Luận Văn Đồ án cơ điện tử

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
1.1 Cơ điện tử là gì ?
Trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay, quốc gia nào đưa ra được các sản phẩm có sức cạnh tranh cao sẽ có được thị phần và cơ hội phát triển. Cơ điện tử là một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ngành kỹ thuật cho phép tạo ra các sản phẩm trí tuệ với giá thành ngày càng rẻ như thế. Sự phát triển của máy tính và công nghệ phần mềm làm cho cơ điện tử trở thành một đòi hỏi cấp thiết của những thập niên cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ trong các hệ thống cơ-điện-sinh học máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy ắp triển vọng sáng sủa và tiềm năng.
Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronic) ra đời ở Nhật Bản vào những năm cuối thập niên 1960. Khi đó người ta coi cơ điện tử là một lĩnh vực công nghệ liên ngành giữa cơ khí, điện/điện tử. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc thông dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát triển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Nhiều người hiểu cơ điện tử là một hệ thống gồm các phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, sensor, actuator, . Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm phần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng cơ điện tử không có gì mới mà chỉ đơn thuần là sự tập hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Trong khi đó, nhiều sách về cơ điện tử có cấu trúc nhiều chương, mỗi chương lại nói về một công nghệ riêng rẽ, càng làm người đọc hiểu cơ điện tử không phải là một công nghệ thống nhất.
Hiểu cơ điện tử như thế là chưa đủ và chưa thấy hết bản chất của nó. Trước hết phải hiểu cơ điện tử là một công nghệ thống nhất chứ không phải là sự tập hợp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau. Là một thể thống nhất nên thiết kế các sản phẩm cơ điện tử phải là một thiết kế tối ưu, cộng năng của các công nghệ khác nhau tạo nên một thiết bị, một hệ thống có sự kết hợp hữu cơ như một cơ thể sống. Có nghĩa là phần cơ khí, phần điện tử, phần điều khiển, phần mềm, sensor, actuator, v.v . của một sản phẩm cơ điện tử là các phần xương thịt của nhau, ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy cấu trúc của các công nghệ khác nhau phải thay đổi để tạo nên một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm.
Với quan niệm như thế, các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra các định nghĩa khác nhau về cơ điện tử. Bắt đầu từ định nghĩa đầu tiên về cơ điện tử của Yasakawa Electric Company: “Từ mechatronics (cơ điện tử) được tạo thành bởi “mecha” trong mechanism (máy móc) và “tronics” trong electronics (điện tử). Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm phát triển sẽ hợp nhất điện tử một cách mật thiết và hữu cơ ngày càng nhiều vào trong máy móc, và làm nó không thể nói nơi một cái kết thúc và cái khác bắt đầu”. Sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy tính, khiến cho định nghĩa cơ điện tử thay đổi. Năm 1996, Harashima, Tomizuka và Fukada quan niệm cơ điện tử là “sự tích hợp của kỹ thuật cơ khí, cùng với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm và quá trình công nghiệp”. Theo Auslander và Kempf (1996): “cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các hệ thống vật lý”. Và gần đây, W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ thống cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí - điện và còn hơn cả một hệ thống điều khiển; nó là sự tích hợp hoàn toàn của tất cả những thứ đó”. Tất cả các định nghĩa và phát biểu trên đều chính xác và có giá trị nhưng chúng không định nghĩa được hoàn toàn cơ điện tử. Hiện nay, thế giới tiếp tục có những cố gắng để định nghĩa cơ điện tử, để phân loại các sản phẩm cơ điện tử và để phát triển một chương trình giảng dạy cơ điện tử chuẩn. Tuy nhiên khó có thể miêu tả hoàn thiện “cơ điện tử là gì”. Sự thiếu nhất trí đó là một tín hiệu lành mạnh. Nó cho thấy lĩnh vực này đang tồn tại, có nghĩa đấy là một vấn đề mới mẻ. Thậm chí khi không có định nghĩa thống nhất về cơ điện tử, các kỹ sư cũng hiểu được nó từ những định nghĩa trên và từ việc bản thân họ chiêm nghiệm được bản chất triết học của cơ điện tử qua thực tiễn. Các sản phẩm cơ điện tử vẫn liên tục được ra đời trong vòng 30 năm qua bằng những xử lý tự nhiên như thế. Mặc dù vậy cần thiết phải nghiên cứu cơ điện tử để cung cấp một kỹ năng giúp mọi người hiểu và giải thích được quá trình thiết kế kỹ thuật cũng như định nghĩa, phân loại, thiết lập và tích hợp nhiều khía cạnh kỹ thuật trong sản phẩm cơ điện tử thống nhất.
1.2 lịch sử phát triển của cơ điện tử
Việc cố gắng để xây dựng một hệ thống cơ khí tự động đã có từ rất lâu. Các ứng dụng của điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp từ những năm 300 đến năm thứ nhất trước CN, với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao. Ví dụ như đồng hồ nước của Ktesibios và đèn dầu của Philon. Đến giữa thế kỷ 17 và 19, ở Châu Âu, nhiều máy móc quan trọng được tạo ra mà sau này tham gia vào cơ điện tử. Cornelis Drebbel (Hà Lan, 1572-1633) nghĩ ra máy điều chỉnh nhiệt độ được xem là hệ thống có phản hồi đầu tiên. Sau đó, Dennis Papin (1647-1712) sáng chế ra cơ cấu điều chỉnh an toàn áp suất nồi hơi vào năm 1681. Máy tính cơ khí đầu tiên được tạo ra bởi Pascal vào năm 1642.










Sự phát triển xa hơn trong tự động hóa được thúc đẩy bởi lý thuyết điều khiển tự động với khởi nguồn là máy điều tốc ly tâm của Watt vào năm 1769 (hình 1.1). Máy điều tốc ly tâm dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi nước. Nó dùng phép đo tốc độ của trục đầu ra và sử dụng sự chuyển động của quả văng để điều chỉnh van, do đó lượng hơi nước vào động cơ được điều chỉnh. Đây là một thí dụ về hệ thống điều khiển có phản hồi mà tín hiệu phản hồi và cơ cấu chấp hành điều khiển được ghép hoàn toàn trong phần cứng cơ khí.
Đến thế kỷ 19, hàng loạt các phát minh ra đời. Tiền thân của máy điều khiển số (NC) xuất hiện đầu thế kỷ 19 với điều khiển feed-forward khung dệt của Joseph Jacquard (Pháp). Vào thập niên 1830, Michael Faraday miêu tả định luật cảm ứng là nền tảng của động cơ điện và máy phát điện. Sau đó, vào những năm cuối thập niên 1880, Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện xoay chiều. Ý tưởng cơ bản của việc điều khiển hệ thống cơ khí một cách tự động được thiết lập vững chắc vào cuối thế kỷ 19. Sự phát triển của tự động tăng lên nhanh chóng trong thế kỷ 20.
Sự tiến triển của phần tử điều khiển khí nén vào những năm 1930 đã tìm được ứng dụng trong công nghiệp. Suốt thập niên 1940, sự tiến bộ trong phương pháp giải tích và toán học củng cố khái niệm kỹ thuật điều khiển như là môn học kỹ thuật độc lập. Thế chiến thứ 2 đem đến những bước tiến trong lý thuyết và thực tiễn của điều khiển tự động nhằm thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường máy bay tự động, hệ thống súng – vị trí, hệ thống điều khiển anten rađa, và các hệ thống quân sự khác. Sự phức tạp của các hệ thống quân sự này mở ra các công nghệ điều khiển và cổ vũ sự quan tâm điều khiển hệ thống. Thập niên 1950, sự phát minh ra cam, các liên kết, và xích xe trở thành những công nghệ chính cho việc tìm ra các sản phẩm mới cũng như sản xuất, lắp ráp với độ chính xác tốc độ cao. Sự phát minh ra bộ vi xử lý trong những năm cuối thập niên 1960 mang lại hình thái của điều khiển bằng máy tính trong xử lý và thiết kế sản phẩm.
Những thành tựu trong sản xuất bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đem đến sự tiến bộ của một lớp các sản phẩm mới kết hợp chặt chẽ cơ khí và điện tử trong hệ thống đồng thời yêu cầu cả hai gắn chặt chức năng của chúng. Thuật ngữ cơ điện tử được đưa ra bởi Yasakawa Electric Company vào năm 1969 để giới thiệu các hệ thống như thế . Yasakawa đăng ký độc quyền thuật ngữ này vào năm 1972, nhưng sau đó để dùng rộng rãi trên thế giới, thuật ngữ đó được phổ biến vào năm 1982. Ban đầu, cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có các thành phần cơ khí và điện tử – không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ như của trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở của nhà để ô tô.
Vào cuối thập niên 1970, Hội xúc tiến công nghiệp máy của Nhật (the Japan Society for the Promotion of Machine Industry – JSPMI) phân chia sản phẩm cơ điện tử thành 4 loại:
1. Loại I: Các sản phẩm cơ khí là chính với sự kết hợp của điện tử để nâng cao chức năng. Ví dụ như các công cụ máy được điều khiển số hoá và điều chỉnh tốc độ biến thiên trong máy sản xuất.
2. Loại II: Các hệ thống cơ khí truyền thống với sự hiện đại hoá đặc biệt các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp điện tử. Giao diện người dùng bên ngoài không đổi. Ví dụ như máy khâu hiện đại và các hệ thống sản xuất được tự động.
3. Loại III: Các hệ thống giữ lại chức năng của hệ thống cơ khí truyền thống nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng điện tử. Ví dụ như đồng hồ số hóa.
4. Loại IV: Các sản phẩm được thiết kế với các công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau. Ví dụ như máy photocopy, máy làm khô và rửa thông minh, nồi cơm điện, và lò tự động.
Các công nghệ cho mỗi loại sản phẩm cơ điện tử minh họa sự tiến bộ của các sản phẩm cơ - điện với bước dài của những sự phát triển lý thuyết điều khiển, các công nghệ tính toán, và các bộ vi xử lý. Các sản phẩm loại I dùng công nghệ servo, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển. Các sản phẩm loại II dùng khả năng của các thiết bị nhớ vào tính toán, khả năng thiết kế mạch theo đơn đặt hàng. Các sản phẩm loại III dựa vào bộ vi xử lý và các mạch tích hợp thay thế các hệ thống cơ khí. Cuối cùng, các sản phẩm loại IV đánh dấu sự bắt đầu của hệ thống cơ điện tử thực sự, thông qua sự tích hợp các hệ thống cơ khí và điện tử. Đến tận những năm 1970 với sự phát triển bộ vi xử lý của Intel thì việc kết hợp hệ thống máy tính với hệ thống cơ khí mới trở nên thực tế.
Sang thập niên 1980, Công nghệ thông tin được hình thành thì các bộ vi xử lý được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệ thống. Máy công cụ điều khiển số và robot trở nên hoàn hảo hơn, trong khi đó các ứng dụng trong ôtô như hệ thống điều khiển động cơ điện tử và hệ thống phanh chống bó cứng được dùng rộng rãi.

Đồ án dài 165 trang, chia làm 3 chương, có bản vẽ đầy đủ, chi tiết