(NB) Giáo trình Nhập môn cơ điện tử với mục tiêu giúp người học có thể giải thích được Cơ điện tử là gì; Giải thích được các yếu tố thành phần trong hệ thống và sản phẩm cơ điện tử; Nhận biết các loại hình thông tin trong hệ thống cơ điện tử; Phân biệt các dạng sản phẩm cơ điện tử trong công nghiệp; Chủ động và sáng tạo trong học tập. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
hệ thống cơ điện tử
Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử
chức năng hệ thống cơ điện tử
Khái niệm điều khiển và điều chỉnh
Giới thiệu mạch điều chỉnh
3.1 Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành
3.2 Cơ cấu chấp hành điện từ
3.3 Cơ cấu chấp hành thủy khí
3.4 Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt
4 Kỹ thuật đo lường, cảm biến
4.2 Các thông số đặc trưng cảm biến
4.3 Giới thiệu các loại cảm biến
5 Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử
5.1 Một số hệ đếm điển hình
5.4 Dữ liệu và mã hoá dữ liệu
6 Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử
6.1 Mô hình nồi cơm điện tự động
6.2 Mô hình máy ép nhựa
6.3 Máy điều khiển theo chương trình số CNC
6.4 Mô hình phân loại sản phẩm tự động
6.5 Mô hình rôbốt công nghiệp
Chương 1 Khái niệm cơ bản về cơ điện tử Mục tiêu:
- Nhận biết rõ khái niệm cơ điện tử là gì
- Chức năng, cấu trúc của hệ thống cơ điện tử;
- Chủ động và sáng tạo trong học tập
1.1 Khái niệm về cơ điện tử
Cơ điện tử (Mechatronics) xuất hiện như một hệ quả tự nhiên của sự tiến bộ công nghệ hiện đại, với nền tảng là công nghệ cao, thông minh và linh hoạt Những xu hướng mới, bao gồm hệ cơ sinh học tích hợp, máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano, đang tạo ra cả cơ hội và thách thức cho lĩnh vực này Tương lai của cơ điện tử hứa hẹn sẽ rất tiềm năng.
Cơ điện tử là một công nghệ mới đang phát triển nhanh chóng, do đó việc đưa ra một định nghĩa chính xác hiện tại là điều khó khăn Một định nghĩa quá cứng nhắc có thể dẫn đến những hạn chế và thiếu chính xác trong tương lai Điều này đã được chứng minh qua ba thập kỷ phát triển của lĩnh vực Cơ điện tử.
Cơ điện tử là sự kết hợp đa dạng giữa các lĩnh vực cơ khí, điện tử và tin học, tạo ra những sản phẩm mới với tính năng vượt trội Sự liên kết cộng năng này không chỉ mở ra nhiều cơ hội phát triển mà còn đặt ra không ít thách thức cho ngành Các sản phẩm cơ điện tử sở hữu những đặc trưng riêng biệt và ưu thế rõ rệt so với các hệ thống công nghệ độc lập khác.
Sản phẩm cơ điện tử bao gồm các thiết bị và đồ dùng gia dụng được sản xuất hàng loạt, phục vụ nhu cầu của người sử dụng cuối cùng Những sản phẩm này không chỉ mang lại tiện ích trong cuộc sống hàng ngày mà còn đảm bảo chất lượng và hiệu suất cao.
Các sản phẩm công nghệ cao như điện thoại thông minh, ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thiết bị y tế và các bộ phận cơ thể nhân tạo được thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng Người sử dụng thường không quan tâm đến công nghệ bên trong mà chỉ chú trọng vào tính tiện ích, hiệu quả kinh tế và khả năng phù hợp với yêu cầu cá nhân của họ.
Cơ điện tử vẫn đang là chủ đề gây tranh cãi với nhiều quan điểm khác nhau về việc nó có phải là công nghệ mới hay chỉ là sự kết hợp của các công nghệ đã biết Một số ý kiến cho rằng cơ điện tử không phải là một ngành khoa học mà chỉ là một công nghệ thiếu nền tảng khoa học cơ bản như cơ học và điều khiển học.
Cơ điện tử là lĩnh vực khoa học và công nghệ kết hợp nhiều ngành, nhằm tạo ra sản phẩm thông minh với linh hồn và cảm xúc phục vụ con người.
1.2 Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
Mỗi ngành như cơ khí, điện tử và tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc và sản phẩm đặc trưng riêng Tuy nhiên, yêu cầu của thời đại đòi hỏi máy móc phải gọn nhẹ, linh động, uyển chuyển và thông minh hơn Kỹ sư cơ khí không thể tự mình làm máy móc thông minh, trong khi kỹ sư tin học có khả năng phát triển trí thông minh nhân tạo nhưng thiếu kiến thức về cơ khí Các kỹ sư điện tử có thể kết nối và điều khiển tín hiệu, nhưng không thể tích hợp trí thông minh nhân tạo để điều khiển thiết bị cơ khí Do đó, ngành Cơ điện tử đã ra đời nhằm tạo ra sản phẩm mới đáp ứng các yêu cầu này thông qua sự phối hợp giữa các nền tảng của các ngành khác nhau.
Kỹ sư cơ điện tử kết hợp kiến thức về cơ khí, điện tử, tin học và công nghệ hiện đại để phát triển các sản phẩm cơ khí với hệ thống điều khiển linh hoạt Họ tích hợp hệ thống điện tử với hệ thống xử lý thông tin và trí tuệ nhân tạo, tạo ra những sản phẩm hoàn chỉnh và tiên tiến.
Sự thành công của các ngành công nghiệp sản xuất và bán hàng toàn cầu phụ thuộc vào việc tích hợp hiệu quả giữa Điện – Điện tử và công nghệ thông tin vào sản phẩm cơ khí Nhiều sản phẩm hiện đại như ô tô, máy giặt, robot và máy công cụ không chỉ có đặc tính làm việc tiên tiến mà còn được sản xuất dựa trên khả năng áp dụng các kỹ thuật mới trong ngành công nghiệp.
Sản xuất sản phẩm hiện nay đang trải qua 9 qui trình quan trọng, tạo ra một hệ thống mới với chi phí thấp hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn và linh hoạt hơn so với trước đây Ranh giới giữa điện và điện tử, máy tính và cơ khí ngày càng mờ nhạt, nhường chỗ cho sự kết hợp giữa chúng Kết quả của sự phát triển này là sự hình thành hệ thống cơ điện tử, đánh dấu bước tiến mới trong công nghệ sản xuất.
1.3 Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử
Hệ thống cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng và thường được tách biệt thành các phần riêng biệt Tuy nhiên, chúng được kết hợp trong quá trình thực hiện, theo quan điểm của Bradley Sự kết hợp này bao gồm các lĩnh vực điện – điện tử, cơ khí và máy tính, được áp dụng trong giáo dục, đào tạo, công việc thực tế và các ngành công nghiệp sản xuất.
Hình 1.1: Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử theo Bradley
Theo Theo Bolton, cơ điện tử là thuật ngữ mô tả một hệ thống, trong đó hệ thống này có thể được hình dung như một "hộp đen" với đầu vào và đầu ra rõ ràng.
Hộp đen là một thiết bị chứa đựng các phần tử bên trong, có chức năng kết nối giữa đầu vào và đầu ra.
Ví dụ như : Cái môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của một trục động cơ
Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Bolton
Quan điểm của giáo sư Thổ Nhĩ Kỳ Okyay Kaynak định nghĩa về hệ thống cơ điện tử như sau:
Hình1.3 : Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Okyay Kaynak
Hình1.4: Phác thảo hệ thống cơ điện tử
Mô hình phương pháp thiết kế truyền thống
Mô hình phương pháp thiết kế cơ điện tử
Chương 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh Mục tiêu:
- Nhận biết rõ khái niệm chức năng xử lý thông tin: phương thức điều khiển, điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử
- Chủ động và sáng tạo trong học tập
Các phép toán ở đại số boole
Đại số Boole khác biệt so với đại số thông thường do các đại lượng chỉ có hai trạng thái, làm cho việc tính toán trở nên đơn giản hơn Trong đại số Boole, không tồn tại phân số, số thập phân, số ảo, số phức hay căn số, mà chủ yếu thực hiện ba phép toán cơ bản, trong đó có phép OR.
Các phép tính trên khi áp dụng cho logic 0 và 1:
Thiết lập biểu thức logic
Cơ cấu chấp hành
Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành
làm việc của cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành điện từ
Cơ cấu chấp hành thủy khí
kỹ thuật đo lường, cảm biến
Các thông số đặc trưng cảm biến
Một số hệ đếm điển hình
Dữ liệu và mã hoá dữ liệu
Mô hình nồi cơm điện tự động
Máy điều khiển theo chương trình số CNC
Mô hình phân loại sản phẩm tự động
Mô hình rôbốt công nghiệp
Chương 1 Khái niệm cơ bản về cơ điện tử Mục tiêu:
- Nhận biết rõ khái niệm cơ điện tử là gì
- Chức năng, cấu trúc của hệ thống cơ điện tử;
- Chủ động và sáng tạo trong học tập
1.1 Khái niệm về cơ điện tử
Cơ điện tử (Mechatronics) ra đời như một hệ quả tất yếu của sự phát triển công nghệ hiện đại, với nền tảng công nghệ cao, thông minh và linh hoạt Những xu hướng mới như hệ cơ sinh học tích hợp, máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano đang tạo ra cơ hội và thách thức cho lĩnh vực này Tương lai của cơ điện tử hứa hẹn sẽ đầy tiềm năng và phát triển mạnh mẽ.
Cơ điện tử là một công nghệ mới đang phát triển nhanh chóng, do đó, việc đưa ra một định nghĩa chính xác là điều khó khăn Một định nghĩa cứng nhắc có thể dẫn đến những hạn chế và thiếu chính xác trong tương lai, điều này đã được minh chứng qua ba thập kỷ phát triển của lĩnh vực này.
Cơ điện tử là sự kết hợp mạnh mẽ giữa các lĩnh vực cơ khí, điện tử và tin học, tạo ra những sản phẩm mới với tính năng vượt trội Sự liên kết này không chỉ mang lại cơ hội phát triển mà còn đặt ra nhiều thách thức cho ngành Các sản phẩm cơ điện tử sở hữu những đặc trưng và ưu thế riêng, khác biệt so với các hệ thống công nghệ độc lập khác.
Sản phẩm cơ điện tử bao gồm các thiết bị và đồ dùng gia dụng được sản xuất hàng loạt, phục vụ nhu cầu của người sử dụng cuối cùng Những sản phẩm này không chỉ mang lại tiện ích mà còn đảm bảo chất lượng và hiệu suất cao.
Các sản phẩm công nghệ cao như điện thoại thông minh, ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thiết bị y tế và các bộ phận cơ thể nhân tạo được thiết kế để đáp ứng nhu cầu cụ thể của người sử dụng Người tiêu dùng không quan tâm đến công nghệ bên trong mà chỉ chú trọng vào tính tiện ích, hiệu quả kinh tế và sự phù hợp với yêu cầu cá nhân của họ.
Cơ điện tử hiện đang gây ra nhiều tranh cãi về định nghĩa và tính chất của nó, với nhiều quan điểm khác nhau về việc liệu đây có phải là một công nghệ mới hay chỉ là sự kết hợp của các công nghệ đã biết Một số ý kiến cho rằng cơ điện tử không phải là một ngành khoa học thực thụ, mà chỉ là một công nghệ thiếu nền tảng khoa học cơ bản như cơ học và điều khiển học.
Cơ điện tử là lĩnh vực khoa học và công nghệ kết hợp nhiều ngành khác nhau, nhằm nâng cao tính thông minh và cảm xúc cho sản phẩm, công cụ phục vụ con người.
1.2 Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
Ngành Cơ điện tử ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về máy móc thông minh, gọn nhẹ và linh hoạt trong thời đại công nghệ Mỗi lĩnh vực như cơ khí, điện tử và tin học đều có nền tảng khoa học riêng, nhưng để tạo ra sản phẩm mới, cần sự kết hợp giữa các chuyên ngành Kỹ sư cơ khí không thể tự mình phát triển máy móc thông minh, trong khi kỹ sư tin học có khả năng tạo ra trí thông minh nhân tạo nhưng thiếu kiến thức về cơ khí Tương tự, kỹ sư điện tử có thể điều khiển tín hiệu nhưng không thể tích hợp trí thông minh nhân tạo với thiết bị cơ khí Do đó, sự phối hợp giữa các lĩnh vực này là cần thiết để phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến.
Kỹ sư cơ điện tử kết hợp kiến thức về cơ khí, điện tử, tin học và công nghệ hiện đại để phát triển các sản phẩm cơ khí với hệ thống điều khiển linh hoạt Họ tích hợp hệ thống điện tử và kết nối với trí thông minh nhân tạo, tạo ra những sản phẩm hoàn chỉnh và tiên tiến.
Sự thành công của các ngành công nghiệp sản xuất và bán hàng trên thị trường toàn cầu phụ thuộc vào khả năng tích hợp Điện - Điện tử và công nghệ thông tin vào sản phẩm cơ khí và quy trình sản xuất Nhiều sản phẩm hiện đại như ô tô, máy giặt, robot, và máy công cụ đều phụ thuộc vào khả năng ứng dụng các kỹ thuật mới trong ngành công nghiệp.
Sản xuất sản phẩm hiện nay bao gồm 9 bước và các quy trình sản xuất, tạo ra hệ thống mới với chi phí thấp hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn và linh hoạt hơn so với trước đây Ranh giới giữa điện và điện tử, máy tính và cơ khí ngày càng mờ nhạt, nhường chỗ cho sự kết hợp giữa chúng Xu hướng này dẫn đến sự hình thành của hệ thống cơ điện tử mới.
1.3 Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử
Hệ thống cơ điện tử không có định nghĩa rõ ràng và thường được tách biệt thành các phần riêng biệt Tuy nhiên, sự kết hợp của các phần này, theo quan điểm của Bradley, bao gồm điện – điện tử, cơ khí và máy tính, lại rất quan trọng trong giáo dục, đào tạo, cũng như trong các ngành công nghiệp sản xuất và thị trường.
Hình 1.1: Sự liên kết của các thành phần trong hệ thống cơ điện tử theo Bradley
Theo Theo Bolton, cơ điện tử là một thuật ngữ liên quan đến hệ thống, trong đó một hệ thống có thể được hình dung như một "hộp đen" với đầu vào và đầu ra.
Hộp đen là một thiết bị bao gồm các thành phần bên trong, thực hiện chức năng kết nối giữa đầu vào và đầu ra.
Ví dụ như : Cái môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của một trục động cơ
Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Bolton
Quan điểm của giáo sư Thổ Nhĩ Kỳ Okyay Kaynak định nghĩa về hệ thống cơ điện tử như sau:
Hình1.3 : Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Okyay Kaynak
Hình1.4: Phác thảo hệ thống cơ điện tử
Mô hình phương pháp thiết kế truyền thống
Mô hình phương pháp thiết kế cơ điện tử
Chương 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh Mục tiêu:
- Nhận biết rõ khái niệm chức năng xử lý thông tin: phương thức điều khiển, điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử
- Chủ động và sáng tạo trong học tập
Các phép toán ở đại số boole
Đại số Boole khác biệt so với đại số thông thường do chỉ có hai trạng thái, điều này giúp cho việc tính toán trở nên dễ dàng hơn Trong đại số Boole, không tồn tại các khái niệm như phân số, số thập phân, số ảo hay số phức; thay vào đó, nó chủ yếu thực hiện ba phép toán cơ bản, trong đó có phép OR.
Các phép tính trên khi áp dụng cho logic 0 và 1:
Thiết lập biểu thức logic
