Đặt vấn đề Lý do chọn đề tài Hiện nay để có thể thiết kế và chế tạo các cơ cấu cơ khí, người kỹ sư phải tốn rất nhiều thời gian cho việc tính toán và phân tích kết cấu. Việc xây dựng được các công thức chính xác trong việc tính toán và phân tích cũng đòi hỏi người kỹ sư phải nắm vững nhiều kiến thức liên quan. Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng như CAE, NX, v.v… Các phần mềm này hỗ trợ rất nhiều trong việc thiết kế, nhưng vẫn còn một số mặt hạn chế như không thể xử lý bài toán với tính huống đa dữ kiện đầu vào, hay đòi hỏi người dùng phải thông thạo phần mềm cũng như kiến thức tính toán để kiểm định lại kết quả bằng lý thuyết. Ngoài ra sau khi thiết kế xong, người kỹ sư cần phải tính toán tối ưu các tham số thiết kế, để sản phẩm sau thiết kế phải là tối ưu nhất và có thể cạnh tranh với các sản phẩm khác trên thị trường, đối với thị trường hiện nay thì đây chính là một vấn đề khá là phức tạp.
Với sự phát triển của xã hội ngày nay, thì nhu cầu in lụa để quảng bá về thương hiệu sản phẩm hay thương hiệu của công ty là rất lớn. Ví dụ như để quảng bá về thương hiệu và danh tiếng, một công ty, tập đoàn, cơ sở kinh doanh hoặc một tổ chức nào đó sẽ cần in hình ảnh logo, khẩu hiệu thương mại hoặc thông tin liên hệ của mình trên các vật phẩm như quần áo, bút viết, dây đeo thẻ, cốc nhựa hoặc thủy tinh, v.v… Qua khảo sát thực tế tại một số xưởng in lụa với quy mô vừa và nhỏ trên địa bàn Tp.HCM, học viên nhận thấy công tác in lụa hiện nay vẫn được thực hiện một cách thủ công là chủ yếu, quá trình in ấn phụ thuộc vào tay nghề của người thợ, các loại máy in lụa thường là những loại máy cơ đơn giản với năng suất thấp, cường độ công việc nặng nhọc. Trên thị trường các loại máy in lụa tự động của nước ngoài thường có giá thành 1 khá cao và chỉ thích hợp với quá trình sản xuất công nghiệp, sản xuất hàng loạt, in ấn chỉ với một loại sản phẩm là chủ yếu. Ngoài ra, ở thị trường nước ta hiện nay cũng đã xuất hiện nhiều loại máy in lụa bán tự động khác, nhưng chỉ dừng lại ở việc in lụa trên mặt phẳng và chưa có loại máy nào in bán tự động trên loại sản phẩm dạng tròn xoay.
Để thiết kế được và thỏa mãn các yêu cầu đặt ra, quá trình phân tích, tính toán, cần được thực hiện trước khi chế tạo. Từ đó tiến hành mô phỏng và phân tích để dự đoán các thông số cũng như điều chỉnh theo mong muốn. Với những lý do cũng như nhu cầu đã được nêu ra ở trên, đề tài “Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới” đã được lựa chọn và thực hiện. Tính cấp thiết của đề tài Trong hầu hết các thiết bị liên quan đến cuộc sống hiện nay như kìm kẹp cộng lực, các loại máy xây dựng, hay các máy nâng chuyển v.v… thì sử dụng rất là nhiều các loại cơ cấu khâu khớp phẳng, từ đó chúng ta có thể thấy được là ứng dụng của các khâu khớp rất nhiều.
Để có thể xác định cũng như tính toán lựa chọn các loại cơ cấu khâu khớp phẳng thì các kỹ sư thường sử dụng các phần mềm CAD để vẽ và tính tỉ lệ chính xác. Ngoài ra, họ còn có thể sử dụng các phương pháp giải tích dựa trên các phương trình véc tơ khép kín, đây là một phương pháp tổng quát và cho phép giải các bài toán bất kỳ, tuy nhiên với các cơ cấu đa dạng khác nhau, việc sử dụng chúng sẽ tốn nhiều thời gian và phải có các công cụ tính toán hỗ trợ. Việc sử dụng các phần mềm phân tích động lực học nổi tiếng như ADAMS, COMSOL, Working Model, Dynamic Designer, v.v… tốn khá nhiều thời gian và đòi hỏi người dùng phải có kiến thức vững vàng về động lực học. Bên cạnh đó, khó có phần mềm nào cho phép xử lý bài toán với nhiều tình huống dữ kiện đầu vào – đầu ra khác nhau.
Ví dụ có 3 nhóm tham biến A, B, C. Thì các phần mềm chỉ cho phép nhập dữ liệu A, B với tư cách đầu vào và phần mềm sẽ tìm ra giá trị của nhóm C với tư cách đầu ra. Những tình huống khác thì các phần mềm hầu như không thể giải 2 quyết được. Thêm vào đó thì các phần mềm mô phỏng sẽ xây dựng mô hình các tham biến phụ thuộc theo thời gian.
Nếu chúng ta muốn khảo sát các đại lượng phụ thuộc vào các vị trí nhất định thì thường phải tìm cách tính được thời điểm t trước, rồi sau đó mới theo giá trị thời gian t để tìm các đại lượng. Đây là một điểm bất tiện thứ hai. Điểm bất tiện thứ ba là trong quá trình dựng hình model, không nhiều phần mềm hỗ trợ tính năng xác định một số điểm khớp được tạo ra từ giao điểm của hai đường thẳng (dọc theo chiều dài của các thanh). Chính vì vậy người dùng buộc phải tự tính toán để nhập tọa độ các điểm khớp của cơ cấu, và điều đó thường tạo ra các sai số trong kết quả tính toán về sau.
Trong hầu hết các tài liệu, các tác giả cũng dừng ở mức đưa ra những công thức kinh điển, ví dụ như gia tốc, vận tốc, v. thông qua dạng véc tơ, tích có hướng của vecto, v. Như vậy thì với mỗi 1 bài toán, chúng ta sẽ phải lập lại 1 hệ phương trình, và trong MATLAB, chúng ta sẽ phải dùng đến lệnh solve để giải hệ phương trình đó. Cho nên những code của nó có đặc điểm: 1) người dùng phải biết về những công thức kinh điển nói trên.
2) Người dùng phải biết lập trình và áp dụng cho những bài toán cụ thể. Bởi vậy, nếu như những bài toán động lực học của các cơ cấu phẳng có thể được nhận diện thành các cái module cơ bản, mỗi một module được xây dựng một quy trình tính toán chính xác thì việc áp dụng những module đó cho nhiều cơ cấu phẳng sẽ rất tiện lợi và nhanh chóng. Ngày nay, với nhu cầu sản phẩm ngày càng đa dạng và phức tạp, thì các doanh nghiệp càng phải đòi hỏi người kỹ sư phải biết tối ưu các thiết kế của mình để đảm bảo được giá thành của sản phẩm phải là tốt nhất, mức độ thẩm mỹ cao cũng như mức độ an toàn của sản phẩm trước khi đến tay người dùng. Để giải quyết được bài toán tối ưu thì việc khó khăn nhất là xây dựng mô hình toán.
Mô hình toán là tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực kỹ thuật như là tính toán động lực học, các bài toán về kết cấu, các hiện tượng vật lý như truyền nhiệt, dao động của máy, va chạm v.v… Mỗi một lĩnh vực, để áp dụng các lý thuyết tính toán tạo thành một phần của mô hình toán là không đơn giản. Bởi vậy trên thực tế người ta thường không giải quyết bài toán này, mà chỉ dựa vào kinh nghiệm làm việc với những đối tượng cụ thể để lựa chọn phương án 3 thiết kế một cách chủ quan nhất. Riêng với những bài toán thiết kế cơ khí mà liên quán đến lĩnh vực động lực học, hiện nay có một cách tiếp cận, đó là sử dụng các phần mềm tự động tính toán dựa trên các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn như là Recurdyn, ANSYS, v.v… Tuy nhiên, điều này đòi hỏi người kỹ sư cần phải thành thạo các phần mềm và phải mất chi phí để mua bản quyền. Ngoài ra, để thêm vào mô hình toán các tiêu chuẩn hoặc các ràng buộc không phải kỹ thuật như là tính kinh tế, tính thẩm mỹ v.v… thì rất khó đối với các phần mềm này (nhất là đối với các bài toán thiết kế đa mục tiêu).
Vì vậy, về mặt lý thuyết cách tiếp cận đa năng nhất đó là kết nối các phần mềm của nhiều lĩnh vực nói trên trong một môi trường thuận lợi cho việc tối ưu hoá như là MATLAB. Tuy nhiên, việc kết nối nhiều phần mềm với một môi trường chung này không phải là việc dễ dàng, vì quá trình trao đổi dữ liệu giữa các phần mềm phải qua các file trung gian, việc đó sẽ có thể gây mất nhiều thời gian, gặp nhiều lỗi, dẫn đến bài toán tối ưu không được diễn ra trọn vẹn. Bởi vậy với các bài toán cơ cấu phẳng (phần lớn chúng là những cơ cấu kinh điển như là tay quay con trượt, TQCL, culis, v.v…) thì việc kết nối các phần mềm trong việc tối ưu hoá có thể là không cần thiết. Thay vào đó, ta có thể sử dụng các module tính toán động lực học được đề xuất.
Chúng sẽ giúp đỡ người kỹ sư xây dựng được mô hình toán về lĩnh vực động lực học một cách tiện lợi và nhanh chóng hơn. Với các lĩnh vực khác trong mô hình toán, thì sẽ có các module tương tự. Và việc giải bài toán tối ưu khi này sẽ thuận lợi hơn rất là nhiều so với cách tiếp cận kết nối các phần mềm. Qua quá trình khảo sát một số cơ sở in lụa trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã thu nhận được các thông tin cho phép đánh giá sơ bộ về thực trạng nhu cầu in lụa hiện nay.
Điển hình như là việc một số xưởng in lụa đã có máy in lụa, nhưng các công việc chủ yếu tại xưởng đều được thực hiện bằng tay, mất rất nhiều thời gian, năng suất in thấp, hại da tay người công nhân khi tiếp xúc với hóa chất in.1 Công việc tại xưởng in lụa Đồ gá đơn giản, không định vị chắc chắn chi tiết cần in, sai lệch các hoa văn in lên chi tiết.2 Đồ gá hiện tại được sử dụng Dựa vào quá trình khảo sát, chúng ta có thể kết luận rằng nhu cầu một máy in lụa kiểu mới quy mô hộ gia đình ứng dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ là rất lớn. Máy kiểu mới phải đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, chi phí chế tạo, độ bền 5 cao, đồng thời tiết kiệm được không gian, diện tích. Trong công trình [51] nhóm tác giả đã đề xuất một thiết kế cho máy in lụa, và máy in lụa kiểu mới này phù hợp với các yếu cầu đặt ra của các xưởng in lụa vừa và nhỏ ở Việt Nam.