Mechatronics System Design, Second Edition, SI Edition by Devdas Shetty and Richard A.

• Tác giả: Devdas Shetty
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cơ điện tử
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Stamford

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ điện tử Shetty Kolk

Cuốn sách "Mechatronics System Design" của Shetty và Kolk, ấn bản thứ hai với đơn vị SI, là tài liệu giáo trình quan trọng trong lĩnh vực cơ điện tử. Sách cung cấp kiến thức toàn diện về cách tích hợp các thành phần cơ khí, điện tử và điều khiển để tạo ra hệ thống thông minh. Nội dung bao gồm các bảng chuyển đổi đơn vị từ hệ đo lường Mỹ sang hệ SI, giúp sinh viên và kỹ sư làm việc với tiêu chuẩn quốc tế. Hệ thống cơ điện tử sử dụng ngôn ngữ sơ đồ khối gồm dây tín hiệu và các khối chức năng. Dây tín hiệu truyền giá trị từ điểm phát đến điểm thu theo hướng mũi tên. Khối xử lý hoạt động trên tín hiệu đầu vào và tham số để tạo tín hiệu đầu ra. Ba khối cơ bản gồm khối cộng, khối khuếch đại và khối tích phân. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu cả lý thuyết lẫn ứng dụng thực tế trong thiết kế hệ thống mechatronics hiện đại.

1.1. Cấu trúc nội dung và phạm vi tài liệu

Tài liệu Shetty Kolk Mechatronics System Design 2nd Edition SI bao gồm nhiều chương từ cơ bản đến nâng cao. Phần đầu giới thiệu các khái niệm nền tảng về hệ thống cơ điện tử và cách tiếp cận liên ngành. Tiếp theo là các bảng chuyển đổi chi tiết cho nhiều đại lượng vật lý như momen quán tính, công suất, áp suất, ứng suất và vận tốc. Mỗi đơn vị đều có hệ số chuyển đổi chính xác và hệ số thực tế để tính toán nhanh. Cuối sách trình bày các ứng dụng thực tế và bài tập thực hành giúp củng cố kiến thức.

1.2. Vai trò của sơ đồ khối trong thiết kế hệ thống

Sơ đồ khối là công cụ trực quan quan trọng trong thiết kế hệ thống cơ điện tử. Ngôn ngữ sơ đồ khối gồm hai đối tượng cơ bản: dây tín hiệu và khối chức năng. Dây tín hiệu có mũi tên chỉ hướng truyền, đảm bảo tín hiệu chỉ đi một chiều. Khối cộng thực hiện phép cộng trừ tín hiệu. Khối khuếch đại nhân tín hiệu với hằng số gain. Khối tích phân thực hiện phép tích phân theo thời gian. Ba khối này tạo thành nền tảng cho mọi ngôn ngữ lập trình sơ đồ khối trong công nghiệp.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế hệ thống cơ điện tử

Thiết kế hệ thống cơ điện tử đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật cần được phân tích kỹ lưỡng. Một vấn đề quan trọng là đánh giá mô-men xoắn động học trong quá trình truyền động. Mô-men xoắn động thường lớn hơn nhiều so với mô-men xoắn tĩnh, đặc biệt ở các cơ cấu truyền động trục vít me. tải trọng treo quá khổ có thể gây ra ứng suất không mong muốn do trọng lực. Nếu vi phạm giới hạn của nhà sản xuất, các bộ phận truyền động cơ khí không đạt tuổi thọ thiết kế. Bài toán mô phỏng động lực học ngược giúp xác định chính xác yêu cầu mô-men xoắn và vận tốc dựa trên quỹ đạo chuyển động. Các tính chất khối lượng, ma sát và tỷ số truyền cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hệ thống. Việc đặt giả thiết sai về lực và mô-men vận hành có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng. Do đó, phân tích chi tiết là bước không thể thiếu trong quy trình thiết kế mechatronics.

2.1. Vấn đề mô men xoắn và tải trọng động học

Đánh giá mô-men xoắn động là yếu tố quyết định trong thiết kế hệ thống truyền động cơ điện tử. Mô-men xoắn phát sinh từ gia tốc, ma sát và tải trọng trọng lực cần được tính toán chính xác. Quỹ đạo chuyển động thực tế giúp mô phỏng động lực học ngược, từ đó xác định yêu cầu mô-men xoắn và vận tốc tối ưu. Các thông số khối lượng, hệ số ma sát và tỷ số truyền ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Thiết kế sai dẫn đến quá tải và giảm tuổi thọ hệ thống.

2.2. Bài toán tuân thủ và độ linh hoạt trong hệ thống

Trong hệ thống cơ điện tử, bài toán tuân thủ thể hiện ở hai dạng chính: tuân thủ xoay và tuân thủ tuyến tính. Tuân thủ xoay bị ảnh hưởng bởi độ linh hoạt của các thành phần truyền động như thanh nối và khớp nối. Mỗi bộ phận quay hoạt động như lò xo với độ cứng riêng. Nếu giả thiết sai về lực vận hành và mô-men, hệ thống sẽ gặp vấn đề về độ chính xác và ổn định. Thiết kế cần tính đến độ đàn hồi để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

III. Giải pháp và phương pháp thiết kế hệ thống mechatronics

Để giải quyết các vấn đề trong thiết kế cơ điện tử, nhiều phương pháp đã được phát triển và áp dụng. Việc sử dụng bảng chuyển đổi đơn vị SI chính xác giúp đảm bảo tính nhất quán trong tính toán kỹ thuật. Các hệ số chuyển đổi cho momen quán tính, công suất, áp suất và vận tốc được cung cấp chi tiết. Phương pháp mô phỏng động lực học ngược cho phép dự đoán chính xác yêu cầu hệ thống trước khi chế tạo. Thiết kế cần kết hợp phân tích tĩnh và động để đánh giá đầy đủ tải trọng. Việc lựa chọn vật liệu và kích thước phù hợp giúp giảm thiểu vấn đề tuân thủ. Các kỹ thuật điều khiển hiện đại như PID và điều khiển thích ứng được áp dụng để bù đắp sai lệch. Tích hợp cảm biến và bộ xử lý tín hiệu số tăng cường khả năng giám sát và điều khiển thời gian thực. Quy trình thiết kế lặp cho phép tối ưu hóa hệ thống qua nhiều phiên bản thử nghiệm.

3.1. Sử dụng bảng chuyển đổi đơn vị SI trong tính toán

Bảng chuyển đổi đơn vị là công cụ thiết yếu cho kỹ sư làm việc với tiêu chuẩn quốc tế. Hệ số chuyển đổi chính xác cho momen quán tính từ in4 sang mm4 là 416.231. Công suất chuyển đổi từ ft-lb/s sang watt với hệ số 1.36. Áp suất từ psi sang pascal với hệ số 6894.76. Các hệ số thực tế được làm tròn để tính toán nhanh. Bảng còn cung cấp công thức chuyển đổi nhiệt độ giữa độ C, độ F và Kelvin.

3.2. Mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống truyền động

Mô phỏng động lực học ngược là phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa hệ thống truyền động. Quỹ đạo chuyển động thực tế được đưa vào mô hình để tính toán mô-men xoắn và vận tốc yêu cầu. Các thông số khối lượng, ma sát và tỷ số truyền được điều chỉnh để đạt hiệu suất tối ưu. Quy trình lặp cho phép kiểm tra nhiều kịch bản vận hành khác nhau. Kết quả mô phỏng giúp giảm thời gian phát triển và chi phí thử nghiệm thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống cơ điện tử

Cuốn sách Shetty Kolk Mechatronics System Design 2nd Edition SI là tài liệu học thuật giá trị cho ngành cơ điện tử. Nội dung sách cung cấp nền tảng vững chắc về lý thuyết và ứng dụng thực tế. Các bảng chuyển đổi đơn vị SI giúp sinh viên và kỹ sư làm việc hiệu quả với tiêu chuẩn quốc tế. Kiến thức về sơ đồ khối và các khối chức năng cơ bản là nền tảng cho thiết kế hệ thống điều khiển.Ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trải rộng từ công nghiệp sản xuất đến y tế, hàng không và robot. Thiết kế hệ thống truyền động chính xác đòi hỏi hiểu biết sâu về động lực học và vật liệu. Phương pháp mô phỏng giúp giảm rủi ro và tối ưu hóa hiệu suất trước khi triển khai thực tế. Kiến thức từ cuốn sách này trang bị cho kỹ sư khả năng giải quyết vấn đề phức tạp trong thế giới công nghệ hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất hiện đại

Hệ thống cơ điện tử được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất hiện đại. Các máy CNC, robot công nghiệp và dây chuyền tự động đều dựa trên nguyên lý mechatronics. Thiết kế hệ thống truyền động chính xác đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất cao. Công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu số cho phép giám sát thời gian thực. Ứng dụng trong ngành ô tô, điện tử và thực phẩm ngày càng phát triển mạnh mẽ.

4.2. Hướng phát triển tương lai của lĩnh vực mechatronics

Lĩnh vực cơ điện tử đang hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy. Hệ thống tự học hỏi và thích ứng sẽ cải thiện hiệu suất vận hành. Internet vạn vật công nghiệp kết nối các thiết bị mechatronics thành mạng lưới thông minh. Nghiên cứu về vật liệu thông minh và cấu trúc biến hình mở ra khả năng mới. Tương lai của mechatronics nằm ở sự hội tụ của nhiều công nghệ tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 9781439061992_cvr_si_wkg.indd 2 13/08/10 2:48 PM www.net Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 9781439061992_cvr_si_wkg.indd 2 13/08/10 2:48 PM 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page i www.net CONVERSIONS BETWEEN U. CUSTOMARY UNITS AND SI UNITS Times conversion factor U. Customary unit Equals SI unit Accurate Practical Moment of inertia (area) inch to fourth power in.4 416,231 416,000 millimeter to fourth power mm4 inch to fourth power in.416  106 meter to fourth power m4 Moment of inertia (mass) slug foot squared slug-ft2 1.36 kilogram meter squared kg·m2 Power www.net foot-pound per second ft-lb/s 1.36 watt (J/s or N·m/s) W foot-pound per minute ft-lb/min 0.0226 watt W horsepower (550 ft-lb/s) hp 745.701 746 watt W Pressure; stress pound per square foot psf 47.9 pascal (N/m2) Pa pound per square inch psi 6894.76 6890 pascal Pa kip per square foot ksf 47.9 kilopascal kPa kip per square inch ksi 6.89 megapascal MPa Section modulus inch to third power in.1 16,400 millimeter to third power mm3 inch to third power in.4  106 meter to third power m3 Velocity (linear) foot per second ft/s 0.305 meter per second m/s inch per second in.0254 meter per second m/s mile per hour mph 0.447 meter per second m/s mile per hour mph 1.61 kilometer per hour km/h Volume cubic foot ft3 0.0283 cubic meter m3 cubic inch in.4  106 cubic meter m3 cubic inch in.4 cubic centimeter (cc) cm3 gallon (231 in.79 liter L gallon (231 in.00379 cubic meter m3 *An asterisk denotes an exact conversion factor Note: To convert from SI units to USCS units, divide by the conversion factor 5 Temperature Conversion Formulas T(°C)   [T(°F)  32]  T(K)  273.67 5 5 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page iii www.net MECHATRONICS SYSTEM DESIGN www.net SECOND EDITION, SI Devdas Shetty, Ph. Dean of Research and Professor of Mechanical Engineering University of Hartford West Hartford, Connecticut Richard A. Vice President—Technology PaceControls Philadelphia, Pennsylvania Australia • Brazil • Japan • Korea • Mexico • Singapore • Spain • United Kingdom • United States Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.net This is an electronic version of the print textbook. Due to electronic rights restrictions, some third party content may be suppressed. Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. The publisher reserves the right to remove content from this title at any time if subsequent rights restrictions require it. For valuable information on pricing, previous editions, changes to current editions, and alternate formats, please visit www.com/highered to search by ISBN#, author, title, or keyword for materials in your areas of interest. Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page iv www.net Mechatronics System Design, © 2011, 1997 Cengage Learning Second Edition, SI ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the Devdas Shetty and Richard A. Kolk copyright herein may be reproduced, transmitted, stored, or used Publisher, Global Engineering: in any form or by any means graphic, electronic, or mechanical, Christopher M. Shortt including but not limited to photocopying, recording, scanning, digitizing, taping, web distribution, information networks, Senior Acquisitions Editor: Swati Merehishi or information storage and retrieval systems, except as permitted Senior Developmental Editor: Hilda Gowans under Section 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, Editorial Assistant: Tanya Altieri without the prior written permission of the publisher. Team Assistant: Carly Rizzo For product information and technology assistance, Marketing Manager: Lauren Betsos contact us at Cengage Learning Customer & www.net Media Editor: Chris Valentine Sales Support, 1-800-354-9706. Senior Content Project Manager: For permission to use material from this text or product, Colleen Farmer submit all requests online at www. Production Service: RPK Editorial Services Further permissions questions can be emailed to [e-mail] Copyeditor: Shelly Gerger-Knechtl Proofreaders: Erin Wagner/Martha Library of Congress Control Number: 2010932699 McMaster International Student Edition Indexer: Shelly Gerger-Knechtl ISBN-13: 978-1-4390-6199-2 Compositor: Integra Software Services ISBN-10: 1-4390-6199-8 Senior Art Director: Michelle Kunkler Cengage Learning Cover Designer: Andrew Adams 200 First Stamford Place, Suite 400 Cover Images: © Yanir Taflov/Shutterstock Stamford, CT 06902 USA Permissions Account Manager: Mardell Glisnski Schultz Cengage Learning is a leading provider of customized learning solutions with office locations around the globe, including Text and Image Permissions Researcher: Singapore, the United Kingdom, Australia, Mexico, Brazil, and Japan. Kristiina Paul Locate your local office at: international. First Print Buyer: Arethea Thomas Cengage Learning products are represented in Canada by Nelson Education Ltd. For your course and learning solutions, visit www. Purchase any of our products at your local college store or at our preferred online store www. LabVIEW is a registered trademark of National Instruments Corporation, 11500 N. Mopac Expressway, Austin TX. MATLAB is a registered trademark of The MathWorks, 3 Apple Hill Road, Natick, MA. VisSim is a trademark of Visual Solutions, Incorporated, 487 Groton Road, Westford, MA. Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page v www.net To my wife, Sandya, and sons, Jagat and Nandan, for their love and support. Devdas Shetty To my wife, Cathie; daughters, Emily and Elizabeth; and E. Gloria MacKintosh for her encouragement Ric Kolk Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.qxp 9/17/07 4:22 PM Page viii www.net 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 This page was intentionally left blank 12 13 14 www.net 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 S 50 R 51 1st Pass Pages 1019763_FM_VOL-I.qxp 9/17/07 4:22 PM Page viii www.net 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 This page was intentionally left blank 12 13 14 www.net 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 S 50 R 51 1st Pass Pages 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page vii www.net CONTENTS www.net 1 MECHATRONICS SYSTEM DESIGN 1 1.1 What is Mechatronics 1 1.2 Integrated Design Issues in Mechatronics 4 1.3 The Mechatronics Design Process 6 1.4 Mechatronics Key Elements 10 1.5 Applications in Mechatronics 18 1.6 Summary 39 References 39 Problems 40 2 MODELING AND SIMULATION OF PHYSICAL SYSTEMS 41 2.1 Operator Notation and Transfer Functions 42 2.2 Block Diagrams, Manipulations, and Simulation 43 2.3 Block Diagram Modeling—Direct Method 51 2.4 Block Diagram Modeling—Analogy Approach 64 2.6 Mechanical Translational Systems 82 2.7 Mechanical Rotational Systems 90 2.8 Electrical–Mechanical Coupling 95 2.10 Summary 116 References 117 Problems 118 Appendix to Chapter 2 123 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page viii www.net viii Contents 3 SENSORS AND TRANSDUCERS 131 3.1 Introduction to Sensors and Transducers 132 3.2 Sensitivity Analysis—Influence of Component Variation 139 3.3 Sensors for Motion and Position Measurement 144 3.4 Digital Sensors for Motion Measurement 162 3.5 Force, Torque, and Tactile Sensors 168 3.6 Vibration—Acceleration Sensors 183 3.7 Sensors for Flow Measurement 195 3.8 Temperature Sensing Devices 210 3.net References 246 Problems 247 4 ACTUATING DEVICES 255 4.1 Direct Current Motors 255 4.2 Permanent Magnet Stepper Motor 262 4.3 Fluid Power Actuation 269 4.4 Fluid Power Design Elements 274 4.6 Summary 289 References 289 Problems 289 5 SYSTEM CONTROL—LOGIC METHODS 291 5.1 Number Systems in Mechatronics 291 5.3 Karnaugh Map Minimization 302 5.4 Programmable Logic Controllers 309 5.5 Summary 321 References 321 Problems 322 6 SIGNALS, SYSTEMS, AND CONTROLS 329 6.1 Introduction to Signals, Systems, and Controls 329 6.2 Laplace Transform Solution of Ordinary Differential Equations 332 6.4 Linearization of Nonlinear Systems 343 6.5 Time Delays 346 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 61998_00_FM_pi-xviii.qxd 8/13/10 3:55 PM Page ix www.net Contents ix 6.6 Measures of System Performance 349 6.9 Controller Design Using Pole Placement Method 378 6.10 Summary 383 References 383 Problems 383 7 SIGNAL CONDITIONING AND REAL TIME INTERFACING 387 7.2 Elements of a Data Acquisition and Control System 388 www.3 Transducers and Signal Conditioning 392 7.4 Devices for Data Conversion 394 7.5 Data Conversion Process 402 7.7 Summary 445 References 445 8 CASE STUDIES 446 8.1 Comprehensive Case Studies 446 8.2 Data Acquisition Case Studies 466 8.3 Data Acquisition and Control Case Studies 476 8.4 Summary 489 References 489 Problems 490 APPENDIX 1 DATA ACQUISITION CARDS 491 INDEX 493 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved.