Tài liệu Tổng quan Cơ điện tử pptx

Tổng quan Cơ điện tử
Bài 1: Cơ điện tử – cơ hội và thách thức..
Cơ điện tử được hiểu là một công
nghệ mới được hình thành từ sự
liên kết của nhiều ngành công
ngh
ệ hiện có như cơ khí, điện tử,
điều khiển, công nghệ thông tin
vv.. Tuy nhiên do là một công
nghệ mới đang phát triển và mở
rộng với tốc độ nhanh nên khó có
th
ể có ngay được một định nghĩa
chính xác.Một định nghĩa quá
cứng bây giờ có thể gây nhiều hạn chế, thiếu chính xác trong tương lai. Ta
đ
ã thấy điều này qua ba thập kỷ phát triển của Cơ điện tử.
PGS. TSKH Phạm Thượng Cát

1. Làm rõ hơn về Cơ điện tử

2. Cơ hội và thách thức

3. Một số suy nghĩ
1. Làm rõ hơn về Cơ điện tử
1.1 Hiểu về Cơ điện tử ngày nay
Nhiều định nghĩa về Cơ điện tử khác nhau đã được nhiều nhà khoa học và
công ngh
ệ đưa ra với các cách nhìn và quan điểm khác nhau. Tuy vậy một
nét chung nhất được thừa nhận và cũng là bản chất của cơ điện tử là sự “liên
k

ết cộng năng của nhiều lĩnh vực để tạo ra những sản phẩm mới có những
tính năng vượt trội”. Sự li
ên kết cộng năng này mang lại nhiều cơ hội và
không ít thách th
ức cho sự phát triển của chính cơ điện tử.
Cho đến bây giờ c
òn nhiều bàn cãi về định nghĩa và nhiều quan điểm khác
nhau về cơ điện tử có phải là một công nghệ mới không hay đơn thuần là sự
kết hợp thông thường của các công nghệ đã biết. Có quan điểm cho cơ điện
tử không phải là một ngành khoa học mà chỉ đơn thuần là một công nghệ
không có nền tảng khoa học cơ bản như cơ học, điều khiển học vv.. Trong
báo cáo này tác giả đề cập đến quan điểm của mình đối với những vấn đề
nêu trên và trình bày một số ý kiến của mình về những cơ hội và thách thức
của cơ điện tử đối với Việt Nam trong quá trình hội nhập nền kinh tế toàn
c
ầu.
Trước ti
ên theo suy nghĩ của tác giả đến thời điểm này thì cơ điện tử có thể
được định nghĩa như sau: “Cơ điện tử l
à một lĩnh vực khoa học và công
ngh
ệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học công nghệ
nhằm hoàn thiện, thông minh hoá tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản
phẩm và công cụ phục vụ cho con người”.
1.2 Cơ điện tử khác với Tự động hoá như thế n
ào?
Nhiều chuyên gia về tự động hoá cho rằng cơ điện tử chả là cái gì mới vì khi
xây d
ựng các hệ thống điều khiển tự động các chuyên gia tự động hoá đã
ph

ải làm công việc tích hợp hệ thống, kết nối đầu đo, cơ cấu chấp hành, máy
tính điều khiển, viết phần mềm đo - điều khiển và lựa chọn cả các thiết bị
giao diện để điều khiển các quá trình công nghệ kể cả các hệ cơ. Như vậy
các hệ thống tự động hoá cũng đã tích hợp nhiều lĩnh vực khoa học công
nghệ khác nhau từ lâu. Điều này hoàn toàn đúng và thực tế để xây dựng
được các hệ thống điều khiển quá tr
ình cơ học, các chuyên gia tự động hoá
cũng phải hiểu thấu đáo các mô hình, quá trình động lực học của hệ cơ học
và của cả các đầu đo, cơ cấu chấp hành mới tích hợp được một hệ thống hoạt
động ổn định v
à tối ưu. Mặt khác phương pháp tích hợp các hệ thống điều
khiển này không chỉ cho riêng các đối tượng, quá trình cơ mà các chuyên gia
tự động hoá còn làm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển các quá trình công
ngh
ệ và tự động hoá công nghiệp (điều khiển lò phản ứng, điều khiển nồi
hơi hay tự động hoá quá tr
ình xử lý nước thải...).
Vậy thì cơ điện tử có các điểm nào mới hơn các hệ thống tự động?
Với những gì hiện nay chúng ta hiểu về hệ thống cơ điện tử thì những điểm
mới của cơ điện tử so sánh với các hệ tự động hoá khác nhau ở 3 điểm sau:
Một là: Các sản phẩm cơ điện tử thường là các sản phẩm cuối cho người
dùng (end-user products)
Ngay từ khi hình thành khái niệm “cơ điện tử” các chuyên gia Nhật Bản đã
định hướng cho khái niệm này là sản phẩm kết hợp cơ và điện tử hơn là nói
đến một hệ thống công nghệ cao. Có nghĩa l
à các sản phẩm cơ điện tử là các
s
ản phẩm cho người sử dụng cuối cùng như các đồ dùng, thiết bị gia dụng
được chế tạo h
àng loạt, hoặc các sản phẩm chất lượng cao như ôtô, máy bay,

tên lửa, tàu vũ trụ, thiết bị y tế, các bộ phận cơ thể nhân tạo thay thế cho con
người vv... Các sản phẩm này được thiết kế v
à chế tạo một cách tiện ích
nhất, phù hợp với các yêu cầu riêng cho người sử dụng và người sử dụng
không quan tâm đến các công nghệ được d
ùng trong nó mà họ mua và dùng
các s
ản phẩm này vì nó tốt hơn, kinh tế hơn, tiện dụng hơn phù hợp với
những yêu cầu riêng của mình. Do vậy, các sản phẩm cơ điện tử phải tuân
thủ quy luật thị trường là tính kinh tế và thoả mãn yêu cầu người dùng hơn
là chỉ đạt chỉ tiêu kỹ thuật đơn thuần.
Hai là: các sản phẩm cơ điện tử có các công nghệ thích ứng tinh xảo, có tính
thông minh và thiết kế cơ khí cô đọng bền chắc.
Với các công nghệ micro và nano hiện nay các sản phẩm cơ điện tử có thể
đưa các cảm biến, vi xử lý và cơ cấu chấp h
ành vào bất kỳ vị trí không gian
hẹp cô đọng nào trong cấu trúc cơ khí của sản phẩm. Điều này tạo nên các
s
ản phẩm cơ điện tử có độ thông minh cao mà lại đặt được vào một cấu trúc
hoàn hảo cô đọng cả về kích thước, trọng lượng và tiêu thụ năng lượng.
Ba là: Độ tự do của thiết kế cơ điện tử lớn hơn
Thiết kế các sản phẩm cơ điện tử là một thiết kế tổng hợp tối ưu nên nó là
một thiết kế cho phép thay đổi được tất cả các bộ phận cơ khí, đầu đo, cơ
cấu chấp hành, vi xử lý điều khiển để đạt được một thiết kế hoàn hảo cân
bằng. Cấu trúc cơ khí cũng có thể thay đổi, các bộ phận điện tử, điều khiển
cũng có thể thay đổi linh hoạt cho từng loại sản phẩm. Như vậy thiết kế cơ
điện tử l
à một thiết kế cộng tác để đạt được một sản phẩm có tính cạnh tranh
cao. Ngược lại khi tích hợp các hệ thống tự động các chuy
ên gia tự động

phải chấp nhận đối tượng điều khiển (quá trình cơ khí) như một thực thể cố
định. Các đầu đo, cơ cấu chấp
hành cũng là các sản phẩm có sẵn và bộ phận
có thể thay đổi được là bộ điều khiển và thuật toán điều khiển. Độ tự do
trong thiết kế tích hợp các hệ thống tự động bó hẹp hơn nhiều so với độ tự
do của thiết kế các sản phẩm cơ điện tử.
Hiển nhiên cơ điện tử với sự kết hợp tối ưu của công nghệ cơ, điện tử, điều
khiển... dễ được coi là một lĩnh vực công nghệ hơn là một lĩnh vực khoa học.
Điều n
ày một phần cũng do hiện nay chưa hình thành được nền tảng khoa
học, cơ sở lý luận của cơ điện tử. Ngược lại đối với cơ khí ta có cơ học là
n
ền tảng khoa học; tự động hoá có lý thuyết điều khiển tự động và lý thuyết
hệ thống làm nền tảng; điện tử có các phương trình maxell, lý thuyết mạch,
công nghệ thông tin có lý thuyết automat, cơ sở dữ liệu, lý thuyết thông tin
... làm nền tảng. Vậy cơ điện tử có nền tảng khoa học của nó hay không?
Để l
àm sáng tỏ vấn đề này ta hãy xuất phát từ bản chất của cơ điện tử là sự
cộng năng, gắn kết hữu cơ của nhiều ngành khoa học công nghệ khác nhau.
Do vậy cơ điện tử cũng có phần khoa học dựa trên nền tảng khoa học của
từng lĩnh vực riêng rẽ và phần khoa học của sự liên kết đa ngành. Chính
ph
ần khoa học của sự liên kết đa ngành này tạo nên sự khác biệt về mặt khoa
học của cơ điện tử. Tuy nhiên qua 3 thập kỷ phát triển, cái bản chất của sự
cộng năng này lại ít được nghiên cứu mổ xẻ nhất. Đây là một nhược điểm
ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển của cơ điện tử, như một ng
ành khoa
h
ọc. Các nghiên cứu về cơ điện tử chưa tìm ra được các quy luật tạo nên sức
mạnh tổng hợp, vượt trội của sự liên kết đa ngành, chưa chỉ ra được sự liên

k
ết đa ngành tạo ra những khả năng lựa chọn giải pháp tối ưu như thế
nào.Việc nghiên cứu khám phá ra những quy luật của sự gắn kết đa ngành sẽ
cho ta hiểu rõ hơn về các cơ hội và thách thức mà cơ điện tử mang lại.Đồng
thời các nghiên cứu này sẽ đem lại những kết quả khoa học mới có thể quay
lại thúc đẩy các nghiên cứu hướng mới ở mỗi ngành (lý thuyết điều khiển, lý
thuyết hệ thống...).
Sự tích hợp của nhiều công nghệ (cơ, điện tử, phần mềm, điều khiển...) dẫn
đến sự phụ
thuộc lẫn nhau đòi hỏi sự đặc biệt chú ý trong quá trình phát triển
sản phẩm cơ điện tử. Nguyên nhân do sự phụ thuộc đan chéo dẫn đến sự
tăng đột biến của độ phức tạp ảnh hưởng tới những vấn đề về độ tin cậy v
à
tính
ổn định của hệ thống. Để có thể khắc phục được những vấn đề này cần
có các nghiên cứu về lý luận, các phương pháp xử lý hữu hiệu, các mô hình
và công c
ụ phù hợp. Đây là những thách thức khoa học hóc búa mà cơ điện
tử phải giải quyết trong tương lai.
Với những phân tích trên đây ta cơ thể thấy cơ điện tử được hình thành ban
đầu như một lĩnh vực công nghệ nhưng sự phát triển của nó ngày càng đòi
h
ỏi phải giải quyết những vấn đề khoa học của riêng mình. Đó là những vấn
đề khoa học, quy luật của sự li
ên kết đa ngành. Trong tương lai sự gắn kết
giữa cơ điện tử với ngành sinh học tạo nên lĩnh vực bio_mechatronics còn là
m
ột thách thức lớn hơn về mặt khoa học cho sự phát triển của cơ điện tử.
1.4. Thế nào là công nghiệp cơ điện tử?
Ta có các ngành công nghiệp cơ khí, điện tử, công nghiệp tự động hoá, công

nghiệp công nghệ thông tin, công nghiệp chế tạo đầu đo, cơ cấu chấp hành,
v
ậy có nền công nghiệp cơ điện tử hay không? Có ý kiến cho rằng cơ điện tử
là sự tích hợp của các ngành công nghệ có sẵn nên việc chế tạo các sản
phẩm cơ điện tử hoàn toàn có thể dựa trên các ngành công nghiệp hiện có
nêu trên.Nói vậy cũng đúng vì thực tế hiện nay việc chế tạo, sản xuất các sản
phẩm cơ điện tử đang phải dựa vào các nhà máy sản xuất của các ngành
công nghi
ệp hiện có.Tuy nhiên một khi số lượng và chủng loại sản phẩm cơ
điện tử ng
ày càng nhiều trên thị trường thì hiển nhiên sẽ hình thành ngành
công nghi
ệp cơ điện tử. Vậy công nghiệp cơ điện tử là gì và nó cós những
đặc trưng g
ì khác với các ngành công nghiệp hiện hành?
Có th
ể hiểu công nghiệp cơ điện tử là ”ngành công nghiệp cung cấp các sản
phẩm, kỹ năng và dịch vụ cơ điện tử chất lượng cao cho người tiêu dùng”.
Ngành công nghi
ệp cơ điện tử cũng như các ngành công nghiệp khác bao
gồm các mảng chức năng chính sau:

Hệ thống quản lý điều hành và các dịch vụ hỗ trợ sản xuất

Mảng vận hành hệ thống sản xuất và chế tạo các sản phẩm về thiết bị
cơ điện tử

Mảng tiếp thị sản phẩm

Mảng đào tạo

Trong dây chuyền sản xuất các sản phẩm cơ điện tử hiện nay thường bao
gồm các hệ thống điện, hệ thống khí nén, hệ thống điện tử, hệ thống PLC, hệ
thống cảm biến, hệ thống thuỷ lực, CNC và hệ thống robot. Trong đó, mảng
chế tạo các bộ phận và hệ thống cơ điện tử thường bao gồm các bộ phận
thiết kế, phát triển các phần mềm ứng dụng, chế tạo các chi tiết, lắp ráp và
th
ử nghiệm kiểm tra chất lượng sản phẩm. Khác với các ngành công nghiệp
khác, công nghiệp cơ điện tử đòi hỏi tư duy thiết kế và chế tạo liên ngành.
Ph
ần thiết kế có độ tự do lớn bảo đảm tính liên kết hoàn hảo của hệ thống
trong khi phần chế tạo các phần tử, chi tiết lại được thực hiện ở các ngành
công nghi
ệp độc lập. Thiết kế sản phẩm cơ điện tử là loại “thiết kế hướng tới
thị trường” khác với các lợi thiết kế sản phẩm truyền thống là “thiết kế cho
đạt các chỉ ti
êu kỹ thuật”, hoặc thiết kế để “cơ giá thành rẻ nhất”. Thiết kế cơ
điện tử đ
òi hỏi áp dụng các công nghệ cao cho các chức năng vượt trội
nhưng giá thành có sức cạnh tranh v
à lợi ích thoả mãn người tiêu dùng.
Do các s
ản phẩm cơ điện tử là các sản phẩm hướng tới các yêu cầu có cá
tính của người tiêu dùng, cho nên ngành công nghiệp cơ điện tử phải có tính