HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ppt

Harashima, Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996 “Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thơng minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm v

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

 Tên môn học : Hệ thống cơ điện tử

 Tổng thời gian: 30 tiết (4 tiết \ tuần)

 Điểm : Giữa kỳ 40%

Cuối kỳ 60%

 Kiểm tra :

Giữa kỳ :Bài tập , tiểu luận nhóm

Cuối kỳ :Thi Trắc nghiệm

 Giảng viên : TS Nguyễn Văn Trung

 Mobile: 0946795479

 Email : trungnguyen111962@yahoo.com

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

 Tên môn học : Hệ thống cơ điện tử

 Mục tiêu môn học : Sau khi học môn học SV có khả năng :

 Nắm vững kiến thức về hệ thống cơ điện tử

 Trình bày được cấu trúc của hệ thống cơ điện tử và các

thành phần cơ bản của Hệ thống cơ điện tử

 Trình bày nguyên lý cấu trúc và các bài toán cơ bản quá

trình thu thập xử lý thông tin và các quyết định điều khiển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 Robert H.Bishop The Mechatronics Hanbook, CRP Press, 2002

 Michael B.Histand, David G.Alciatore : Introduction to

Mechatronics and Mesurement, Mc Graw-Hill, 1999

NỘI DUNG BÀI GIẢNG.

 Chương 1: Các khái niệm về Cơ điện tử

 Chương 2: Các thành phần của Hệ thống Cơ điện tử

 Chương 3: Cảm biến và cơ cấu chấp hành.

 Chương 4: Các hệ thống điều khiển Cơ điện tử

 Chương 5 : Một số ứng dụng Cơ điện tử

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ LÀ GÌ ?

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Các khái niệm cơ bản.

Cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của

cơng ty Yasakawa Electric

Thuật ngữ mechatronics được tạo thành bởi

“mecha” trong mechanics và “tronics” trong electronics Nĩi cách khác, các cơng nghệ và sản phẩm được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong các

cơ cấu và rất khĩ cĩ thể chỉ ra ranh giới giữa chúng.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1.1 Các khái niệm cơ bản về cơ điện tử

Harashima, Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996

“Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật

cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thơng minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình cơng nghiệp.”

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Năm 1997, Shetty và Kolk quan niệm

“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm

cơ điện.”

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa

“Một hệ cơ điện tử khơng chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nĩ cũng khơng chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển Nĩ là sự tích hợp đầy đủ các hệ trên.”

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Ngoài ra còn co các đ nh nghĩa khác về cơ điện tử như: ị

 • Chico state university:

 Là lĩnh vực nghiên cứu mà nó kết hợp những nguyên tắc chủ yếu của

cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính

 Là khoa học mà nó thống nhất giữa cơ khí và điều khiển điện tử

 • Inductrial Research and Development Advisory Committee of the

 • Introduction to mechatronic and meaurement systems (book):

 Là lĩnh vực kỹ thụât liên nghành thực hiện việc thiết kế sản phẩm dựa trên sự sát nhập các phần tử cơ khí và điện tử được phối hợp bởi một cấu trúc điều khiển.

 • Journal of mechatronics:

 Là sự liên kết hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác , điều khiển

điện tử và hệ thống tư duy trong thiết kế tư duy và các quá trình sản xuất.

 • Loughborough university (United Kingdom):

 Cơ điện tử là trí tuệ thiết kế mà nó sử dụng một khối thống nhất kết hợp của cơ khí, điện tử và kỹ thuật máy tính làm nâng cao chất

lượng sản phẩm, quá trình hoặc hệ thống.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 • ME magazine:

 “Là tác dụng hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác, lí thuyết điều khiển, khoa học máy tính, cảm biến cơ cấu tác động, để thiết kế sản phẩm và cải tiến quá trình” “ứng dụng của công nghệ mới nhất trong kỹ thuật cơ khí chính xác, lý thuyết điều khiển, khoa học máy tính và điện tử vào việc

thiết kế các quá trình tạo ra các sản phẩm đa chức năng hơn và đáp ứng nhu cầu tiêu dùng”

 • Mechatronics –Electromechanics and Controlmechanics (Miu 1990):

 Là lĩnh vực liên nghành mà nó bao gồm đồng thời cơ khí, điện tử và sự điều khiển bằng máy tính – hệ thống giao tiếp cơ điện

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 • Mechatronics – Electronic control systems in mechanical engineering

(Bolton 1995)

 Là sự kết hợp giữa điện tử, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật cơ khí

 • Mechatronics – Electronics in products and processes [Bradley 1994]:

 L à lĩnh vực tích hợp trong quá trình thiết kế kết hợp giữa kỹ thuật điện tử, máy tính và kỹ thuật cơ khí

 • Mechatronics – Mechanical system interfacing [Auslander 1994]:

 Là sự ứng dụng của các khả năng phức tạp đối với sự hoạt động của các hệ thống vật chất

 • Mechatronics engineering (book):

 Là hoạt động trước khi lập kế hoạch liên quan đến cơ khí, điện tử và phần mềm vào vòng đời sản phẩm trong hoạt động đồng thời của quá trình phát triển

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 • Mechatronics system design (shetty 1998):

 Phương thức được dùng cho thiết kế tối ưu hóa các sản phẩm điện cơ

 • North Carolina state university course:

 Là sự liên kết hổ trợ lẩn nhau của cơ khí chính xác, điều khiển

điện tử và hệ thống tư duy trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản suất thông minh

 • University of California at Berkeley:

 Là sự tiếp cận linh hoạt, đa kỹ thuật trong sự kết hợp của kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin

 • University of Linz:

 Hệ thống kỹ thuật vận hành một cách máy móc với sự phản hồi tới một vài bộ phận chủ yếu nhưng với nhiều hoặc ít sự hổ trợ đắc lực của điện tử cho các cơ cấu cơ khí

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 • University of Twente (the Neherlands):

 Là công nghệ mà nó kết hợp cơ khí với điện tử và công nghệ thông tin để hình thành trường tích hợp và tương tác trong các chi tiết, môdun, sản phẩm và hệ thống



• University of Washington:

 Sự nghiên cứu tổng hợp của thiết kế hệ thống và sản phẩm mà trong đó sự tính toán, cơ khí hóa, sự tác động, cảm biến và điều khiển được kết hợp với nhau để đạt được chất lượng và tính năng của sản phẩm tiên tiến

 • Virginia polytechnic institute:

 Cơ điện tử liên quan đến sự kết hợp của cơ khí, điện tử, phần mềm, và kỹ thuật lý thuyết điều khiển vào trong một khung công việc hợp nhất mà nó làm tăng cường quá trình thiết kế

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Đối với Takashi Yamaguchi, người làm việc ở phòng kỹ thuật cơ khí Cty Hitachi ở Ibaraki Nhật Bản thì cơ điện tử là “một phương pháp luận cho việc thiết kế những sản phẩm mà được tung ra

nhanh trên thị trường, có đặc tính chính xác Những đặc tính này có được vì sản phẩm không chỉ mang yếu tố thiết kế cơ khí mà còn là sử dụng điều khiển servo, cảm biến và điện tử” Ông cũng nói thêm rằng, nó cũng rất quan trọng để làm cho cấu trúc cứng vững Các ổ đỉa máy tính là ví dụ của sự ứng dụng thành công cơ điện tử: “đĩa ghi được yêu cầu cung cấp sự truy cập rất nhanh, vị trí chính xác và độ cứng vững tốt để chống lại những tác động nhiễu biến đổi”.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Đối với Giorgio Rizzoni, phó giáo sư cơ khí ở Đại học bang Ohio tại Columbus thì “cơ điện tử là sự hội tụ của phương thức thiết kế truyền thống với cảm biến và khí cụ đo kiểm, truyền dộng, kỹ

thuật cơ cấu tác động được gắn vào hệ thống vi xử lí thời gian

thực” Ông nói: những sản phẩm cơ điện tử thể hiện những tính chất đặt biệt nào đó, bao gồm sự thay thế nhiều chức năng cơ khí với những chức năng điện tử mà nó mang đến sự thiết kế, lập trình dể dàng và linh hoạt hơn, khả năng bổ sung những điều khiển

được sắp xếp trong hệ thống phức tạp và khả năng điều khiển sự xuất nhập dữ liệu tự động.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Đối với Masayoshi Tomiyuka giáo sư cơ khí ở Đại học California, Berkeley: “ cơ điện tử thật sự không là gì cả nhưng là một công cụ thiết kế tốt Ý tưởng cơ bản là

ứng dụng những phương pháp điều khiển mới để tạo ra những đặc tính mới từ thiết bị cơ khí Nó có nghĩa là sử dụng kỹ thuật hiện đại có giá trị thật sự để cải tiến đặc tính và tính linh hoạt của sản phẩm và quá trình sản

xuất.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Ngoài những định nghĩa tương tự như trên, khái niệm về cơ điện tử còn được thể hiện bằng hình ảnh, một hình thức khái niệm trực giác hơn Giáo sư Kevin Craig – Đại học Rensselaer (Mỹ) mô tả khái niệm bằng hình như sau :

Hình 1.1 Các thành phần tích hợp trong cơ điện tử

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Đặc trưng của Hệ cơ điện tử : 3 Mơ tả cơ bản :

 Một là : Một hệ cơ điện tử tiếp nhận tín hiệu, Xử lý chúng và xuất ra các tín hiệu.VD : Tiếp nhận Tín hiệu CĐ xử lý TH và xuất ra TH

Lực

Hình 1.1 Các thành phần tích hợp trong cơ điện tử

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CƠ HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

XỬ LÝ THƠNG TIN

CƠ ĐIỆN

TỬ

Mơ hình hĩa

Kỹ thuật tính tốn quá trình

Cảm biến,

CC DĐ

 Ơû Viêt Nam PGS TSKH Ph m Th ng Cát đã định nghĩa cơ ạ ượ điện tử như sau:

 “Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học và cơng nghệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học cơng nghệ

nhằm hồn thiện, thơng minh hố tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm và cơng cụ phục vụ cho con người”

 Như vậy Cơ điện tử cĩ đặc tính đa ngành và BG các LV

 Cơ học ( Cơ KT, CTM, KT chính xác )

 KT Điện và Điện tử ( Vi ĐT, ĐTCS, KT Đo, KTCC Dẫn Động)

 Xử lý thơng tin (LT Hệ thống, XLSL Quá trình, Trí tuệ NT)

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Cũng giống như cơ điện tử, có nhiều khái niệm khác nhau về hệ thống cơ điện tử Chúng ta hãy khảo sát qua một số quan điểm sau của Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Quan điểm của Bradley

 Sự thành công của các nghành công nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên th ịtrường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp của điện –điện tử và công nghệ tin học vào trong các sản phẩm cơ khí và các phương thức sản xuất cơ khí Đ c tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại – xe ôtô, máy gi t, robot, ặ ặmáy công cụ…-cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất nhiều khả năng của các nghành công nghiệp về ứng dụng những kỹ thuật mới vào trong việc sản xuất sản phẩm và các quy trình sản xuất Kết quả là đã tạo ra một hệ thống rẻ hơn, đơn giản hơn đáng tin cậy hơn và linh hoạt hơn so với các hệ thống trước đây Ranh giới giữa điện – điện tử, máy tính và cơ khí đã dần dần b thay thế bởi sự ị

kết hợp giữa chúng Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống mới: Hệ thống cơ

điện tử

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một đ nh nghĩa rõ ràng Nó được tách ịbiệt hoàn toàn ở các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực

hiện Sự kết hợp này được trình bày ở hình 1.2, bao gồm các phần riêng biệt điện

- điện tử , cơ khí và máy tính và sự liên kết chúng lại trong các lĩnh vực như giáo dục – đào tạo, công việc thực tế,các nghành công nghiệp sản xuất và th trường.ị

Cơ khí

Máy tính

Th trường ị Công nghiệp sản xuất

Công việc thực tế

Giáo dục và đào

tạo

Điện –điện tử

Hình1.2 Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử theo Bradley

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Quan điểm của Okyay Kaynak

 Theo Okyay Kaynak, gíao sư đại học ở Thổ Nh Kỳ thì Hệ thống Cơ điện ĩ tử được khái niệm theo hình sau:

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo quan điểm của Okyay Kaynak

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Quan điểm của Bolton

 Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ thống Một hệ thống có thể được xem như một cái hộp đen mà chúng có một đầu vào và một đầu

ra Nó là một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên

trong hộp, để thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra Ví dụ như : cái môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của trục động cơ.

Môtơ

Đầu vào

Nguồn điện Sự quay của trục

Đầu ra

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Một hệ thống đo lường có thể xem như một cái hộp màu đen, mà chúng có thể đo lường Chúng có đầu vào là giá tr cần đo và đầu ra là giá trị đo ị

được Ví dụ hệ thống đo nhiệt độ, nhiệt kế có đầu vào là nhiệt độ đầu ra là số chỉ trên thang đo

Nhiệt kế Nhiệt độ Số chỉ trên thang đo

Một hệ thống điều khiển có thể xem như một cái hộp màu đen dùng để điều khiển, đầu ra của nó là những giá tr đ c biệt Ví dụ : ị ặ một hệ thống điều khiển nhiệt độ có đầu vào là nhiệt độ môi trường và đầu ra là nhiệt độ mong muốn

Nhiệt kế Nhiệt độ Giá trị nhiệt độ cài đ tặ

môi trườngCÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

 Quan điểm của Shetty

 Như Bradly đã nói ở trên “trên thực tế cơ điện tử không có một đ nh nghĩa rõ ị

ràng” Vậy b ng cách nào ta phân biệt được hệ thống cơ điện tử với các hệ thống ằkhác? Chúng ta sẽ được hướng dẫn rõ ràng hơn về vấn đề này trong phần đưới đây (theo sách Mechatronic System Design của Shetty)

 Từ nhiều năm trước đây người ta đã thiết kế và ứng dụng thành công

những hệ thống đa lĩnh vực Một trong các hệ thống được sử dụng phổ biến nhất

là hệ thống cơ điện Hệ thống này thường sử dụng thuật toán máy tính để điều khiển hoạt động chấp hành của hệ thống cơ và điện tử làm nhiệm vụ giao tiếp thông tin qua lại giữa máy tính và hệ thống cơ khí

 Như vậy hệ thống đa lĩnh vực cũng có cấu trúc giống như hệ thống cơ điện tử mà ta đã đề cập Vậy sự khác nhau giữa hệ thống cơ điện tử và hệ thống đa lĩnh vực là gì?

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

  Điểm khác nhau giữa hệ thống cơ điện tử và hệ thống đa lĩnh vực không

phải ở các thành phần cấu tạo nên chúng mà là ở trình tự mà chúng được

thiết kế [Shetty] Trước đây những hệ thống đa ngành sử dụng phương thức thiết

kế trình tự, theo từng lĩnh vực riêng biệt Ví dụ như thiết kế một hệ thống cơ điện thì người ta luôn thực hiện theo trình tự sau: đầu tiên là thiết kế hệ thống cơ, khi hệ thống cơ đã hoàn tất người ta mới thiết kế các mạch điều khiển và mạch công suất ở phần điện và cuối cùng là thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ thống

M t hạn chế lớn nhất của phương pháp thiết kế này là việc cố đ nh các quá trình ặ ịthiết kế ở từng lĩnh vực riêng biệt đã tạo nên những ràng buộc mới (ràng buộc phát sinh), kết quả là phần thiết kế trước luôn ảnh hưởng áp đ t lên phần thiết ặkế phía sau Nhiều kỹ sư hệ thống đã quen thuộc với câu nói dí dỏm sau:

 “Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ, sau đó mang nó đến cho người thợ sơn sơn nó và người kỹ sư hệ thống điều khiển sẽ l p bộ điều khiển cho nó” ắ

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.2 Hệ thống cơ điện tử

Nhìn chung hệ thống Cơ Điện Tử được cấu thành bởi các yếu tố sau :

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.3 SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ

 Sản phẩm của cơ điện tử là sản phẩm của nền công nghệ kỹ

thuật cao, là kết quả của sự vận dụng thành công từ khái niệm

cơ bản của hệ thống cơ điện tử Sản phẩm cơ điện tử luôn thể

hiện những đặc tính vượt trội hơn các sản phẩm truyền thống

khác Các đặt tính đó có thể là một hay nhiều hơn các đặc tính

+ Là kết quả của chức năng điều khiển một cách thông minh.

+ Thể hiện tính chính xác và kinh tế cao mà không phải với bất cứ sản phẩm nào cũng có được.

+ Mang tính đồng bộ và đồng loạt cao, được thiết kế theo cấu trúc nên dể dàng mở rộng và phát triển lên mức cao hơn.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Ngày nay, với yêu cầu ngày càng cao của xã hội như sản phẩm phải thể tính linh hoạt, an toàn, tiện dụng, có tính năng hoạt động thông minh, độ tin cậy cao và giá thành hạ… thì cơ điện tử chính là giải pháp hoàn hảo cho các yêu cầu trên.

 Sản phẩm cơ điện tử luôn hướng đến yêu cầu đơn giản hóa

trong sử dụng, thực hiện các chức năng thay thế con người và điều này chính là độ phức tạp trong quá trình thiết kế Vì vậy việc thiết kế các sản phẩm hay tiến trình xử lý cơ điện tử là kết quả của sự rèn luyện trí óc ở nhiều khía cạnh.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.3 SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ