Bài giảng Hệ thống cơ điện tử: Chương 1 Giới thiệu chung hệ thống cơ điện tử cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm về hệ thống cơ điện tử; Thành phần chính của cơ điện tử; Phân loại hệ cơ điện tử; Cấu trúc cơ bản hệ cơ điện tử;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Giới Thiệu Chung Về Hệ Thống
Cơ Điện Tử
GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện
Trang 2Môn học giới thiệu các thành phần cơ bản hình thành nên hệ thống Cơđiện tử, phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử đối tượng cụ thể,những ứng dụng cụ thể của các hệ thống và sản phẩm cơ điện tử.
Các hiểu biết, kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học
-Kiến thức: Nắm vững các thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu tố
hình thành hệ thống Cơ điện tử Tiệm cận một phương pháp thiết kế
“phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử”
-Kỹ năng nhận thức: Nhận biết được mối liên kết giữa các thành phần
trong hệ thống cơ điện tử
-Kỹ năng chuyên môn: kỹ năng phân tích, thiết kế sản phẩm cơ điện
tử
-Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này để
tiếp cận các hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau
MỤC TIÊU MÔN HỌC
Trang 3→ Tham gia thảo luận, chuyên cần: 10%
→ Kiểm tra giữa kỳ: 20%
→ Kiểm tra cuối kỳ: 70%
-Hình thức thi: tự luận
-Thời lượng thi: 60 phút
-Sinh viên không được tham khảo tài liệu
Tài liệu học tập
[1] Devdas Shetty – Mechatronics system design, 1997
[2] Robert H Bishop – The Mechatronics Handbook
[3] W Bolton – Mechatronics – Electronic control systems in mechanical engineering, 1995
[4] D A Bradley – Mechatronics – Electronic in product and processes – Chapman & Hall, 1993.
ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC
Trang 4Chương 1: Giới Thiệu Chung Hệ Thống Cơ Điện Tử
Chương 2: Thành Phần Đầu Vào Của Cơ Điện Tử
Chương 3: Cơ Cấu Chấp Hành
Chương 4: Các Bộ Phận Điều Khiển Trong Cơ Điện Tử
Chương 5: Thiết Kế Và Công Cụ Thiết Kế Sản Phẩm Của Cơ
Điện Tử
NỘI DUNG MÔN HỌC
Trang 5KHÁI NIỆM & THÀNH PHẦN CHÍNH
Trang 6Cơ điện từ là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giaonhau giữa cơ khí và kỹ thuật điện-điện tư, điều khiển hệ thống
và công nghệ thông tin
KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 7►Cơ điện tử là sự kết hợp của kỹ thuật cơ khí,điều khiển điện tử
và kỹ thuật hệ thống trong thiết kế sản phẩm và quá trình(theoNanyang Politecchnic Singapore)
►Cơ điện từ là sự kết hợp đồng thời của kỹ thuật cơ khí,điềukhiển điện tử và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và cácquá trình sản xuất (theo Ủy ban tư vấn Phát triển và nghiên cứucông nghiệp châu âu viết tắt IRDAC)
►Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồngthời(concurrent engineering) vào thiết kế và tích hợp các hệthống cơ –điện tử (theo trường Đại học Atlanta U.S.A)
►Các định nghĩa còn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấyđây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hoàn toàn định hình, màđang tiếp tục định hình
KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 8Cơ Khí
Giáo Dục & Đào
Tạo Công Việc Thực Tế
Công Nghiệp Sản
Xuất Thị Trường
Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử (Bradley)
Quan điểm của Bradley: Sự thành công của các ngành công
nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên thị trường 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 …
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 9Process Monitoring
Visualiration
Controller System
Cấu trúc hệ thống cơ điện tử (Okyay Kaynak)
Quan điểm của Okyay Kaynak (Professor, Turkey):
Cognition
Mechanical Process Sensors Actuators
Perception Execution
Controlling System Mechatronics System
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 10Quan điểm của Shetty:
“Phương pháp thiết kế cơ điện tử được đặc trên kỹ thuật đồng thời thay cho kỹ thuật trình tự”
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 11Phương pháp thiết kế truyền thống:
Thiết kế cơ khí
Chế tạo cơ khí
Lắp ráp điện động lực
Lắp ráp điện điều khiển
Viết phần mềm điều khiển
Kiểm tra hiệu chỉnh
Kỹ sư cơ khí
Kỹ sư cơ điện
Kỹ sư điện tử điều khiển
Kỹ sư cơ khí
Nhược điểm:
- Thời gian thiết kế kéo dài
- Khó đưa ra giải pháp tổng thể tối ưu
- Tốn kém chắp vá và thiếu hiệu quả
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 12Phương pháp thiết kế cơ điện tử:
Tiếp nhận nhu cầu
Tối ưu hóa thiết kế
Triển khai phần cơ khí, chấp hành, truyền động
Triển khai phần cứng điều khiển
Triển khai phần mềm điều khiển
Tối ưu hóa vòng đời của sản phẩm
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CHẾ TẠO MẪU TRIỂN KHAI
Ưu điểm:
- Tối ưu về thời gian, kinh phí
- Đưa ra giải pháp tổng thể thống nhất
- Tin cậy chi phí thấp
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 13Những ưu điểm của hệ cơ điện tử so với hệ cơ khí truyền thống:
► Chính xác, hiệu quả, rẻ tiền, thân thiện với người dùng
► Nhỏ gọn, tin cậy, tiêu hao ít năng lượng, an toàn và dễ thay đổi mẫu mã
► Không có các cơ cấu truyền động cơ khí vì vậy làm việc không có lực tác dụng nên không hao mòn cơ học
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 14Ví dụ về sự phát triển của ô-tô:
KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 15LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Trang 16THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 17PHÂN LOẠI HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 18Mô hình hóa và mô phỏng hóa Điều khiển tự động
Tối ưu hóa
Hệ thống thông tin
Cơ điện tử
Hệ thống chấp hành
Cảm biến
D/A
A/D
Hệ thống
cơ khí
Hệ thống điện
Máy tính
Giao diện thời gian thực
+
=
CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 19- Là kết quả mô tả được gọi là mô hình.
- Mô hình có thể là dạng đồ họa, đồ thị, sơ đồ khối, dạng toán học
- Mô hình có cấu trúc nhân quả
- Mô hình không phải là đối tượng thực
CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 20CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 24Điều khiển:
- Tác động lên đối tượng nhằm đạt được kết quả mong muốn
- Điều khiển đưa hoạt động của đối tượng về trạng thái hoạt độngmong muốn
- Điều khiển để duy trì trạng thái mong muốn trước các biến cố củayếu tố bên ngoài
( Phân tích hệ thống điều khiển phản hồi hở và điều khiển phản hồikín)
CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 25Tối ưu hóa:
- Giải quyết vấn đề phân phối, sử dụng nguồn tài nguyên có hạn đểđạt mục tiêu đề ra với mức độ tốt nhất có thể
- Mục tiêu biểu diễn bằng các hàm mục tiêu, còn các nguồn tàinguyên có giới hạn thì biểu diễn bằng các hệ phương trình, bấtphương trình ràng buộc
CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 26SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 30Sự thiếu lao động
Sự an toàn
Rút ngắn thời gian sản xuất
Giảm bớt phôi liệu sản xuất
Nâng cao năng suất
Chi phí nhân công cao
Nâng cao chất lượng cuộc sống
SỰ CẦN THIẾT CỦA CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 31CÁC TÍN HIỆU ĐẦU VÀO CỦA HỆ
CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 32Cảm Biến
Cảm biến thụ động KHÔNG phát ra tín hiệu để ước tính thuộc tính của môi trường và thiết bị được đo
Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu
để ước tính thuộc tính của môi
trường và thiết bị được đo
Cảm Biến
Output Input
Tín Hiệu Tương Tự
Dạng đơn giản
nhất là mức điện áp
Dạng thứ 2 là thiết bị điều chế
độ rộng xung
Dạng thứ 3 là sóng điều biên, điều tần hay cả hai
ĐẦU VÀO BỘ CHUYỂN ĐỔI CẢM BIẾN
Trang 33► Các bộ biến đổi này bao gồm hai thông số, dải tín hiệu đầuvào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số Chẳng hạn biến đổi mứcđiện áp trong khoảng 0 – 12 V thành một byte đơn 8 bit.
Van Servo
Tín hiệu điều khiển
(analogue)
Tín hiệu feed-back (analogue)
Vi Xử Lý
Đầu vào (digital)
Van Servo
Tín hiệu điều khiển
(analogue)
Tín hiệu feed-back (analogue)
Vi Xử Lý
Đầu vào (digital)
A/D
BỘ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ (A/D)
Trang 34CÁC TÍN HIỆU ĐẦU RA CỦA HỆ CƠ
ĐIỆN TỬ
Trang 35► Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dướidạng bit, byte 8 bit hoặc 16 bit Tín hiệu số được biến đổi thànhtín hiệu tương tự nhờ bộ chuyển đổi D/A.
Van Servo
Tín hiệu điều khiển (analogue)
Vi Xử Lý
Đầu ra (digital)
D/A
Dòng điện hay điện áp
BỘ BIẾN ĐỔI SỐ-TƯƠNG TỰ (D/A)
Trang 36Cơ Cấu Chấp Hành
-Chuyển mạch: bao gồm
rơle, và các thiết bị liền
khối như điôt, thyristor,
tranzitor lưỡng cực,
tranzitor trường.
-Solenoid là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển động được, lõi sắt này được kích hoạt bởi một dòng điện Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dòng thủy lực hoặc khí nén.
-Cơ cấu chấp hành kiểu động cơ:
+ Động cơ điện một chiều DC
+ Động cơ điện xoay chiều AC
+ Động cơ bước
ĐẦU RA CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Trang 37XỬ LÝ TÍN HIỆU
Trang 38► Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đốivới một hệ thống Hai dạng xử lý tín hiệu quan trọng là chuyển đổigiữa tín hiệu D/A và A/D Ngoài ra lọc cũng là một dạng xử lý tínhiệu quan trọng.
► Lọc là làm suy giảm bớt tần số nào đó của tín hiệu, quá trìnhnày có thể loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và giúp xử lý đường truyền
để chuyển tải dữ liệu tốt hơn
XỬ LÝ TÍN HIỆU
Trang 39Thông thấp Thông cao
Mạch lọc tần số là mạch lọc lấy tín hiệu trong một hay một sốkhoảng tần số nào đó, còn khoảng tần số khác lọc bỏ đi
XỬ LÝ TÍN HIỆU
Trang 404 xu thế phát triển của Cơ Điện Tử ngày nay:
- Chuyển từ Cơ Điện Tử cao cấp sang Cơ Điện Tử công nghiệp
- Thay thế các chức năng cơ khí bằng chức năng phần mềm thông qua các hệ thống nhúng
- Chuyển từ phương pháp tiếp cận phối hợp các hệ thống nhỏ sang phương pháp tiếp cận hệ thống lớn toàn cục
- Vi Cơ Điện Tử (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems, NEMS – Nano-Electro-Mechanical-Systems)
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trang 41Xu thế phát triển của Cơ Điện Tử tại VN:
- Robot làm việc trong môi trường độc hại, robot phục
vụ cho an ninh quốc phòng
- Các sản phẩm cơ điện tử trong các lĩnh vực cơ khí trọng điểm
- Nghiên cứu vi cơ điện tử (MEMS) và nano cơ điện
tử (NEMS)
XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trang 42Đào tạo kỹ sư Cơ Điện Tử trong các trường Đại Học
- 1983: Học Viện Kỹ Thuật – Singapore
- 1985: Trường Đại Học Landcaster (Anh)
- 1990: Trường Đại Học TUT (Nhật Bản)
- 1999: Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM
- 2010: ………
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 43Dunaferr University - Hungary
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 44Southeast University - Nanjing
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 45University of Tel Aviv - Israel
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 46Kyushu Institute of Technology - Japan
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 47Swinburne University of Technology - Australia
ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 48CỦNG CỐ KIẾN THỨC
Trang 49CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 1
1 Cơ điện tử là gì ? Cho 5 ví dụ về hệ thống cơ điện tử thường gặp trong cuộc sống
2 Nêu các thành phần của hệ thống cơ điện tử
3 Tín hiệu đầu vào của hệ thống cơ điện tử là gì ? Nêu chức năng của các tín hiệu đầu vào
4 Điều khiển hệ thống cơ điện tử là gì ? Nêu chức năng của
bộ điều khiển trong hệ thống cơ điện tử
5 Tín hiệu đầu ra của hệ thống cơ điện tử là gì ? Nêu chức năng của các tín hiệu đầu ra
