Bài giảng về Hệ thống cơ điện tử môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Trường Đại học Thủy Lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ
HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Bộ môn: Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội - 2021
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Tổng quan về Hệ thống Cơ điện tử
Chương 2: Mô hình hóa hệ cơ điện tử
Chương 3: Thiết kế hệ thống dẫn động
Chương 4: Xây dựng mô hình động lực học
Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 6: Điều khiển các hệ cơ điện tử
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2 NỘI DUNG CHƯƠNG I Chương 1
Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
1.1. Khái niệm về Hệ thống Cơ điện tử
1.2. Đặc điểm và cấu trúc của hệ thống Cơ điện tử
1.3. Hệ thống Cơ điện tử và các ứng dụng
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 3
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
1.1. Khái niệm về Hệ thống Cơ điện tử Khái niệm:
Cơ điện tử là sự tích hợp của Cơ khí, điện tử và hệ thống điều
khiển thông minh trong thiết kế và sản xuất thông qua máy tính
Hệ thống Cơ điện tử là môn khoa học liên ngành bao gồm:
+ Thiết kế, chế tạo cơ khí
+ Thiết kế hệ thống điện, điều khiển
+ Thiết kế công nghệ điều khiển, cảm biến và các thuật toán điều khiển
+ Ứng dụng kỹ thuật máy tính trong điều khiển và giám sát hệ thống
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 4
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
1.2. Đặc điểm và cấu trúc hệ thống cơ điện tử
Cấu trúc của hệ thống Cơ điện tử gồm:
+ Thiết kế, chế tạo cơ khí
+ Thiết kế hệ thống điện, điều khiển
+ Thiết kế công nghệ điều khiển, cảm biến và các thuật toán điều khiển
+ Ứng dụng kỹ thuật máy tính trong điều khiển và giám sát hệ thống
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
Hệ thống Cơ điện là môn khoa học liên ngành bao gồm: + Kỹ thuật Cơ khí + Kỹ thuật điện tử + Kỹ thuật máy tính
+ Phương pháp điều khiển
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 6
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
Đặc điểm về phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử:
• Phương pháp thiết kế truyền thống Thiết kế Thiết kế Thi công Yêu cầu cơ khí
điện – điện tử phần cứng Xây dựng Phương pháp Kiểm tra Sản xuất phần mềm Điều khiển hoàn thiện
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 7
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
Đặc điểm về phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử:
• Phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử Thiết kế cơ khí
Thiết kế điện tử Sản phẩm Kiểm tra, Yêu cầu mẫu hoàn thiện
Hệ thống điều khiển
Thiết kế phần mềm Sản xuất
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 8
1. Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử
1.3. Hệ thống Cơ điện tử và các ứng dụng
Trong y học: Thiết bị mổ nội soi, thiết bị chụp X quang, laser,
thiết bị thí nghiệm về ADN…
Trong công nghiệp: Máy tự động hóa, máy gia công CAD-CAM-
CNC; dây chuyền sản xuất linh hoạt…
Trong sinh hoạt gia đình: Robot hút bụi, máy giặt, máy rửa bát, hệ thống cửa tự động…
Trong công nghiệp chuyên dụng: hệ thống cơ điện tử trong ô tô,
hệ thống an toàn trong xe nâng…
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 9 NỘI DUNG CHƯƠNG II Chương 2
Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
2.1. Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử
2.2. Mô hình hóa một số hệ Cơ điện tử đặc trưng
2.3. Thiết kế hệ thống Cơ điện tử
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 10
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
2.1. Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử Khái niệm:
+ Mô hình: là sơ đồ phản ánh đối tượng được lập ra để nghiên
cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng. Nói
cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên
cứu về đối tượng gốc.
+ Mô hình hóa là việc thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình
nhằm thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng gốc bằng cách
tiến hành thực nghiệm trên mô hình.
+ Mô hình hóa là cơ sở cho bài toán mô phỏng đối tượng gốc giúp
đánh giá các tác động và loại bỏ các yếu tố bất lợi với mô hình gốc.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 11
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
Các bước mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử Hệ thực
Mô tả các phần tử cốt lõi, đơn giản
hóa để được mô hình vật lý tối thiểu Mô hình vật lý
Mô tả các phần tử mô hình vật lý
trong các quan hệ toán học Mô hình toán
Mô phỏng mô hình vật lý và toán Mô hình mô phỏng Kết quả
Hiệu chỉnh mô hình
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 12
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử
Mô hình hóa trong trường hợp tổng quát được thực hiện với mục đích
mô thay thế đối tượng gốc; do đó phương pháp mô hình hóa được sử
dụng phổ biến là phương pháp mô hình lý thuyết và thực nghiệm.
Trong quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử, việc nghiên cứu được
thực hiện trên nhiều mức trong những lĩnh vực vật lý khác nhau. Các
kết quả nhận được ở mức cao hơn là những đầu ra của việc nghiên
cứu ở các mức thấp hơn dẫn tới sự khẳng định những kết quả mục tiêu ở mức cao hơn.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 13
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử Hệ thực
Đối tượng cần khảo sát Mô hình vật lý
Đo đạc trên đối tượng
Mô hình toán học, các
phương trình mô tả
Đo đạc trên đối tượng
Tính trên mô hình toán
Đo đạc trên đối tượng Kết quả tính toán So sánh Rà soát các bước: -Mô hình cơ, mô
hình toán, tính toán Sử dụng mô hình
- Đo đạc, xử lý số liệu
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 14
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
2.2 Một số hệ cơ điện tử được mô hình hóa
Mô hình hóa Robot di động
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 15
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
Mô hình hệ giảm xóc bánh ô tô
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 16
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
Mô hình hệ giảm xóc bánh ô tô
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 17
2. Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử
2.3. Thiết kế kết cấu hệ thống Cơ điện tử
Dựa trên kết quả tính toán động học sau khi mô hình hóa => Sơ bộ có
được kết cấu kích thước các cơ cấu thành phần của hệ thống. Đó là cơ
sở đầu vào của bài toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử.
Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế Hệ thống cơ điện tử:
+ Các không gian thiết kế trên Solidworks
+ Thiết kế khung hệ thống cơ điện tử với chức năng Weldments
+ Thiết kế các bề mặt làm việc phức tạp với các lệnh Wrap, Loft, Draft
+ Trình bày Hệ thống cơ điện tử trong Solidworks Drawing
+ Mô phỏng chuyển động hệ cơ điện tử.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 18 NỘI DUNG CHƯƠNG III Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG
3.1. Khái niệm và phân loại
3.2. Cơ cấu dẫn động điện từ
3.3. Cơ cấu dẫn động thủy lực, khí nén
3.4. Tính chọn cơ cấu dẫn động cho hệ Cơ điện tử
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 19
3.1. Khái niệm và phân loại 1. Khái niệm:
Cơ cấu dẫn động là những thành phần quan trọng trong điều
khiển hệ thống cơ điện tử, cơ cấu dẫn động đảm nhiệm việc thực
hiện chuyển động hoặc tạo ra lực tác động đến các cơ cấu khác
và được ví như phần cơ bắp của hệ thống Cơ điện tử.
Cơ cấu dẫn động là khởi nguồn của các hoạt động hoặc các tác
động của hệ cơ điện tử với thế giới quan trong vùng không gian
hoạt động, việc điều khiển các cơ cấu dẫn động được thực hiện
thông qua các bộ xử lý (bộ não) giúp hệ thống có thể hoạt động theo mong muốn
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 20