Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Luận văn Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề x...

Tài liệu Luận văn Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

.PDF
94
313
143

Mô tả:

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------ HỒ VĂN ĐÀM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TRONG ÔTÔ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MÔ HÌNH CHO BÀI TOÁN CÂN BẰNG TRÊN XE DU LỊCH Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TẠ DUY LIÊM HÀ NỘI 2 LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Duy Liêm. Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan trên đây. Tác giả Hồ Văn Đàm LỜI CẢM ƠN Bản luận văn này được thực hiện tại Khoa Cơ Khí và Khoa Sư phạm kỹ thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Duy Liêm đã hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn. 3 Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy và cô giáo trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp đã luôn quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tôi cả về tinh thần lẫn vật chất. Tác giả Hồ Văn Đàm M ỤC L ỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan......................................................................................................... Lời cảm ơn.............................................................................................................. Mục lục.................................................................................................................... Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt........................................................... Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................ MỞ ĐẦU................................................................................................................ Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ....................................................... 1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử......................................... 1.1.1 Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá 1 2 3 6 7 10 13 13 13 4 công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức................................................... 1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới...................................................................... 1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới.................................... 1.1.4. Cơ điện tử là gì....................................................................................... 1.1.5. Lịch sử phát triển.................................................................................... 1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống................................................. 1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử............................................................... 1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử........................................... 1.2.2.1. Hệ thống cảm biến........................................................................ 1.2.2.2. Cơ cấu chấp hành.......................................................................... 1.2.2.3. Hệ thống xử lý thông tin............................................................. 1.2.2.4. Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng................................. 1.2.2.5. Các hệ thống khác........................................................................ 1.2.3. Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử........................................... 1.3. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng.................................. 1.3.1. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao 1.3.2. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại ......................................................................................................... Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG 16 18 20 24 27 27 27 28 29 30 31 32 32 34 34 38 41 DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ................................................................. 2. 1. Cơ điện tử trong Ôtô................................................................................... 2.1.1. Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong Ôtô...................... 2.1.2. Các thành phần cơ điện tử trong Ôtô................................................ 2.1.3. Hệ thống trợ giúp................................................................................... 2.1.3.1. Hệ thống tự động cân bằng ESP............................................... 2.1.3.2. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS...................................... 2.2. Dao động và cân bằng dao động............................................................... 2.2.1. Giới thiệu................................................................................................. 2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe Ôtô..................................................... 2.2.2.1 . Nhíp xe........................................................................................... 2.2.2.2. Giảm xóc lò xo.............................................................................. 2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực.............................................................. 2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại....................................................................... Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ÔTÔ......... 3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô................................................... 41 41 49 51 51 52 60 60 61 61 61 62 63 67 67 5 3.1.1.Mô hình giao động của ôtô................................................................... 3.1.2. Mô hình bốn bánh.................................................................................. 3.1.3. Mô hình một nửa Ôtô............................................................................ 3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô...................................................................... 3.2. Hệ thống giảm xóc tự động........................................................................ 3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động............................................................. 3.3.1. Các phương pháp điều khiển............................................................... 3.3.2. Điều khiển Skyhook.............................................................................. 3.3.3. Điều khiển Groundhook....................................................................... 3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động............................... 3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................. 3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hoà.............................. 3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động.................... 3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động........................................ 3.5.2 Hệ thống Skyhook................................................................................... 3.5.3. Hệ thống Groundhook........................................................................... Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG... 4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động............................... 4.1.1. Cảm biến................................................................................................... 4.1.2. Giảm chấn biến đổi................................................................................ 4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi.............................................................. 4.1.2.2. Giảm chấn từ biến......................................................................... 4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động............ 4.2.1. Cấu trúc của hệ thống............................................................................ 4.2.2. Hoạt động của hệ thống........................................................................ KẾT LUẬN ........................................................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 68 69 70 71 71 73 73 75 77 78 78 79 82 82 83 86 90 90 90 91 92 92 95 94 96 97 100 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh ABC Automatic Body Control ABS Anti - block Brake System AFL Adaptive Forward Light ASR Anti - Spin Regulation Tiếng Việt Hệ thống tự động điều chỉnh ổn định toàn xe Hệ thống phanh chống bó cứng Thay đổi độ rộng và góc quét của dải sáng theo hướng xe chạy Hệ thống kiểm soát độ bám 6 đường CAE Computer Aided Engineering Gia công được trợ giúp bởi máy tính CAN Controller Area Network Computer Intergrated Hệ truyền dữ liệu điện tử Hệ thống gia công điều khiển Manufacturing bằng mạng vi tính kết nối CIM DGPS ESP FMS Micro MEMS NEMS TCS VDC Differential Global Possitioning Systems Electronic Stability Program Hệ thống định vị toàn cầu sai phân Chương trình quản lý độ ổn định bằng điện tử Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt Micro Electro Mechatronic System Nano Electronics Mechatronics System Traction Control System Hệ vi cơ điện tử Hệ thống siêu vi cơ điện tử Hệ thống điều khiển khả năng bám đường Vehicle Dynamic Control Hệ thống điều khiển động lực ôtô DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức........................................................................................... Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu....................... Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay................................................................... Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử...................................... Hình 1.5. Mô hình cảm biến (Sensor)................................................................. Hình 1.6. Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator).............................................. Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản............................................................ Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển................................................ Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý.................................................................. Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử.......................................... Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC. Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người.......... Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới nhất........... Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô...................................... ............................... Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp 16 24 26 28 28 29 29 30 31 33 35 36 37 45 47 7 hành........................................................................................................... Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ôtô. ...................................... ...................................... ............................................ Hình 2.4. % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô....................... Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và khuynh hướng của nó....................................... ....................................................... Hình 2.6. Hệ thống tự động cân bằng ôtô (ESP) .............................................. Hình 2.7. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) ............................................ Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic..................................... Hình 2.9. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực...................................... .................................................................................. Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. .................. Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse"....... Hình 2.12. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ........................................................................................................................... Hình 2.13. Nhíp xe ôtô............................................................................................. Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu...................................................... Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực.............................................................. Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes.............................. Hình 3.1. Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau........................ Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh..................... ................................. Hình 3.3. Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết.................................... Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc........................................ Hình 3.5. Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b). Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc..... Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose.......................................... Hình 3.8. Mô hình một phần tư ôtô....................................................................... Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ........................ Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ................ Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................ Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa...................................... Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian.................. Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động..................................................... Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook.................. Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook... Hình. 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS..................................................................... Hình. 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển............................. Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến.......................................................... Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR................................................. Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi........................... Hình. 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động................. Hình. 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động........................................... 48 48 49 51 53 55 56 57 58 59 61 62 63 64 67 68 68 69 70 71 72 74 74 77 78 80 82 82 86 88 91 92 93 94 95 95 96 8 LỜI MỞ ĐẦU Cơ điện tử hiện nay đã mở ra một phương pháp mới trong ứng dụng kỹ thuật và nó thực sự bao trùm lên mọi diện mạo của thế giới hiện đại. Cơ điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp hữu cơ của nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm cơ điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu mà cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó được quan niệm như một cơ thể sống. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển và điều chỉnh), các phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải là xương thịt của nhau, là cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy. Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khí điện, điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển hệ thống. Những hệ thống này đã chuyển từ hệ cơ điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ 9 sang hệ cơ điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch điện tử số micro. Sự tích hợp này tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạo nên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của thiết bị công nghiệp, dân dụng. Từ đó đến nay, cơ điện tử đã phát triển không ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đã làm cho cơ điện tử có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ. Sản phẩm cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, mức độ thông minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn. Trong tương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triển của các lĩnh vực có liên quan. Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấp những "công nghệ khả thi". Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã có ảnh hưởng sâu rộng đến quá trình tái thiết kế hệ cơ khí và quá trình thiết kế mới hệ cơ điện tử. Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS "Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS "Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thích nghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, công nghệ mạng và công nghệ không dây, kỹ thuật gia công được trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mô hình hệ thống tiên tiến, tạo mẫu ảo và thử nghiệm. Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh. Mạng Intermet là một công cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ không dây cũng sẽ có khả năng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới. Khi những phát triển trong thiết bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơ điện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnh vực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217 đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơ điện tử có thể đem lại lợi ích cho những lĩnh vực khác nhau rõ rệt, chế tạo máy, vũ trụ, công nghệ sản xuất ôtô. Tương lai của Cơ điện tử đang ngày càng mở rộng. 10 Trong luận văn này tôi nêu một phần ứng dụng cơ điện tử trong ngành cơ khí ôtô. Ôtô đã ra đời từ hơn một trăm năm nay và ngày càng trở đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Với rất nhiều bộ phận, có sự đóng góp của cơ khí, điện, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin, vật liệu mới, . . . Ôtô hiện đại là một sản phẩm kết hợp của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Sẽ là rất khó khăn cho việc thiết kế nếu tách riêng các hệ thống của ôtô thành các lĩnh vực khoa học kỹ thuật riêng biệt khác nhau. Giải pháp cho vấn đề đó, cơ điện tử ra đời đóng vai trò là một khoa học về hệ thống có khả năng kết nối các ngành khoa học kỹ thuật, ngày càng đóng góp phần lớn vào các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp ôtô nói riêng. Bài toán cân bằng ôtô mà trọng tâm là hệ thống giảm xóc là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ôtô. Với lịch sử phát triển lâu dài cùng với nhiều cải tiến đáng kể, các hệ thống giảm xóc thông thường vẫn không thể nào đáp ứng tốt cả hai yêu cầu chính của bài toán cân bằng, đó là sự thoải mái và an toàn sự mâu thuẫn giữa hai chỉ tiêu đó dường như là một giới hạn khó vượt qua cho tới khi các yếu tố điều khiển tự động được áp dụng vào hệ thống giảm xóc. Một thế hệ giảm xóc tự động mới ra đời là kết quả của sự vận dụng cơ điện tử vào bài toán cân bằng dao động. Bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, tôi bước đầu nghiên cứu ứng dụng của cơ điện tử để giải quyết bài toán cân bằng trên xe ôtô du lịch. Bên cạnh đó tiếp cận với phương pháp điều khiển hệ thống giảm xóc Groundhook và Skyhook dựa trên phương pháp mô hình hóa và mô phỏng. Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử 11 1.1.1. Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức. Trong nền kinh tế trí thức đòi hỏi một trình độ tư duy và tác phong công nghiệp hiện đại, sẵn sàng đáp ứng và đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầu mới đặt ra của nền kinh tế trí thức, vận hành trong thời đại văn minh tin học. Trong thập niên 70 của thế kỷ trước, nền "Văn minh ống khói" đã đạt tới đỉnh cao khi thế giới công nghiệp xuất hiện hình thái tổ chức sản xuất dưới dạng các tập đoàn siêu quốc gia, các tổ hợp công nghiệp lớn, tập trung quyền lực trên các lĩnh vực chuyên ngành và khu vực thị trường xác định. Đó là những gã khổng lồ, những con khủng long của kỷ nguyên đại hồng thuỷ (sản xuất hàng hoá loại lớn và hàng khối). Sai lầm lớn nhất của các hình thái tổ chức sản xuất này là ở tính độc cực trong phân công quốc tế về công nghệ và thị trường. Chính sự độc quyền trong trong tiến trình phát triển đã trở thành rào cản, hạn chế sức cạch tranh và năng lực sáng tạo của các lực lượng khoa học - Công nghệ. Lao động kỹ thuật, nhất là lao động trí tuệ bị lãng phí hoặc bị kìm hãm; vật tư năng lượng bị lạm dụng đến mức phương hại tới môi trường sinh thái và trên phương diện kinh tế, những gã khổng lồ này "khiêu vũ" , với vòng quay "đầu tư - hoàn vốn - lợi nhuận - tái đầu tư mở rộng" một cách chậm chạp. Cơ hội ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật bị o bế, phản ứng với các biến động thị trường một cách thụ động dẫn tới các giải pháp phi lý như đầu cơ, phá giá, thậm chí có lúc phải huỷ hoại cả sản phẩm để duy dưỡng thị trường. Trong "văn minh tin học", tính mở và tính toàn cầu của sản xuất xã hội đã phá vỡ một cách tự nhiên thế độc quyền của các hình thái tổ chức sản xuất già cỗi xơ cứng. Team Work và mô hình phân công lao động dân chủ đã động viên tối đa tiềm lực khoa học - công nghệ trong tinh thần hợp tác xã hội cao độ. Con người công nghiệp mới nhìn nhận các vấn đề một cách trí tuệ hơn với 12 các tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái và nâng cao tối đa hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản xuất. Nhiều hình thái tổ chức sản xuất mới ra đời trong đó, tính năng động linh hoạt và mềm dẻo, nhất là khả năng phản ứng mau lẹ, cực kỳ nhạy bén đối với thị trường của các hình thái tổ chức sản xuất này vừa là lợi thế vừa là những thách thức rất cao đối với con người công nghiệp. Rõ ràng, nền kinh tế trí thức có những đặc trưng riêng biệt, độc đáo mà từ trước tới nay chưa hề có một hình thái kinh tế xã hội nào đạt được. Đặc thù của kinh tế trí thức thể hiện trước hết ở sự tăng cao của hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản phẩm. Quá trình chuyển dịch cơ cấu công nghệ thể hiện rất rõ khuynh hướng phát triển này. Tiến trình chuyển địch công nghệ này dựa trên các cơ sở: - Vai trò quan trọng của công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ thông tin. - Khoa học trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp. - Thời gian thực hiện công nghiệp hoá rút ngắn. - Nhân lực kỹ thuật nhanh chóng được trí thức hoá. - Cơ cấu kinh tế, hệ thống tổ chức xã hội có những thay đổi cơ bản. Vì vậy sự phát triển công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong thời đại ngày nay, không phải chỉ đơn thuần là việc vạnh ra chiến lược phát triển khoa học và công nghệ, mà là sự nghiệp phấn đấu vươn tới một nền văn minh mới của nhân loại: nền văn minh tin học của kỷ nguyên kinh tế trí thức. Đổi mới thông qua công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước trước hết phải là sự đổi mới của ý thức tư duy, bởi tư duy sáng tạo chính là nguồn lực của đổi mới. Định hướng phát triển công nghệ cơ điện tử cũng không nằm ngoài quy luật này. 13 Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, quá trình chuyển dịch công nghệ cũng đã chứng minh rằng lợi thế phát triển có tính hiện thực lớn nhất của Việt Nam lại chính là nguồn lực con người. Đất nước Việt Nam, con người Việt Nam - không có con đường nào khác - đã và đang hội nhập với tiến trình phát triển gia tốc hoá ngày càng tăng của nhân loại tiến tới nền kinh tế trí thức. Cùng với quá trình chuyển giao công nghệ mang tính toàn cầu, ý thức tư duy và tác phong công nghiệp hiện đại, có tính chuyên nghiệp của lực lượng lao động tiên tiến bên ngoài cũng có điều kiện thâm nhập, làm thay đổi những tập quán tư tưởng như cố hữu của lực lượng lao động Việt Nam, cải thiện đáng kể chất lượng lao động và phẩm chất nghề nghiệp của con người Việt Nam công nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế và chính sách phát triển các hướng công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010. Vai trò của công nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của công nghiệp hoá, hiện đại hoá rút ngắn. Công nghệ Cơ - Điện tử và sản phẩm của nó thuộc phạm trù công nghệ cao, mang đặc thù tích hợp nhiều ngành kỹ thuật trọng điểm của nền kinh tế Hàm lượng tri thức trí thức. Thiết bị, tiền vốn Kinh tế tri thức (văn minh tin học) Nguyên liệu, năng lượng (Văn minh tin học) Kinh tế thủ công Lao động, nhân lực Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức 14 Kinh tế công nghiệp (Văn minh ống khói) 1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới. Chưa nói đến vi cơ điện tử, nanô cơ điện tử vốn đã lôi kéo rất nhiều ngành liên quan, trong thế kỷ XXI, chúng ta sẽ chứng kiến nhiều hơn nữa sự phát triển tương hỗ rất mạnh của nhiều ngành khác xoay quanh cơ điện tử: quang-cơ điện tử (opto-mechatronics), sinh học-cơ điện tử (bio-mechatronics), khoa học không gian,... Một số ứng dụng tiêu biểu của cơ điện tử - tiêu điểm của các ngành: trong ngành hàng không - vũ trụ (quân sự và dân sự): cơ điện tử rất tự nhiên từ lâu là động lực phát triển chính. Các hệ thống lái tự động, định vị tự động, phát hiện tránh đường, điều phối không lưu,... và rất nhiều kỹ thuật, trang thiết bị mới, tinh vi đã ra đời sớm nhất trong ngành này. Tuy nhiên, do đặc thù riêng mà không được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp nói chung. Cũng vậy, với kỹ thuật quân sự: các hệ thống vũ khí, khí tài do thám, tấn công thông minh, phòng thủ phản ứng nhanh (các hệ thống tên lửa đánh chặn, tìm diệt,...) và rất nhiều bí mật quân sự khác thực sự từ lâu đã được phát triển theo lối tiếp cận cơ điện tử hiện đại, chứ không phải đến khi nó được đề xuất và nghiên cứu sau này trong dân dụng. Trong ngành cơ khí: rôbốt, máy công cụ CNC, hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác cao hoặc cho thiết kế ngược,... Trong ngành tự động hoá: giám sát và điều khiển tích cực quá trình (tại từng thiết bị cho đến quy mô toàn nhà máy),... Trong ngành công nghệ thông tin: mô phỏng, mô hình hoá, cung cấp công cụ 15 tối ưu hoá, cung cấp công cụ cho tạo mẫu nhanh, sản xuất phân tán kỹ thuật số, phần mềm điều khiển nhúng, các hệ thống giám sát và định vị toàn cầu,...Trong công nghiệp tiêu dùng: điều hoà kỹ thuật số, lò vi sóng, nồi cơm điện, máy giặt, tủ lạnh thông minh,... Trong công nghiệp ôtô: các hệ thống lái tự động, các hệ thống an toàn kiểu mới,... Trong y sinh học: thiết bị xét nghiệm, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, cùng với việc tích hợp các công cụ khai thác thông tin, dữ liệu di truyền sinh học để kiểm soát tổng thể các phương tiện chăm sóc sức khoẻ (ứng dụng máy ghi nhiệt và trí tuệ nhân tạo để phát hiện sớm khối u; tạo môi trường ảo để phục hồi từ xa cho người già bị giảm nhận thức; các công cụ có trợ giúp bởi máy tính để phân tích chứng bệnh tim mạch, châm cứu,...),v.v. Có thể nhận thấy, cơ điện tử là phạm trù rộng, chúng ta cần đặt mục tiêu nghiên cứu phát triển cơ điện tử của nước ta trong những năm tới là có những sản phẩm chiến lược. Việc lựa chọn phương hướng nghiên cứu cơ điện tử cần có hiệu quả mang tính đi tắt đón đầu, do vậy có 3 lĩnh vực chúng ta cần phải làm chủ bằng được, đó là: Sản phẩm cơ điện tử trong tiêu dùng: Những đồ gia dụng ví dụ: thiết bị cảnh báo, bếp từ, đầu VCD, máy giặt, máy ảnh số,... là những mặt hàng mang tính thông minh nhưng không quá phức tạp về cấu hình. Sự thông minh nằm nhiều ở phần điều khiển (cứng và mềm của thiết bị), phần mà theo nhận định của nhiều chuyên gia là thuộc năng khiếu của người Việt Nam. Mặc dù về giá trị kinh tế không thật cao, nhưng do là vật dụng thông dụng nên lương tiêu thụ (với đất nước gần 86 triệu dân) là lớn. Thiết bị và hệ thống cơ điện tử trong công nghiệp: Khá nhiều thiết bị công nghiệp ví dụ như máy công cụ CNC, trạm trộn bê tông tự động, dây chuyền sản xuất xi măng, hệ thống hút bụi công nghiệp,…. đã là kết quả nghiên cứu từ các đề tài nghiên cứu KHCN và đang được triển khai tốt trong đời sống sản xuất. Có thể nhận thấy rằng chúng ta có thể thiết kế, tích hợp tốt thiết bị công nghiệp thông minh. Nhược điểm của chúng ta là khâu chế tạo. Tuy nhiên trên thế giới, không một nước nào, Hãng nào lại chế tạo một hệ thống từ A-Z, theo xu hướng chung này chúng ta sẽ tuyển chọn đâu là những vấn đề cần đầu tư để có thể chiếm thị phần lớn trong sản phẩm cơ điện tử loại này. Thiết bị cơ điện tử trong lĩnh vực y tế: Trong mọi xã hội giàu, nghèo sức khoẻ con người luôn được đặt lên hàng đầu vì con người là nguồn vốn quý nhất của mọi quốc gia. Việc phát triển thiết bị cơ điện tử y tế có ý nghĩa hơn khi bản thân thiết bị không những đã thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều lĩnh vực liên quan (vật lý - nguồn năng lượng tia bức 16 xạ, hệ thống quang học, hệ thống cảm biến – nhận dạng, công nghệ thông tin - xử lý ảnh,...) mà còn có hiệu ứng đomino đến các lĩnh vực khác như sinh hoá, chẩn đoán, trị liệu,... Phương hướng nghiên cứu cơ điện tử của chúng ta có thể tập trung vào kỹ thuật tích hợp hệ thống từ các mô đun tiêu chuẩn hoá, đầu tư vào nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển và phần mềm, chế tạo một phần cấu hình vật lý và phần cứng điều khiển tương thích. 1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới. Xu thế của cơ điện tử trên thế giới là tích hợp trong đó ngày càng nghiều công nghệ cao, làm cho trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn trong một kích thước sản phẩm ngày càng nhỏ hơn, tiêu tốn nguyên liệu ngày một ít hơn. Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ thống cơ điện tử trong thời gian tới, là công nghệ mạng máy tính nhúng và công nghệ vật liệu mới. Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng. Công nghệ vật liệu mới cho ta những vật liệu có đặc tính như điều khiển được hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ khí không gian 3 chiều phong phú cho sản phẩm cơ điện tử. Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phần tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai. Với việc điều khiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các cảm biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, các robot/máy kích thước micro, các hệ thống thông minh cực nhỏ v.v...Tuy nhiên công nghệ nano còn nhiều thách thức mà hiện nay con người chưa giải quyết được. Sự hiểu biết cơ chế hoạt động, điều khiển ở kích thước nano còn chưa hoàn hảo, công nghệ điều khiển nano còn chưa phát triển. Các nghiên cứu về micro/nano mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu. 17 Xu thế nhỏ hóa thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng (máy điều hòa, lò vi sóng, máy giặt...), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y tế, các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công nghệ. Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năng ngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển của các sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội. Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc phát triển trí thông minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song song... đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai, với việc xử lý trong thời gian thực các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến tiếp xúc như lực, momem v.v... sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng đối thoại và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường như những sinh vật sống. 1.1.4. Cơ điện tử là gì Thuật ngữ cơ điện tử được hình thành vào năm 1969 do ông Tesuro Mori người Nhật Bản, Tổng giám đốc của Công ty Seibu Electric and Machinery nêu ra, khi ông đề xuất một công nghệ mới sản xuất các máy công cụ tiên tiến với sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí và điện tử. Ban đầu, Cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có thành phần cơ khí và điện tử-không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ như cửa trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở cửa gara... Như vậy, bước đầu công nghệ cơ điện tử 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 từ 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 18 quán trong các tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Đã có không ít các cách hiểu đơn giản như: Cơ điện tử là một hệ thống kỹ thuật có các thành phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, các cụm cảm biến đo lường, các bộ phận điều khiển và điều chỉnh … 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 kết hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Với các quan niệm như thế các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra một số định nghĩa khác nhau về Cơ điện tử: Đầu tiên là định nghĩa của Yasakawa Electric Company được đưa vào trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu vào năm 1972: “Thuật ngữ Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo thành bởi từ “Mecha” trong Mechanism (cơ cấu) và “Tronics” trong electronics (điện tử). Nói cách khác - công nghệ và các sản phẩm phát triển sẽ ngày càng hợp nhất một cách mật thiết và hữu cơ các thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng” [2, 4]. Việc tích hợp chặt chẽ và hữu cơ ngày càng nhiều các lĩnh vực chuyên môn khác nhau vào trong máy móc làm ta không biết đâu là điểm bắt đầu cũng như điểm kết thúc của quá trình tích hợp Sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy tính làm cho định nghĩa Cơ điện tử thay đổi. Năm 1996 Harashima, Tomizuka và Fukada (Nhật Bản) 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 nghệ” [3]. Cũng vào thời gian đó Auslander và Kempf (CHLB Đức) lại quan niệm: "Cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các hệ thống vật lý” [8]. Đối tượng điều khiển theo quan niệm của Kempf chính là hệ thống vật lý, nó không chỉ gồm những hệ thống cơ khí truyền thống hay các sản phẩm cơ điện riêng lẻ mà còn gồm cả quá trình tự động hóa một công nghệ sản xuất, một hệ thống xử lý, điều khiển môi trường, nhiệt độ hay dao động, hoặc điều khiển một cỗ xe hay phương tiện vận tải, … Như vậy quan niệm của các chuyên gia Đức về Cơ điện tử dường như có tính khái quát hơn khi đưa ra khái niệm “môi trường tạo lập các quyết định điều khiển” 19 (Decision making). Còn với các chuyên gia Mỹ như Shetty và Kolk thì quan niệm “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”[9]. 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 điện tử, còn hơn cả một hệ thống điều khiển, nó là sự tích hợp hoàn hảo của tất cả những thứ đó” [10]. Đến những năm 90 của thập niên trước, khi công nghệ truyền thông được đưa vào các sản phẩm cơ điện tử đã làm cho cơ điện tử có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển này mang đến những chức năng mới như điều khiển từ xa. Trong thời gian này, các công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành mới, nhỏ hơn - thậm chí cấp độ micro được dùng ngày càng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ thống vi cơ điên tử như gia tốc kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô là ví dụ mới nhất. Sự phát triển của cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán - phát triển về chất chứ không đơn thuần chỉ là sự phát triển rầm rộ về số lượng. Máy tính và các chíp vi xử lý đã mạnh và rẻ để có thể nhúng vào các sản phẩm cùng với các công nghệ cao khác như cảm biến, cơ cấu chấp hành, công nghệ phần mềm, công nghệ điều khiển số hiện đại... cho ra những sản phẩm thông minh. Các chức năng của máy móc và hệ thống kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm có thể là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sản phẩm. Cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác để có thể có được các sản phẩm hoàn hảo hơn. Hay nói cách khác cơ điện tử liên kết các yếu tố cấu thành của ngành cơ học, điện tử và điều khiển để tạo nên một CÔNG NGHỆ MỚI, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng điểm là tư duy công nghệ. Bằng tư duy công nghệ mới và sự phối hợp liên ngành, con người sẽ đổi mới, xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp và đưa ra các sẩn phẩm cơ điện tử tiên tiến phục vụ nền công nghiệp hiện đại. Nhưng cũng phải 20 hiểu rằng cơ điện tử là một thể thống nhất chứ không phải là sự gộp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện tử, máy tính, cảm biến... Cấu trúc của các công nghệ này phải thay đổi để trở thành một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm cơ điện tử. Các sản phẩm cơ điện tử có một hàm lượng "thông minh" riêng tạo nên tính năng của thiết bị trong các lĩnh vực giao thông, robot, hệ thống sản xuất, năng lượng mới, thiết bị y tế, hàng không vũ trụ... Cơ điện tử là sự kết hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điều khiển điện tử và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo ủy ban Tư vấn Phát triển và Nghiên cứu công nghệ Châu âu: IRDAC). Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời vào thiết kế và tích hợp các hệ thống cơ điện tử (theo trường Đại học Atlanta USA). Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: cơ khí, điện tử, điều khiển và máy tính (theo giáo sư Ke vin Cung khoa Cơ khí và Kỹ thuật hàng không của Đại học Renssenlaser USA). Đa số các trường đại học của Anh, Đức, áo, úc đều thống nhất quan điểm cơ điện tử là sự phối hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin. Vậy có rất nhiều những định nghĩa về " CƠ ĐIỆN TỬ" nhưng người ta đưa ra một định nghĩa tổng quát đó là "Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp". Cảm biến chấp hành ĐIỆN TỬ CƠ KHÍ CƠ ĐIỆN TỬ Xử lý tính toán Mô hình toán Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan