thietke he thong co dien tu 2015

(Mechatronics System Design)

Giảng viên:Th.s. Nguyễn Minh Tuấn
Bộ Môn: Cơ điện tử- Khoa cơ khí
Đại học bách khoa Tp.HCM
Email:


NỘI DUNG
Mục tiêu của môn học:
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, các 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.

NỘI DUNG (tt)
 Chuyen can: 10% vang 4 buoi 0
 Kiểm tra cuối kỳ: 90(bai tap 10, giữa kỳ
20%,cuối kỳ 40%, thi 20%)
 Tài liệu học tập:
Sách, Giáo trình chính:
[1] Devdas Shetty-Mechatronics system design 1997.
[2] Robert H. Bishop – The Mechatronics Handbook
Tài liệu tham khảo:
[3] W.botlton – Mechatronics – Electronic Control systems
in mechanical engineering 1995.
 [4] D.A. Bradley - Mechatronics – Electronic in product and
processes – chapman & Hall 1993.







1

Giới thiệu

2 Tổng quan về cơ điện tử
Đặc điểm và cấu trúc hệ thống Cơ điện tử
3
4

Lý thuyết thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Baùo
caùo chuyeân ñeà
5
6 Oân taäp


Đề tài tiểu luận
stt2

Đề tài

Họ tên sinh
viên

Điể
m

1

hexapod –máy phay 5 trục
ảo
Không gian:300*400*300
-02 phần mềm
- phầm mềm tìm không
gian hoạt động
EASY ROB
- mô phỏng độ biến
dạng của cơ cấu
SOLID WORKS

Trương Ngọc
Cường
Nguyễn trọng
nhân
Nguyễn hồng
lâm
Phan hoàng
hiếu
Trần anh khoa

4

2

ROV -Trọng lượng 15 kg, nhỏ
gọn.
-02 phần mềm
- phần mềm mô phỏng
điện.
- phần mềm mô phỏng
chuyển động dưới nước
CATIA

Nguyễn Văn
3
Điền
Trương đúc hòa
Bùi ngọc hoài
duy

Nguyễn minh
hùng
Phạm thanh danh

3

Walking robot (loại 6 chân)

Nguyễn Đức

5


4

Robot do thám ( bay)
Mang được camera quan
sát
02 phầm mềm
- phần mềm mô phỏng
điệnPROTEUS
- Phần mềm mô phỏng
khí động học
ANSYS

Trần Đình Dư
Đào mạnh
hùng
Trần đình trung
Trần tiến đạt

Huỳnh thanh
duy

6

5

Robot rắn
02 phần mềm
- Phầm mềm mô phỏng
điện ORCAD
- phầm mềm mô phỏng
chuyển động
CREO

Trần Thế
Tuấn Kiệt
Trần minh tôn
Nguyễn thái
kiệt
Võ hữu lộc
Lê thạch đan

2

6

Robot biến hình
Di chuyển dưới nước và
trên bờ

SOLID.
TU CHON PHAN MEM DIEN

Mai tuấn cảnh
Trần quang
năng
Trần văn
tuyền
Nguyễn đặng
tuấn minh

1


tuan sau choùn phan mem
Tuan 9 baột ủau baựo caựo.
Tuan 9 1-2,10 3-4, 11 5-6, 12 7-1,13 23, 14 4-5,15 6-7.
THI CUOI KY VAN DAP
( MOI BAO BAO CAO 5 PHUT)


chương 1
tổng quan về cơ điện
1.1
KHÁI NIỆM VỀ CƠ
tử
Khái niệm Cơ điện tử được mở ra từ
TỬcủa công ty
đònh nghóa ĐIỆN
ban đầu

Yasakawa Electric : “ Thuật ngữ
Mechatronics( cơ điện tử ) được tạo
thành bởi “mecha” trong mechanism (cơ
cấu) và “tronics” trong electronics
(điện tử). Nói cách khác, các công
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 khó có
thể chỉ ra ranh giới giữa chúng.”


 Một đònh nghóa khác về Cơ điện tử thường
hay được nói tới do Harashima, Tomizuka va
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 và chế tạo các sản phẩm và
quy trình công nghiệp.”
 Cung năm đó, Auslander và Kempf cũng đưa ra
một đònh nghóa khác như sau : “ Cơ điện tử là
sự áp dụng tổng hợp các quyết đònh tạo
nên hoạt động của các hệ vật lý.”
 Năm 1997, Shetty lại quan niệm : “ Cơ điện tử
là một phương pháp luận được dùng để
thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện.”


Và gần đây, Bolton đề xuất đònh
nghóa : “ Một hệ cơ điện tử không

chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ
cơ khí, điện và nó cũng không chỉ
đơn thuần là một hệ điều khiển;
nó là sự tích hợp đầy đủ của tất
cả các hệ trên.”
 Tất cả những đònh nghóa và phát
biểu trên về Cơ điện tử đều xác
đáng và giàu thông tin, tuy nhiên
bản thân chúng, nếu đứng riêng
lẻ lại không đònh nghóa được đầy
đủ thuật ngữ Cơ điện tử.


 Ngoài ra còn co các đònh nghóa khác về cơ điện tử
như:
  Chico state university:
 Là lónh vực nghiên cứu mà nó kết hợp những nguyên tắc
chủ yếu của cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính.
  Clemson university:
 Là kết hợp của phần mềm và phần cứng cho thiết kế và
phân tích kỹ thuật điều khiển tiên tiến.
  Design with microprocessors for Mechanical engineers
[ Stiffler 1992]:
 Là khoa học mà nó thống nhất giữa cơ khí và điều khiển
điện tử.
  Inductrial Research and Development Advisory Committee of
the European [Alciatore 1998]:
 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 xuất.

  Introduction to mechatronic and meaurement systems
(book):
 Là lónh vực kỹ thụât liên nghành thực hiện việc thiết
kế sản phẩm dự 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.


  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”.

 Mechatronical secondary vocational school (Budapest, Hungary:
source: EGK):

 Là sự sát nhập của cơ khí, điện tử và điều khiển bằng máy tính
thông minh trong lónh vực lập kế hoạch, giai đoạn đầu sản suất và
quá trình mà cả ba nghành trên luôn hổ trợ và tăng cường lẩn
nhau một cách không ngừng.
  Mechatronics –Electromechanics and Controlmechanics (Miu
1990):
 Là lónh 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.


  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 lónh 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.


  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.


  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.


 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 thò 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: “đóa ghi
được yêu cầu cung cấp sự truy cập rất nhanh,
vò trí chính xác và độ cứng vững tốt để
chống lại những tác động nhiễu biến đổi”.


 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.


 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 bò cơ
khí. Nó có nghóa là sử dụng kỹ
thuật hiện đại có giá trò thật sự để
cải tiến đặc tính và tính linh hoạt
của sản phẩm và quá trình sản
xuất.


 Ngoài những đònh nghóa 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


 Viêt Nam PGS. TSKH Phạm Thượng
Cát đã đònh nghóa cơ 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”


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.


 Quan điểm của Bradley
 Sự thành công của các nghành công nghiệp trong
sản xuất và bán hàng trên thò 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. Đặc
tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại – xe ôtô,
máy giặt, robot, máy 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 bò thay thế
bởi sự kết hợp giữa chúng. Sự kết hợp này đang tiến
tới một hệ thống mới: Hệ thống cơ điện tử


 Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một đònh nghóa
rõ ràng. Nó được tách biệt 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 lónh vực như giáo dục – đào tạo, công việc thực
tế,các nghành công nghiệp sản xuất và thò trường.
Cơ khí

Điện –điện tử

Giáo dục
và đào
tạo

Công việc
thực tế

Máy tính

Công nghiệp
sản xuất

Thò trường

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


 Quan điểm của Okyay Kaynak
 Theo Okyay Kaynak, gíao sư đại học ở Thổ
Nhò Kỳ thì hệ thống cơ điện tử được
khái niệm theo
hình sau:
MECHATRONIC
SYSTEM
Cognition

Controlling
sytem
Process
monitoring
visualiration

Perception

Executtion

Sensors

Actuators

Mechanical process

Controller
system

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