Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Giảng viên:Th.s. Nguyễn Minh Tuấn
Bộ Môn: Cơ điện tử-Khoa cơ khí
Đại học bách khoa Tp.HCM
Email:
(Mechatronics System Design)
NỘI DUNG
Mục tiêu củamônhọc:
Môn họcgiớithiệu các thành phầncơ bảnhình
thành nên hệ thống Cơđiệntử, phương pháp
thiếtkế hệ thống cơđiệntửđốitượng cụ thể,
những ứng dụng cụ thể củacáchệ thống và sản
phẩmcơđiệntử.
Các hiểubiết, các kỹ năng cần đạt đượcsaukhihọcmônhọc
 Kiếnthức: Nắmvững các thuậtngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu
tố hình thành hệ thống Cơđiệntử. Tiệmcậnmộtphương pháp thiết
kế “phương pháp thiếtkế hệ thống cơđiệntử”.
 Kỹ năng nhậnthức: Nhậnbiết đượcmối liên kếtgiữa các thành phần
trong hệ thống cơđiệntử;
 Kỹ năng chuyên môn: kỹ năng phân tích, thiếtkế sảnphẩmcơđiện
tử.
 Kỹ năng chuyểntiếp: áp dụng kiếnthức đượctrangbịở môn này để
tiếpcậncáchệ thống tựđộng trong các lĩnh vực khác nhau.
NỘI DUNG (tt)
Kiểm tra giữa kỳ:20 ()
Kiểm tra cuối kỳ: 80(thi vieát 50%,chuyeân ñeà
20%, thí nghieäm 10%)
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.
Giớithiệu
1
2
3
Đặc điểm và cấu trúc hệ thống Cơ điện tử
4
5
Lý thuyết thiết kế hệ thống Cơ điện tử
Baùo caùo chuyeân ñeà
Tổng quan về cơđiện tử
6
Oân taäp
Đề tài tiểu luận
stt Đề tài Họ tên sinh viên Điểm
1 Mobile robot Nguyễn đắc nghóa
Nguyễn quang nghóa
Nguyễn đức thành
Vương đình tuấn
Tuần
6
2 Robot lau kính nhà cao tầng Phạm trường sơn
Lê nhật toàn
Tưởng anh tuấn
Nguyễn lê minh huy
6

3 Máy tập luyện tennis Nguyễn hồng duy bằng
Chung quốc huy
Nguyễn lê hồng vũ
Nguyễn việc dung
7
4 Walking robot (loại 6 chân) Nguyễn đỗ trung chánh
Triệu đình công
Đinh việt khánh
Cao trần đức
7
Đề tài tiểu luận
stt Đề tài Họ tên sinh viên Điểm
5 Robot song song (hexapod) Trần tân khoa
Võ thuận lâm
Nguyễn thái duy
Cao đình điền
8
6 Bãi giữ xe tự động Lưu triều hiệp
Lương quốc anh
Lê hữu nam
Bùi quốc vũ
8
7 Thiết kế máy chỉnh hình (máy kéo cột sống) Đậu văn hoàn
Nguyễn phi bình
Phạm trần kiên
Võ quang đúng
9
8 Robot tàu ngầm Nguyễn thành lộc
Trương tấn lộc
Võ minh thònh

Đỗ ngọc bình
phương
9
Đề tài tiểu luận
stt Đề tài Họ tên sinh viên Điểm
9 Máy bán hàng tự động Phạm ngọc lợi
Mạch quang thành
Đào duy tân
Lê quang hoàn
10
10 Máy cnc 3 trục Lê dương huy
Đinh nam nga
Phan thành tấn
Phạm bá ngọc
10
11 Hệ thống xử lý nước thải Lê minh đức
Nguyễn trọng hiền
Trần thiện bách
Phạm quốc huân
11
12 Tay máy gắp sản nhựa Đoàn phúc trí
Nguyễn bá từ
Nguyễn viết thành
Trần minh nhật
11
Đề tài tiểu luận
stt Đề tài Họ tên sinh viên Điểm
13 Thiết kế máy tập luyện thể thao toàn năng Phạm ngọc khuê
Lưu đức anh
Tuần

12
14 Thang máy Phạm duy quân
Trần thái sơn
Nguyễn văn hòa
Nguyễn thiên
trung
Tuần
12
tổng quan về cơ điện tử
chương 1
Khái niệm Cơ điện tử được mở ra từ đònh nghóa ban đầu
của công ty 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.”
1.1 KHÁI NIỆM VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
 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
Máy tính
Thò trường
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