(NB) Giáo trình Nhập môn cơ điện tử cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản cơ điện tử; Khái niệm điều khiển và điều chỉnh; Cơ cấu chấp hành; Kỹ thuật đo lường, cảm biến; Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử; Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình.
Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử
Phác thảo hệ thống cơ điện tử
2 Bài 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh.
Giới thiệu mạch điều chỉnh
3 Bài 3: Cơ cấu chấp hành.
Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành
của cơ cấu chấp hành
Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt
4 Bài 4: Kỹ thuật đo lường, cảm biến.
Giới thiệu các loại cảm biến
5 Bài 5: Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử
Bài tập ứng dụng
6 Bài 6: Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử.
Máy điều khiển theo chương trình số CNC
Mô hình phân loại sản phẩm tự động
Học sinh tự tìm tòi mô hình và phân tích tổng quan chức năng
tích tổng quan chức năng
Thi kết thúc mô đun 3 3
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ
Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí, điện tử và điều khiển máy tính thông minh, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo sản phẩm cũng như quy trình công nghiệp Nó không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu của các nhà khoa học mà còn là phương thức hoạt động thực tiễn trong kỹ thuật hiện đại.
- Khái quát và định hình được thế nào là một hệ thống cơ điện tử
- Phân loại được các loại hệ thống cơ điện tử
1 Khái niệm cơ bản về cơ điện tử
Cơ điện tử là sự kết hợp hoàn hảo giữa cơ khí, điện tử và hệ thống điều khiển thông minh, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo các sản phẩm cũng như quy trình công nghiệp hiện đại.
“Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý”
“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”
Hệ Cơ điện tử là sự tích hợp toàn diện giữa các hệ cơ khí, điện và hệ điều khiển, không chỉ đơn thuần là sự kết hợp của chúng.
Cơ điện tử là một lĩnh vực đang trong quá trình hình thành và chưa có định nghĩa thống nhất, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật hiện đại.
2 Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
Lược đồ dưới đây mô tả rõ ràng các thành phần chính của Cơ điện tử, bao gồm năm thành phần cơ bản là đối tượng nghiên cứu trong tất cả các giáo trình về lĩnh vực này Cấu trúc trình bày này giúp người đọc dễ dàng theo dõi và có tư duy thống nhất về các lĩnh vực liên quan đến từng vấn đề trong Cơ điện tử.
Trong thời gian có hạn, các vấn đề sẽ được trình bày với trọng số khác nhau, phù hợp với nền tảng kiến thức của sinh viên ngành cơ khí.
Hình 1.1: Các thành phần chính của cơ điện tử
Có ba loại hệ cơ điện tử như sau nếu dựa trên quan điểm các lý thuyết cơ sở được áp dụng:
- Hệ cơ điện điện tử truyền thống;
- Hệ cơ điện tử kích thước micro;
- Hệ cơ điện tử kích thước nano
Hình 1.2: Phân loại và các lý thuyết cơ sở được áp dụng trong hệ thống CĐT
Sản phẩm cơ điện tử hiện đang được chia làm bốn lớp như sau:
Lớp I bao gồm các sản phẩm cơ khí chủ yếu, kết hợp với điện tử để cải thiện tính năng, chẳng hạn như máy công cụ điều khiển số CNC.
Lớp II bao gồm các hệ cơ khí truyền thống đã được hiện đại hóa một cách đáng kể thông qua việc tích hợp các thiết bị điện tử Mặc dù các thiết bị bên trong đã được cải tiến, giao diện người dùng bên ngoài vẫn giữ nguyên, như trong trường hợp của máy khâu hiện đại.
Lớp III là những hệ thống vẫn duy trì chức năng của cơ khí truyền thống, nhưng đã được cải tiến bằng cách thay thế máy móc bên trong bằng các thiết bị điện tử, chẳng hạn như đồng hồ số.
- Lớp IV: các sản phẩm được thiết kế bởi các công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau, Ví dụ máy photocopy, nồi cơm điện
Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử có thể khái quát trong lược đồ sau:
Hình 1.3: Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử
Các thuộc tính cuả thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử
Bảng 1.1 : Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử
Thiết kế truyền thống Thiết kế cơ điện tử
Các thành phần phải thêm vào
4 Các thành phần kết nối Điều khiển đơn giản
6 Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính
7 Độ chính xác nhờ dung sai hẹp
8 Các đại lượng không đo được thay đổi tùy tiện
9 Theo dõi đơn giản 10.Khả năng cố định
Tích hợp các thành phần (phần cứng)
3 Truyền thông không dây hoặc bus
4 Các thiết bị tự trị
Tích hợp bởi xử lý thông tin (phần mềm)
5 Cấu trúc mềm dẻo với phản hồi điện tử
6 Điều khiển số phản hồi khả lập trình (phi tuyến)
7 Độ chính xác nhờ đo lường và điều khiển phản hồi
8 Điều khiển các đại lượng không đo được mà ước lượng được
9 Giám sát với chẩn đoán lỗi
3 Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử
Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử:
Trong thiết kế hệ cơ điện tử, sự tương tác giữa các phần cơ khí và điện tử rất quan trọng để thực hiện các chức năng Việc sử dụng các bộ khuếch đại và cơ cấu chấp hành với năng lượng điện phụ trợ đã đơn giản hóa đáng kể các thiết bị như đồng hồ đeo tay và camera Sự đơn giản hóa này đến từ việc kết nối máy tính với các thiết bị điện phân tán.
1.1 Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử
1.1.1 Đầu vào bộ chuyển đổi cảm biến
Tất cả các đầu vào của hệ cơ điện tử đều xuất phát từ cảm biến hoặc các hệ thống khác, được chia thành hai loại: cảm biến chủ động và cảm biến thụ động Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu để đo lường thuộc tính môi trường, trong khi cảm biến thụ động không phát ra tín hiệu Đầu vào của bộ cảm biến thường là tín hiệu tương tự, với mức điện áp liên quan trực tiếp đến điều kiện đầu vào Ngoài ra, còn có thiết bị điều chế độ rộng xung và sóng điều biên hoặc điều tần, đôi khi kết hợp cả hai, phản ánh sự thay đổi của trạng thái được theo dõi.
1.1.2 Bộ biến đổi tương tự số (A/D)
Các bộ biến đổi có thể được phân loại dựa trên hai thông số chính: dải tín hiệu đầu vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số Ví dụ, một bộ biến đổi có thể chuyển đổi mức điện áp từ 0 đến 12 V thành một byte đơn 8 bit.
Các van servo nhận tín hiệu analog từ thiết bị điều khiển dưới dạng dòng điện hoặc điện áp Đối với các van hiệu suất cao có cảm biến vị trí, tín hiệu sẽ được chuyển về thiết bị điều khiển cũng dưới dạng analog Nếu thiết bị điều khiển sử dụng vi xử lý, tín hiệu này cần được chuyển đổi từ analog sang số (A/D) để tiếp tục xử lý.
1.2 Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử
1.2.1 Bộ biến đổi số - tương tự (D/A)
Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển được biểu diễn dưới dạng giá trị nhị phân, thường là 8 bit hoặc 16 bit Để chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, bộ chuyển đổi D/A được sử dụng, ví dụ như chuyển đổi giá trị 8 bit thành điện áp trong khoảng 0 – 12 V Khi tín hiệu số từ vi xử lý cần được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự để điều khiển van servo, tín hiệu này có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hoặc hiệu điện thế.
1.2.2 Đầu ra của cơ cấu chấp hành
Trong các hệ cơ điện tử, ba cơ cấu chấp hành phổ biến là chuyển mạch, solenoit và động cơ Chuyển mạch, một thiết bị trạng thái đơn giản, được sử dụng để điều khiển các hoạt động như bật tắt lò sưởi Các loại chuyển mạch bao gồm rơle, điôt, thyristor, tranzitor lưỡng cực và tranzitor trường Chuyển mạch có thể kết hợp với cảm biến để điều khiển một phần hoặc toàn bộ chức năng của cảm biến.
