2.3.1 Giới thiệu hệ thống cơ điện tử (Mechatronics Systems)
* Khái niệm Cơ điện tử
Khái niệm cơ điện tử được xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1976 ở Nhật. Sau đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất.
Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy móc có thiết bị điều khiển đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt.
Một số khái niệm về hệ thống cơ điện tử được định nghĩa như sau:
Theo công ty Yasakawa Electric: “ thuật ngữ Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo ra bởi (Mecha) trong Mechanism (trong Cơ cấu) và tronics trong electronics (Điện tử).
Theo Harashima Tomizukava và 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 chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”.
Theo International Federation of Automation Control (IFAC) – Technical Comittee on Mechatronics Systems [8]. Cơ điện tử là sự phối hợp của cơ khí chính xác, điều khiển điện tử, hệ thống điều khiển sản phẩm và quá trình sản xuất.
Theo Devdas Shetty, Richard A.Kolk [16]: Cơ điện tử là một phương thức sử dụng tối ưu thiết kế hệ thống của sản phẩm cơ điện. Đó là một sự kết hợp trong tích hợp của cơ khí, điện và hệ thống máy tính với hệ thống thông tin cho quá trình thiết kế và sản xuất của các sản phẩm và quy trình sản phẩm. Sự hiệp lực được thể hiện tổng quát bằng tham số kết hợp chuẩn xác; và sản phẩm cuối cùng có thể tốt hơn tổng từng bộ phận của hệ thống. Thành phần của cơ điện tử được thể hiện hình 2.1
Nhập môn về kỹ thuật 24
Hình 2.1: Thành phần cơ điện tử
Như vậy, có rất nhiều khái niệm về cơ điện tử nhưng có định nghĩa được coi là đúng nhất theo V.S. Vasić and M.P. Lazarević đó là: Cơ điện tử là sự tích hợp của hệ thống cơ khí với điện tử và điều khiển thông minh có sự trợ giúp của máy tính trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm . Cơ điện tử bao gồm:
* Hệ thống cơ khí (mechanical systems): cơ cấu cơ khí, cơ khí chính xác. * Hệ thống điện tử (electronics systems): vi điều khiển, nguồn, cảm biến và kỹ thuật cơ cấu chấp hành.
* Hệ thống máy tính (information technology): lý thuyết điều khiển, tự động hóa, phần mềm, điều khiển.
Hình 2.2: Thành phần của Cơ điện tử
Nhập môn về kỹ thuật 25
2.2.2 Hệ thống Cơ điện tử
Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống phức tạp, tích hợp các phần điện, cơ, lý thuyết điều khiển tự động và công nghệ thông tin. Do đó, việc thiết kế đòi hỏi một quy trình thiết kế phù hợp và hiệu quả.
Theo Klaus Janschek hệ thống cơ điện tử là quá trình tạo ra sản phẩm có phương thức mới, tối ưu của nhiều nền tảng khác nhau của thiết kế hệ thống, sản phẩm là sự kết hợp của cấu trúc chức năng, chất lượng, kinh tế, và quá trình hợp tác làm việc nhóm.
Hình 2.3: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử
Hệ thống cơ điện tử (Mechatronics systems) theo quan điểm của Okyay Kaynak,
Nhập môn về kỹ thuật 26 Theo S.Ashley hệ thống cơ điện tử là hệ thống sử dụng cơ khí chính xác, hệ thống máy tính và các cảm biến; kỹ thuật điều khiển để tạo ra (thiết kế) cải tiến một sản phẩm và quá trình sản xuất.
Theo A.Saleem. Philadenphia University, Amman, Jordan hệ thống cơ điện tử là một hệ thống bao gồm các cơ cấu, các cảm biến, tích hợp thuyết điều khiển, bộ điều khiển và hệ thống điện, điện tử.
Hình 2.5: Hệ thống cơ điện tử theo A.Saleem. Philadenphia
Theo National Instruments, hệ thống cơ điện tử là hệ thống tích hợp của các thiết bị điện tử và thành phần điện đưa vào kết cấu cơ khí .
Một hệ thống cơ điện tử bao gồm: sự thay đổi của hệ thống cơ khí, hệ thống điện và thành phần phần mềm được đưa vào. Khi có sự thay đổi của thành phần kết hợp, kết quả là một hệ thống cơ điện thay đổi.
Hệ thống cơ điện tử là một trong những hệ thống tốt nhất trong việc thiết kế tối ưu cho các sản phẩm, dựa vào sự phức tạp cao của việc thiết kế và những yêu cầu tích hợp của cơ khí, điện tử, và thành phần quá trình thông tin. Để tốt cho các nhóm thiết kế bằng cách thuận lợi cho quá trình thay đổi thành phần hệ thống không ảnh hưởng lớn đến hệ thống cần chọn công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử phức tạp .
Nhập môn về kỹ thuật 27
Hình 2.6:Thành phần của hệ thống cơ điện tử (Theo National Instruments)
2.3.2 Thiết kế cơ điện tử
a) Phƣơng pháp thiết kế truyền thống
Thiết kế hệ thống cơ điện tử là sự kết hợp thiết kế bao gồm cơ khí chính xác, hệ thống điện tử và điều khiển hệ thống trong việc thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuất.
Thiết kế hệ thống cơ điện tử bắt đầu từ mục tiêu nhiệm vụ của người khách hàng, người sử dụng sản phẩm cho đến tích hợp các chức năng, tích hợp kỹ thuật, tích hợp thuộc không gian.
Hình 2.7: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử với phân tích các cấu trúc chức năng
Thiết kế hệ thống cơ điện tử là nhiệm vụ đòi hỏi người thiết kế phải kế thừa, có kiến thức, hay tổ chức từ những ngành khác nhau như cơ khí, điện tử, điều khiển, máy tính.. Những kiến thức của nhiều ngành khác nhau được kết hợp để tạo ra một hệ thống cơ điện tử tốt nhất.Việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thông
Nhập môn về kỹ thuật 28 thường gồm những bước sau theo, việc thiết kế tuần tự theo có thể dẫn đến khó thực hiện nhiều công việc đồng thời, và qua trình thiết kế bị ràng buộc lần nhau qua nhiều;
Hình 2.8. Thiết kế hệ thống cơ điện tử
Hình 2.8 trình bày quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đơn giản, mũi tên bên trong chỉ các bước tuần tự của quá trình thiết kế cơ khí, điện, điều khiển và sản phẩm cuối cùng chịu sự chi phối của các hệ thống tương tác với nhau.
Trong quá trình này, sự tác động giữa 03 hệ thống này và ảnh hưởng của từng hệ thống sẽ làm thay đổi thiết kế và nhiệm vụ ban đầu của sản phẩm, thiết kế cuối cùng và nhiệm vụ được đưa ra xem như tại mỗi bước của thiết kế của hệ thống. Ảnh hưởng của bước thứ hai trong quá trình thiết kế được xem như là hiển nhiên. Một trong những ảnh hưởng chính được làm cho thiết kế tốt nhất là mỗi một hệ thống sẽ làm cho nhiệm vụ tổng thể.
Việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thường được thiết kế theo quy trình: Xác định các yêu cầu kỹ thuật Thiết kế cơ khí Thiết kế điện Thiết kế phần cứng mạch điện Thiết kế phần mềm Thiết kế bộ điều khiển Thử nghiệm
Nhập môn về kỹ thuật 29 và tối ưu hóa sản phẩm mẫu Thiết kế sản xuất thử nghiệm sản xuất support and service sản xuất bền vững.
Hình 2.9: Quy trình thiết kế (a) truyền thống
Theo A. Saleem, Tutunji and L. Al-Sharif , Mechatronic System Design Course for Undergraduate Programmes, thiết kế hệ thống cơ điện tử là quá trình đòi hỏi phải thiết kế các phần cơ khí, cảm biến, giải thuật điều khiển.
Hình 2.10:Thiết kế cơ điện tử
b) Phƣơng pháp thiết kế hiện đại:
Có nhiều phương pháp thiết kế cơ điện tử hiện nay được áp dụng, mặc dù có rất nhiều lợi ích từ thiết kế hệ thống cơ điện tử, nhưng người thiết kế thông thường làm chi phí sản phẩm cao lên bởi lý do quá nhiều bộ phận phải thay thế, thiếu kinh nghiệm với những sản phẩm mới và kỹ thuật kiểm tra và sử dụng kỹ thuật trong xây dựng và kết nối cấu trúc thiết kế.
Vì vậy sản phẩm được tạo ra cũng dựa trên thành phần độc lập của cơ khí, điện, phần mềm điều khiển. Các bước của thiết kế sản phẩm được trình bày bởi
Nhập môn về kỹ thuật 30
Hình 2.11:Hướng dẫn phát triển sản phẩm từ cơ khí, điện, và sản phẩm IT
Hình 2.12: Phát triển sản phẩm cơ điện tử với độ tin cậy a) cơ bản b) tích hợp phát triển sản phẩm
Nhập môn về kỹ thuật 31 Như vậy có rất nhiều tác giả đề cập đến thiết kế hệ thống cơ điện tử nhưng quy trình do National Instrument đề xuất được xem xét vì tính đơn giản và thực tế của quy trình.
Quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử được đưa ra kế thừa mô hình tuần tự: Thiết kế đồng thời phần cơ khí, điện, phần cứng/ phần mềm, bộ điều khiển -> Mẫu sản phẩm ảo -> Đồng thời; Sản xuất thật, thiết kế sản phẩm. Quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử kế thừa mô hình tuần tự truyền thống với một số thay đổi như
Hình 2.13 : Mẫu vật lý được sử dụng để thực nghiệm, hiệu chỉnh và tối ưu hóa thiết kế; Các bước thiết kế được triển khai đồng thời (cơ khí, điện, phần cứng/phần mềm, bộ điều khiển); Việc sử dụng mẫu ảo trong quá trình thiết kế trước khi sử dụng mẫu thật giúp giảm thiểu thời gian và kinh phí thiết kế sản phẩm.
Hình 2.13: Quy trình thiết kế cơ điện tử
Theo cho rằng thiết kế hệ thống cơ điện tử: cần tích hợp thiết kế phần điều khiển và cơ khí vào trong quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử.
Nhập môn về kỹ thuật 32
Hình 2.15: Hệ thống cơ điện tử của Festo
Hình 2.16: Hệ thống Cơ điện tử và tự động hóa tại nhà máy
Nhập môn về kỹ thuật 33
2.3.3 Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử a) Xác định mục tiêu thiết kế
Xác định rõ mục tiêu thiết kế là gì?. Mục tiêu thiết kế càng rõ ràng, càng bám theo yêu cầu của khách hàng, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm hay yêu cầu của người sử dụng càng thuận lợi cho quá trình thiết kế.
Xác định mục tiêu của thiết kế, ví dụ: thiết kế xe đua, thiết kế xe vận chuyển hàng trong nhà kho, thiết kế AVG vận chuyển container, …
b) Tìm hiểu tổng quan
Từ mục tiêu đã xác định ở trên, trình bày tổng quan về vấn đề thiết kế bao gồm: những nghiên cứu trong và ngoài nước, các patent, thiết bị sản phẩm đã có, sơ đồ nguyên lý (kết cấu, điều khiển, …), tính năng, ưu nhược điểm, … cuối phần này phải đặt được bài toán cụ thể cho vấn đề thiết kế (system specification).
Một số số liệu thiết kế ban đầu có thể chưa chuẩn xác, có thể được đặt lại trong quá trình nghiên cứu.
Kết thúc phần tổng quan là đầu bài cụ thể về vấn đề thiết kế, ví dụ: sơ đồ line (map), vận tốc lớn nhất của mobile platform , bán kính cong nhỏ nhất trên line
, sai số bám line cho phép
c) Lựa chọn phƣơng án
Từ đầu bài đã có, đề xuất các phương án khả thi và chọn phương án phù hợp nhất cho thiết kế. Kết quả của phần lựa chọn phương án là sơ đồ nguyên lý tổng thể cho thiết kế. Tùy thuộc vào mục tiêu đề ra, sơ đồ nguyên lý tổng thể có thể là một hoặc các sơ đồ nguyên lý phần cơ, điện, điều khiển, …
Kết thúc phần phương án là sơ đồ nguyên lý của thiết kế.
Nhập môn về kỹ thuật 34
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý robot dò line ( sử dụng cuộc thi đua xe)
Ví dụ Kết thúc phương án của thiết kế xe chở hàng AGV là sơ đồ nguyên lý
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý xe chở hàng AGV
Ví dụ Kết thúc phương án của thiết kế robot chùi sàn là sơ đồ nguyên lý
d) Xây dựng kế hoạch thiết kế
Dựa trên phương án triển khai, biểu đồ Gantt được xây dựng cho quá trình thiết kế. Trong quá trình thiết kế sau khi hoan thiện có thể đối chiếu so sánh biểu đồ cho quá trình thiết kế thực tế và lý thuyết để so sánh.
Bảng 2.1: Biểu đồ Gantt cho quá trình thiết kế
Công việc
Phần Chung 2. Tồng quan.
2. Phương án.
Phần Cơ Khí
2. Chọn sơ đồ nguyên lý.
2. Thiết kế và lựa chọn kết cấu cơ khí. 3. Mô phỏng 3D.
4. Xuất bản vẽ lắp.
Nhập môn về kỹ thuật 35 6. Làm báo cáo.
Phần Điện
2. Tính toán công suất, chọn nguồn điện. 2. Chọn động cơ, driver.
3. Thiết kế mạch nguồn. 4. Thiết kế mạch cảm biến. 5. Thiết kế mạch vi điều khiển. 6. Làm báo cáo.
Phần Máy Tính
2. Chọn phương án điều khiển. 2. Chọn vi điều khiển.
3. Đưa ra lưu đồ giải thuật. 4. Viết chương trình điều khiển.
5. Mô phỏng và thử nghiệm thuật toán. 6. Làm báo cáo.
Phần Toán
2. Chọn cảm biến.
2. Mô hình hóa hệ thống và cảm biến. 3. Thiết kế và chọn bộ điều khiển. 4. Mô phỏng Matlab.
5. Xuất kết quả mô phỏng. 6. Làm báo cáo.
Project Leader
2. Phân chia nhiệm vụ 2. Tổng hợp file Word 3. Làm Powerpoint
4. Chỉnh sửa file Word + Powerpoint 5. Kiểm tra tiến độ công việc.
6. Tổng hợp báo cáo.
e) Thiết kế
Phần thiết kế bao gồm: Thiết kế cơ khí (mechanical design); Thiết kế điện (electrical design); Thiết kế bộ điều khiển (control design); Thiết kế mạch điều khiển và Chương trình điều khiển (embed hardware/software co-design). Kết quả của thiết kế là một mẫu ảo (virtual prototype). Mẫu ảo thiết kế được hiệu chỉnh dựa
Nhập môn về kỹ thuật 36 trên kết quả mô phỏng trước khi xuất bản vẽ kỹ thuật cho sản xuất mẫu thật (physical prototype).
- Thiết kế phần cơ (Mechanical Systems)
Thiết kế nguyên lý, chi tiết, kết cấu, …
Tính toán công suất và xác định các thông số của động cơ (tốc độ, hộp giảm tốc, …)
Thiết lập bản vẽ cơ khí theo đúng TCVN - Thiết kế phần điện (Electrical Systems)
Lựa chọn động cơ điện: step, DC, DC servo, …
Thiết kế driver cho động cơ
Thiết kế cảm biến, mạch cảm biến
Thiết lập bản vẽ điện theo đúng TCVN - Thiết kế phần máy tính (Computer Systems)
Xác định yêu cầu (input, output, …) và lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp
Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Coding cho hệ thống (với luật điều khiển từ nhóm Computer Systems)
Thiết lập bản vẽ mạch điều khiển theo đúng TCVN - Thiết kế phần công nghệ thông tin (Information Systems)
Mô hình hóa: cảm biến, mạch động lực, mobile robot, hệ thống
Thiết kế bộ điều khiển bám line
Mô phỏng để xác định các thông số thích hợp cho bộ điều khiển bám line
Xuất kết quả mô phỏng cho báo cáo
f) Thực nghiệm và hiệu chỉnh
Dựa trên mẫu ảo thiết kế, mẫu thật được chế tạo để thực nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế.
- Xác định yêu cầu mô phỏng và thực nghiệm
- Từ yêu cầu trên, xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá - Đề xuất phương án mô phỏng/thực nghiệm
- Số liệu thực nghiệm
- Đánh giá số liệu thực nghiệm - Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có
Nhập môn về kỹ thuật 37
Hình 2.3: Mẫu ảo thiết kế bằng phần mềm
g) Xây dựng hồ sơ thiết kế
Thiết kế sau khi được kiểm tra hoàn thiện trên sản phẩm mẫu sẽ được xuất hồ sơ thiết kế. Hồ sơ thiết kế bao gồm:
* Thuyết minh quá trình thiết kế gồm các nội dung sau:
2. Tổng quan về vấn đề được giao
2. Đề xuất phương án khả thi và chọn phương án triển khai 3. Xây dựng biểu đồ Gantt cho dự án
4. Thiết kế kết cấu cơ khí (2D &3D) cho hệ thống (Mechanical Systems) 5. Mô hình hóa, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng (Information Systems) 6. Thiết kế mạch driver cho động cơ và mạch liên quan (Electrical Systems) 7. Thiết kế vi điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển (Computer Systems)
8. Thực nghiệm và kết luận
* Tập bản vẽ
2. Bản vẽ sơ đồ nguyên lý 2.Bản vẽ các chi tiết cơ khí 3. Bản vẽ lắp ráp
Nhập môn về kỹ thuật 38 4. Bản vẽ mạch điện