Ngành cơ điện tử ra đời như thế nào? – Cách Dùng

Cơ điện tử là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao nhau giữa cơ khí với kỹ thuật điện-điện tử, điều khiển hệ thống và công nghệ thông tin.

Từ cơ điện tử, tiếng Anh “Mediationics” được viết tắt của từ ghép giữa Mechanics và Electronics, được người Nhật sử đụng đầu tiên vào năm 1975 [1] trong việc điều khiển động cơ điện bằng máy tính. Thuật ngữ này sau đó trở nên phổ thông ở Nhật và nhanh chóng được nhiều nước trên thế giới sử dụng khi các linh kiện điện tử và tiếp theo là máy tính được sử dụng ngày càng nhiều trong điều khiển thiết bị, đặc biệt trong các hệ thống sản xuất.

Tác nhân chính dẫn đến việc cơ điện tử thành thuật ngữ phổ thông là khi nhu cầu về một bộ môn đào tạo riêng biệt, độc lập bất ngờ được hình thành dựa trên khả năng sử dụng năng lực máy tính và thiết bị điều khiển số không quá đắt, lưu hành tương đối sẩn trong các viện nghiên cứu và các trường đại học. Sự phát triển linh kiện thiết bị điện tử sô’ và khoa học máy tính trong những năm 80 đẩy nhanh đáng kể khả năng áp đụng chúng trong những dự án công nghệ và sản xuất. Trong khoảng thời gian này các viện nghiên cứu và các nhà công nghiệp đã nhận thức ra sự cần thiết đào tạo lại cho các kĩ sư cơ khí về các vấn đề của ngành đa công nghệ này. Đã gần 25 năm trôi qua kể từ khi thuật ngữ cơ điện tử được xem xét như là sự tích hợp của kĩ thuật cơ khí, điện và điện lử, thì hiện nay, thuật ngữ này vẫn là một khái niệm tiến triển không ngừng, nó có cả nghĩa chung lẫn nghĩa riêng để sử dụng.

Rất nhiều người có quan điểm “cơ điện tử” là lĩnh vực đa công nghệ, phát triển trên cơ sở của ngành cơ khí truyền thống, kỹ thuật điện tử và tin học. Sau đây là một số định nghĩa về cơ điện tử của một số cơ quan tổ chức:

• Cơ điện tử là sự kết hợp của kỹ thuật cơ khí, điểu khiển điện tử và kỹ thuật hệ thống trong thiết kế sản phẩm và quá trình (theo Nanyang Politechnic Singapore).
• Cơ điện tử là sự kết hợp đổng vận của kỹ thuật cơ khí, điểu khiển điện tử và tư duy hệ thống thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo uỷ ban Tư vấn Phát triển và Nghiên cứu Công nghiệp châu Âu viết tắt IRĐAC).

• Cơ điện tử là hệ thống thiết kế và chế tạo sản phẩm mà hệ thống dó có các chức năng cơ khí và chức núng điều khiên thuật toán thích hợp (theo trang “Mechatronics Porum” ở w.w.w.)
• Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời (concurrent engineering) vào thiết kế về tích hợp các hệ thống cơ-điện tử (theo trường Đại học Atlanta U.S.A).
• Hệ thống cơ điện tử là máy được tích hợp với các hệ thống được lập trình hoặc khả trình với sự nhận thức, hoạt động và truyền thông (theo Royal Institute of Technology- Thụy Điển).
• Cư điện tử là sự kết hợp 3 công nghệ then chốt: cơ khí, điện và điều khiển (theo Louisian State University U.S.A).
• Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: cơ khí. điện tử, điều khiển và máy tính (theo giáo sư Kevin Craig khoa Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không của Đại học Renssenlaser U.S.A).

Đa sô các trường đại học của Anh, Đức, Áo, Úc đcu thống nhất quan điểm cơ điện tử là sự phối hợp của kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin.v..v…. Không có một giới hạn định nghĩa về thuật ngữ cơ điện tử. về bản chất, việc ứng đụng cơ diện tử không phải là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật. Đó là một sự tiến triển, ứng đụng kỹ thuật mới nhất của khoa học cơ khí chính xác, lí thuyết điều khiển, khoa học máy tính, điện và điện tử trong quá trình thiết kế để tạo nên những sản phẩm có khả năng tương thích cao với nhiêu chức năng. Điều này đã được nhiều nhà thiết kế và kỹ sư nhìn thấy trước và đưa vào sản phẩm của mình do vậy thực chất các sản phẩm cơ điện tử đã tổn tại và phát triển trước khi có những quan điểm rõ ràng về chúng.

Theo dòng lịch sử, đa số các hệ thường sản xuất cũng như các sản phẩm hàng hoá được cơ khí hoá hoàn toàn khi có sự hiện diện của động cơ điện hoặc thuỷ lực trong kết cấu, dó là xuất phát điểm. Sự xuất hiện các linh kiện bán dẫn trong thập kỷ 50 và các máy tính diện tử sô’ trong những năm 70 đã tạo nên những hệ thống nối ghép tương hỗ giữa kỹ thuật cơ khí với diện tử, điều khiển vi tính có tính đa ngành cao tiếp theo. Phần lún các sản phẩm cơ điện tử trong thời kì này liên quan đến kỹ thuật servo, được sử đụng cho những sản phẩm như mở cửa tự động, máy bán hàng tự dộng, camera tự điều chỉnh tiêu cự V..V… Những sản phẩm cơ điện tử thế hệ này đã thổ hiện được kết cấu đơn giản hơn trong cùng chức năng nhờ việc sử dụng phương pháp điều khiển tiên tiến, phù hợp với cơ cấn chấp hành đơn giản.

Trong những năm 80, sự phát triển của công nghệ thông tin làm cúc kỹ sư nảy sinh và bắt dầu áp dựng các bộ vi xử lí vào các hệ thống cơ khí dế cải thiện dặc tính cúa hệ thống. Máy công cụ, thiết bị điểu khiển số và robot trở nên gọn hơn, trong khi các ứng đựng trong lĩnh vực xc 4 bánh như điều khiên động cơ điện tử và các bộ phanh an toàn trở nên phổ biến.

Còn ở tháp kỷ 90, cõng nghệ truyền thông đã bổ sung vào cơ điện tử tính mềm dẻo, hỗn hợp: các sản phẩm có thể nối kết thành mạng lớn. Sự phát triển này tạo nên các chức năng như vận hành từ xa các cánh tay máy, điều khiển hệ thống sản xuất qua mạng, đặt hàng-thiết kế- tạo mẫu (protype)- sản xuất trong một khoảng không gian võ cùng rộng V…V. Cùng thời gian những cảm biến mới nhỏ hơn, thậm chí siêu cực nhỏ và công nghệ mới về kích truyền dộng (actuator) dược tăng cường trong các hệ thống sản phẩm mới. Các hệ thống cơ -điện tử siêu nhỏ (micromechatronics) mở xu hướng phát triển công nghệ siêu nhỏ (nano technology) trong thế kỷ 21.

Sự mở mang dự đoán dược trong thiết kế, phát triển sản xuất, kỹ thuật tự động và sản phẩm tiêu đùng dã kích thích và thúc đẩy các nhà quản lí và các kỹ sư thiết kế, chế tạo, khai thác công nghệ cơ điện tử. Điều này đặt ra thách thức trong dào tạo về công nghệ cơ điện tử để có thể đáp ứng các nhu cầu trong ứng dụng tự động hoá trong các ngành công nghiệp kể cả công nghiệp tiêu đùng.

Về đào tạo, từ 1983 Viện Kỹ thuật Nhật Bản- Singapo đã đưa vào khoá đào tạo kỹ thuật cơ điện tử (mechatronics cnginerring) chương trình 2 năm dể đào tạo lại kỹ sư cơ khí. Khoá giảng đầu tiên mang tên “Mechatronics” cho kỹ sư và học viên cao học (B.Eng/M.Eng) dược thực hiện ở trường Đại học Landcastcr (U.K) trong năm 1984/1985. Kể từ dó các khoá đào tạo về cơ diện tử bắt đầu phát triển mạnh ở tất cả các nước công nghiệp phát triển và dang phát triển. Cả những nước “con rồng mới” thuộc vùng châu Á -Thái Bình Dương cũng đã rất nhanh nhạy dưa ngành dào tạo mới này vào giảng dạy. Những năm đầu thập kỷ 90, 4 trường đại học bách khoa cua Singapo có chương trình 3 năm đào tạo chính quy kỹ sư cơ điện tử. Trường dại học TUT-Nhật Bản là trường dại học duy nhất ở châu A dưa cơ diện tủ vào giảng dạy chính thức như là một khoa riêng của trường. Cùng thời gian đó, hấu hết sinh viên các khoa kỹ thuật ở các trường đại học khác ở Nhật đều dược dạy các nguyên lí cơ bản của cơ diện tứ và hướng nghiên cứu trong lĩnh vực này. ơ trường Đại học Sidney úc cưng đã có các khoá đào tạo và cấp bằng kỹ sư theo chuyên ngành cư điện tử từ những nãm đầu 90, tiếp theo không lâu là các trường đại học Curtin và New South Wcles. ở châu Âu, từ năm 1980 dã có các hoạt dộng có liên quan đến đào tạo cơ điện tử, nhưng khoá học chính thức về cơ điện tử trong trường đại học thì chỉ bắt đẩu từ chương trình một năm cao học tại trường dại học Katholieke (Leuuven -Bỉ) trong 1986 và đến 1989 trường này đã mở ngành dào tạo cơ diện tủ. Nám 1989 Trung tâm Nghiên cứu cơ điện tử thuộc trường Đại học Twente (Hà Lan) được thành lập để phối hợp các chương trình nghiên cứu giảng dạy của nhà trường. Trong năm 1990 một loạt các trường dại học ở CHLB Đức, Đan Mạch, Hà Lan, Ireland (châu Âu) dưa cơ diện tử vào giảng dạy. Từ 1992 – 1996 Liên Minh Châu Âu đã tài trự để thực hiện dự án TEMOUS dưa khoá học cư diện tử vào giảng dạy tại các khoa cơ khí của các trường dại học. TU Brno, CTU, TU Plzeo, University Libre Bruxelles, University College Dublin, Johannes Kepler University Linz, Loughborough University of Technology, University Stuttgart.

Các trường dại học ở Anh giảng dạy cơ điện tử, bắt đầu từ Trường Lancaster, tiếp theo là các trường Đại học London, Surrey, Dundee, Hull, Brunel, Loughborough, Manchester và Leeds, ở Bắc Mỹ mặc dù có rất nhiều trường đại học hoạt dộng trong lĩnh vực cơ diện tử, nhưng cho đến 1995 vẫn chưa xuất hiện những khoá giảng dạy mang tên “Cơ điện tử”. Đến nay hầu như tất cá các trường đại học kỹ thuật của Mỹ đều dã có khoa này. Tính đến 1999 trôn thế giới có khoảng 90 trường đại học và viện nghiên cứu có đào tạo giảng dạy và nghiên cứu về cơ diện tử [3], Nhìn chung, cơ diện tử dược coi là một ngành tích hợp các đối

tượng cơ bản đang tồn tại của các bộ môn có liên quan theo hình thức khác với truyền thống phát triển hàm lâm một ngành học. Để đáp ứng là ngành da công nghệ, gắn với sự thay dổi trong cấu trúc chương trình giảng dạy hướng kỹ thuật (engineering), nhiều trường đại học theo dặc thù ricng của mình dã dưa ra những chương trình giảng dạy khác nhau, tuy nhiên phạm vi dào tạo liên quan dến cơ điện tử thường bao gồm 4 lĩnh vực thể hiện như hình l.l. ở đây, những vấn đề học thuật được coi là không thể thiếu dược trong thiết kế sản phẩm và quy trình chế tạo sản phẩm là: khoa học máy tính, kỹ thuật kích truyền đọng cơ khí-thuỷ lực-khí nén -diện- diện tử, kỹ thuật diện- diện tử- vi diện tử, cảm biến, vật liệu, điều khiển và tự dộng hoá, dộng lực học và robot, CAĐ/CAM, C1M và cơ sở dữ liệu công nghiệp, V…V. Trong dó những chương trình giảng dạy dược coi là cơ sở cho dào tạo cơ diện tử là thiết bị di động cơ điện (  Electromechanical Motion Device), điện tư công suất (Power Electronics) và vi điện tử (Microelectronics), vi xử lí và giao diện (Microprocessor and Interfacing), các hệ thống cơ điện (Electromechanical Systems), nhập môn cơ điện tử (Introduction to Mechatronics), lí thuyết các hệ thống điểu khiển và điều khiển các hệ cơ điện tử (Control systems Theory and Control of Mechatronic Systems), các hệ thống cơ diện tử và các cấu trúc thông minh (Mechatronic System and Smart Structures), các hệ thống cơ điện tử siêu nhỏ (Microelectromechanical Systems) và các hệ thống cơ điện tử nano (Nano electromechanical Systems).