Chương 1 C ơ ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG c ơ ĐIỆN TỬ I. c ơ ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG c ơ ĐIỆN TỬ 1. Mechantronic là gì? Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy có thiết bị điều khiển đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt, ứ ng dụng trong sinh hoạt, trong công nghiệp , trong lĩnh vực nghiên cứu như: máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, máy chụp hỉnh, môđun sản xuất linh hoạt, tự động hóa quá trình sản xuất hoặc cả các thiết bị hỗ trợ nghiên cứu như các thiết bị đo, các hệ thống kiểm tra. Một số nhà khoa học đã định nghĩa cơ điện tử như: Khái niệm của cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric: “Thuật ngữ Mechantronic (Cơ điện tử) được tạo bởi (Mecha) trong Mechanism (Trong cơ cấu) và ironies trong electronics (Điện tử).
Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm ngày càng phát triển sẽ ngày càng kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng. Một định nghĩa khác về cơ điện từ thường hay nói tới do Harashima, Tomizukava và 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 chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp.” Cùng năm đó Ausländer và Kempf cũng đưa ra một số định nghĩa khác như sau: “ Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý.” Năm 1997, Shetty lại quan niệm: “ Cơ điện tử là phương pháp luận được dùng để thiêt kế tối ưu hóa các sản phẩm cơ điện.” Và gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa: “ Một hệ cơ điện tử không chi 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.” 5 Tất cả những định nghĩa'Và phát biểu trên về Cơ điện tử đều xác đáng và giàu thông tin, tuy nhiên bản thân chúhg, nếu đứng riêng rẽ lại không định nghĩa được đầy đủ định nghĩa cơ điện từ.1: Cơ điện từ liên kết giữa robot và tin học Hình 1.2: Robot tự động làm việc trong phòng thỉ nghiệm Hệ thống cơ điện tử là một lĩnh vực đa ngành của khoa học kỹ thuật hình thành từ các ngành kinh điển như: Cơ khí, kỹ thuật điện - điện tử và khoa học tính toán tin hoc Trong đó tồng hợp hệ thống các môn học như truyền động điện, truyên động cơ thủy khí đo lường Cảm biến Kỹ thuật vị xử lý, lập trình PLC, kết hợp với cơ khí chê tạo máy, khoa học tính toán tin học và kỳ thuật điện - điện từ, mạng truyền thông công ngììiẹp.3: Cơ điện tử Khảo sát thực tiễn mối quan hệ giữa dạy và học, học và ứng dụng ngành cơ điện tử trong công nghiệp như sau: Hình 1.4: Định hướng đào tạo ngành Cơ điện tứ 1. Hệ thống cơ điện tử là gì ? Cũng giông như cơ điện tứ, có khá nhiều khái niệm khác nhau về hệ thống cơ điện từ. Chúng ta hãy khảo sát một số quan điểm sau của Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty.
7 Sự thành công của ngành cộng nghiệp trong sản xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều v à ô Ạ ạ năng kết hợp của điện - điện tử va cong nghẹ tin hộc vào trong các sản phẩm cơ khĩ và các phương thức sản xuất cơ khí. Đạc tính làm viec của nhiều sản phẩm hiện tại như: ôtô, máy giặt. cũng như việc sản xuat chung phu thuộc rất nhiều khả năng của ngành công nghiệp về ứng dụng những kỹ thuật mơi vào sàn xuất. Ranh giới giữa điện và điện tử, máy tính và cơ khí đã dần dần bỊ thay the bơi sự kết hợp giữa chúng.
Sự kết hợp này đang tiến tới hệ thống mới đo là: Hê thong cơ điện từ. ' Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng. Nó được tách biêt hoàn toàn ở các phân riêng biệt nhưng dược kết hợp trong quá trình thực hiên Sư ket hợp này được trình bày ờ hình 1.5, bao gồm các phần riêng biệt điện - điện tư cơ khí va máy tính liên kết chúng lại trong các lĩnh vực giáo dục và đào tao công viec th t x ngành công nghiệp sản xuất thí trường. V ực e, cac Hình 1.
Sự liên két cùa các thành phần trong hệ thông ca điện từ theo Bradley • Quan điêm của Okyay Kaynak: Theo qua điểm cùa Okyay Kaynak, giáo sư Thổ Nhĩ Kỳ đinh nghĩa về Hê Điện tử như sau: y ■ gma vê thổng cơ Mechantronics system C——►Cognition c r Controlling Perception Execution system -ti-L 111 Sensor actuators Process monitoring Controller Visuatíration system Mechanical process J Hình 1. Cấu trúc hệ thống cơ điện từ theo Okyay Kaynak • Quan điểm của Bolton: Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ thống. Một hệ thống có thể được xem như một cái hộp đen mà chúng có một đầu vào và một đầu ra. Nó là một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên trong hộp, để thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra.
Ví dụ: môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của một trục động cơ. Cấu trúc hệ thống cơ điện tử theo Bolton 1. Cấu trúc hệ thống cơ điện tử Các phần tử cơ bản cấu thành nên hệ thống cơ điện tử: + Hệ thống thông tin + Hệ thống điện + Hệ thống cơ khí + Hệ thống máy tính + Cảm biến + Cơ cấu tác động + Giao tiếp thời gian thực Cơ điện tư s,____ J Hình 1. Các thành phần cơ bàn của Hệ thống cơ điện tử 9 Giải pháp modun, thiết kế •sản phẩm cơ điện tử: Giải pháp ca điện tử trong'thiềt kế kỹ thuật liên quan đến việc cung.cấp môt cấu trúc trong đó có sự tích hạp thành một hệ thống thống nhất của công nghệ khác nhau đưac thiết lập và đánh giá: So đồ khếi Về hệ thông toàn bô nhu vTy hên ca ^ c á c t ó X dựng hoặc các modun thành phần được thể hiện trong hình 19 y Hình 1.
Sàn phẩm cơ điện từ theo môđun u. HÊ THỐNG CO ĐIỆN TỪĐƯỌC sử DỤNG HIỆN NAY 2. Phần Loại theo lĩnh vực sử dụng 2 1 \ Tr°ih L b í cắt lớp, các thiết bị thí nghiệm về AND, nhân bàn phôi, các máy chiêu cáctoại tia chụp: X, lase, coban. Trong công nghiệp ,.
ly công nghiệp tự động được điều khiên theo chưang trình FMS (hệ thong J ^ T n h h o r t , CAD - CAM, ngưM 2 13. Trong văn phòng Đ là hệ thống mạng công tác, có sử dụng máy tính, các thiêt bị vàn phòng. 2 1 4 Trong sinh hoạt gia đinh. Hê thông thông tin về nhà cửa, sàn phầm tiêu dùng, hệ thống bảo ■ gara.
vệ nhà cửa, ô tô, 10 2. Phân loại theo kỹ thuật hệ thống Sản phẩm đơn là những sản phẩm linh hoạt, thực hiện chức năng đứng một mình như máy C N C. H ệ thống tổ hợp Các sản phẩm cơ điện tử trong quá trình có quan hệ cụ thể nào đó như: + Dây chuyền lắp ráp đồng hồ, lắp vỏ hộp động cơ. + Dây chuyền sản xuất tivi, máy nén khí.
Hệ thống tích hợp Các sản phẩm cơ điện tử thành phần có quan hệ mật thiết như: + Tự động hóa sản xuất: Hệ thống gia công linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất tíẹh hợp vi tính (CIM) + Tự động hóa công nghiệp dân dụng: thiết bị sản xuất và lắp ráp ô tô, tàu thông minh, tòa nhà thông m ình. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM C ơ ĐIỆN TỬ 3. Sản phẩm cơ điện tử Những sản phẩm ừong công nghiệp như robot thông minh, robot vượt chướng ngại vật, robot hồ bơi. Các sàn phẩm cùa Hệ thắng cơ điện từ 11 Trong Y học, giải trí và nghiên cứu khoa học cũng có rất nhiều ứng dụng của hệ thông cơ điện tử.
Ví dụ: robot công nghiệp, hệ thống phục vụ y học Hình 1. Những ứng dụng cùa Hệ thống cơ điện tử 12 Chương 2 TỔNG QUAN VỂ PLC I. GIỚI THIỆU CHUNG VỂ PLC 1. Bộ điều khiển logỉc khả trình Hình thành từ nhóm các kỹ sư hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầụ là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau: + Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
+ Dễ dàng sửa chữa, thay thế. + Ồn định trong mội trường công nghiệp. + Giá cả cạnh tranh. Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) hình 2.1 là loại thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một Ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.
0 Tương đương 1 mạch số: Hình 2. Thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình PLC Như vậy, với chương trình điều khiên như hình 2.1, PLC ườ thanh bộ điêu khiên sô nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và thông tin với môi trường xung quanh. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khôi chương trình (OB, FC, FB) và thực hiện theo chu kỳ vòng quét. Để có thể thực hiện 1 chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trạo đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Bên cạnh đó, nhàm phục vụ bài toán điêu khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng như: COUNTER, TIMER. và những khối hàm chuyên dụng. Hệ thống điều khiển PLC Hình 2. Hệ thống ca điện từ có sử dụng phần điều khiển PLC 1.
Các lĩnh vực sử dụng PLC hiện nay PLC được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nehiên _ a. thiet bị y te, ô tô. g ệp’ máy nônỗ nghiệp, 1. Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển vói PLC - Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu Rela - Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, muốn thay đổi nhưano t i ' Ihay dôi thương trinh diểũ khíèn.
p m g pháp khiên chi cằn - Chiếm vị trí không gian nhò trong hệ thống. 14 - Nhiều chức năng điều khiển. - Tốc độ xử lý thời gian thực tương đối cao. - Công suất tiêu thụ nhỏ.