Bài giảng Hệ thống cơ điện tử - Chương 1: Giới thiệu chung hệ thống cơ điện tử

Giới Thiệu Chung Về Hệ Thống Cơ Điện Tử GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện Môn học giới thiệu các thành phần cơ bản hình thành nên hệ thống Cơ điện 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 → 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 Chương 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 KHÁI NIỆM & THÀNH PHẦN CHÍNH Cơ điện từ là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao nhau giữa cơ khí và kỹ thuật điện-điện tư, điều khiển hệ thống và công nghệ thông tin. KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ ►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(theo Nanyang Politecchnic Singapore) ►Cơ điện từ là sự kết hợp đồng thời của kỹ thuật cơ khí,điều khiển điện tử và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo Ủy ban tư vấn Phát triển và nghiên cứu công nghiệp châu âu viết tắt IRDAC) ►Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời(concurrent engineering) vào thiết kế và tích hợp các hệ thống cơ –điện tử (theo trường Đại học Atlanta U.S.A) ►Các định nghĩa còn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấy đây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hoàn toàn định hình, mà đang tiếp tục định hình KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ Cơ Khí Điện-Điện Tử Máy Tính 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 Process 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 Quan 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 Phương 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 Phương pháp thiết kế cơ điện tử: Tiếp nhận nhu cầu Phác thảo ý tưởng TK sơ bộ Chọn sensor, chấp hành Lập mô hình chi tiết Thiết kế hệ điều khiển Tối ưu hóa thiết kế Mô phỏng thời gian thực 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 Những 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 Ví dụ về sự phát triển của ô-tô: KHÁI NIỆM VỀ HT CƠ ĐIỆN TỬ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ ĐIỆN TỬ PHÂN LOẠI HỆ CƠ ĐIỆN TỬ Mô 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 Mô hình hóa: - Là sự mô tả đối tượng (thiết bị, quá trình) thực thông qua một ngôn ngữ thích hợp. - Sử dụng các ngôn dạng đồ họa, đồ thị, sơ đồ khối, dạng toán học ( Phương trình đại số, phương trình vi phân). Mô hình: - 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 Mô phỏng: - Khảo sát mô hình để đánh giá, dự đoán phản ứng của đối tượng trước các tác động bên ngoài. - Mô phỏng là một phương pháp phân tích sử dụng các phần mềm trực quan hơn ( Matlab-Simulink ), ( Labview), (CAD/CAM/CAE). CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ Điều 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 động mong muốn - Điều khiển để duy trì trạng thái mong muốn trước các biến cố của yếu tố bên ngoài ( Phân tích hệ thống điều khiển phản hồi hở và điều khiển phản hồi kín) CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ Tối ưu hóa: - Giải quyết vấn đề phân phối, sử dụng nguồn tài nguyên có hạn để đạt mục tiêu đề ra với mức độ tốt nhất có thể - Mục tiêu biểu diễn bằng các hàm mục tiêu, còn các nguồn tài nguyên có giới hạn thì biểu diễn bằng các hệ phương trình, bất phương trình ràng buộc. CẤU TRÚC CƠ BẢN HỆ CƠ ĐIỆN TỬ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ Sự 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 CÁC TÍN HIỆU ĐẦU VÀO CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ Cảm 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 OutputInput 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 ► Các bộ biến đổi này bao gồm hai thông số, dải tín hiệu đầu vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số. Chẳng hạn biến đổi mức điện 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) CÁC TÍN HIỆU ĐẦU RA CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ ► Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dưới dạng bit, byte 8 bit hoặc 16 bit. Tín hiệu số được biến đổi thành tín 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) Cơ 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 XỬ LÝ TÍN HIỆU ► Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đối với một hệ thống. Hai dạng xử lý tín hiệu quan trọng là chuyển đổi giữa tín hiệu D/A và A/D. Ngoài ra lọc cũng là một dạng xử lý tín hiệu quan trọng. ► Lọc là làm suy giảm bớt tần số nào đó của tín hiệu, quá trình này 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 Thông thấp Thông cao Thông dải Chặn dải Mạch lọc tần số là mạch lọc lấy tín hiệu trong một hay một số khoảng tần số nào đó, còn khoảng tần số khác lọc bỏ đi. XỬ LÝ TÍN HIỆU 4 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 Xu 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 Đào 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 Dunaferr University - Hungary ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ Southeast University - Nanjing ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ University of Tel Aviv - Israel ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ Kyushu Institute of Technology - Japan ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ Swinburne University of Technology - Australia ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ CỦNG CỐ KIẾN THỨC CÂU 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