Thảo luận Một số khía cạnh trong thiết kế kỹ thuật (Cơ điện tử)

trimyka

VIP
Thành viên BQT
#1
Lâu nay mình thường tự hỏi… nếu học thật tốt các môn như thiết kế máy, nguyên lý máy, lý thuyết mạch và sử dụng thật tốt nhiều chương trình mô phỏng khác nhau … thì có thể trở thành một nhà thiết kế giỏi về cơ điện tử được hay không… và câu trả lời là “có thể”:)

Tuy nhiên nếu đi xa hơn trong cuộc sống thường ngày, khi không còn hào nào để phóng (mặc dù mình rất hào phóng)… thì vấn đề đặt ra ở đây là với các kiến thức “siêu phàm” đó (chém gió thôi nhé…) mình có thể thiết kế một sản phẩm để cho người đời có thể mua nó và sử dụng theo đúng nhu cầu của họ , đồng thời lại có thể chữa căn bệnh “viêm màng túi “ đang hành hạ mình không ?.. đáng tiếc là câu trả lời là “không” :((
mechatronic element.jpg



Trong tâm trạng rối bời, mình quyết định đi tìm câu trả lời…và cũng trong quá trình đó mình phát hiện một lĩnh vực thuộc dạng “cũ người mới ta”… đó là môn “thiết kế kỹ thuật” (Engineering Design).. đây là một môn học về quá trình hình thành một sản phẩm từ giai đoạn “sơ khai” đến “hoàn chỉnh” , giúp cho người thiết kế có thể tạo ra được những sản phẩm có ích đặc biệt ứng dụng rất nhiều trong chuyên ngành cơ điện tử…

Xin các bạn lưu ý 2 điều:

  1. Môn thiết kế kỹ thuật không thay thế được các môn chuyên ngành như thiết kế máy, nguyên lý máy, thiết kế mạch, mạch điện tử. v.v… mà mục tiêu của nó làm cho chúng ta một cách nhìn tổng thể về quá trình hình thành nên một sản phẩm có thể sử dụng phát triển ….trong đó các kiến thức chuyên ngành là những yếu tố không thể thiếu….
  2. Bản thân “Thiết kế kỹ thuật” không giúp các bạn trở thành nhà thiết kế giỏi mà chỉ là phương tiện giúp cho bạn có thể trở thành một nhà thiết kế… quan trọng là chính bạn có chịu “đổ mồ hôi, sôi nước mắt” hay không mà thôi…

….vậy nó như thế nào nhỉ… có nhiều tác giả khác nhau đưa ra nhiều sơ đồ khối khác nhau như trong quyển “Engineering Design” nổi tiếng của PAHL and BEITZ (bạn chịu khó đọc tiếng Anh nhé…) sơ đồ khối qui trình thiết kế kỹ thuật được trình bày như sau

Pahl and Beitz.jpg




Hay nói một cách đơn giản hơn như trong quyển “Shigley’s Mechanical Design” kinh điển của tác giả Budynas (đã được tái bản lần 9)
Shigley.jpg



Tuy nhiên dù cách thể hiện như thế nào thì nội dung cũng bao gồm các bước sau:

1. Định nghĩa và lên kế hoạch thực hiện dự án chế tạo sản phẩm
2. Xác định các yêu cầu của khách hàng về sản phẩm
3. Xem xét các sản phẩm tương tự
4. Đưa ra các đặc tính kỹ thuật cho sản phẩm và các giá trị mục tiêu cần phải đạt.
5. Thực hiện các bước thiết kế khái quát (conceptual design)
6. Đánh giá các thiết kế khái quát.
7. Thiết kế chi tiết và làm mô hình. (embodient design/detail design)
8. Đánh giá sản phẩm trên cơ sở các giá trị mục tiêu và chi phí

Trong các phần trên, hiện nay các kiến thức về các môn chuyên ngành được học trong các trường kỹ thuật sử dụng rất nhiều trong mục 5, 6, 7 nên nếu có điều kiện mình sẽ trao đổi trong các bài viết khác… Riêng mục 1 nằm trong phần quản trị dự án.. các bạn có thể xem trong các tài liệu khác …

…Trong phạm vi bài viết lần này mình chỉ trao đổi các mục 2, 3, 4 …do ít được đề cập trong các tài liệu trong nước… nội dung trình bày chủ yếu tham khảo từ các nguồn sau
  1. “Design for electrical and computer engineers – Ralph M. Ford” - NXB McGraw-Hill
  2. " The Mechanical Design Processes - David G.Ullman" - NXB McGraw-Hill
  3. Website của các trường Đại học Pennsylvania và MIT

Nguồn gốc và tính chất của các thông số kỹ thuật trong thiết kế

Hầu như tất cả các bài toán trong giáo trình mà các bạn sinh viên kỹ thuật thường làm có dạng sau…. “Cho một hệ thống/thiết bị như hình vẽ 1, 2, 3…với các dữ kiện x, y, z… Hãy thiết kế một chi tiết a, b, c để thỏa mãn yêu cần l, m, n”…nghĩa là lúc này bạn có nhiệm vụ thiết kế theo các dữ kiện được cho trước và thường là đủ cho bạn ra được kết quả... để "ra trường"=D>

Nhưng trong thực tế, không thể có một "bài tập thiết kế" đẹp như thế… làm thế nào có thể có "hình vẽ 1, 2, 3"… rồi các dữ kiện ban đầu x, y, z lấy ở đâu ra…. làm sao biết để thiết kế chi tiết a, b, c.....~X( Đây chính là nguyên nhân cơ bản tại sao bạn có thể rất giỏi trong từng môn chuyên ngành khi học ở trường nhưng lại gặp nhiều khó khăn khi tạo ra sản phẩm thực sự có tính thương mại cao khi ra trường làm việc rong môi trường thực tế…

Theo tiêu chuẩn của viện kỹ thuật điện và điện tủ Mỹ (IEEE 1233- 1998) qui trình xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống theo mô hình sau:
IEEE.jpg



Theo sơ đồ này thì hầu hết các thông số xuất phát từ người sử dụng sản phẩm (customer), từ các qui định về thiết kế (environment) và phải thỏa mãn các yêu cầu sau (theo IEEE 1233-1998):

  1. Mô tả hệ thống một cách xúc tích (abstract)-
    Yêu cầu kỹ thuật phải mô tả được hệ thống thiết kế làm được gì chứ không phải hệ thống được làm như thế nào. Điều này đôi khi tương đối khó, vì thường chúng ta đều thiết kế dựa trên một số cách giải quyết mẫu đã từng học hay thực hiện trong quá khứ, do đó khi nghĩ về một vấn đề nào đó thường mô tả theo quan điểm được đào tạo
    ví dụ bạn phải thiết kế một phương tiện nào đó có thể đưa người từ bờ bên này sang bờ bên kia của một con sông rộng… thì nếu bạn là kỹ sư xây dựng bạn sẽ mô tả một chiếc cầu, nhưng nếu bạn là kỹ sư tàu thủy đương nhiên nó sẽ được mô tả như một chiếc tàu… mặc dù về mặt khách quan có thể có nhiều cách khác nhau để qua con sông đó… như … bơi chẳng hạn… biết đâu cách này có hiệu quả hơn… nhất là trong trường hợp bạn trượt chân rơi xuống nước… :)) không thể chờ xây cầu được…
    .

  2. Có thể kiểm tra được (verifable):
    Khi bạn hoàn thành xong sản phẩm, bạn phải kiểm tra được rằng các thông số này để chắc chắn rằng nó đã đạt yêu cầu đề ra

  3. Rõ ràng (Unambiguous):
    Mỗi yêu cầu chỉ có một nghĩa rõ ràng và được phát biểu ngắn gọn.

  4. Có tính liên kết (Traceable):
    các yêu cầu kỹ thuật phải có tính kết nối với các yêu cầu của người sử dụng (customer). Nếu thiết kế của bạn không thể đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng thì không được gọi là thành công.

Cách bước xác định các thông số kỹ thuật dựa trên yêu cầu của người sử dụng

Có lẽ đây là giai đoạn khó nhất với người kỹ sư thiết kế vì đơn giản người sử dụng rất khó mô tả yêu cầu của họ theo cách nói của dân kỹ thuật

Ví dụ:
  1. Khách hàng yêu cầu bạn thiết kế cánh cửa xe ô tô sao cho có thể mỏ ra đóng vào một cách nhẹ nhàng… Ô, nhẹ nhàng là sao nhỉ ? 20 N hay 40 N?...
  2. Hoặc yêu cầu thiết kế một điện thoại di động có khả năng bắt sóng thật mạnh… thật mạnh là bao nhiêu ? đo bằng đơn vị gì? …

Hình sau đây thể hiện rất hài hước và sinh động về “nỗi khổ”này
customer requirements.jpg


Đương nhiên là không thể có một “cây đũa thần” nào đó có thể giải quyết một cách hoàn chỉnh cho mọi vấn đề … nhưng sau đây là các bước mà các bạn có thể tham khảo:

Bước 1:
Từ vấn đề người sử dụng đưa ra, bạn đặt các câu hỏi để có thể lập ra được danh mục các yêu cầu thiết kế, và sắp xếp theo thứ tự ưu tiên, cần lưu ý các yêu cầu thiết kế phải có tính định lượng nghĩa là có thể cân, đong, đo, đếm được.

Ví dụ: người sử dụng yêu cầu thiết kế “một màn hình xem cho thật nét” ? bạn hỏi tiếp “ nét là như thế nào nhỉ ? bạn có thể nói rõ hơn không”… trả lời “ khó nói quá…không thể diễn tả được”… bạn hỏi tiếp “ thế bạn đang dùng TV gì ?” trả lời : “Sony model xxxx…” hỏi tiếp: ‘ Thế nét cỡ đó được không bạn “.. trả lời :” Được “… Thế là qua các thông số của sản phẩm mẫu (ví dụ độ phân giải màn hình Sony model xxxx là 1024x768) bạn đã có được yêu cầu kỹ thuật “ Màn hình có độ phân giải 1024x768” từ yêu cầu "thật nét"

Có lẽ đây là bước quan trọng nhất đòi hỏi các bạn phải có nhiều kỹ năng khác nhau.. từ kỹ năng mềm (đàm phán, đặt câu hỏi, suy luận phân tích…) đến các kỹ năng cứng (nguyên lý máy, chi tiết máy, lý thuyết mạch, mạch điện tử …), nó còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và năng khiếu riêng của từng người….. Trong các công ty lớn công việc này thường do “giám đốc sản phẩm” (product manager) đảm trách

Bước 2:
Loại các yêu cầu không cân thiết nhằm tránh làm ảnh hưởng tới các yếu tố khác hoặc làm tăng giá thành một cách không cần thiết.. vì thường các yếu tố thiết kê có ảnh hưởng lẫn nhau.

Ví dụ: Công suất Ampli càng lớn càng ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh hay càng phóng to ảnh càng ảnh hưởng đến độ nét

Một thủ thuật để loại bỏ các yêu câu không cân thiết là sau khi bạn thực hiện xong bước thứ nhất… bạn loại bỏ dần dần các yếu cầu từ dưới lên trên xem nó có làm thay đổi các yêu cầu từ trên xuống hay không

Bước 3:
Xác định các tiêu chí kỹ thuật ràng buộc sản phẩm của bạn.

Ví dụ: Trong thi đấu robocon, bạn bị giới hạn về khối lượng của cả hai robot di động và điều khiển bằng tay… trong trường hợp này yêu cầu kỹ thuật trở nên "nét như TV Sony ":)) ... yêu cầu :"Tổng khối lượng hai chú robot không quá 25 kg..."

Bước 4:
Xác định các tiêu chí phi kỹ thuật ràng buộc việc thiết kế sản phẩm. Đây cũng là một yếu tố quan trọng trong việc xác định các yêu cầu kỹ thuật và thường là các qui định an toàn, phòng chống cháy nổ… nằm trong các tiêu chuẩn thiết kế như TCVN, DIN, ASTM….v.v…

Ví dụ: nếu bạn thiết kế hệ thống làm lạnh đương nhiên bạn không thể sử dụng CFC làm môi chất do qui định về môi trường. hoặc bạn không thể sử dụng các thiết bị đóng cắt điện bình thường trong môi trường xăng dầu.

Một tiêu chí phi kỹ thuật khác cũng sẽ làm cho bạn nhức đầu không kém đó là chi phí vì nó động tới túi tiền của khách hàng… mà thường thì “túi tiền đi liền với khúc ruột” :)) mà..

Bước 5:
Nhận định và tìm hiểu về các sản phẩm tương tự đã và đang có trên thị trường… Ô, cái này thì quen quá rồi các bạn nhỉ… vì hầu hết khi giải các bài toán thiết kế sản phẩm chúng ta “thường tìm ý tưởng” ;) từ các sản phẩm khác nổi tiếng…. Trong một vài trường hợp chính các sản phẩm đã có lại tạo nên một tiêu chuẩn thiết kế.

Ví dụ nếu bạn viết một phần mềm thì chắc chắn nó phải chạy được trong Win … bạn mới có thể sống được

Mình thắc mắc sao người ta lên án về “hàng nhái” …hay “phần mềm lậu” vì đôi khi nó cũng mang lại nhiều điều hay đấy chứ. Bạn thử nghĩ xem nếu bạn mua máy tính mà phải cài tất cả phần mềm từ Win cho tới Office rồi Autocad, Altium… thì cái túi tiền của bạn sẽ như thế nào???. Và ngay cả các đại gia như Apple, Samsung còn kiện nhau chí chóe về chuyện nhái của nhau nữa kìa huống chi là mình.

Bước 6:

Xác định các ràng buộc về mặt thực hiện dự án ảnh hưởng đến yêu cầu thiết kế.

Ví dụ: Bạn không thể lập trình con ARM nếu bạn chỉ có bộ lập trình cho con PIC trong tay do đó đương nhiên yêu cầu kỹ thuật … “Hệ thống chỉ sử dụng PIC 16Fxxx “ …mặc dù có thể dùng con ARM tốt hơn nhiều..

Bước 7:
Trao đổi với các chuyên gia để xác định giải pháp tối ưu…

ví dụ: đưa yêu cầu lên trang codientu.org nhờ anh em góp ý v.v…:)

Bước 8:
Gặp lại khách hàng lần nữa để xác nhận lại các yêu cầu kỹ thuật của mình .. trên cơ sở “giấy trắng mực đen” Thường thì một bản tóm tắt yêu cầu giống như hình sau đây (trích từ quyển “Design for Electrical and Computer Engineers”)


requirement.jpg


Trong bảng này tác giả mô tả một hệ thống khuyếch đại âm thanh dùng trong xe ô tô... nếu bạn để ý kỹ nó đều đạt các yêu cầu theo tiêu chuẩn IEEE 1233-1998 ...

Bước 9
Sau đó bạn có thể bắt tay vào các bước thiết kế tiếp như: Thiết kế khái quát (concept design)... trên cơ sở các yêu cầu kỹ thuật đã nêu ở trên...

Trên Internet có các mẫu liệt kê các yêu cầu cho từng chuyên ngành để các bạn có thể tham khảo... Ngoài ra bạn còn có thể tìm trên website của hai trường đại học MIT và Pennsylvania một số các đồ án mẫu về qui trình thiết kế kỹ thuật đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí....

bạn chỉ cần "gúc gồ" các từ khóa sau đây "Engineering Design" hoặc chi tiết hơn "Identifying technical requirements for engineering design" thế là có ngay khá nhiều điều thú vị đấy...

Do tính chất của thiết kế vừa mang tính kỹ thuật và sáng tạo, nên trong một bài viết trên diễn đàn khó không thể nói hết được và có thể có nhiều ý kiến khác nhau... rất mong nhận được góp ý các bạn và đặc biệt mình rất mong được thảo luận thẳng thắn và cởi mở về lĩnh vực này...

Mình sẽ cố gắng trình bày thêm một vài khía cạnh khác chẳng hạn như các phương pháp AHP (Analytical Hierarchy Process), QFD (Quality Function Deployment) và đặc biệt là phương pháp luận sáng tạo (TRIZ) được dùng khá nhiều trong thiết kế kỹ thuật nhằm xác định tối ưu các thông số kỹ thuật.... trong các bài viết sau..

Hẹn gặp lại các bạn....
 

demon52

Kỹ sư
#2
Cảm ơn bạn. Bài viết rất sâu sắc
 

sgesvn

Moderator
Thành viên BQT
#3
bài viết hay và rất có ý nghĩa cho những ai học cơ điện tử
 

lanpro

Học sinh phổ thông
#5
Cám ơn bạn nhé , bài viết hay quá , rất ý nghĩa với một sinh viên Cơ Điện Tử như mình , mong bạn chia sẻ nhiều hơn nữa về nghành Cơ Điện Tử chúng mình
 

BuiBachTuanAnh

Quản trị viên
Thành viên BQT
#6
Rõ ràng đã học Cơ điện tử và ra trường đi làm nhưng từ khi đọc bài của anh lần đầu em mới hiểu để thành một kỹ sư Cơ điện tử thực thụ không hề đơn giản, có quá nhiều yếu tố quyết định đến sự hình thành một người kỹ sử cơ điện tử.
  • Được định hướng đúng đắn và chính xác về Cơ điện tử.
  • Bản thân thấy yêu thích Cơ điện tử.
  • Môi trường đào tạo
  • Cơ điện tử có vị trí trong các nghành kỹ thuật.
  • Và một số yếu tố khác
Trong tất cả các yếu tố trên thì bản thân em duy nhất chỉ có cái thứ 2. Yếu tố 1 bị mù mờ từ ngày học và đến bây giờ mới sáng dần ra. Yếu tố 3 và 4 lại do 1 và 2 xây dựng tích lũy để thành. Tức là các yếu tố trên tác động đến nhau một cách qua lại. Chính vì vậy điều quan trọng nhất bây giờ vẫn là 1 và 2. Nghĩa là các trường đạo tạo hãy để cho tân sinh viên hiểu được Cơ điện tử một cách chính xác ngay khi phân khoa, phân ngành.
Cộng đồng cũng đang làm điều đó, cảm ơn anh về bài viết rất hay và ý nghĩa.
 

trimyka

VIP
Thành viên BQT
#7
Hiện nay vấn đề thiết kế kỹ thuật đã được sinh viên các nước ứng dụng rất mạnh... mình vừa phát hiện một trang web dạng blogspot của các sinh viên năm cuối cơ điện tử của Malaysia trình bày về đề án chế tạo robot của mình... về mặt thực hiện đây là một đề án khá mẫu mực từ bước đầu tiên đến lúc ra thành quả... đây là trang web http://kakirobot.blogspot.com/

Trong đó các bạn sinh viên này thiết kế một con robot chạy phục vụ trên bàn ăn giống như người hầu bàn vậy....đặc biệt họ trình bày rất nhuần nhuyễn về các khái niệm có trong phần quản trị dự án như phân công, phân nhiệm, sơ đồ Gantt...

Đây là dự án của họ...được dự kiến thực hiện trong bốn tháng từ lúc bắt đầu nhận nhiệm vụ đến khi ra sản phẩm

New Picture.png
Ngay trong phần đầu họ thực hiện việc phân tích nhiệm vụ (trong tiếng Anh gọi là Work Breakdown Structure- WBS)


New Picture (1).jpg

Nghe thì bình thường vì ai cũng có thể hình dung ra được nhưng riêng cái khoản này cũng đã có hẳn một lý thuyết chuyên về nó ... trong đó họ đề cập đến nguyên lý 100% nghĩa là khi phân chia công việc phải bảo đảm rằng các phần dự án con phải thực hiện đúng và đủ ngoài ra nó cũng phải bảo đảm các nguyên tắc như không trùng lắp... rồi thì việc phân chia không được nhỏ quá vì sẽ ảnh hưởng đến tiến độ v.v....

Đặc biệt trong phần phân chia công việc tính hiệu quả được đặt ở mức cao nhất... nghĩa là đối với từng công việc được chia họ không chú trọng đến làm cái gì... mà chỉ quan tâm sẽ đạt được gì

Hình sau đây mô tả nguyên lý 100% trong phân chia công việc... trong việc chế tạo một chiếc xe đạp... các bạn lưu ý đến các số 100 nhé...:)
New Picture (2).jpg



Tiếp theo đến bước phân chia nhiệm vụ họ sử dụng phương pháp Linear Responsibility Chart hay cũng có tên gọi khác là RACI (Responsibility, Accountable, Consulted, Informed).. như hình sau
New Picture (3).png

Việc phân chia nhằm gán trách nhiệm cho từng người đồng thời xác định vai trò hỗ trợ cho người khác...tuy nhiên cũng có nhiều mặt hạn chế đặc biệt khi khách hàng muốn thay đổi các yêu cầu công việc...

Cuối cùng trong tuần đầu tiên họ lập ra sơ đồ Gantt.... đây là một khái niệm rất quan trọng và phổ biến trong kỹ thuật quản trị dự án... có thể mô tả được như sau...

New Picture (6).jpg

hay nếu sử dụng phần mềm MS Project .. sơ đồ Gantt có dạng sau...


New Picture (7).jpg
Trong các bài viết tới mình sẽ cố gắng đề cập ít nhiều đến quản trị dự án (Project Management) trong các dự án kỹ thuật....

Chúc các bạn vui...
 

vanliemspk

Học sinh phổ thông
#9
Một cái nhìn sâu sắc về công việc thiết kế. cám ơn tác giả, hy vọng anh sẽ viết nhiều bài hơn nữa.
 

Mai Anh Đức

Moderator
Thành viên BQT
#10
Cảm ơn bạn, nhờ những bài viết như thế này mà nhiều sinh viên cơ điện tử không bị lạc lối
 

Quảng cáo Google