Giáo trình tự động hóa quá trình sản xuất cơ khí - Hoàng Viết Bình

Tải giáo trình hệ thống sản xuất tự động thầy Trần Ngọc Hải. Tài liệu cung cấp kiến thức nền tảng về tự động hóa, điều khiển và dây chuyền hiện đại.

• Tác giả: Hồ Viết Bình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo
• Đề tài: Tự động hóa quá trình sản xuất
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình hệ thống sản xuất tự động

Giáo trình hệ thống sản xuất tự động do Thầy Trần Ngọc Hải biên soạn là tài liệu học thuật chuẩn cho sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy. Nội dung cung cấp kiến thức nền tảng về tự động hóa quy trình sản xuất, bao gồm các khái niệm cơ bản, cấu trúc hệ thống và ứng dụng thực tiễn. Tài liệu được thiết kế dành cho môn học cùng tên với thời lượng 30 tiết, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động của các thiết bị tự động trong dây chuyền sản xuất công nghiệp. Giáo trình gồm 6 chương, tập trung vào các thành phần chính như cảm biến, thiết bị điều khiển, thiết bị chấp hành và hệ thống sản xuất hoàn chỉnh. Đây là nguồn tham khảo quan trọng cho việc thiết kế, vận hành và bảo trì các hệ thống sản xuất hiện đại.

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống sản xuất tự động

Ý tưởng về máy móc tự động thay thế lao động con người đã xuất hiện từ thời cổ đại. Các ghi chép về cơ cấu tự động đầu tiên được tìm thấy ở Ai Cập cổ đại và Hy Lạp, nơi con người sử dụng các thiết bị cơ học đơn giản để tự động hóa quy trình sản xuất. Đến thế kỷ 18, cuộc cách mạng công nghiệp đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống sản xuất tự động, với sự ra đời của máy dệt tự động và máy công cụ điều khiển bằng cam. Thế kỷ 20 đánh dấu bước ngoặt quan trọng khi các hệ thống điều khiển điện tử, thủy lực và khí nén được tích hợp, tạo nền tảng cho sản xuất tự động hóa hiện đại ngày nay.

1.2. Cấu trúc tổng thể của giáo trình

Giáo trình được biên soạn theo cấu trúc logic, bắt đầu từ các khái niệm cơ bản đến các hệ thống sản xuất hoàn chỉnh. Chương 1 giới thiệu các khái niệm liên quan đến tự động hóa, bao gồm định nghĩa, phân loại và vai trò trong sản xuất. Chương 2 trình bày cấu trúc tổng thể của hệ thống tự động, tập trung vào các thành phần chính như cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị chấp hành. Các chương tiếp theo (3, 4, 5, 6) đi sâu vào các chủ đề chuyên sâu như hệ thống cấp phôi tự động, kiểm tra tự động, hệ thống sản xuất hoàn chỉnh và lắp ráp tự động.

II. Phân tích vai trò của giáo trình trong đào tạo kỹ sư

Giáo trình hệ thống sản xuất tự động đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư cơ khí chế tạo máy. Nó cung cấp nền tảng kiến thức vững chắc về nguyên lý hoạt động của các hệ thống tự động, từ cơ bản đến nâng cao. Giáo trình giúp sinh viên hiểu rõ cấu trúc và chức năng của từng thành phần trong hệ thống, từ cảm biến, bộ điều khiển đến thiết bị chấp hành. Ngoài ra, tài liệu còn trang bị kiến thức về phương pháp thiết kế, vận hành và bảo trì các hệ thống sản xuất tự động, đáp ứng nhu cầu thực tiễn của ngành công nghiệp hiện đại. Giáo trình cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực sản xuất tự động hóa.

2.1. Đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu

Giáo trình được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu của sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy. Nội dung được biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành. Sinh viên sẽ được trang bị kiến thức về các phương pháp điều khiển tự động, từ điều khiển bằng cơ-điện đến điều khiển bằng khí nén và thủy lực. Giáo trình cũng cung cấp các ví dụ minh họa cụ thể, giúp sinh viên dễ dàng áp dụng kiến thức vào thực tế sản xuất.

2.2. Tích hợp kiến thức liên ngành

Hệ thống sản xuất tự động là lĩnh vực liên ngành, đòi hỏi kiến thức về điện kỹ thuật, cơ sở công nghệ chế tạo máy, lý thuyết điều khiển tự động và trang bị điện. Giáo trình được xây dựng dựa trên nền tảng kiến thức đa ngành, giúp sinh viên có cái nhìn tổng thể về quy trình sản xuất tự động. Nội dung được sắp xếp theo trình tự hợp lý, từ cơ bản đến nâng cao, đảm bảo sinh viên có thể tiếp thu kiến thức một cách hệ thống và hiệu quả.

III. Phương pháp tiếp cận hệ thống sản xuất tự động

Phương pháp tiếp cận hệ thống sản xuất tự động trong giáo trình tập trung vào việc phân tích cấu trúc và chức năng của từng thành phần trong hệ thống. Sinh viên được hướng dẫn cách thiết kế, lắp đặt và vận hành các hệ thống tự động từ đơn giản đến phức tạp. Giáo trình cung cấp các nguyên lý cơ bản về điều khiển tự động, bao gồm điều khiển bằng cam, khí nén, thủy lực và điện tử. Ngoài ra, tài liệu còn trình bày các phương pháp kiểm tra tự động, đảm bảo chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất. Phương pháp tiếp cận này giúp sinh viên phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề và tư duy hệ thống, hai yếu tố quan trọng trong lĩnh vực sản xuất tự động hóa.

3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động

Hệ thống sản xuất tự động hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển vòng kín hoặc vòng hở. Trong hệ thống vòng kín, tín hiệu phản hồi từ cảm biến được sử dụng để điều chỉnh hoạt động của thiết bị chấp hành, đảm bảo độ chính xác cao. Giáo trình trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của các thành phần chính như cảm biến vị trí, bộ điều khiển PLC, van điều khiển khí nén và động cơ servo. Ngoài ra, tài liệu còn cung cấp các ví dụ minh họa về cách thức hoạt động của từng thành phần trong hệ thống sản xuất tự động.

3.2. Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp

Hệ thống sản xuất tự động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ chế tạo máy, ô tô, điện tử đến thực phẩm và dược phẩm. Giáo trình cung cấp các ví dụ thực tiễn về ứng dụng của hệ thống tự động trong sản xuất, chẳng hạn như máy tiện tự động, máy khoan điều khiển khí nén và hệ thống lắp ráp tự động. Nội dung được trình bày dưới dạng sơ đồ nguyên lý, hình ảnh minh họa và bảng biểu, giúp sinh viên dễ dàng hình dung và áp dụng kiến thức vào thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng của giáo trình trong thực tế

Giáo trình hệ thống sản xuất tự động do Thầy Trần Ngọc Hải biên soạn là tài liệu học thuật quan trọng, cung cấp kiến thức toàn diện về lĩnh vực tự động hóa sản xuất. Nội dung được biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động của các hệ thống tự động. Giáo trình không chỉ phục vụ mục đích học tập mà còn là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực sản xuất tự động hóa. Việc áp dụng kiến thức từ giáo trình sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa quy trình công nghệ trong các doanh nghiệp công nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu quả đào tạo

Giáo trình đã được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư cơ khí chế tạo máy. Nội dung được đánh giá cao bởi tính hệ thống, logic và dễ hiểu, giúp sinh viên tiếp thu kiến thức một cách hiệu quả. Ngoài ra, giáo trình còn cung cấp các bài tập thực hành, giúp sinh viên rèn luyện kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống tự động. Việc áp dụng giáo trình trong đào tạo đã mang lại kết quả tích cực, góp phần đáp ứng nhu cầu nhân lực chất lượng cao cho ngành công nghiệp tự động hóa.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, hệ thống sản xuất tự động đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Giáo trình cần được cập nhật thường xuyên để đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực mới như trí tuệ nhân tạo, internet vạn vật (IoT) và robot cộng tác. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ tiên tiến vào giáo trình sẽ giúp sinh viên nắm bắt xu hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, chuẩn bị tốt hơn cho sự nghiệp trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Tự động hóa quá trình sản xuất do tác giả Hồ Viết Bình biên soạn, được lưu hành nội bộ phục vụ công tác đào tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh từ tháng 7 năm 2004. Tài liệu được thiết kế cho môn học cùng tên với thời lượng giảng dạy chuẩn là 30 tiết, nằm trong khối kiến thức chuyên ngành của chương trình đào tạo đại học và cao đẳng các ngành kỹ thuật cơ khí chế tạo máy, cơ điện tử và các ngành công nghệ liên quan.

Mục tiêu học tập trọng tâm của giáo trình là cung cấp cho người học các phương pháp và phương tiện kỹ thuật để tự động hóa máy công cụ và quá trình sản xuất cơ khí. Hoàn thành giáo trình, người học có khả năng phân tích nguyên lý, lựa chọn thiết bị, tính toán thiết kế, vận hành, lắp đặt và bảo trì các hệ thống tự động hóa ở các quy mô từ cơ cấu chấp hành đơn lẻ đến dây chuyền sản xuất đồng bộ.

Về cấu trúc và cách tiếp cận, nội dung tài liệu gồm 6 chương được sắp xếp theo logic kỹ thuật tuyến tính:

• Khái quát lý thuyết và lịch sử tự động hóa.
• Phân tích các phần tử phần cứng cơ bản (cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển).
• Kỹ thuật cấp phôi tự động.
• Phương pháp kiểm tra tự động trong gia công.
• Mô hình hệ thống sản xuất tích hợp hoàn chỉnh.
• Hệ thống lắp ráp tự động chi tiết máy.

Điểm đặc sắc của giáo trình là gắn kết cơ sở lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán cơ khí thực tế. Tài liệu phân loại chi tiết các giải pháp kỹ thuật từ mức độ cơ khí hóa, bán tự động hóa đến các hệ thống sản xuất hiện đại (FMS, CIM), đồng thời đưa ra các sơ đồ mạch, công thức giải tích cụ thể cho từng phần tử thiết bị.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình gồm 6 chương chuyên đề với sự phát triển logic từ thiết bị đơn lẻ đến hệ thống tích hợp:

[Chương 1: Khái quát & Tiến trình lịch sử]
[Chương 2: Thiết bị cơ bản (Cảm biến - Điều khiển - Chấp hành)]
[Chương 3: Cấp phôi tự động]   [Chương 4: Kiểm tra tự động]
[Chương 5: Hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh]
[Chương 6: Hệ thống lắp ráp tự động]

• Chương 1: Khái quát về tự động hóa quá trình sản xuất: Tổng kết lịch sử từ cơ cấu cơ học cổ đại (Ai Cập, Hy Lạp, cơ cấu gác cổng của Albert), mốc phát minh máy tự động đầu tiên của I. Polzunov (1765) dùng van phao điều chỉnh mực nước nồi hơi theo sai lệch (nguyên tắc Polzunov – Watt), máy tiện chép hình của Nartov (1712), cơ cấu vít me - đai ốc của H. Maudslay (1798), máy tiện tự động của Spencer (1873) đến các đóng góp lý thuyết của I. Vyshnegradsky (1876-1877), A. Stodola, A. Hurwitz, E. Routh, A. Lyapunov. Định nghĩa các cấp độ: cơ khí hóa (thay thế sức cơ bắp bằng động cơ), tự động hóa chu kỳ gia công (tự động chuyển động phụ), tự động hóa máy (trang bị cấp phôi tự động) và khoa học tự động hóa.
• Chương 2: Các thiết bị cơ bản trong hệ thống tự động: Trình bày chi tiết 4 nhóm thiết bị tạo thành mạch điều khiển kín (servo/PID):
  • Cảm biến (Sensor): Phân loại theo tín hiệu ra (ON/OFF, tương tự, số), theo đại lượng đo (vị trí, lực, nhiệt độ, áp suất, màu sắc, siêu âm, mã vạch) và cấu tạo (cảm biến tiệm cận điện từ Inductive Proximity, tiệm cận điện dung Capacitive Proximity, quang điện Photoelectric, Encoder đo góc quay dùng mã Gray, Laser giao thoa và di chuyển, điện cảm vi sai, cảm biến khí nén - điện tiếp xúc, cảm biến Tenzo biến dạng/Load Cell, tinh thể áp điện thạch anh Piezoelectric, điện trở nhiệt kim loại Platin/Đồng, nhiệt điện trở bán dẫn oxyt, diode/transistor, cảm biến áp suất ống Bourdon, xiphông, màng mỏng).
  • Cơ cấu chấp hành (Actuator): Động cơ điện một chiều (DC nam châm vĩnh cửu, kích từ nối tiếp/song song), động cơ bước (Step Motor/micro bước), Servomotor DC tích hợp Encoder; các loại ly hợp ma sát (khí nén, thủy lực, điện từ, bột oxyt từ); các phần tử thủy khí (xylanh 1 chiều, 2 chiều, xylanh xoay bánh răng - thanh răng, van đảo chiều 3/2 và 5/2).
  • Thiết bị điều khiển: Cơ cấu điều khiển cơ khí bằng trục cam thùng, mạch logic khí nén, mạch điều khiển cơ - điện và PLC.
• Chương 3: Hệ thống cấp phôi tự động: Phương pháp phân loại, định hướng và tính toán thiết kế phễu cấp phôi dạng rời nhằm chuyển đổi máy gia công bán tự động thành máy tự động hoàn toàn.
• Chương 4: Kiểm tra tự động: Các phương pháp và thiết bị kiểm tra tích cực (chủ động đo lường và hiệu chỉnh kích thước chi tiết trực tiếp trong quá trình cắt gọt kim loại).
• Chương 5: Một hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh: Cấu trúc dây chuyền sản xuất tự động từ khâu nạp phôi thô, vận chuyển trung gian, gia công nhiều nguyên công đến khi hoàn thiện chi tiết máy.
• Chương 6: Hệ thống lắp ráp tự động: Cấu tạo và nguyên lý vận hành của các thiết bị tự động liên kết các chi tiết thành bộ phận máy hoặc sản phẩm cơ khí hoàn chỉnh.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống cơ sở khoa học dựa trên các nguyên lý kỹ thuật:

• Lý thuyết điều khiển tự động: Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch (nguyên tắc Polzunov - Watt), cấu trúc hệ điều khiển phản hồi mạch kín (servo vòng kín) bao gồm: Cảm biến $\rightarrow$ Thiết bị xử lý/điều khiển $\rightarrow$ Cơ cấu chấp hành.
• Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý - điện:
  • Hiệu ứng Tenzo trong đo lực và tải trọng với hệ số nhạy: $$k = \frac{\Delta R / R}{\Delta l / l} = (1 + 2\mu) + m$$ (với $\mu$ là hệ số Poisson, $m$ là sự thay đổi điện trở suất).
  • Quan hệ nhiệt điện trở kim loại Platin ($R_t = R_0(1 + At + Bt^2)$), kim loại Đồng ($R_t = R_0[1 + \alpha_0(t - t_0)]$), và nhiệt điện trở bán dẫn ($R_T = A \cdot e^{B/T}$ với hệ số nhiệt âm $\beta = -B/T^2$).
  • Nguyên lý đo vị trí góc bằng Encoder quang học sử dụng mã Gray (Gray code) nhằm loại bỏ sai lệch chuyển tiếp bit giao thời so với mã nhị phân thuần túy, độ phân giải đạt $1/2^n$.
  • Phương trình vận tốc động cơ điện một chiều làm cơ sở điều tốc: $$n = \frac{U_a - (I_a \cdot R_a)}{C \cdot \Phi}$$
• Mô hình kiến trúc sản xuất tích hợp: Các cấp độ phân tầng trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS): Máy linh hoạt $\rightarrow$ Mô-đun sản xuất linh hoạt $\rightarrow$ Dây chuyền sản xuất linh hoạt $\rightarrow$ Phân xưởng sản xuất linh hoạt $\rightarrow$ Nhà máy sản xuất linh hoạt. Khung tích hợp thiết kế và chế tạo CAD/CAM hướng tới mô hình sản xuất tích hợp máy tính CIM.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán lựa chọn cảm biến tương ứng với môi trường đo; thiết lập mạch cầu cân bằng Wheatstone; lập sơ đồ phối ghép động cơ bước và Servomotor; thiết kế mạch logic điều khiển khí nén sử dụng van 3/2, 5/2 và công tắc hành trình.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đánh giá đặc tính tĩnh và động của các phần tử cảm biến; phân tích sơ đồ chu trình gia công; chẩn đoán sai lệch vị trí phôi và cơ cấu định hướng trong quá trình cấp phôi.
• Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Khả năng cải tiến máy cắt gọt kim loại vạn năng thành máy bán tự động bằng giải pháp cơ khí hóa - khí nén; tích hợp thiết bị đo kiểm tích cực vào máy công cụ CNC; tổ chức dây chuyền vận chuyển và lắp ráp tự động.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận sư phạm kỹ thuật kết hợp giữa phân tích cấu tạo phần cứng và mô hình hóa giải tích. Nội dung bài giảng được dẫn dắt từ các bộ phận riêng lẻ đến việc tổ hợp thành hệ thống sản xuất hoàn chỉnh.

Các bài tập và case studies thực hành được tích hợp trực tiếp trong văn bản:

• Thiết kế mạch điều khiển khí nén cho máy khoan tự động: Phân tích sơ đồ 2 xylanh kết hợp 4 công tắc hành trình ($S_1, S_2, S_3, S_4$) và cụm van 5/2, van 3/2; mô tả chính xác biểu đồ hành trình: Xylanh $1.0$ kẹp chặt chi tiết $\rightarrow$ Xylanh $2.0$ đưa đầu khoan đi xuống thực hiện khoan $\rightarrow$ Đầu khoan lùi về $\rightarrow$ Xylanh $1.0$ lùi về tháo chi tiết.
• Khống chế tự động nhiệt độ lò nung: Sơ đồ mạch ổn định nhiệt độ qua cầu điện, rơ-le và biến trở điều khiển tốc độ quạt gió DC-Motor, kết hợp mô hình vi xử lý thu nhận tín hiệu nhiệt độ chuẩn.
• Ứng dụng cảm biến công nghiệp:
  • Bố trí cảm biến Laser đo chiều dày thanh truyền, phát hiện nắp hộp bao bì, đo đường kính trục sau khi mài và đo chiều sâu piston.
  • Sơ đồ tích hợp Load Cell (cảm biến biến dạng Tenzo dạng dầm) trong cân định lượng mẻ liệu (Batching hopper) và hệ thống trạm cân xe tải công nghiệp (Truck scale) giao tiếp qua cổng nối tiếp Serial I/O với máy tính và bộ chỉ thị PR 1713/00.
  • Phân loại màu sắc bao bì tự động bằng cảm biến Festo RGB theo thuật toán tuyệt đối và tương đối.

Phương pháp đánh giá người học gắn liền với yêu cầu tính toán thiết kế: giải bài toán chọn thông số xylanh thủy khí dựa trên lực ép $P$ và đường kính $D$, tính toán góc dịch chuyển của ống Bourdon và màng đàn hồi áp suất, xây dựng thuật toán điều khiển chu kỳ máy.

Về hướng dẫn tự học, sinh viên cần thực hiện việc đọc hiểu các ký hiệu tiêu chuẩn công nghiệp của van khí nén, cảm biến tiếp cận và cấu trúc cổng quang Encoder trước khi tiến hành tính toán mạch điều khiển.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình phản ánh bước chuyển dịch công nghệ từ tự động hóa cơ khí truyền thống sang tự động hóa tích hợp thông tin và cơ điện tử:

• Mở rộng kiến thức công nghệ hiện đại: Tích hợp các khái niệm công nghệ cao xuất hiện cuối thế kỷ 20 gồm: Kỹ thuật linh hoạt (Agile Engineering), Hệ thống điều hành sản xuất qua màn hình (Visual Manufacturing Systems), Kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping), Công nghệ Nano, Hệ thống điều khiển logic khả trình (PLC), Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), và Hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM).
• Ứng dụng công nghệ nhận dạng và đo lường tiên tiến: Giáo trình cập nhật nguyên lý của các thiết bị số như cảm biến Laser giao thoa bước sóng nanomet, cảm biến màu RGB sử dụng logic mờ của Festo, cảm biến siêu âm Pepperl+Fuchs, và hệ thống mã vạch chuẩn UPC, nhận dạng ký tự quang học OCR phục vụ phân loại hàng hóa tự động.
• Định hướng chiến lược phát triển công nghiệp trong nước: Mục 1.4 của giáo trình đề xuất 3 định hướng thực tiễn cho ngành cơ khí chế tạo máy Việt Nam:
  1. Cơ khí hóa và tự động hóa các máy vạn năng sẵn có (lắp đồ gá kẹp nhanh, cơ cấu chép hình, sử dụng truyền động dầu ép và khí nén cho chuyển động chạy dao, bổ sung bộ cấp phôi tự động để nâng cấp thành máy bán tự động và tự động, nghiên cứu điều khiển số NC).
  2. Thiết kế, chế tạo máy bán tự động và tự động chuyên dùng; tiếp cận làm chủ công nghệ máy NC, CNC.
  3. Nghiên cứu chế tạo các mô-đun và dây chuyền FMS, ứng dụng sâu rộng các phần mềm CAD (AutoCAD, CATIA, Matlab) và CAM trong khâu chuẩn bị sản xuất kỹ thuật.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật:

• Sinh viên bậc Đại học và Cao đẳng: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 thuộc các ngành: Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp, Tự động hóa sản xuất.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học nền tảng trước khi tiếp cận giáo trình:
  • Điện kỹ thuật
  • Máy cắt kim loại
  • Cơ sở công nghệ chế tạo máy
  • Lý thuyết điều khiển tự động
  • Trang bị điện trong máy cắt
  • Các kiến thức thực tế về gia công cắt gọt và xưởng cơ khí.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu khung để xây dựng đề cương chi tiết, bài giảng môn học Tự động hóa quá trình sản xuất (30 tiết), và làm tài liệu định hướng ra đề tài đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp chuyên ngành chế tạo máy.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tra cứu khi thực hiện các dự án tự động hóa xưởng sản xuất cơ khí, cải tiến đồ gá, thiết kế hệ thống cấp phôi rời, hoặc ứng dụng trong các ngành công nghiệp bao bì, thực phẩm, dược phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn cho sinh viên đại học, cao đẳng các ngành kỹ thuật cơ khí, cơ điện tử, tự động hóa, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành, bảo trì và thiết kế hệ thống tự động trong các nhà máy sản xuất công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học tốt giáo trình?

Người học cần trang bị kiến thức tiên quyết về: Điện kỹ thuật, Máy cắt kim loại, Cơ sở công nghệ chế tạo máy, Lý thuyết điều khiển tự động và Trang bị điện trong máy cắt kim loại.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu lý thuyết điều khiển thông thường là gì?

Tài liệu tập trung vào các giải pháp phần cứng và ứng dụng thực tiễn trong ngành chế tạo máy (hệ thống cấp phôi rời, cơ cấu cam thùng, mạch khí nén cho máy khoan, cảm biến công nghiệp, kiểm tra tích cực kích thước khi cắt gọt) thay vì chỉ phân tích toán học thuần túy.

4. Làm sao để tự học và nắm vững nội dung giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp đọc lý thuyết nguyên lý cảm biến - chấp hành ở Chương 2 với việc vẽ lại và phân tích các sơ đồ mạch khí nén, mạch vi xử lý mẫu (hình 2.49 đến 2.54), sau đó tự giải quyết các bài toán thiết kế chu trình cấp phôi (Chương 3) và lắp ráp (Chương 6).

5. Giáo trình giới thiệu những tài liệu bổ trợ nào đi kèm?

Tác giả đề xuất người học tham khảo thêm các tài liệu chuyên khảo:

• Giáo trình Trang bị điện trong máy công cụ
• Giáo trình Máy điện
• Hệ thống điều khiển bằng khí nén
• Hệ thống điều khiển bằng thủy lực

---

Kết luận

Giáo trình Tự động hóa quá trình sản xuất của tác giả Hồ Viết Bình hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về thiết bị và công nghệ tự động hóa trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy. Từ các định luật vật lý cơ bản áp dụng trong cảm biến (áp điện, biến dạng Tenzo, quang điện, nhiệt điện trở), cơ cấu chấp hành (động cơ DC, Step Motor, Servomotor, thủy khí) đến các mô hình sản xuất tiên tiến (FMS, CIM, CAD/CAM), tài liệu mang lại cấu trúc kiến thức rõ ràng và có tính ứng dụng cao.

Lộ trình học tập đề xuất: Đi từ nắm vững nguyên lý hoạt động của các phần tử thiết bị phần cứng (Chương 2) $\rightarrow$ Thiết kế các cơ cấu phụ trợ tự động hóa chu kỳ máy như cấp phôi, đo kiểm (Chương 3, 4) $\rightarrow$ Tiếp cận phương pháp tích hợp dây chuyền gia công và lắp ráp tự động (Chương 5, 6). Việc kết hợp nghiên cứu giáo trình cùng các tài liệu bổ trợ về Trang bị điện trong máy công cụ và Hệ thống điều khiển thủy khí giúp hoàn thiện năng lực thiết kế, vận hành hệ thống sản xuất cơ khí tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HOÀ VIEÁT BÌNH TÖÏ ÑOÄNG HOÙA QUAÙ TRÌNH SAÛN XUAÁT (DUØNG CHO SINH VIEÂN ÑH, CÑ CAÙ C NGAØNH CÔ KHÍ) TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT TP. HOÀ CHÍ MINH - NAÊM 2004 - Lôøi noùi ñaàu Giaùo trình töï ñoäng hoùa quaù trình saûn xuaát phuïc vuï cho moân hoïc cuøng teân vôùi thôøi löôïng 30 tieát, nhaèm ñaùp öùng nhu caàu tìm hieåu, phaân tích, baûo trì, thieát keá laép ñaët caùc heä thoáng töï ñoäng hoùa trong lónh vöïc cô khí cheá taïo vaø caùc ngaønh coâng nghieäp lieân quan. Ñeå hoïc toát moân hoïc naøy, hoïc sinh, sinh vieân caàn hoïc tröôùc caùc moân: ñieän kyõ thuaät, maùy caét kim loaïi, cô sôû coâng ngheä cheá taïo maùy, lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoäng, trang bò ñieän trong maùy caét vaø caùc kieán thöùc thöïc teá lieân quan. Caáu taïo giaùo trình goàm 6 chöông : Chöông 1 : Neâu caùc khaùi nieäm cô baûn lieân quan ñeán töï ñoäng hoùa Chöông 2 : Trình baøy toång theå moät heä thoáng töï ñoäng vaø caùc phaàn töû chính caáu thaønh neân heä thoáng ñoù nhö : caûm bieán, thieát bò ñieàu khieån, thieát bò chaáp haønh.

Chöông naøy coù theå giuùp caùc baïn thieát keá ñöôïc caùc thieát bò töï ñoäng ñôn giaûn. Chöông 3 : Giôùi thieäu heä thoáng caáp phoâi töï ñoäng, chuû yeáu laø phoâi daïng rôøi, caùch löïa choïn, tính toaùn vaø thieát keá nhaèm bieán maùy baùn töï ñoäng thaønh maùy töï ñoäng. Chöông 4 : Kieåm tra töï ñoäng cuõng laø moät lónh vöïc khoâng theå thieáu trong quaù trình töï ñoäng hoùa maùy vaø quaù trình coâng ngheä. Ngöôøi hoïc seõ ñöôïc tieáp thu caùc phöông phaùp kieåm tra tích cöïc khi gia coâng caét goït.

Chöông 5 : Moät heä thoáng saûn xuaát töï ñoäng hoaøn chænh laø muïc ñích cao nhaát cuûa töï ñoäng hoùa, ngöôøi hoïc coù theå hình dung heä thoáng töï ñoäng hoùa toång hôïp töø luùc caáp lieäu cho ñeán khi ra saûn phaåm chi tieát maùy hoaøn chænh. Chöông 6 : Heä thoáng laép raùp töï ñoäng caùc chi tieát maùy thaønh moät boä phaän maùy hay moät chieác maùy hoaøn chænh laø noäi dung cô baûn cuûa chöông naøy. Maëc duø töï ñoäng hoùa khoâng xa laï vôùi chuùng ta nhöng vaãn caàn moät khoái löôïng kieán thöùc deã hieåu vaø phöông phaùp tieáp caän nhanh choùng. Ngöôøi vieát mong nhaän ñöôïc söï goùp yù thieát thöïc, cuï theå cuûa ñoàng nghieäp vaø sinh vieân ñeå taøøi lieäu coù chaát löôïng hôn.

Thaønh phoá Hoà Chí Minh Thaùng 7 naêm 2004. Taùc giaû Chöông 1 KHAÙI QUAÙT VEÀ TÖÏ ÑOÄN G HOÙA QUAÙ TRÌNH SAÛN XUAÁT 1.1 Toùm taét lòch söû phaùt trieån cuûa töï ñoäng hoùa quaù trình saûn xuaát Ñaõ töø xa xöa, con ngöôøi luoâ n mô öôùc veà caùc loaïi maùy coù khaû naêng thay theá cho mình trong caùc quaù trình saûn xuaát vaø caùc coâng vieäc thöôøng nhaät khaùc. Vì theá, maëc duø töï ñoäng hoùa caùc quaù trình saûn xuaát laø moät lónh vöïc ñaëc tröng cuûa khoa hoïc kyõ thuaät hieän ñaïi cuûa theá kyû 20, nhöng nhöõng thoâng tin veà caùc cô caáu töï ñoäng laøm vieäc khoâng caàn coù söï trôï giuùp cuûa con ngöôøi ñaõ toàn taïi töø tröôùc coâng nguyeân. Caùc maùy töï ñoäng cô hoïc ñaõ ñöôïc söû duïng ôû Ai Caäp coå vaø Hy Laïp khi thöïc hieän caùc maøn muùa roái ñeå loâi keùo nhöõng ngöôøi theo ñaïo.

Trong thôøi trung coå ngöôøi ta ñaõ bieát ñeán caùc maùy töï ñoäng cô khí thöïc hieän chöùc naêng ngöôøi gaùc coån g cuûa Albert. Moät ñaëc ñieåm chung cuûa caùc maùy töï ñoäng keå treân laø chuùng khoâng coù aûnh höôûng gì tôùi caùc quaù trình saûn xuaát cuûa xaõ hoäi thôøi ñoù. Chieác maùy töï ñoäng ñaàu tieân ñöôïc söû duïng trong coân g nghieä p do moät thôï cô khí ngöôøi Nga, oâng Poânzunoâp cheá taïo vaøo naêm 1765. Nhôø noù maø möùc nöôùc trong noài hôi ñöôïc giöõ coá ñònh khoâng phuï thuoäc vaøo löôï ng tieâu hao hôi nöôùc.

Ñeå ño möùc nöôùc trong noài, Poânzunoâ p duøng moät caùi phao. Khi möùc nöôùc thay ñoåi phao seõ taùc ñoäng leân cöûa van, thöïc hieän ñieàu chænh löôïng nöôùc vaøo noài. Nguyeân taéc ñieàu chænh cuûa cô caáu naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi trong nhieàu lónh vöïc khoa hoïc kyõ thuaät khaùc nhau, noù ñöôïc goïi laø nguyeân taéc ñieàu chænh theo sai leäch hay nguyeân taéc Poâdunoâp – Gioân Oat. Ñaàu theá kyû 19, nhieàu coâ ng trình coù muïc ñích hoaøn thieän caùc cô caáu ñieàu chænh töï ñoäng cuûa maùy hôi nöôùc ñaõ ñöôïc thöïc hieän.

Cuoái theá kyû 19 caùc cô caáu ñieàu chænh töï ñoäng cho caùc tuabin hôi nöôùc baét ñaàu xuaát hieän. Naêm 1712 oâng Nartoâp, moät thôï cô khí ngöôøi Nga ñaõ cheá taïo ñöôïc maùy tieän cheùp hình ñeå tieän caùc chi tieát ñònh hình. Vieäc cheùp hình theo maãu ñöôïc thöïc hieän töï ñoäng. Chuyeån ñoäng doïc cuûa baøn dao do baùnh raêng – thanh raêng thöïc hieän.

Cho ñeán naêm 1798 oâng Henry Nanñsley ngöôøi Anh môùi thay theá chuyeån ñoäng naøy baèn g chuyeå n ñoäng cuûa vít me – ñai oác. Naêm 1873 Spender ñaõ cheá taïo ñöôïc maùy tieän töï ñoäng coù oå caáp phoâi vaø truïc phaân phoái mang caùc cam ñóa vaø cam thuøng. Naêm 1880 nhieàu haõng treân theá giôùi nhö Pittler Ludnig Lowe( Ñöùc), RSK(Anh) ñaõ cheá taïo ñöôïc maùy tieän rôvoânve duøng phoâi theùp thanh.Xtoâleooâp ñaõ cheá taïo ñöôïc phaàn töû caûm quang ñaàu tieân, moät trong nhöõng phaàn töû hieän ñaïi quan troïng nhaát cuûa kyõ thuaät töï ñoäng hoùa. Cuõng trong giai ñoaïn naøy, caùc cô sôû cuûa lyù thuyeát ñieàu chænh vaø ñieàu khieån heä thoáng töï ñoäng baét ñaàu ñöôïc nghieân cöùu, phaùt trieån.

Moät trong nhöõn g coâng trình ñaàu tieân cuûa lónh vöïc naøy thuoäc veà nhaø toaùn hoïc noåi tieáng P. Coù theå noùi, oâng toå cuûa caùc phöông phaùp tính toaùn kyõ thuaät cuûa lyù thuyeát ñieà u chænh heä thoáng töï ñoäng laø I. Vösnhegratxki, giaùo sö toaùn hoïc noåi tieáng cuûa tröôøng ñaïi hoïc coâng ngheä thöïc nghieäm Xanh Peâteâcbua. Naêm 1876 vaø1877 oâng ñaõ cho ñaêng caùc coâng trình “Lyù thuyeát cô sôû cuûa caùc cô caáu ñieàu chænh” vaø “Caùc cô caáu ñieàu chænh taùc ñoäng tröïc tieáp”.

Caùc phöông phaùp ñaùnh giaù oån ñònh vaø chaát löôïng cuûa caùc quaù trình quaù ñoä do oâng ñeà xuaát vaãn ñöôïc duøng cho tôùi taän baây giôø. -5- Khoâng theå khoân g keå tôùi ñoùng goùp to lôùn trong söï nghieäp phaùt trieån lí thuyeát ñieàu khieån heä thoáng töï ñoäng cuûa nhaø baùc hoïc A.Xtoâñoâ ngöôøi Sec, A.Gurvis ngöôøi Myõ, A.Paux ngöôøi Anh , A.Lapu noâp ngöôøi Nga vaø nhieàu nhaø baùc hoïc khaùc. Caùc thaønh töïu ñaït ñöôïc trong lónh vöïc töï ñoäng hoùa ñaõ cho pheùp cheá taïo trong nhöõng thaäp kyû ñaàu tieân cuûa theá kyû 20 caùc loaïi maùy töï ñoäng nhieàu truïc chính, maùy toå hôïp vaø caùc ñöôøng daây töï ñoäng lieân keát cöùng vaø meàm duøng trong saûn xuaát haøng loaït lôùn vaø haøng khoái. Cuõng trong khoaûng thôøi gian naøy, söï phaùt trieån maïnh meõ cuûa ñieàu khieån hoïc, moät moân khoa hoïc veà caùc quy luaät chung cuûa caùc quaù trình ñieàu khieån vaø truyeàn tin trong caùc heä thoáng coù toå chöùc ñaõ goùp phaàn ñaåy maïnh söï phaùt trieån vaø öùng duïng cuûa töï ñoäng hoùa caùc quaù trình saûn xuaát vaøo coâng nghieäp.

Trong nhöõ ng naêm gaàn ñaây, caùc nöôùc coù neàn coâng nghieäp phaùt trieån tieán haønh roäng raõi töï ñoäng hoùa trong saûn xuaát loaït nhoû. Ñieàu naøy phaûn aùnh xu theá chung cuûa moät neà n kinh teá theá giôùi chuyeå n töø saûn xuaát loaït lôùn vaø haøng khoái sang saûn xuaát loaït nhoû vaø haøn g khoái thay ñoåi. Nhôø caùc thaønh töï u to lôù n cuûa coâng ngheä thoâng tin vaø caùc lónh vöïc khoa hoïc khaùc, ngaønh coâng nghieä p gia coâng cô cuûa theá giôùi trong nhöõng naêm cuoái cuûa theá kyû 20 ñaõ coù söï thay ñoåi saâu saéc. Söï xuaát hieän cuûa moät loaït caùc coâng ngheä muõi nhoïn nhö kyõ thuaät linh hoaït (Agile engineering) , heä thoáng ñieàu haønh saûn xuaát qua maøn hình (Visual Manufacturing Systems) , kyõ thuaät taïo maãu nhanh (Rapid Prototyping) vaø coâng ngheä Nanoâ ñaõ cho pheùp thöïc hieän töï ñoäng hoùa toaøn phaàn khoâng chæ trong saûn xuaát haøng khoái maø caû trong saûn xuaát loaït nhoû vaø ñôn chieác.

Chính söï thay ñoåi nhanh cuûa saûn xuaát ñaõ lieân keát chaët cheõ coâng ngheä thoâng tin vôùi coâng ngheä cheá taïo maùy, laøm xuaát hieän moät loaït caùc thieát bò vaø heä thoáng töï ñoäng hoaù hoaøn toaøn môùi nhö caùc loaïi maùy ñieàu khieån soá, caùc trung taâm gia coâng, caùc heä thoáng ñieàu khieån theo chöông trình logic PLC (Programmable logic control), caùc heä thoáng saûn xuaát linh hoaït FMS (Flexible Manufacturing systems), caùc heä thoáng saûn xuaát tích hôïp CIM (Computer Integrated Manufacturing) cho pheùp chuyeån ñoåi nhanh saûn phaåm gia coâng vôùi thôøi gian chuaån bò saûn xuaát ít nhaát, ruùt ngaén chu kyø saûn xuaát saûn phaåm, ñaùp öùng toát tính thay ñoåi nhanh cuûa saûn xuaát hieän ñaïi. Nhöõng thaøn h coâng ban ñaàu cuûa quaù trình lieân keát moät soá coâng ngheä hieän ñaïi trong khoaûng 10, 15 naêm vöøa qua ñaõ khaúng ñònh xu theá phaùt trieån cuûa neàn Saûn xuaát trí tueä trong theá kyû 21 treâ n cô sôû cuûa caùc thieát bò thoâng minh. Ñeå coù theå tieáp caän vaø öùng duïn g daïng saûn xuaát tieân tieán naøy, ngay töø hoâm nay, chuùng ta phaûi nghieân cöùu , hoïc hoûi vaø chuaån bò cô sôû vaät chaát cuõng nhö ñoäi nguõ caùn boä kyõ thuaät cho noù. Vieäc boå sung caûi tieán noäi dung vaø chöông trình ñaøo taïo trong caùc tröôøng ñaïi hoïc vaø trung taâm nghieâ n cöùu theo höôùng phaùt trieån saûn xuaát trí tueä laø caàn thieát .2 Moät soá khaùi nieäm vaø ñònh nghóa cô baûn 1.1 Cô khí hoùa Ñeå taïo ra saûn phaåm yeâu caàu, caùc quaù trình saûn xuaát thöïc hieän vieäc bieán ñoåi vaät chaát, naêng löôïng vaø thoâng tin töø daïng naøy sang daïng khaùc.

Caùc quaù trình bieá n ñoåi vaät chaát thöôøng bao goàm hai daïng sau : -6- 1. Caùc quaù trình chính. Caùc quaù trình phuï. Caùc quaù trình chính laø caùc quaù trình lieân quan tröïc tieáp ñeán vieäc thay ñoåi tính chaát cô lí hoùa, hình daùng hình hoïc ban ñaàu cuûa phoâi lieäu ñeå taïo ra saûn phaåm yeâu caàu.

Coøn caùc quaù trình phuï laø caùc quaù trình caàn thieát cho caùc quaù trình chính thöïc hieän ñöôïc. Haàu heát caùc quaù trình saûn xuaát cô khí ñeàu coù muïc ñích cuoái cuøng laø laøm bieán ñoåi traïng thaùi cô lyù tính vaø hình daùng hình hoïc ban ñaàu cuûa phoâi lieäu ñeå taïo ra chi tieát (saûn phaåm yeâu caàu ). Trong quaù trình chính ñeå thöïc hieän vieäc bieán ñoåi, taát caû caùc thieát bò saûn xuaát cô khí phaûi thöïc hieän ñöôïc hai daïng chuyeån ñoäng cô baûn laø chuyeån ñoäng chính vaø chuyeån ñoäng phuï. Treân caùc maùy tieän goã coå ñieån, chuyeå n ñoäng quay cuûa chi tieát laø chuyeån ñoäng chính vaø ñöôïc thöïc hieän baèng löïc ñaïp chaân cuûa coâng nhaân.

Khi thöïc hieän cô khí hoùa, ngöôøi ta tieán haønh thay löïc ñaïp chaân baèng ñoäng cô ñieän. Caùc chuyeån ñoäng coøn laïi cuûa dao vaãn do coâng nhaân thöïc hieän baèn g tay .