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

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 q trình xây dựng mơ hình tốn 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 Cơng nghệ Cơ khí, Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2Khoa Hàng khơng Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
3

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

Tóm tắt
Bài báo đề xuất một phương pháp tự động hóa q trình
xây dựng và giải mơ 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 mơ hình tốn với
bảng định tuyến; giải mơ hình tốn 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, khơng
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, mơ hình tốn, ra quyết định.

1. Mở đầu
Thiết kế máy móc và các hệ thống cơ khí ln 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 vịng đời
sản phẩm, và gần đây nhất là nền cơng nghiệp 4.0. Có rất
nhiều tài liệu và cơng 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 mơ 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 mơ 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 q trình thiết kế
lại thấp nên ở hầu hết các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ ngày
nay vẫn áp dụng mơ 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 tốn, cơ sở dữ liệu và
quản lý thơng tin thì mơ 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 vịng đời một cách chặt chẽ [10-11].
Theo đó cho phép tham gia vào q trình thiết kế vịng
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 đốn và xử lý các
hỏng hóc sản phẩm có thể xảy ra, các nhà chế tạo, kỹ sư
tính tốn, kỹ sư vật liệu,… Khi đó q trình kiểm sốt
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 mơ
hình quản lý này sẽ vô cùng phức tạp. Bởi lẽ về bản chất,
bài tốn thiết kế trong một mơi trường có nhiều chun
gia như mơ hình quản lý vịng đời sản phẩm là bài toán
đa mục tiêu phức tạp. Sự phức tạp khơng chỉ thể hiện ở
việc giải các bài tốn mà cịn ở vấn đề xây dựng mơ hình
tốn. Rất nhiều các cơng 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 cơng trình này,
các tác giả thường chỉ tập trung vào phương pháp giải
quyết các mơ hình tốn đa mục tiêu của đối tượng. Tuy
nhiên lại tồn tại một vấn đề quan trọng khác chính là độ
tin cậy của mơ hình tốn. Nếu như mơ hình tốn khơng
phản ảnh chính xác về bản chất vận hành vật lý của hệ
thống thì kết quả từ những cơng cụ tối ưu hóa nói trên sẽ
có thể khơng đúng đắn và thậm chí vơ nghĩa. Trong mơ
hình tốn 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
mơ hình tốn dưới nhiều dạng thức, như các hệ thức tính
tốn, các bảng số liệu, các mơ hình mơ phỏng, các đồ thị,
v.v… Trong những cơng trình [11-12, 18-19] các tác giả
đã đề xuất một phương pháp xây dựng bảng định tuyến
nhằm xây dựng mơ hình tốn chính xác và thuận lợi,
tránh lặp các bước tính tốn thừa trong các hàm số. Tuy


Đặng Hồng Minh, Phùng Văn Bình, Bùi Văn Phương, Nguyễn Việt Đức
nhiên ở mơ hình tốn thu được, các chun 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 mơ hình thiết kế sẽ có thể
khác nhau. Dẫn tới mơ hình tốn 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 mơ hình tốn trong các bối cảnh sản xuất
khác nhau có thể là khác nhau. Tuy nhiên hiện nay chưa
có nhiều cơng bố đề cập đến phương pháp tự động hóa
xây dựng mơ hình tốn đa mục tiêu trong thiết kế các hệ
thống cơ khí.
Dễ dàng nhận thấy đây là một cơng việc vơ 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 u cầu kỹ
thuật, v.v…
Chính vì vậy, trong cơng trình này, chúng tơi đề xuất
một chuỗi các phương pháp nhằm tự động hóa q trình
xây dựng và giải mơ hình tốn 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 q trình xây dựng mơ hình
tốn 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 thơng cơ khí cần
thiết kế, thì các kỹ sư sẽ có thể tiến hành thiết kế và mơ
phỏng nó trên máy tính, dựa vào bộ tham biến đã được
tìm ra (Bước 6), từ đó gia cơng 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 mơ hình tốn mới có những
ưu điểm nổi trội sau:
• Sơ đồ cây mục tiêu có thể trở thành cơng 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 mơ hình tốn 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 mơ hình tốn đa mục tiêu

Giái mơ hình tốn 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
mơ 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 mơ 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 trịn mà ở đó các chuyên gia
có thể ngồi trực tiếp với nhau và cùng sử dụng cơng 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 q trình xây dựng mơ hình tốn 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
Các bước chính

Nội dung triển khai

Mục đích hướng đến

WHY: liệt kê ra tất cả những yêu cầu về tính năng, chất lượng, đặc
Hình thành rõ ràng cơ cấu, kết
điểm đẩu ra của hệ thống cơ khí cần chế tạo.
cấu của hệ thống cơ khí,
HOW: tìm kiếm sơ bộ những ngun lý, những cơ cấu, những giải nguyên lý vận hành và tồn bộ
B1: Xây dựng sơ đồ
những cơng việc, kế hoạch mà
pháp để đạt được các yêu cầu trên
cây mục tiêu WHW

ta cần phải thực hiện để thiết kế
WHAT/WHAT DO: liệt kê những chi tiết, cụm chi tiết, hệ thống cơ hệ thống cơ khí theo các yêu
khí “cơ bản”, những hoạt động cần phải thực hiện để đạt được sự vận cầu ban đầu đặt ra
hành đúng nguyên lý mà ta dự định
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
Tạo cơ sở để giúp các chuyên
tiếp ảnh hưởng đến các chỉ tiêu, hay hoặc là những cụm bộ phận
gia xem xét, phân tích và sàng
B2: Xây dựng môtham gia vào những hiện tượng vật lý cần xem xét
lọc lại, nhằm thiết kế nên một
đun tổng quan YBT
Tham số: liệt kê ra tất cả những tham số về mặt kích thước (dài, góc), quy trình phù hợp nhất
động học (vận tốc, gia tốc), các thông số qn tính (khối lượng,
mơmen qn 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.
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
Xác định rõ kế hoạch hành
(D), điều kiện hạn chế (C) và các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến các
động cần thực hiện
hiện tượng vật lý (P) nào cần phải được xem xét hàng đầu, và trình tự

cho các D/C/P tiếp theo

B4: Xây dựng mơ
hình tốn đa mục
tiêu

Hình thành bảng định tuyến là
Từ một véc tơ tham biến có giá trị số cụ thể x={xi| i=1..N} (giá trị
một bảng sắp xếp lộ trình tính
thử ban đầu), ta tính tồn bộ các phiếm hàm f= {fi| i=1..N} cũng như
toán các phiếm hàm và hàm
hàm mục tiêu ф={фi| i=1..N}, sau đó kiểm tra lại các điều kiện của f
mục tiêu theo hướng đi từ trên
cũng như tìm véctơ x tiếp theo để tối ưu ф
xuống dưới

B5: Giải mơ hình
đa mục tiêu bằng
Sử dụng các thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu đa dạng trong khuôn
công cụ VIAM [12, khổ VIAM áp dụng với mơ hình tốn được xây dựng từ bước 4
14-17]

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):
WHY

HOW

WHAT/WHAT DO

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

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

6 cụm module
lệch nhau 60 độ

Hợp lý hóa trình tự

sắp xếp các đĩa lệch
tâm

Tính tốn tìm
các phương án

Sử dụng các phần tử
đàn hồi

Sử dụng lị xo
hoặc phần tử
móc

[…]

[…]

Điều chỉnh
được khoảng
cách giữa các
module (bề
rộng tấm xẻ)
Tăng độ bền
cho ổ trục
Khả năng căn
chỉnh khi lắp
ráp
[…]

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,

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

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 cơng 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 mơ hình tốn của một module cưa (hình 3).
Trong khn 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


Đặng Hồng Minh, Phùng Văn Bình, Bùi Văn Phương, Nguyễn Việt Đức
dựng được quy trình thiết kế cụ thể cho tình huống đặt ra
[11,18].
U CẦU

BỘ PHẬN

Điều kiện về
cơng nghệ chế
tạo

Gỗ

Tối ưu năng suất

Vỏ khớp bản lề trên/
dưới

Tiết kiệm năng
lượng

Đối trọng

Điều kiện tránh
công hưởng dao

động
Điều kiện tránh
mất ổn định lưỡi
cưa

Lưỡi cưa
Phần tử đàn hồi
Dạng móc
Dạng lị xo

Chiều cao h
Bề rộng b
Tốc độ đẩy gỗ
Sw
Các kích thước
vỏ
Vị trí, khối
lượng đối trọng
B,r,L1,pt,az,α,Δ
Lực cắt ngang,
dọc

Cơ sở lý
thuyết cắt
gỗ

Lực cắt dọc và
ngang: Fh, Fv

Điều kiện

hạn chế
ứng suất
nén (d)

Lực kéo căng lưỡi
cưa ban đầu: F0

Tần số dao động riêng
nhỏ nhất của lưỡi cưa f01

Ứng suất lớn nhất
của lưỡi cưa σmax

Tốc độ tối đa
của máy xẻ nmax

Điều kiện
bền (e)

NO

R, l, d, H, α

Bánh lệch tâm

Điều kiện bền

Trục

Tốc độ quay n

Mơ men quay M

Thỏa mãn
(a)÷(f)

Điều
kiện
tránh
va
chạm
(b)

Điều kiện tối ưu về
mặt năng lượng (c)
Điều kiện tránh dao
động (f)

Bộ thông số của lưỡi cưa
Thiết kế phần tử
đàn hồi

Điều kiện
cứng, điều
kiện bền

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

Bộ thơng số cho tồn mơ-đun cưa

[…]

Hình 3. Ví dụ về sơ đồ YBT cho module máy xẻ gỗ dạng
khung kiểu mới
- Tình huống 2: Khi mà cơng nghệ chế tạo ảnh hưởng
trực tiếp đến thiết kế. Trong bối cảnh này khơng thể chế
tạo một lưỡi cưa có thơng 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 cơng nghệ chế tạo sẽ là bước khởi đầu trong quy
trình thiết kế mà các kỹ sư cần phải thực hiện. Các thơng
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 tốn để xây
dựng nên các cơng 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 tốn đó. Trên cơ sở này, ứng với tình huống 1, chúng
ta có thể xây dựng được mơ hình tốn cụ thể với sự giúp
đỡ của bảng định tuyến [18] (hình 5):
Mơ hình tốn 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 tốn bởi có một trình tự tính tốn hợp lý và
loại trừ các bước tính tốn 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 tốn như sau: để xác định σa
và σm theo các cơng thức (36,37) cần tính σmin và σmax
theo các cơng 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 tốn 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 mơ hình
tốn thiết kế đa mục tiêu mà bài báo đề cập. Chi tiết cụ

Bán kính quay lệch tâm e, Điều kiện
chiều dài lưỡi cưa L
công nghệ
chế tạo (a)

YES

Chiều dài, độ
cứng
r, e, ρ

[…]

Lựa chọn thông số lưỡi cưa: chiều dày, góc răng cưa,
bước răng pt

THAM BIẾN

Điều kiện tránh
va chạm cản
răng cưa và gỗ
[…]

Các thông số đầu vào: chiều cao gỗ h, tốc độ đẩy gỗ Sw,
tốc độ quay trung bình n

Thiết kế; chế tạo; thử nghiệm sản
phẩm

Điều kiện
bền

Hình 4. Quy trình thiết kế theo tình huống 2
x   x1, x2 ,, x8    e, b, t , e1 , hb , mb , F0 , n  

↓
L (1); L0 (2); m0 (3); a (4); q (5); B2 (6); C (7); l1 (18) 
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
f01
acr (8) 
Mc
f3

Bпр (28)  Wy (33) 
J1 (19) 
qcr (9) 
(15) 
(22) 
(40) 
↓
↓  ↓
↓ 
↓ 
↓ ↓ 
↓ 
↓ 
qcr1 , qcr 2
d1 ÷
Frp
σmax 

Ф3
JH (20) 
d5 
(29)  ↓
f (38)  acr1 , acr 2
(32)
(48)  1
↓
↓  (21)
(10÷12) ↓
↓ 
↓ ↓ 

↓ 
↓ 
↓

ncr (13) 

Ф4 (49) 

f4 
(41)

↓ 

f2 (39) 
f6 (43) 

↓ 
Ф1
(46) 
Ф2
(47) 

Ф5
σmin
qc  (50) 
f5  Ф8  f7 
(35)  ↓
(21)
(42)  (53)  (44) 
Ф6

↓
↓
(51) 
σa (36) 
Pcr  qc  h  
σm (37) 
↓
↓ 
Ф9
↓
Ф7 (52)  f8 (45)  (54) 

Hình 5. Ví dụ về mơ hình tốn với bảng định tuyến
thể về ý nghĩa vật lý cũng như các hệ thức tính tốn, số
thứ tự các cơng thức được trình bày trong cơng trình [18].
Tương tự, ứng với tình huống 2, mơ hình tốn cũng
được giới thiệu chi tiết trong cơng trình [19].
Với các mơ hình tốn xây dựng được cho tình huống
1 và 2, các chun gia có thể sử dụng công cụ VIAT, dựa
trên VIAM để giải các mơ hình tốn 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 cơng cụ
VIAT được trình bày chi tiết trong các cơng bố [12,
14-17]. Theo đó thì ý nghĩa chính của cơng 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 cơng cụ này. Bằng các
thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu đa dạng trong khn

khổ VIAM, với mơ hình tốn được cài đặt từ Block 5 thì


Tự động hóa q trình xây dựng mơ hình tốn 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 khơng tìm ra lời giải, cơng 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 chun 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
– mơ phỏng và gia cơng – chế tạo. Tổng hợp các kết quả
chúng ta có được các mơ hình và máy như trên hình 6:

trong mọi tình huống và bối cảnh sản xuất khác nhau. Sơ
đồ cây mục tiêu trong phương pháp này còn là một cơng
cụ hỗ trợ sáng chế, khi cần tìm các cơ cấu và nguyên lý
làm việc mới cho các máy móc. Bên cạnh đó cơng cụ
VIAM/VIAT dùng để giải các mơ hình tốn đa mục tiêu
cũng là một cơng cụ đáng chú ý. Phương pháp xây dựng
mơ hình tốn 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. Ngồi 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.

[2]

Peter

Childs.

Mechanical

Design.

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.,

a.

2014. – 1104 p.

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

[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).

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 q trình
xây dựng mơ hình tốn 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

[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


Đặng Hồng Minh, Phùng Văn Bình, Bùi Văn Phương, Nguyễn Việt Đức
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.