Tự động hóa quá trình xây dựng mô hình toán đa mục tiêu và ứng dụng trong thiết kế máy xẻ gỗ dạng khung kiểu mới

Bài viết đề xuất một phương pháp tự động hóa quá trình xây dựng và giải mô hình toán đa mục tiêu khi thiết kế các hệ thống cơ khí phức tạp. Mấu chốt của phương pháp nằm ở 5 bước cơ bản, bao gồm: Xây dựng sơ đồ cây mục tiêu; Xây dựng sơ đồ “yêu cầu – bộ phận – tham biến”; Xây dựng quy trình thiết kế ứng với bối cảnh sản xuất cụ thể; Xây dựng mô hình toán với bảng định tuyến; giải mô hình toán đa mục tiêu với VIAM/VIAT.

Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về Động lực học và Điều khiển

Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr 255-260, DOI 10.15625/vap.2019000287

Tự động hóa quá trình xây dựng mô hình toán đa mục tiêu và ứng dụng trong thiết kế máy xẻ gỗ dạng khung kiểu mới

Đặng Hoàng Minh1*, Phùng Văn Bình2, Bùi Văn Phương3, Nguyễn Việt Đức4

1 Khoa Công nghệ Cơ khí, Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2 Khoa Hàng không Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự,

3 Đại học Kỹ thuật Quốc gia Matx-cơ-va mang tên N.E Bauman, 4 Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy Lợi,

E-mail: danghoangminh@iuh.edu.vn

Tóm tắt

Bài báo đề xuất một phương pháp tự động hóa quá trình

xây dựng và giải mô hình toán đa mục tiêu khi thiết kế các hệ

thống cơ khí phức tạp Mấu chốt của phương pháp nằm ở 5

bước cơ bản, bao gồm: xây dựng sơ đồ cây mục tiêu; xây dựng

sơ đồ “yêu cầu – bộ phận – tham biến”; xây dựng quy trình thiết

kế ứng với bối cảnh sản xuất cụ thể; xây dựng mô hình toán với

bảng định tuyến; giải mô hình toán đa mục tiêu với

VIAM/VIAT Phương pháp mới này sẽ tạo nên một quy trình

tổng quát, cho phép thiết kế các hệ thống cơ khí phức tạp từ

những hệ thống tương tự đã có hoặc thậm chí từ ban đầu, không

phụ thuộc vào mức độ phức tạp của nó

Từ khóa: quy trình thiết kế, tự động hóa thiết kế, thiết kế đa

mục tiêu, mô hình toán, ra quyết định

1 Mở đầu

Thiết kế máy móc và các hệ thống cơ khí luôn là một

lĩnh vực quan trọng và cấp thiết trong đời sống, kỹ thuật

và xã hội Trong những năm gần đây với sự phát triển của

khoa học máy tính, thiết kế cơ khí được nhắc đến rất

nhiều trong mối liên hệ với nhiều khái niệm khác nhau,

như lý thuyết về hệ thống, tự động hóa, quản lý vòng đời

sản phẩm, và gần đây nhất là nền công nghiệp 4.0 Có rất

nhiều tài liệu và công trình giới thiệu về phân loại và các

phương pháp thiết kế cơ khí Mỗi một phương pháp đều

có triết lý cũng như cách tiếp cận khác nhau

Phổ biến nhất và được áp dụng ở đa số các đơn vị sản

xuất cơ khí hiện nay là mô hình thiết kế truyền thống, hay

còn gọi là “vượt rào cản” [1] Theo đó thiết kế được bắt

đầu từ việc xác định nhu cầu sản phẩm đến khâu chế tạo

sản phẩm Đặc điểm của mô hình này là các khâu hầu

như hoạt động độc lập và theo tuần tự, mỗi khâu có nhiều

chuyên gia khác nhau phối hợp thực hiện Theo mô hình

này, nhà thiết kế thường tập trung vào việc tìm được một

phương án đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra, chứ chưa

chưa chú trọng nhiều đến việc tìm phương án thiết kế tối

ưu cho sản phẩm Tuy nhiên chi phí cho quá trình thiết kế

lại thấp nên ở hầu hết các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ ngày

nay vẫn áp dụng mô hình này

Trong những năm 80, quan niệm này đã có sự thay

đổi, xuất hiện những quy chuẩn thiết kế mới tiên tiến hơn

[2-9], gồm các bước nhận biết nhu cầu của thị trường,

đưa ra yêu cầu kỹ thuật, tổng hợp, phân tích và tối ưu,

chế tạo, đánh giá sản phẩm và đưa ra thị trường Đáng

chú ý là trong các bước này, vòng lặp được thực hiện lại

nhiều lần cho đến khi chất lượng sản phẩm thiết kế đạt được yêu cầu mong muốn Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khoa học tính toán, cơ sở dữ liệu và quản lý thông tin thì mô hình này được áp dụng mãnh mẽ cho đến ngày nay, và phù hợp để sản xuất ra những sản phẩm bền vững ở những công ty và cơ sở sản xuất có năng lực tốt về tài chính

Để tăng mức độ cạnh tranh của sản phẩm thì quy trình thiết kế nói trên ngày nay còn được áp dụng thêm khái niệm quản lý vòng đời một cách chặt chẽ [10-11] Theo đó cho phép tham gia vào quá trình thiết kế vòng đời sản phẩm chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau, như các nhà kỹ thuật thiết kế phân tích, các nhà kinh tế đánh giá thị trường, các nhà mỹ thuật công nghiệp tạo dáng cho sản phẩm, các nhà bảo trì dự đoán và xử lý các hỏng hóc sản phẩm có thể xảy ra, các nhà chế tạo, kỹ sư tính toán, kỹ sư vật liệu,… Khi đó quá trình kiểm soát chất lượng sản phẩm được tiến hành từ lúc bắt đầu dự án

và thực hiện trong suốt quá trình thiết kế sản phẩm Mặc

dù về lý thuyết thì sự tham gia ý kiến của nhiều chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực để quản lý vòng đời sản phẩm sẽ dẫn tới chất lượng của các hệ thống cơ khí được tạo ra tốt hơn và tiết kiệm thời gian hơn (cho việc thử và sai), nhưng đối với những hệ thống phức tạp và mới thì mô hình quản lý này sẽ vô cùng phức tạp Bởi lẽ về bản chất, bài toán thiết kế trong một môi trường có nhiều chuyên gia như mô hình quản lý vòng đời sản phẩm là bài toán

đa mục tiêu phức tạp Sự phức tạp không chỉ thể hiện ở việc giải các bài toán mà còn ở vấn đề xây dựng mô hình toán Rất nhiều các công cụ tối ưu hóa đa mục tiêu phát triển mạnh mẽ như giải thuật tiến hóa, bầy đàn, trí tuệ nhân tạo, phương pháp tương tác và phân tích trực quan v.v… đã được ra đời để giải quyết bài toán đa mục tiêu trong thiết kế [12-17] Nhưng trong những công trình này, các tác giả thường chỉ tập trung vào phương pháp giải quyết các mô hình toán đa mục tiêu của đối tượng Tuy nhiên lại tồn tại một vấn đề quan trọng khác chính là độ tin cậy của mô hình toán Nếu như mô hình toán không phản ảnh chính xác về bản chất vận hành vật lý của hệ thống thì kết quả từ những công cụ tối ưu hóa nói trên sẽ

có thể không đúng đắn và thậm chí vô nghĩa Trong mô hình toán sẽ chứa đựng tất cả những lĩnh vực khoa học liên quan đến hệ thống cơ khí cần thiết kế, mọi yêu cầu

kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng đều được chuyển hóa thành

mô hình toán dưới nhiều dạng thức, như các hệ thức tính toán, các bảng số liệu, các mô hình mô phỏng, các đồ thị, v.v… Trong những công trình [11-12, 18-19] các tác giả

đã đề xuất một phương pháp xây dựng bảng định tuyến nhằm xây dựng mô hình toán chính xác và thuận lợi, tránh lặp các bước tính toán thừa trong các hàm số Tuy

nhiên ở mô hình toán thu được, các chuyên gia chỉ có thể

đóng góp ý kiến để thay đổi các khoảng giá trị tham biến,

hoặc giá trị các ràng buộc phiếm hàm ứng với các yêu

cầu sản xuất ở những tình huống khác nhau Khi thay đổi

như vậy thì lời giải, tương ứng với các phương án thiết kế

mới thu được cũng sẽ thay đổi rất nhiều

Mặc dù vậy thì những thành tựu nói trên vẫn chưa

hẳn đáp ứng được nhu cầu thiết kế một cách toàn diện

Đơn cử là ở những bối cảnh sản xuất khác nhau, thì yêu

cầu về các tiêu chí sản phẩm, các ràng buộc kỹ thuật, hay

nói cách khác là nhận thức về mô hình thiết kế sẽ có thể

khác nhau Dẫn tới mô hình toán cũng có thể sẽ khác

nhau về nội hàm, chứ không chỉ đơn thuần là các khoảng

giá trị của tham biến, ràng buộc hay tiêu chuẩn chất

lượng như đã nói ở trên Nghĩa là cùng một đối tượng cần

thiết kế, thì mô hình toán trong các bối cảnh sản xuất

khác nhau có thể là khác nhau Tuy nhiên hiện nay chưa

có nhiều công bố đề cập đến phương pháp tự động hóa

xây dựng mô hình toán đa mục tiêu trong thiết kế các hệ

thống cơ khí

Dễ dàng nhận thấy đây là một công việc vô cùng

phức tạp vì một số lý do: phức tạp về cấu trúc hệ thống

(các chi tiết, liên kết, số lượng liên kết), phức tạp về các

hiện tượng vật lý vận hành trong hệ thống, phức tạp về

các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng vô cùng đa dạng và

thường xuyên thay đổi trong các bối cảnh linh hoạt, phức

tạp về sự mâu thuẫn chồng chéo giữa các yêu cầu kỹ

thuật, v.v…

Chính vì vậy, trong công trình này, chúng tôi đề xuất

một chuỗi các phương pháp nhằm tự động hóa quá trình

xây dựng và giải mô hình toán đa mục tiêu và minh họa

việc áp dụng chúng cho việc thiết kế máy xẻ nhiều lưỡi

dạng khung kiểu mới [11]

2 Tự động hóa quá trình xây dựng mô hình

toán và phương pháp giải

Trong bài báo này, phương pháp mới mà các tác giả

đề xuất để thiết kế một hệ thống cơ khí được trình bày

trong hình 1 Điểm nổi bật khác biệt của phương pháp đề

xuất so với các phương pháp thiết kế hiện nay tập trung ở

5 bước được đánh dấu đỏ trong hình 1 Nội dung triển

khai và mục đích hướng tới của các bước này được thể

hiện trong bảng 1

Sau khi tìm được lời giải đồng thuận giữa tất cả các

chuyên gia của vòng đời sản phẩm hệ thông cơ khí cần

thiết kế, thì các kỹ sư sẽ có thể tiến hành thiết kế và mô

phỏng nó trên máy tính, dựa vào bộ tham biến đã được

tìm ra (Bước 6), từ đó gia công và chế tạo (Bước 7), vận

hành thử nghiệm, hoàn thiện, hay hoặc nếu hệ thống chưa

đáp ứng được yêu cầu thì tiến hành lại các bước ở trên

Phương pháp xây dưng mô hình toán mới có những

ưu điểm nổi trội sau:

• Sơ đồ cây mục tiêu có thể trở thành công cụ sáng

chế, giúp các kỹ sư tìm kiếm ra những nguyên lý mới,

giải pháp mới cho kết cấu của các hệ thống cơ khí mà họ

cần thiết kế hoặc cải tiến so với những phương án đã có

trên thị trường

• Cho phép các nhà sản xuất chọn lọc, giản lược để

xây dựng được một quy trình thiết kế phù hợp với bối

cảnh hiện sản xuất hiện tại Bởi lẽ không phải lúc nào,

đơn vị sản xuất nào cũng đủ nguồn nhân lực, tài chính và thời gian, cũng như những điều kiện cần thiết để thực hiện 100% theo các sơ đồ

• Đa dạng hóa mô hình toán dựa vào cách các chuyên gia vận dụng lý thuyết, thực hiện các giản lược, xử lý các giả thiết, v.v

Xây dựng sơ đồ cây mục tiêu “Why-How-What”

Xây dựng sơ đồ “Yêu cầu - Bộ phận – Tham biến”

Xây dựng quy trình thiết kế ứng với một bối cảnh

sản xuất cụ thể

Xây dựng mô hình toán đa mục tiêu

Giái mô hình toán đa mục tiêu bằng phương pháp

VIAM

Thiết kế - Mô phỏng

Gia công và chế tạo […]

[…]

Hình 1 Quy trình thiết kế theo phương pháp mới

• Lợi ích của bảng định tuyến trong việc miêu tả các

mô hình có chứa một số lượng lớn các tham biến điều khiển, các ràng buộc và hàm tiêu chuẩn, vì nó cho phép loại trừ việc thực hiện lại các phép tính trùng lặp, dễ đọc hiểu và quản lý mô hình

• Phương pháp phân tích và tương tác trực quan (VIAM) có thể được xem như một “người tư vấn và phân

xử trực tuyến” trên một bàn tròn mà ở đó các chuyên gia

có thể ngồi trực tiếp với nhau và cùng sử dụng công cụ này

Để chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp, các tác giả đã áp dụng trong việc thiết kế chế tạo máy xẻ gỗ dạng khung thế hệ mới sẽ được đề cập ở phần

3

3 Thiết kế máy xẻ gỗ dạng khung thế hệ mới

Máy xẻ gỗ dạng khung thế hệ mới được phát triển cách đây hơn 20 năm ở Liên bang Nga với nhiều ưu điểm vượt trội so với máy xẻ dạng khung truyền thống, như hệ

tự cân bằng, nhỏ, gọn, tiết kiệm năng lượng [20-21] Tuy nhiên đây cũng là một hệ thống cơ khí phức tạp mà khi thiết kế cần phải thỏa mãn rất nhiều các yêu cầu

Tự động hóa quá trình xây dựng mô hình toán đa mục tiêu và ứng dụng trong thiết kế máy xẻ gỗ dạng khung

kiểu mới

Bảng 1: Nội dung và mục đích cụ thể từng bước chính của phương pháp mới

B1: Xây dựng sơ đồ

cây mục tiêu WHW

WHY: liệt kê ra tất cả những yêu cầu về tính năng, chất lượng, đặc điểm đẩu ra của hệ thống cơ khí cần chế tạo.

HOW: tìm kiếm sơ bộ những nguyên lý, những cơ cấu, những giải pháp để đạt được các yêu cầu trên

WHAT/WHAT DO: liệt kê những chi tiết, cụm chi tiết, hệ thống cơ khí “cơ bản”, những hoạt động cần phải thực hiện để đạt được sự vận hành đúng nguyên lý mà ta dự định

Hình thành rõ ràng cơ cấu, kết cấu của hệ thống cơ khí, nguyên lý vận hành và toàn bộ những công việc, kế hoạch mà

ta cần phải thực hiện để thiết kế

hệ thống cơ khí theo các yêu cầu ban đầu đặt ra

B2: Xây dựng

mô-đun tổng quan YBT

Yêu cầu: toàn bộ những chỉ tiêu, tiêu chuẩn cần đạt được, và toàn bộ những ràng buộc nào đó xung quanh các hiện tượng vật lý sẽ xảy ra,

để đảm bảo chúng xảy ra ở trong một “mức độ” cho phép

Bộ phận: liệt kê toàn bộ những cụm module của hệ thống mà trực tiếp ảnh hưởng đến các chỉ tiêu, hay hoặc là những cụm bộ phận tham gia vào những hiện tượng vật lý cần xem xét

Tham số: liệt kê ra tất cả những tham số về mặt kích thước (dài, góc), động học (vận tốc, gia tốc), các thông số quán tính (khối lượng, mômen quán tính), tính chất cơ – lý của vật liệu, lực hoặc mômen, các hệ số khác, v.v… mà chúng ta có thể thay đổi, điều chỉnh được khi thiết kế hoặc khi vận hành hệ thống.

Tạo cơ sở để giúp các chuyên gia xem xét, phân tích và sàng lọc lại, nhằm thiết kế nên một quy trình phù hợp nhất

B3: Xây dựng quy

trình thiết kế ứng

với một bối cảnh

sản xuất cụ thể

Trên cơ sở 2 sơ đồ ở bước 1 và 2, các chuyên gia cần xem xét và sàng lọc thật kỹ rằng, trong bối cảnh hiện tại của họ, những mục tiêu (D), điều kiện hạn chế (C) và các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến các hiện tượng vật lý (P) nào cần phải được xem xét hàng đầu, và trình tự cho các D/C/P tiếp theo

Xác định rõ kế hoạch hành động cần thực hiện

B4: Xây dựng mô

hình toán đa mục

tiêu

Từ một véc tơ tham biến có giá trị số cụ thể x={xi| i=1 N} (giá trị thử ban đầu), ta tính toàn bộ các phiếm hàm f= {fi| i=1 N} cũng như hàm mục tiêu ф={фi| i=1 N}, sau đó kiểm tra lại các điều kiện của f

cũng như tìm véctơ x tiếp theo để tối ưu ф

Hình thành bảng định tuyến là một bảng sắp xếp lộ trình tính toán các phiếm hàm và hàm mục tiêu theo hướng đi từ trên xuống dưới

B5: Giải mô hình

đa mục tiêu bằng

công cụ VIAM [12,

14-17]

Sử dụng các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu đa dạng trong khuôn khổ VIAM áp dụng với mô hình toán được xây dựng từ bước 4

Tìm lời giải đồng thuận nhất trên cơ sở thỏa hiệp giữa các chuyên gia để xây dựng bộ tham số thiết kế máy

Máy xẻ gồm 6 môđun cưa được sắp xếp hợp lý để đảm

bảo hệ được tự cân bằng động Bước 1, chúng ta sẽ xây

dựng sơ đồ cây mục tiêu cho loại máy xẻ gỗ dạng khung

thế hệ mới (hình 2):

Lưỡi xẻ ngắn

(máy nhỏ

gọn)

Thay thế cơ cấu tay quay con trượt Cơ cấu hình bình hành Giảm thiểu

rung lắc

Triệt tiêu lực quán tính = tạo kết cấu đối xứng

6 cụm module lệch nhau 60 độ Điều chỉnh

được khoảng

cách giữa các

module (bề

rộng tấm xẻ)

Thay thế trục khuỷu bằng các vỏ khớp bản lề sử dụng ổ bi

6 cụm module lệch nhau 60 độ

Tăng độ bền

cho ổ trục

Hợp lý hóa trình tự sắp xếp các đĩa lệch tâm

Tính toán tìm các phương án Khả năng căn

chỉnh khi lắp

ráp

Sử dụng các phần tử đàn hồi

Sử dụng lò xo hoặc phần tử móc […] […] […]

WHY HOW WHAT/WHAT DO

Hình 2 Ví dụ về sơ đồ cây mục tiêu cho máy xẻ gỗ dạng

khung thế hệ mới

Từ hình 2 ta có thể thấy rằng: xuất phát từ mục tiêu

cải thiện những nhược điểm của các máy xẻ gỗ hiện có,

hạt nhân quan trọng nhất của máy xẻ kiểu mới sẽ là các môđun cưa, nên trong sơ đồ cây mục tiêu tổng quát, chúng ta chỉ xét những mục dùng để thiết kế nên mô-đun cưa, hay hoặc sẽ tách riêng sơ đồ của mô-đun riêng biệt

và chi tiết Lưu ý rằng trong sơ đồ cây mục tiêu trên vẫn còn khá nhiều những mục tiêu và yêu cầu khác của máy

xẻ gỗ dạng khung thế hệ mới, chúng được trình bày trong các công trình [11,18-22]

Vấn đề quan trọng tiếp theo của quy trình thiết kế là xây dựng sơ đồ “Yêu cầu – Bộ phận – Tham biến” (YBT) cho mô hình toán của một module cưa (hình 3)

Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả giới thiệu

2 tình huống thiết kế đã xảy ra trên thực tế:

- Tình huống 1: Khi kinh phí của nhà sản xuất được đảm bảo, yêu cầu tiên quyết đặt ra cho máy xẻ gỗ là chất lượng và năng suất Nhìn vào sơ đồ YBT (hình 3), có thể nhận thấy tốc độ đẩy gỗ, hình học lưỡi cưa (bao gồm răng cưa), tốc độ và mômen quay trục sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất máy Bài toán đặt gia lúc này là thiết kế và chế tạo được lưỡi cưa với hình học thỏa mãn tiêu chuẩn cao của việc cắt gỗ, cho phép trục quay cũng như mức tiến gỗ có giá trị lớn Bên cạnh đó, cần xem xét các điều kiện bền, các yêu cầu kỹ thuật khác được biểu thị rõ ràng trong YBT Từ đây, các chuyên gia, kỹ sư có thể xây

dựng được quy trình thiết kế cụ thể cho tình huống đặt ra

[11,18]

Điều kiện về

công nghệ chế

Chiều cao h

Tối ưu năng suất Vỏ khớp bản lề trên/

dưới Các kích thước vỏ Tiết kiệm năng

B,r,L 1 ,pt,az,α,Δ

Lực cắt ngang, dọc

Điều kiện tránh

công hưởng dao

động

Lưỡi cưa

R, l, d, H, α

Điều kiện tránh

mất ổn định lưỡi

cưa

Phần tử đàn hồi

Chiều dài, độ cứng

YÊU CẦU BỘ PHẬN THAM BIẾN

Điều kiện tránh

va chạm cản

răng cưa và gỗ

Điều kiện bền

Dạng móc Dạng lò xo Bánh lệch tâm Trục

Bề rộng b

Tốc độ đẩy gỗ

S w

Vị trí, khối lượng đối trọng

r, e, ρ Tốc độ quay n

Mô men quay M

[…] […] […]

Hình 3 Ví dụ về sơ đồ YBT cho module máy xẻ gỗ dạng

khung kiểu mới

- Tình huống 2: Khi mà công nghệ chế tạo ảnh hưởng

trực tiếp đến thiết kế Trong bối cảnh này không thể chế

tạo một lưỡi cưa có thông số hình học răng cưa và kích

thước tùy ý Lưỡi cưa đã có sẵn và chỉ có thể mua được

loại nhất định Như vậy thì trong tình huống này, điều

kiện công nghệ chế tạo sẽ là bước khởi đầu trong quy

trình thiết kế mà các kỹ sư cần phải thực hiện Các thông

số hình học của lưỡi cưa sẽ trở thành những hằng số đầu

vào đã biết chứ không phải là các giá trị có thể thay đổi

và điều khiển Tiếp theo mới đến các yêu cầu về chất

lượng, năng suất cũng như các ràng buộc kỹ thuật khác

Sau khi có được sơ đồ YBT (hình 3), các chuyên gia

sử dụng những lý thuyết và phương pháp tính toán để xây

dựng nên các công thức, phương pháp tính các phiếm

hàm và tiêu chuẩn Và dựa vào quy trình thiết kế (hình 4)

ta sẽ biết được các giản lược cần thiết trong các hệ thức

tính toán đó Trên cơ sở này, ứng với tình huống 1, chúng

ta có thể xây dựng được mô hình toán cụ thể với sự giúp

đỡ của bảng định tuyến [18] (hình 5):

Mô hình toán với bảng định tuyến này cho phép từ

một bộ giá trị tham biến đầu vào tính được 8 hàm ràng

buộc (f1, f2, …, f8) và 9 hàm mục tiêu (Ф1, Ф2, …, Ф9)

Phương thức thể hiện này còn cho phép giảm thiểu khối

lượng tính toán bởi có một trình tự tính toán hợp lý và

loại trừ các bước tính toán trùng lặp Thật vậy, khi cần

tính hàm ràng buộc f6 theo một bộ giá trị 8 tham biến đầu

vào bất kỳ, ta có trình tự tính toán như sau: để xác định σa

và σm theo các công thức (36,37) cần tính σmin và σmax

theo các công thức (35,32), mà để tính chúng cần phải

tính các bước ở trước, tương tự như vậy ta đi ngược từ

dưới lên Các mũi tên màu đỏ trong bảng cho biết “tuyến

đường” mà xuất phát từ 8 tham biến đầu vào và kết thúc

ở việc xác định f6 Tương tự như vậy ta có thể biết được

lộ trình tính toán cho tất cả các phiếm hàm cũng như hàm

mục tiêu Ở đây các tác giả chỉ trích lược dạng thức của

bảng hình 5 nhằm minh họa cho việc xây dựng mô hình

toán thiết kế đa mục tiêu mà bài báo đề cập Chi tiết cụ

Các thông số đầu vào: chiều cao gỗ h, tốc độ đẩy gỗ S w,

tốc độ quay trung bình n Lựa chọn thông số lưỡi cưa: chiều dày, góc răng cưa,

bước răng p t

Điều kiện tránh

va chạm (b)

Bán kính quay lệch tâm e, chiều dài lưỡi cưa L

Lực cắt dọc và ngang: F h, F v

Lực kéo căng lưỡi cưa ban đầu: F 0

Tần số dao động riêng nhỏ nhất của lưỡi cưa f 01

Tốc độ tối đa của máy xẻ n max

Bộ thông số của lưỡi cưa

Thỏa mãn (a)÷(f) Điều kiện tránh dao

động (f)

Điều kiện hạn chế ứng suất nén (d)

Điều kiện công nghệ chế tạo (a)

Ứng suất lớn nhất của lưỡi cưa σ max

Điều kiện bền (e)

YES NO

Thiết kế phần tử đàn hồi

Lựa chọn ổ trục, thiết kế vỏ khớp bản lề, đĩa lệch tâm Điều kiện

cứng, điều kiện bền

Điều kiện bền

Bộ thông số cho toàn mô-đun cưa Thiết kế; chế tạo; thử nghiệm sản

phẩm

Cơ sở lý thuyết cắt gỗ

Điều kiện tối ưu về mặt năng lượng (c)

Hình 4 Quy trình thiết kế theo tình huống 2

x x1 , , , 2 x8 e b t e h m F n, , , , , , , 1 b b 0 

↓

L (1); L0 (2); m0 (3); a (4); q (5); B2 (6); C (7); l1 (18)  

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓  

f01

(15)  

↓ ↓  

f3

(40)  

a cr (8)  

q cr (9)  

↓  

Bпр (28)   ↓ ↓  

W y (33)  

↓ ↓  

J1 (19)  

↓  

M c

(22)  

↓  

Ф 1

(46)  

Ф 2

(47)  

Ф5 (50)  

Ф 6

(51)  

Ф 9

(54)  

Ф 3

(48)   f1 (38)  

, ,

cr cr

cr cr





 (10÷12)

↓  

F rp

(29)  

↓ ↓  

↓

σmax 

(32)

↓ ↓  

J H (20)  

↓ ↓  

d1 ÷

d5 

(21)

↓  

n cr (13)  

↓ ↓  

f4 

(41)

σmin

(35)  

↓

↓ f5 

(42)  

Ф 8 

(53)  

f7 

(44)  

q c 

(21)

↓

Ф4 (49)   f2 (39)  

σ a (36)  

σ m (37)  

↓

cr c

P  q h

↓ ↓  

f6 (43)   Ф 7 (52)   f8 (45)  

Hình 5 Ví dụ về mô hình toán với bảng định tuyến thể về ý nghĩa vật lý cũng như các hệ thức tính toán, số thứ tự các công thức được trình bày trong công trình [18] Tương tự, ứng với tình huống 2, mô hình toán cũng được giới thiệu chi tiết trong công trình [19]

Với các mô hình toán xây dựng được cho tình huống

1 và 2, các chuyên gia có thể sử dụng công cụ VIAT, dựa trên VIAM để giải các mô hình toán và tìm ra các tham biến thiết kế Cho tình huống 1 lời giải chi tiết được trình bày trong [16, 17], với tình huống 2 được trình bày trong [11]

Mô tả cụ thể của phương pháp VIAM và công cụ VIAT được trình bày chi tiết trong các công bố [12, 14-17] Theo đó thì ý nghĩa chính của công cụ này có thể được xem như một “người tư vấn và phân xử trực tuyến” trên một bàn tròn mà ở đó các chuyên gia có thể ngồi trực tiếp với nhau và cùng sử dụng công cụ này Bằng các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu đa dạng trong khuôn khổ VIAM, với mô hình toán được cài đặt từ Block 5 thì

Tự động hóa quá trình xây dựng mô hình toán đa mục tiêu và ứng dụng trong thiết kế máy xẻ gỗ dạng khung

kiểu mới

VIAT sẽ cho phép thực hiện các công việc sau:

- Cho phép xác định giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của

từng tiêu chuẩn có thể đạt được độc lập khi không xét tới

các tiêu chuẩn còn lại và thỏa mãn điều kiện ràng buộc

phiếm hàm;

- Cho phép ấn định yêu cầu giá trị mong muốn của

từng tiêu chuẩn để từ đó tìm ra miền/khoảng lời giải hợp

lệ;

- Nếu trong trường hợp không tìm ra lời giải, công cụ

sẽ cho biết lý do là vì các ràng buộc nào quá chặt chẽ, hay

hoặc giá trị mong muốn của tiêu chuẩn nào quá khó, hay

hoặc do các cặp tiêu chuẩn nào mâu thuẫn với nhau;

- Cho phép điều chỉnh các khoảng giá trị tham biến,

các giá trị điều kiện của hàm ràng buộc và tiêu chuẩn

mong muốn để từ đó ra được lời giải, và cái giá phải trả

khi thực hiện các sự thay đổi hoặc nhượng bộ đó để tất cả

các chuyên gia có cái nhìn trực quan, khách quan và từ đó

quyết định xem phương án nào là phù hợp nhất Việc làm

này có thể kéo dài bao lâu tùy thích giữa các chuyên gia

Sau khi tìm được các tham biến thiết kế phù hợp, thỏa

mãn yêu cầu của các tình huống sản xuất cụ thể thì chúng

ta thực hiện các bước tiếp theo trong quy trình là thiết kế

– mô phỏng và gia công – chế tạo Tổng hợp các kết quả

chúng ta có được các mô hình và máy như trên hình 6:

a Thiết kế 3D và chế tạo máy theo tình huống 1

b Thiết kế 3D và chế tạo máy theo tình huống 2

Hình 6 Thiết kế chế tạo máy xẻ gỗ dạng khung thế

hệ mới trên cơ sở ứng dụng phương pháp mới

4 Kết luận

Bài báo trình bày phương pháp động hóa quá trình

xây dựng mô hình toán đa mục tiêu, vốn là một vấn đề

phức tạp nhất trong thiết kế và chế tạo các hệ thống cơ

khí Với các bước có trong phương pháp này, tất cả các

yêu cầu, bộ phận chi tiết máy, các hiện tượng vật lý, các

tham biến điều khiển, các cơ sở lý thuyết, v.v… đều được

sắp xếp vào các sơ đồ lược giải rõ ràng và tường minh,

giúp các chuyên gia dễ nhận biết và quản lý, thay đổi

trong mọi tình huống và bối cảnh sản xuất khác nhau Sơ

đồ cây mục tiêu trong phương pháp này còn là một công

cụ hỗ trợ sáng chế, khi cần tìm các cơ cấu và nguyên lý làm việc mới cho các máy móc Bên cạnh đó công cụ VIAM/VIAT dùng để giải các mô hình toán đa mục tiêu cũng là một công cụ đáng chú ý Phương pháp xây dựng

mô hình toán này đã được ứng dụng cho việc thiết kế và chế tạo được 2 máy xẻ gỗ dạng khung thế hệ mới ở 2 tình huống sản xuất khác nhau Ngoài ra, phương pháp này sẽ cũng có thể áp dụng để thiết kế các hệ thống cơ khí phức tạp khác

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyen Huu Loc Cơ sở thiết kế máy NXB Đại học Quốc

Gia TPHCM, 2012 – 653 tr

Butterworth-Heinemann, 2 ed., 2003 – 384 p

[3] Yildirim Hurmuzlu, Osita D.I Nwokah The Mechanical

Systems Design Handbook: Modeling, Measurement, and Control CRC Press, 1 ed., 2017 – 872 p

[4] Stephen J Derby Design of Automatic Machinery CRC

Press, 2004 – 438 p

[5] Andrzej Golenko Fundamentals of Machine Design

Wroclaw University of Technology, 2010 – 175 p

[6] David G Ullman The Mechanical Design Process David

Ullman LLC, 6 ed., 2017 – 480 p

[7] Richard Budynas, Keith Nisbett Shigley's Mechanical

Engineering Design McGraw-Hill Education, 10 ed.,

2014 – 1104 p

[8] Bhandari V.B Design of Machine Elements Mc Graw Hill

India, 4 ed., 2016 – 944 p

[9] Ansel C Ugural Mechanical Design of Machine

Components CRC Press, 2 ed., 2015 – 1034 p

[10] Dang H.M Automation and management of design and

production of composite pressure vessel by winding method, PhD Dissertation, 2013 Moscow (In Russian)

[11] Phung V.B Automation and management of the

decision-making process for multi-criteria design of the Saw Unit of a multirip bench, PhD Dissertation, 2017

Moscow (In Russian)

[12] Dang H.M., Phung V.B., Bui V.P., Nguyen V.D

Multi-criteria design of mechanical system by using visual interactive analysis tool Journal of Engineering Science

and Technology Vol 14, No 3 (2019) 1187 – 1199 p [13] R.B Statnikov, S.S Gavriushin, Dang H.M., A.R

Statnikov Multicriteria design of composite pressure

vessels International Journal of Multicriteria Decision

Making, Vol 4, No 3, Pp 252-278

[14] S.S Gavriushin, Dang H.M Multi-Criteria management of

the life cycle of metal cutting process Journal of higher

educational institutions: Machine building, № 10, 2016,

pp 82-95

[15] Nguyen V.D Dang H.M High performance concrete

mixture proportioning: Multi-objective optimization

approach Journal of Science of Ho Chi Minh City Open

University 20(4) - 2016, pp 65-76

[16] Gavryushin S.S., Nguyen C.D., Dang H.M., Phung V.B

Automation of Decision-Making When Designing the Saw

Unit of a Multirip Bench Using the Multiple-Criteria

Approach Journal of higher educational institutions:

Machine building, № 12, 2017, pp 51-65

[17] Dang H.M., Phung V.B., Nguyen V.D Multi-objective

design for a new type of frame saw machine International

Journal of Mechanical and Production Engineering

Research and Development (IJMPERD) Vol 9, Issue 2,

Apr 2019, 449-466

[18] Phung V.B., Dang H.M Gavriushin S.S Development of

mathematical model for management lifecycle process of

new type of multirip saw machine Science and education

MSTU NE Bauman № 1-2017 87–109 p

[19] Dang H.M., Phung V.B., Nguyen V.D Multi-criteria

mathematical model for a new type of frame saw machine

design Journal of Engineering Science and Technology –

Ha Noi University of Industry, 2019 63-69 p

[20] Fonkin V F Saw machines and system, Eds:

Woodworking industry, Russian Federation, 1979, 320 p

[21] Fonkin V F Wood frame saw machine and similar frame

saw equipment, Eds: Woodworking industry, 1970, 302 p

[22] Blokhin M.A Creation of multi saw machine with a

circular reciprocating saw blades PhD thesis, Moscow,

2005, 303 p