử-các thành phần bản" chê'tạo có sử dụng học n máy“,biên soạn bổ sung „Cơ điện điện tử chê tạo nộidung hai Chúng liệu hoàn xinchán thành cảm ơn bạn đọc vê ỷ kiến đóng góp đ chỉnhhơn lán xuất sau Những ỷ kiến dóng góp Láng Hạ, Đống Đa, Hà xingửi Nội Các tác giả ChươNq KHÁI N IỆ M VẼ ĐIỆN TỬ 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Cơ ĐIỆN TỬ Cơ điện tử thuật ngữ lĩnh vực khoa học công nghệ giao khí với kỹ thuật điện - điện tử, điều khiến 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 sẵn viện nghiên cứu trường đại học Sự phát triển linh kiện thiết bị điện tử số khoa học máy tính năm 75+80 kỷ XX 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 "cư điện tử" lĩnh vực đa công nghệ, phát triển sở ngành khí truyển 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 hộ thống thiết kế sản phẩm trình (theo Nanyang Politechnic Singapore) - Cơ điện tử kết hợp đồng vận kỹ thuật khí, điều khiển điện tử tư hệ thống thiết kế sản phẩm trình sản xuất (theo u ỷ 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 điều khiển thuật tốn tích hợp (theo trang “Mechatronics Forum” Ở Internet) - Cơ điện tử xem xét ứng dụng kỹ thuật đồng thời (concuưent engineering) vào thiết kế tích hợp hệ thống cơ-điện tử (theo trường Đại học Atlanta Hoa Kỳ) - Hệ thống điện tử máy tích hợp với hệ thống lập trình khả trình với nhận thức, hoạt động truyền thơng (theo Royal Institute of Technology Thụy Điển) - Cơ điện tử kết hợp công nghệ then chốt: khí, điện điều khiển (theo Louisian State University Hoa Kỳ) - 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 Renssenlaser University Hoa Kỳ) Đa sô' trường đại học Anh, Đức, Áo, ú c 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 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 q trình thiết kế để tạo nên sản phẩm có khả 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 hổ 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 cửa mở 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 nhò việc sử dụng phương pháp điều khiển tiên tiến, phù hợp với cấu chấp hành đơn giản Trong năm 80 kỷ trước, 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 tồn trở nên phổ biến Cịn thập kỷ 90, công nghệ truyền thông bổ sung vào điện tử tính mềm dẻo, hỗn hợp: sản phẩm có thê 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) tàng cường hệ thống sản phẩm Các hệ thống - điện tủ 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 công nghệ điện tử để đáp ứng nhu cầu ứng dụng tự động hoá ngành công nghiệp kể công nghiệp tiêu dùng Về đào tạo,từ 1983 Viện Kỹ thuật Nhật Bảrr- Singapo đưa vào khoá 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 (Ư.K) năm 1984/1985 Kể từ khố 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 vàở giảng dạy Những năm 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 dược dạy nguyên lí điện tử hướng nghiên cứu lĩnh vực trường Đại học Sidney ú c có khố đào tạo cấp kỹ sư theo chuyên ngành điện tử từ năm đầu 90, không lâu trường đại học Curtin New South Weles Ở châu Âu, từ năm 1980 có hc-ạt động có liên quan đến đào tạo điện tử, khố học thức điện tử trường đại học chương trình nãm cao học trường đại học Katholieke (Leuuven - Bỉ) 1986 đến 1989 trường mở ngành đào tạo điện tử Nãm 1989 Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện tử thuộc trường Đại học Twente (Hà Lan) thành lập để phối hợp chương trình nghiên cứu giảng dạy nhà trường Trong năm 1990 loạt trường đại học Ở'CHLB Đức, Đan Mạch, Hà Lan, Ireland (châu Âu) đưa điện tử vào giảng dạy Từ 1992 -ỉ-1996 Liên minh châu Âu tài trợ để thực hiộn dự án TEMOUS đưa khoá học điện tử vào giảng dạy khoa khí trường đại học: TU Bmo, 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, Suưey, 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] Chưa có thống kê đầy đủ công bố, ngày nay, dùng địa http://www.mechatronics-net.de, ta kết nối đến website 50 trường đại học có ngành điện tử, viện nghiên cứu điện tử CHLB Đức, 14 Vương quốc Anh, 18 nước châu Âu khác, 16 Mỹ, Úc 11 châu Á, V V Quan tâm giáo dục đào tạo điện tử thể Hội thảo quốc tế chuyên đào tạo điện tử tổ chức thường niên nước công nghệp phát triển (Hội nghị châu Âu đào tạo điện tử phiên thứ tổ chức CHLB Đức năm 1999, đến 2005 phiên thứ tổ chức Pháp lên kế hoạch cho phiên thứ 14 năm 2013 Hy Lạp) Kĩ THUẬT Cơ KHÍ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN (Control enginerring) (Mechanical engineering) • Điều khiển tự động • Động học máy • Thiết kế máy ĐIỆN TỬ • Hệ thống cảm biến Kĩ THUẬT MÁY TÍNH Kĩ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ (Electronics&electrical engineering) (Computer enginerring) • Thiết kế vi điện tử 1C • Hệ thống thơng tin • Vi xử lí • Cơng nghệ phấn mềm Hình 1.Các lĩnhvực đào tạo quan đến điện Nhìn chung, điện tử coi ngành tích hợp đối 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 thù 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 công nghiệp, V V Trong chương trình ịảng dạy dược coi sở cho đào tạo điện tử là: thiết bị truyền động điện (Electromechanical Motion Device), điện tử công suất (Power Electronics) & vi điện tử (Microelectronics), vi xử lí giao diện (Microprocessor and Interfacing), hệ thống điện (Electromechanical Systems), nhập môn 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 Cơ ĐIỆN TỬ 1.2.1 Tổng quan Như phát triển khoa hoc cơng nghệ kỹ thuật nhanh chóng cho phép sản phẩm, hệ thống công nghiệp tiến triển từ dạng khí hố thời kì đầu đến dạng tích hợp - điện sau đến điện tử - tự động cứng ngày loại có tính thực linh hoạt, thông 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 thòng 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 “thơng minh” để thực nhiệm vụ theo yêu cầu Đã có số sản phẩm có khả nãng người, ví dụ nhận biết tốc độ, điều chỉnh tốc độ, nhận biết cử “học cách nhìn” Những sản phẩm xếp theo 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 nãm cuối kỉ 20 hệ 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 nãng khả vận chuyển, giao tiếp truyền thông Xu sản phẩm hộ 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 hộ sản phẩm mới, phân loại sau 1.2.2 Phân loại sản phẩm điện tử 1.2.2.1 Theo độ tích hợp Cuối năm 70 kỷ XX Hội Đẩy mạnh Công nghiệp Chế tạo (JSPMI) phân sản phẩm điện tử thành nhóm [5]: Những sản phẩm với thành phần có kết hợp điện tử để tăng cường chức máy công cụ điều khiển số truyền động có tốc độ vô cấp sử dụng máy gia công Các hệ thống truyền thống thực theo hướng kết hợp với phận điện tử bên trong, giao diện sử dụng giữ ngun khơng thay đổi, ví dụ, máy khâu đại hệ thống sản xuất tự động Các hệ thống giữ nguyên chức hệ thống truyền thống, cấu bên thay đổi thành phần điện tử, ví dụ đồng hồ điện tử, cân điện tử Các sản phẩm thiết kế với tích hợp tương hỗ cơng nghệ điện tử, ví dụ máy photocopy, máy giặt thông minh, V V 1.2.2.2 Theo lĩnh vực sử dụng Sau số ví dụ phân loại sản phẩm điện tử theo lĩnh vực sử dụng: Trongy học Thuộc nhóm loại thiết bị cắt lóp; thiết bị thí nghiệm ADN, 10 PHỤ LỤC BIẾN ĐỔ I LAPLACE Biến đổi Laplace Ví dụ 1: Để xem xét biến đổi đại lượng từ miền thời gian vào mién -s, xét hàm có giá trị số cho thời gian lớn 0, tức /(0=1 với t >0 Điều kiện miêu tả hàm bậc thang đơn vị, thể hình Ph.1 Khi biến đổi Laplace là: s Với /=00 giá trị e°° VỚI f=0 -» eJ°=-1, đó: F(s) = - s Ví dụ 2: Xác định biến đổi Laplace hàm eal với a số Biến đổi Laplace /(0=eallà: F(s) = ]e v s'cíf = ]e -,5-a|'đf = — — [e