Giáo trình Nhập môn về kỹ thuật (Phần 1)

Comittee on Mechatronics Systems [8]. Cơ điện tử là sự phối hợp của cơ khí chính 
xác, điều khiển điện tử, hệ thống điều khiển sản phẩm và quá trình sản xuất. 
Theo Devdas Shetty, Richard A.Kolk [16]: Cơ điện tử là một phương thức sử 
dụng tối ưu thiết kế hệ thống của sản phẩm cơ điện. Đó là một sự kết hợp trong tích 
hợp của cơ khí, điện và hệ thống máy tính với hệ thống thông tin cho quá trình thiết 
kế và sản xuất của các sản phẩm và quy trình sản phẩm. Sự hiệp lực được thể hiện 
tổng quát bằng tham số kết hợp chuẩn xác; và sản phẩm cuối cùng có thể tốt hơn 
tổng từng bộ phận của hệ thống. Thành phần của cơ điện tử được thể hiện hình 2.1 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 24 
Hình 2.1: Thành phần cơ điện tử 
Như vậy, có rất nhiều khái niệm về cơ điện tử nhưng có định nghĩa được coi là 
đúng nhất theo V.S. Vasić and M.P. Lazarević đó là: Cơ điện tử là sự tích hợp của 
hệ thống cơ khí với điện tử và điều khiển thông minh có sự trợ giúp của máy tính 
trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm . Cơ điện tử bao gồm: 
* Hệ thống cơ khí (mechanical systems): cơ cấu cơ khí, cơ khí chính xác. 
* Hệ thống điện tử (electronics systems): vi điều khiển, nguồn, cảm biến và kỹ 
thuật cơ cấu chấp hành. 
* Hệ thống máy tính (information technology): lý thuyết điều khiển, tự động 
hóa, phần mềm, điều khiển. 
Hình 2.2: Thành phần của Cơ điện tử 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 25 
2.2.2 Hệ thống Cơ điện tử 
Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống phức tạp, tích hợp các phần điện, cơ, lý 
thuyết điều khiển tự động và công nghệ thông tin. Do đó, việc thiết kế đòi hỏi một 
quy trình thiết kế phù hợp và hiệu quả. 
 Theo Klaus Janschek hệ thống cơ điện tử là quá trình tạo ra sản phẩm có 
phương thức mới, tối ưu của nhiều nền tảng khác nhau của thiết kế hệ thống, sản 
phẩm là sự kết hợp của cấu trúc chức năng, chất lượng, kinh tế, và quá trình hợp 
tác làm việc nhóm. 
Hình 2.3: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử 
Hệ thống cơ điện tử (Mechatronics systems) theo quan điểm của Okyay 
Kaynak, 
Hình 2.4: Hệ thống cơ điện tử theo Okyay Kaynak 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 26 
Theo S.Ashley hệ thống cơ điện tử là hệ thống sử dụng cơ khí chính xác, hệ 
thống máy tính và các cảm biến; kỹ thuật điều khiển để tạo ra (thiết kế) cải tiến một 
sản phẩm và quá trình sản xuất. 
Theo A.Saleem. Philadenphia University, Amman, Jordan hệ thống cơ điện tử 
là một hệ thống bao gồm các cơ cấu, các cảm biến, tích hợp thuyết điều khiển, bộ 
điều khiển và hệ thống điện, điện tử. 
Hình 2.5: Hệ thống cơ điện tử theo A.Saleem. Philadenphia 
Theo National Instruments, hệ thống cơ điện tử là hệ thống tích hợp của các 
thiết bị điện tử và thành phần điện đưa vào kết cấu cơ khí . 
Một hệ thống cơ điện tử bao gồm: sự thay đổi của hệ thống cơ khí, hệ thống 
điện và thành phần phần mềm được đưa vào. Khi có sự thay đổi của thành phần kết 
hợp, kết quả là một hệ thống cơ điện thay đổi. 
Hệ thống cơ điện tử là một trong những hệ thống tốt nhất trong việc thiết kế 
tối ưu cho các sản phẩm, dựa vào sự phức tạp cao của việc thiết kế và những yêu 
cầu tích hợp của cơ khí, điện tử, và thành phần quá trình thông tin. Để tốt cho các 
nhóm thiết kế bằng cách thuận lợi cho quá trình thay đổi thành phần hệ thống 
không ảnh hưởng lớn đến hệ thống cần chọn công cụ thiết kế hệ thống cơ điện tử 
phức tạp . 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 27 
Hình 2.6:Thành phần của hệ thống cơ điện tử (Theo National Instruments) 
2.3.2 Thiết kế cơ điện tử 
a) Phƣơng pháp thiết kế truyền thống 
Thiết kế hệ thống cơ điện tử là sự kết hợp thiết kế bao gồm cơ khí chính xác, 
hệ thống điện tử và điều khiển hệ thống trong việc thiết kế sản phẩm và quy trình 
sản xuất. 
Thiết kế hệ thống cơ điện tử bắt đầu từ mục tiêu nhiệm vụ của người khách 
hàng, người sử dụng sản phẩm cho đến tích hợp các chức năng, tích hợp kỹ thuật, 
tích hợp thuộc không gian. 
Hình 2.7: Cấu trúc chức năng cơ bản của một hệ thống cơ điện tử với phân tích các 
cấu trúc chức năng 
Thiết kế hệ thống cơ điện tử là nhiệm vụ đòi hỏi người thiết kế phải kế thừa, 
có kiến thức, hay tổ chức từ những ngành khác nhau như cơ khí, điện tử, điều 
khiển, máy tính.. Những kiến thức của nhiều ngành khác nhau được kết hợp để tạo 
ra một hệ thống cơ điện tử tốt nhất.Việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thông 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 28 
thường gồm những bước sau theo, việc thiết kế tuần tự theo có thể dẫn đến khó thực 
hiện nhiều công việc đồng thời, và qua trình thiết kế bị ràng buộc lần nhau qua 
nhiều; 
Hình 2.8. Thiết kế hệ thống cơ điện tử 
Hình 2.8 trình bày quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đơn giản, mũi tên 
bên trong chỉ các bước tuần tự của quá trình thiết kế cơ khí, điện, điều khiển và sản 
phẩm cuối cùng chịu sự chi phối của các hệ thống tương tác với nhau. 
Trong quá trình này, sự tác động giữa 03 hệ thống này và ảnh hưởng của từng 
hệ thống sẽ làm thay đổi thiết kế và nhiệm vụ ban đầu của sản phẩm, thiết kế cuối 
cùng và nhiệm vụ được đưa ra xem như tại mỗi bước của thiết kế của hệ thống. 
Ảnh hưởng của bước thứ hai trong quá trình thiết kế được xem như là hiển nhiên. 
Một trong những ảnh hưởng chính được làm cho thiết kế tốt nhất là mỗi một hệ 
thống sẽ làm cho nhiệm vụ tổng thể. 
Việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thường được thiết kế theo quy trình: 
Xác định các yêu cầu kỹ thuật Thiết kế cơ khí Thiết kế điện Thiết kế phần 
cứng mạch điện Thiết kế phần mềm Thiết kế bộ điều khiển Thử nghiệm 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 29 
và tối ưu hóa sản phẩm mẫu Thiết kế sản xuất thử nghiệm sản xuất 
support and service sản xuất bền vững. 
Hình 2.9: Quy trình thiết kế (a) truyền thống 
Theo A. Saleem, Tutunji and L. Al-Sharif , Mechatronic System Design 
Course for Undergraduate Programmes, thiết kế hệ thống cơ điện tử là quá trình 
đòi hỏi phải thiết kế các phần cơ khí, cảm biến, giải thuật điều khiển. 
Hình 2.10:Thiết kế cơ điện tử 
b) Phƣơng pháp thiết kế hiện đại: 
Có nhiều phương pháp thiết kế cơ điện tử hiện nay được áp dụng, mặc dù có 
rất nhiều lợi ích từ thiết kế hệ thống cơ điện tử, nhưng người thiết kế thông thường 
làm chi phí sản phẩm cao lên bởi lý do quá nhiều bộ phận phải thay thế, thiếu kinh 
nghiệm với những sản phẩm mới và kỹ thuật kiểm tra và sử dụng kỹ thuật trong xây 
dựng và kết nối cấu trúc thiết kế. 
Vì vậy sản phẩm được tạo ra cũng dựa trên thành phần độc lập của cơ khí, 
điện, phần mềm điều khiển. Các bước của thiết kế sản phẩm được trình bày bởi 
hình 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 30 
Hình 2.11:Hướng dẫn phát triển sản phẩm từ cơ khí, điện, và sản phẩm IT 
Hình 2.12: Phát triển sản phẩm cơ điện tử với độ tin cậy a) cơ bản b) tích hợp 
phát triển sản phẩm 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 31 
Như vậy có rất nhiều tác giả đề cập đến thiết kế hệ thống cơ điện tử nhưng quy 
trình do National Instrument đề xuất được xem xét vì tính đơn giản và thực tế của 
quy trình. 
Quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử được đưa ra kế thừa mô hình tuần tự: 
Thiết kế đồng thời phần cơ khí, điện, phần cứng/ phần mềm, bộ điều khiển -> Mẫu 
sản phẩm ảo -> Đồng thời; Sản xuất thật, thiết kế sản phẩm. Quá trình thiết kế hệ 
thống cơ điện tử kế thừa mô hình tuần tự truyền thống với một số thay đổi như 
Hình 2.13 : Mẫu vật lý được sử dụng để thực nghiệm, hiệu chỉnh và tối ưu hóa thiết 
kế; Các bước thiết kế được triển khai đồng thời (cơ khí, điện, phần cứng/phần mềm, 
bộ điều khiển); Việc sử dụng mẫu ảo trong quá trình thiết kế trước khi sử dụng mẫu 
thật giúp giảm thiểu thời gian và kinh phí thiết kế sản phẩm. 
Hình 2.13: Quy trình thiết kế cơ điện tử 
Theo cho rằng thiết kế hệ thống cơ điện tử: cần tích hợp thiết kế phần điều 
khiển và cơ khí vào trong quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử. 
Hình 2.14: Công cụ hỗ trợ thiết kế cơ điện tử 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 32 
Hình 2.15: Hệ thống cơ điện tử của Festo 
Hình 2.16: Hệ thống Cơ điện tử và tự động hóa tại nhà máy 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 33 
2.3.3 Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử 
a) Xác định mục tiêu thiết kế 
Xác định rõ mục tiêu thiết kế là gì?. Mục tiêu thiết kế càng rõ ràng, càng bám 
theo yêu cầu của khách hàng, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm hay yêu cầu của người 
sử dụng càng thuận lợi cho quá trình thiết kế. 
Xác định mục tiêu của thiết kế, ví dụ: thiết kế xe đua, thiết kế xe vận chuyển 
hàng trong nhà kho, thiết kế AVG vận chuyển container,  
b) Tìm hiểu tổng quan 
Từ mục tiêu đã xác định ở trên, trình bày tổng quan về vấn đề thiết kế bao 
gồm: những nghiên cứu trong và ngoài nước, các patent, thiết bị sản phẩm đã có, sơ 
đồ nguyên lý (kết cấu, điều khiển, ), tính năng, ưu nhược điểm,  cuối phần này 
phải đặt được bài toán cụ thể cho vấn đề thiết kế (system specification). 
Một số số liệu thiết kế ban đầu có thể chưa chuẩn xác, có thể được đặt lại 
trong quá trình nghiên cứu. 
Kết thúc phần tổng quan là đầu bài cụ thể về vấn đề thiết kế, ví dụ: sơ đồ line 
(map), vận tốc lớn nhất của mobile platform , bán kính cong nhỏ nhất trên line 
, sai số bám line cho phép 
c) Lựa chọn phƣơng án 
Từ đầu bài đã có, đề xuất các phương án khả thi và chọn phương án phù hợp 
nhất cho thiết kế. Kết quả của phần lựa chọn phương án là sơ đồ nguyên lý tổng thể 
cho thiết kế. Tùy thuộc vào mục tiêu đề ra, sơ đồ nguyên lý tổng thể có thể là một 
hoặc các sơ đồ nguyên lý phần cơ, điện, điều khiển,  
Kết thúc phần phương án là sơ đồ nguyên lý của thiết kế. 
Ví dụ kết thúc phương án của thiết kế robot dò line là sơ đồ nguyên lý. 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 34 
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý robot dò line ( sử dụng cuộc thi đua xe) 
Ví dụ Kết thúc phương án của thiết kế xe chở hàng AGV là sơ đồ nguyên lý 
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý xe chở hàng AGV 
Ví dụ Kết thúc phương án của thiết kế robot chùi sàn là sơ đồ nguyên lý 
d) Xây dựng kế hoạch thiết kế 
Dựa trên phương án triển khai, biểu đồ Gantt được xây dựng cho quá trình thiết 
kế. Trong quá trình thiết kế sau khi hoan thiện có thể đối chiếu so sánh biểu đồ cho 
quá trình thiết kế thực tế và lý thuyết để so sánh. 
Bảng 2.1: Biểu đồ Gantt cho quá trình thiết kế 
Công việc 
Phần Chung 
2. Tồng quan. 
2. Phương án. 
Phần Cơ Khí 
2. Chọn sơ đồ nguyên lý. 
2. Thiết kế và lựa chọn kết cấu cơ khí. 
3. Mô phỏng 3D. 
4. Xuất bản vẽ lắp. 
5. Mô phỏng chuyển động. 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 35 
6. Làm báo cáo. 
Phần Điện 
2. Tính toán công suất, chọn nguồn điện. 
2. Chọn động cơ, driver. 
3. Thiết kế mạch nguồn. 
4. Thiết kế mạch cảm biến. 
5. Thiết kế mạch vi điều khiển. 
6. Làm báo cáo. 
Phần Máy Tính 
2. Chọn phương án điều khiển. 
2. Chọn vi điều khiển. 
3. Đưa ra lưu đồ giải thuật. 
4. Viết chương trình điều khiển. 
5. Mô phỏng và thử nghiệm thuật toán. 
6. Làm báo cáo. 
Phần Toán 
2. Chọn cảm biến. 
2. Mô hình hóa hệ thống và cảm biến. 
3. Thiết kế và chọn bộ điều khiển. 
4. Mô phỏng Matlab. 
5. Xuất kết quả mô phỏng. 
6. Làm báo cáo. 
Project Leader 
2. Phân chia nhiệm vụ 
2. Tổng hợp file Word 
3. Làm Powerpoint 
4. Chỉnh sửa file Word + Powerpoint 
5. Kiểm tra tiến độ công việc. 
6. Tổng hợp báo cáo. 
e) Thiết kế 
Phần thiết kế bao gồm: Thiết kế cơ khí (mechanical design); Thiết kế điện 
(electrical design); Thiết kế bộ điều khiển (control design); Thiết kế mạch điều 
khiển và Chương trình điều khiển (embed hardware/software co-design). Kết quả 
của thiết kế là một mẫu ảo (virtual prototype). Mẫu ảo thiết kế được hiệu chỉnh dựa 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 36 
trên kết quả mô phỏng trước khi xuất bản vẽ kỹ thuật cho sản xuất mẫu thật 
(physical prototype). 
- Thiết kế phần cơ (Mechanical Systems) 
 Thiết kế nguyên lý, chi tiết, kết cấu,  
 Tính toán công suất và xác định các thông số của động cơ (tốc độ, hộp 
giảm tốc, ) 
 Thiết lập bản vẽ cơ khí theo đúng TCVN 
- Thiết kế phần điện (Electrical Systems) 
 Lựa chọn động cơ điện: step, DC, DC servo,  
 Thiết kế driver cho động cơ 
 Thiết kế cảm biến, mạch cảm biến 
 Thiết lập bản vẽ điện theo đúng TCVN 
- Thiết kế phần máy tính (Computer Systems) 
 Xác định yêu cầu (input, output, ) và lựa chọn bộ vi điều khiển phù 
hợp 
 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển 
 Coding cho hệ thống (với luật điều khiển từ nhóm Computer Systems) 
 Thiết lập bản vẽ mạch điều khiển theo đúng TCVN 
- Thiết kế phần công nghệ thông tin (Information Systems) 
 Mô hình hóa: cảm biến, mạch động lực, mobile robot, hệ thống 
 Thiết kế bộ điều khiển bám line 
 Mô phỏng để xác định các thông số thích hợp cho bộ điều khiển bám line 
 Xuất kết quả mô phỏng cho báo cáo 
f) Thực nghiệm và hiệu chỉnh 
Dựa trên mẫu ảo thiết kế, mẫu thật được chế tạo để thực nghiệm và hiệu chỉnh 
thiết kế. 
- Xác định yêu cầu mô phỏng và thực nghiệm 
- Từ yêu cầu trên, xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá 
- Đề xuất phương án mô phỏng/thực nghiệm 
- Số liệu thực nghiệm 
- Đánh giá số liệu thực nghiệm 
- Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 37 
Hình 2.3: Mẫu ảo thiết kế bằng phần mềm 
g) Xây dựng hồ sơ thiết kế 
Thiết kế sau khi được kiểm tra hoàn thiện trên sản phẩm mẫu sẽ được xuất hồ 
sơ thiết kế. Hồ sơ thiết kế bao gồm: 
* Thuyết minh quá trình thiết kế gồm các nội dung sau: 
2. Tổng quan về vấn đề được giao 
2. Đề xuất phương án khả thi và chọn phương án triển khai 
3. Xây dựng biểu đồ Gantt cho dự án 
4. Thiết kế kết cấu cơ khí (2D &3D) cho hệ thống (Mechanical Systems) 
5. Mô hình hóa, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng (Information Systems) 
6. Thiết kế mạch driver cho động cơ và mạch liên quan (Electrical Systems) 
7. Thiết kế vi điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển 
(Computer Systems) 
8. Thực nghiệm và kết luận 
* Tập bản vẽ 
2. Bản vẽ sơ đồ nguyên lý 
2.Bản vẽ các chi tiết cơ khí 
3. Bản vẽ lắp ráp 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 38 
4. Bản vẽ mạch điện 
5. Bản vẽ lưu đồ thuật toán 
6. Bản vẽ tổng thể 
* Code thiết kế 
1. Code chương trình vi điều khiển 
2. Code chương trình mô phỏng 
3. Code chương trình 
Chương 2 
Nhập môn về kỹ thuật 39 
Câu hỏi ôn tập và thảo luận 
1. Xác định 5 sản phẩm , kết cấu, hoặc hệ thống mà bạn nghĩ rằng có 
thể thiết kế cải tiến được. 
2. Xác định cá tiêu chí và mục tiêu cho một quá trình thiết kế sau: 
a) Phát triển cải thiện một bộ sang số bằng tay cho một xe đạp leo 
núi. 
b) Phát triển một hệ thống phanh tốt hơn cho giày trượt patin 
c) Phát triển một chiếc ghế ngồi có thế kêt hợp dàn âm thanh vòm 
sau loa 
d) Phát triển xe lăn điện 
e) Phát triển thiết bị cảnh báo xe đạp điện cho trẻ em 
3. Thành lập nhóm 5 thành viên. Sử dụng quá trình thiết kế 10 gian 
đoạn, xây dựng tòa tháp: tháp của bạn phải được đứng vững độc lập. 
Để tháp phải lắp trên một tấm. Tháp của bạn đứng trong 5 giây trong 
chế độ chịu tải để đo lường. Sau khi thiết kế xong, xây dựng tháp 
trong thời gian cho phép 30 phút. 
4. Cho ví dụ về một hệ thống cơ điện tử. Phân tích các bước tiến hành để 
có thể thiết kế hệ thống cơ điện tử trên.