Giáo Trình Tự Động Hóa Quá Trình Sản Xuất

Giáo trình tự động quá trình sản xuất cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ tự động hóa trong sản xuất, nâng cao hiệu quả và năng suất.

• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Tự Động Hóa
• Đề tài: Giáo Trình Tự Động Hóa Quá Trình Sản Xuất Hiện Đại
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
• 1.1. Tóm tắt lịch sử phát triển của tự động hóa quá trình sản xuất
• 1.2. Một số khái niệm và định nghĩa cơ bản
• 1.2.1. Cơ khí hóa
• 1.2.2. Tự động hóa chu kỳ gia công
• 1.2.3. Tự động hóa máy
• 1.2.4. Khoa học tự động hóa
• 1.2.5. Hệ thống thiết kế và chế tạo có trợ giúp của máy tính (CAD-CAM)
• 1.2.6. Hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính (CIM)

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Tự Động Hóa Quá Trình Sản Xuất Hiện Đại

Giáo trình tự động hóa quá trình sản xuất hiện đại là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành cơ khí. Nó cung cấp kiến thức về các hệ thống tự động hóa, công nghệ hiện đại và ứng dụng trong sản xuất. Nội dung giáo trình giúp sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản và ứng dụng thực tiễn của tự động hóa trong sản xuất.

1.1. Khái niệm cơ bản về tự động hóa sản xuất

Tự động hóa sản xuất là quá trình sử dụng công nghệ để điều khiển các quy trình sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người. Điều này bao gồm việc sử dụng máy móc, robot và phần mềm để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.2. Lịch sử phát triển của tự động hóa

Tự động hóa đã phát triển từ những năm 1765 với sự ra đời của máy móc tự động. Qua các giai đoạn, từ máy móc cơ khí đến công nghệ số, tự động hóa đã trở thành một phần không thể thiếu trong sản xuất hiện đại.

II. Vấn đề và thách thức trong tự động hóa sản xuất hiện đại

Mặc dù tự động hóa mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư cao, thiếu hụt nhân lực có kỹ năng và sự thay đổi nhanh chóng của công nghệ là những thách thức lớn trong việc áp dụng tự động hóa.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống tự động

Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa có thể rất cao, bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, lắp đặt và bảo trì. Do đó, doanh nghiệp cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định đầu tư.

2.2. Thiếu hụt nhân lực có kỹ năng

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tự động hóa dẫn đến nhu cầu cao về nhân lực có kỹ năng. Tuy nhiên, hiện nay, nhiều doanh nghiệp gặp khó khăn trong việc tìm kiếm nhân viên có đủ trình độ để vận hành và bảo trì hệ thống tự động.

III. Phương pháp và giải pháp cho tự động hóa sản xuất hiệu quả

Để tối ưu hóa quy trình tự động hóa, các doanh nghiệp cần áp dụng những phương pháp và giải pháp hiện đại. Việc sử dụng công nghệ thông tin, robot và hệ thống điều khiển tự động là những giải pháp quan trọng.

3.1. Ứng dụng công nghệ thông tin trong tự động hóa

Công nghệ thông tin giúp kết nối và điều khiển các thiết bị tự động hóa, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc sử dụng phần mềm quản lý sản xuất giúp theo dõi và tối ưu hóa quy trình.

3.2. Sử dụng robot trong sản xuất

Robot được sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, giúp giảm thiểu sai sót và tăng năng suất. Việc áp dụng robot trong sản xuất đã trở thành xu hướng phổ biến trong các nhà máy hiện đại.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tự động hóa trong sản xuất

Tự động hóa đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ chế tạo ô tô đến sản xuất điện tử. Các ứng dụng này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Tự động hóa trong ngành chế tạo ô tô

Ngành chế tạo ô tô là một trong những lĩnh vực tiên phong trong việc áp dụng tự động hóa. Các dây chuyền sản xuất tự động giúp giảm thời gian sản xuất và tăng độ chính xác.

4.2. Tự động hóa trong sản xuất điện tử

Trong sản xuất điện tử, tự động hóa giúp cải thiện quy trình lắp ráp và kiểm tra sản phẩm. Việc sử dụng robot và hệ thống tự động giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu lỗi.

V. Kết luận và tương lai của tự động hóa sản xuất

Tương lai của tự động hóa sản xuất hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT). Những công nghệ này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành sản xuất.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa

Công nghệ tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo, giúp hệ thống tự động hóa thông minh hơn và tự động hóa nhiều quy trình hơn.

5.2. Tác động của IoT đến tự động hóa sản xuất

Internet of Things (IoT) sẽ cho phép các thiết bị tự động hóa kết nối và giao tiếp với nhau, từ đó tạo ra một hệ thống sản xuất thông minh và hiệu quả hơn.

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 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh xuất bản và lưu hành vào tháng 7 năm 2004. Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho môn học cùng tên với quy mô thời lượng 30 tiết giảng dạy, phục vụ chương trình đào tạo bậc Đại học và Cao đẳng thuộc khối ngành Cơ khí chế tạo máy và các ngành kỹ thuật công nghiệp liên quan.

Mục tiêu học tập trọng tâm của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống phương pháp luận và công cụ kỹ thuật để phục vụ công tác tìm hiểu, phân tích, thiết kế, tính toán, lắp đặt, vận hành và bảo trì các cơ cấu, thiết bị và dây chuyền tự động hóa. Nội dung đào tạo tập trung giải quyết các bài toán công nghệ từ mức độ thiết bị đơn lẻ (cải tiến máy công cụ vạn năng thành máy bán tự động và tự động) đến cấp độ hệ thống sản xuất tích hợp và dây chuyền lắp ráp công nghiệp.

Về cấu trúc và cách tiếp cận, tài liệu được tổ chức thành 6 chương theo tiến trình kỹ thuật chặt chẽ: mở đầu bằng các khái niệm cơ bản và bối cảnh công nghệ (Chương 1); phân tích chi tiết các phần tử cấu thành hệ thống điều khiển kín gồm cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành (Chương 2); kỹ thuật cấp phôi rời (Chương 3); phương pháp kiểm tra tích cực trong gia công cắt gọt (Chương 4); tổng hợp hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh (Chương 5); và thiết kế hệ thống lắp ráp tự động (Chương 6). Điểm đặc sắc của giáo trình là việc kết hợp nền tảng cơ khí truyền thống với kỹ thuật điện tử, khí nén, thủy lực và điều khiển số, bám sát các phương hướng phát triển thực tế của ngành cơ khí chế tạo máy tại Việt Nam.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

• Chương 1: Khái quát về tự động hóa quá trình sản xuất Cung cấp lịch sử phát triển cơ cấu tự động từ các ứng dụng cơ học cổ đại đến các phát minh bản lề: cơ cấu phao điều chỉnh mức nước lò hơi theo sai lệch của I. Polzunov (1765), máy tiện chép hình của N. Nartov (1712), cơ cấu truyền động vít me - đai ốc của H. Maudslay (1798), máy tiện tự động có trục phân phối mang cam đĩa và cam thùng của C. Spencer (1873). Chương này phân định rõ ba cấp độ phát triển: cơ khí hóa (thay thế lực cơ bắp ở chuyển động chính), tự động hóa chu kỳ gia công (tự động hóa chuyển động phụ và điều khiển), và tự động hóa máy hoàn toàn (trang bị hệ thống cấp phôi). Đồng thời, chương 1 giới thiệu các mô hình sản xuất tiên tiến: CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing), CAPP, FMS (Flexible Manufacturing Systems), CIM (Computer Integrated Manufacturing) và Robot công nghiệp.

• Chương 2: Các thiết bị cơ bản trong hệ thống tự động Phân tích cấu trúc hệ thống điều khiển mạch kín (hệ servo/PID) gồm ba khối: cảm biến, thiết bị điều khiển và cơ cấu chấp hành.

  • Hệ thống cảm biến: Trình bày nguyên lý và cấu tạo của cảm biến tiếp cận điện từ (dòng Foucault, khoảng cách < 10 mm), cảm biến điện dung (đo dịch chuyển 3–25 mm, phát hiện vật qua vách cách ly), cảm biến quang điện (thu phát độc lập tới 7 m, phản xạ gương 0,1–2 m, phản xạ khuếch tán 70 cm), bộ mã hóa góc Encoder tương đối và tuyệt đối (sử dụng mã Gray chống sai lệch chuyển mức), cảm biến giao thoa Laser (đo chính xác cấp nanomet) và Laser dịch chuyển, cảm biến biến dạng Tenzo (Load Cell mạch cầu), cảm biến áp điện thạch anh (đo lực biến thiên đến 10.000 N), cảm biến nhiệt độ (điện trở Platin, đồng, nhiệt điện trở oxit bán dẫn MgO, Mn₂O₃, transistor), cảm biến áp suất (ống Bourdon, màng đàn hồi, xiphông), cảm biến màu kỹ thuật số logic mờ Festo, cảm biến siêu âm Pepperl+Fuchs (65–400 kHz) và thiết bị đọc mã vạch UPC/OCR.
  • Cơ cấu chấp hành: Nguyên lý động cơ DC (kích từ độc lập, nối tiếp, song song, hỗn hợp), phương pháp hãm động lực và đảo chiều quay; động cơ bước (Step Motor) điều khiển vi bước (micro-step); động cơ Servomotor DC tích hợp Encoder; các dạng ly hợp ma sát khí nén, thủy lực, điện từ và ly hợp điện từ bột oxit sắt; các phần tử thủy khí gồm xylanh khí nén 1 chiều, 2 chiều, xylanh xoay thanh răng - bánh răng, van đảo chiều 3/2, 4/2, 5/2.

• Chương 3: Hệ thống cấp phôi tự động Tập trung vào các giải pháp công nghệ phân loại, định hướng và vận chuyển phôi rời. Cung cấp phương pháp tính toán, lựa chọn phễu cấp phôi và cơ cấu nạp liệu tự động nhằm biến đổi máy cắt gọt bán tự động thành máy tự động hoàn toàn.

• Chương 4: Kiểm tra tự động Trình bày các phương pháp kiểm tra tích cực (active inspection) ngay trong quá trình gia công cắt gọt kim loại, giúp đo lường kích thước chi tiết trực tiếp và tự động hiệu chỉnh vị trí dao cắt hoặc ngắt hành trình gia công khi đạt kích thước chuẩn.

• Chương 5: Hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh Mô tả hệ thống sản xuất tổng hợp khép kín từ khâu nạp phôi liệu thô, gia công qua các trạm máy CNC/trung tâm gia công đến khi hoàn thiện chi tiết máy thành phẩm.

• Chương 6: Hệ thống lắp ráp tự động Cung cấp nguyên lý, kết cấu và phương tiện tự động hóa việc liên kết, định vị và lắp ghép các chi tiết máy đơn lẻ thành cụm bộ phận hoặc sản phẩm máy hoàn chỉnh.

[Chương 3: Cấp phôi tự động]   [Chương 4: Kiểm tra tích cực]   [Chương 5: Dây chuyền FMS/CIM]
                         [Chương 6: Lắp ráp tự động]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết điều khiển tự động và mạch điều khiển phản hồi: Hệ thống hóa cấu trúc mạch kín cảm biến – thiết bị điều khiển – cơ cấu chấp hành. Trích dẫn nền tảng toán học từ các công trình nghiên cứu của I. Vyshnegradsky (1876–1877) về "Lý thuyết cơ sở của các cơ cấu điều chỉnh", cùng các đóng góp của P. Chebyshev, A. Stodola, A. Hurwitz, E. Routh, A. Lyapunov.
• Nguyên lý chuyển đổi năng lượng và cảm biến đo lường: Xây dựng cơ sở tính toán biến đổi đại lượng cơ học thành tín hiệu điện: phương trình độ nhạy Tenzo $k = \frac{\Delta R / R}{\Delta l / l} = (1 + 2\mu) + m$; công thức điện trở nhiệt kim loại Platin $R_t = R_0(1 + At + Bt^2)$; phương trình bán dẫn oxit nhiệt điện trở $R_T = A \cdot e^{B/T}$ với hệ số nhiệt âm $\beta = -B/T^2$; biểu thức xác định độ phân giải Encoder $1/2^n$; phương trình góc lệch tâm lò xo ống Bourdon dưới áp suất: $$\Delta \psi = \frac{1 - \mu^2}{E} \cdot \frac{R^2}{a \cdot h} \cdot \left(1 - \frac{b^2}{a^2}\right) \cdot \alpha_x \cdot P$$
• Cơ sở truyền động điện và cơ học thủy khí: Phương trình vận tốc động cơ điện một chiều: $$n = \frac{U_a - (I_a \cdot R_a)}{C\Phi}$$ Nguyên lý cân bằng mạch cầu đo vi sai và nguyên lý phân phối dòng khí qua mạng van logic 3/2, 4/2, 5/2.
• Cấu trúc sản xuất linh hoạt và tích hợp: Thiết lập các cấp độ FMS (máy linh hoạt, mô-đun sản xuất linh hoạt, dây chuyền, phân xưởng, nhà máy) và liên kết trao đổi dữ liệu CAPP, GT, mạng LAN, CAD/CAM/CIM.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận dạng, đo kiểm và đấu nối mạch cho các dòng cảm biến công nghiệp (điện từ, điện dung, quang, encoder, siêu âm, cảm biến tải load cell); thiết lập mạch đảo chiều và hãm động lực cho động cơ DC; lắp đặt và phân phối khí nén điều khiển xylanh thông qua van đảo chiều.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích sai lệch tín hiệu trong mạch đo lường; đọc và phân tích sơ đồ nguyên lý chu trình gia công; giải mã tín hiệu số nhị phân và mã Gray trên bộ mã hóa góc; tính toán các thông số lưu lượng, áp suất và lực biến dạng trong hệ thống điều khiển.
• Kỹ năng thực hành và ứng dụng (Practical competencies): Tính toán cải tạo máy công cụ vạn năng thành máy bán tự động và tự động; thiết kế đồ gá kẹp chặt bằng khí nén - thủy lực; xây dựng sơ đồ tích hợp trạm cấp phôi rời và thiết lập hệ thống kiểm tra tự động kích thước gia công.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận cấu trúc kỹ thuật phân tầng (modular pedagogical approach), đi từ các linh kiện, phần tử chức năng đơn lẻ (cảm biến, động cơ, van khí nén) đến việc tích hợp cụm cơ cấu (cấp phôi, kiểm tra, tay máy robot) và tiến tới hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất tích hợp FMS/CIM. Cách tiếp cận này giúp người học gắn kết lý thuyết giải tích điều khiển học với cấu tạo phần cứng cơ điện tử.

Tài liệu sử dụng hệ thống sơ đồ nguyên lý và bản vẽ kỹ thuật chi tiết để minh họa cho từng chủ đề bài học:

• Sơ đồ phân tích chu trình gia công: sơ đồ tiện cơ khí hóa (Hình 1.1), sơ đồ tiện tự động hóa chu kỳ có điều khiển máy tính (Hình 1.2), máy tiện tự động trang bị phễu cấp phôi (Hình 1.3).
• Sơ đồ cấu tạo và mạch đo cảm biến: mạch dao động cảm biến điện từ (Hình 2.2), mạch cầu đo Tenzo và cách bố trí thanh dán Load Cell (Hình 2.19), mạch điều khiển nhiệt độ lò nung qua biến trở và vi xử lý (Hình 2.26, Hình 2.27), cấu tạo chi tiết biến áp vi sai đo áp suất (Hình 2.29b).
• Sơ đồ điều khiển truyền động: mạch cấp nguồn đảo chiều quay động cơ DC kích từ độc lập (Hình 2.37), sơ đồ khối logic điều khiển động cơ bước (Hình 2.39), sơ đồ vận hành van đảo chiều khí nén 3/2 (Hình 2.49).

Về phương pháp thực hành và đánh giá, giáo trình định hướng các bài tập tính toán thiết kế cụ thể: tính toán sai số bộ mã hóa quang encoder, xác định lực kẹp cơ cấu khí nén, tính toán mạch cầu vi sai cho cảm biến điện cảm, thiết kế phễu nạp phôi rời. Đánh giá kết quả học tập của sinh viên dựa trên:

1. Khả năng phân tích nguyên lý và giải thích sơ đồ mạch điều khiển.
2. Bài tập tính toán lựa chọn thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành theo thông số công nghệ.
3. Đồ án thiết kế cải tiến hệ thống cơ khí (chuyển đổi máy vạn năng sang bán tự động hoặc thiết kế trạm cấp phôi/lắp ráp tự động).

Đối với việc tự học, giáo trình yêu cầu người học kết hợp nghiên cứu lý thuyết trong tài liệu với việc tra cứu các giáo trình chuyên ngành bổ trợ được tác giả viện dẫn trực tiếp (Giáo trình trang bị điện trong máy công cụ, Giáo trình máy điện, Hệ thống điều khiển bằng khí nén), đồng thời khảo sát trực tiếp các thiết bị công nghiệp tại xưởng thực hành.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Hệ thống hóa các công nghệ sản xuất hiện đại cuối thế kỷ 20: Giáo trình tổng hợp và định nghĩa rõ ràng các khái niệm then chốt của nền sản xuất công nghiệp tiên tiến: 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 sản xuất tích hợp máy tính CIM và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS.
• Tích hợp các dòng cảm biến và linh kiện công nghiệp chuyên sâu: Cập nhật chi tiết các phần tử kỹ thuật hiện đại tại thời điểm xuất bản như: cảm biến màu kỹ thuật số ứng dụng nguyên tắc logic mờ của hãng Festo; cảm biến siêu âm công nghiệp Pepperl+Fuchs (Đức); kỹ thuật mã hóa đĩa quang dùng mã Gray để loại trừ sai số chuyển mức giao thời; nguyên lý đo lường giao thoa Laser chính xác đến cấp độ nanomet ($1\text{ nm} = 10^{-3}\ \mu\text{m}$).
• Xác định phương hướng phát triển tự động hóa phù hợp thực tiễn Việt Nam: Tác giả vạch ra 3 định hướng chiến lược ứng dụng cho ngành cơ khí trong nước:
  1. Cải tiến máy vạn năng sẵn có: Nâng cấp thành máy bán tự động bằng đồ gá gá kẹp nhanh, cơ cấu chép hình, truyền động dầu ép và khí nén cho chuyển động chạy dao; lắp thêm phễu cấp phôi tự động để chuyển thành máy tự động; nghiên cứu cải tiến thành máy điều khiển số.
  2. Thiết kế, chế tạo máy mới và làm chủ công nghệ: Nghiên cứu thiết kế máy bán tự động/tự động song song với việc nhập thiết bị máy cắt kim loại NC, CNC để đào tạo nhân lực kỹ thuật làm chủ công nghệ.
  3. Nghiên cứu mô-đun và dây chuyền FMS: Từng bước tự động hóa khâu chuẩn bị sản xuất (thiết kế sản phẩm, lập quy trình công nghệ qua CAD/CAM/CAPP) tiến tới hệ thống sản xuất tích hợp hoàn chỉnh.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên Đại học và Cao đẳng: Giáo trình là tài liệu học tập chính thức cho sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử và Kỹ thuật Công nghiệp.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả nội dung 30 tiết của giáo trình, người học bắt buộc phải hoàn thành các học phần nền tảng trước đó trong chương trình đào tạo:
  • 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 cơ khí và đo lường kỹ thuật.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm khung đề cương chi tiết để biên soạn bài giảng lý thuyết, thiết kế câu hỏi kiểm tra, xây dựng nội dung thảo luận chuyên đề và hướng dẫn sinh viên làm đồ án môn học liên quan đến tự động hóa máy công cụ.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tham khảo kỹ thuật trong công tác phân tích, cải tạo cơ cấu máy công cụ vạn năng tại các nhà máy cơ khí, lựa chọn cảm biến lắp ráp vào hệ thống giám sát và thiết kế mạng điều khiển khí nén - thủy lực cho các dây chuyền đóng gói, thực phẩm, dược phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình phục vụ trực tiếp cho sinh viên bậc Đại học, Cao đẳng thuộc các ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử; đồng thời là tài liệu tham khảo cho giảng viên giảng dạy và kỹ sư vận hành, thiết kế cải tiến thiết bị tự động trong các nhà máy cơ khí, chế biến thực phẩm, dược phẩm, đóng gói.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần tích lũy khối kiến thức từ 5 học phần tiên quyết: 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, cùng hiểu biết thực tế về công nghệ gia công kim loại.

3. Điểm khác biệt cốt lõi của giáo trình so với các tài liệu lý thuyết điều khiển thuần túy?

Giáo trình không đi sâu vào các mô hình toán học trừu tượng mà tập trung vào các giải pháp phần cứng cơ điện tử công nghiệp: từ cấu tạo, nguyên lý, mạch đo cảm biến, động cơ servo/bước, hệ thống truyền động khí nén - thủy lực đến kỹ thuật cấp phôi rời, kiểm tra tích cực và dây chuyền sản xuất FMS/CIM.

4. Làm thế nào để tự học và nghiên cứu giáo trình hiệu quả?

Người học cần bám sát cấu trúc phân tầng của tài liệu: nắm vững nguyên lý các phần tử cơ bản (cảm biến, động cơ, van khí nén ở Chương 2), sau đó áp dụng vào tính toán các bài toán cấp phôi (Chương 3) và kiểm tra tích cực (Chương 4), kết hợp đối chiếu sơ đồ mạch với các tài liệu bổ trợ chuyên sâu.

5. Những tài liệu chuyên ngành nào được khuyến nghị đọc kèm?

Tác giả viện dẫn trực tiếp ba tài liệu học thuật bổ trợ để người học đào sâu phần cứng:

• Giáo trình trang bị điện trong máy công cụ
• Giáo trình máy điện
• Hệ thống điều khiển bằng khí nén

---

Kết luận

Giáo trình Tự động hóa quá trình sản xuất của tác giả Hồ Viết Bình là tài liệu học thuật chuẩn hóa cho môn học thời lượng 30 tiết tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Giá trị cốt lõi của tác phẩm nằm ở việc hệ thống hóa toàn diện các thiết bị nền tảng trong hệ thống điều khiển mạch kín, cung cấp phương pháp công nghệ thiết kế trạm cấp phôi, kiểm tra tích cực và định hướng xây dựng hệ thống sản xuất tích hợp CIM, FMS.

Lộ trình học tập đề xuất cho sinh viên bắt đầu từ việc nắm vững lịch sử, phân loại cấp độ tự động hóa và nguyên lý thiết bị cơ bản tại Chương 1 và Chương 2; tiếp tục vận dụng tính toán cơ cấu cấp phôi và kiểm tra tại Chương 3 và Chương 4; kết thúc bằng việc tổng hợp dây chuyền gia công và lắp ráp tự động tại Chương 5 và Chương 6. Để hoàn thiện kiến thức, người học nên kết hợp nghiên cứu các tài liệu tham khảo về máy điện, trang bị điện máy công cụ và kỹ thuật điều khiển khí nén.

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 - Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn 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 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP.

HCM http://www.vn 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- Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn 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- Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.

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.