Giao trinh phuong phap va tien trinh thiet ke

Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất MỤC LỤC Chương Cơ thiết kế khí 1.1 Khái niệm tiến trình thiết kế 1.1.1 Giới thiệu tiến tình thiết kế 1.1.2 Lịch sử tiến trình thiết kế 1.1.3 Vòng đời sản phẩm 1.1.4 Bài toán thiết kế 1.1.5 Các hoạt động để giải vấn đề thiết kế 1.2 Thiết kế sản phẩm khí 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Các đặc trưng sản phẩm 12 1.2.3 Ngôn ngữ thiết kế khí 13 1.2.3 Các dạng tốn thiết kế khí 15 1.2.4 Các ràng buộc, mục tiêu nguồn tài nguyên thiết kế 19 1.2.5 Tháo rời sản phẩm 20 1.2.6 Tóm tắt nội dung thiết kế khí 21 1.3 Nhóm thiết kế 22 1.3.1 Cá nhân thiết kế 22 1.3.2 Nhóm thiết kế 22 Chương Tiến trình kế hoạch thiết kế 24 2.1 Các giai đoạn tiến trình thiết kế 24 2.1.1 Giai đoạn đánh giá trạng sản phẩm 24 2.1.2 Giai đoạn lập kế hoạch phát triển sản phẩm 24 2.1.3 Giai đoạn xác định sản phẩm cần phát triển 24 2.1.4 Giai đoạn thiết kế khái niệm 24 2.1.5 Giai đoạn phát triển sản phẩm 25 2.1.6 Giai đoạn trợ giúp sản phẩm 25 2.2 Đánh giá trạng sản phẩm 25 2.2.1 Sự thúc đẩy tiến khoa học kỹ thuật 26 2.2.2 Nhu cầu thị trường 26 2.2.3 Đòi hỏi thay đổi thân sản phẩm 27 2.2.4 Q trình hồn thiện sản phẩm mơ hình Kano 28 a Đường cong chữ S q trình hồn thiện sản phẩm 28 b Mô hình Kanơ 28 2.2.5 Đề cương phát triển sản phẩm 29 2.2.6 Lựa chọn đề án 30 a Phân tích SWOT 31 b Phân tích Pro-Con 32 2.3 Lập kế hoạch phát triển sản phẩm 33 2.3.1 Các dạng kế hoạch 33 a Mơ hình dạng cổng - giai đoạn 33 b Mơ hình xoắn ốc 35 2.3.2 Lập kế hoạch thiết kế 35 a Xác định nhiệm vụ 36 b Xác định mục tiêu 36 c Dự kiến nguồn tài nguyên cần thiết 36 Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất d Sắp xếp trình tự nhiệm vụ 36 e Ước tính chi phí phát triển sản phẩm 37 2.4 Tổng kết chương 37 Chương Phân tích mục tiêu tốn thiết kế khí 38 3.1 Xác định khách hàng 40 3.2 Xác định yêu cầu khách hàng 41 3.3 Xác định mức độ quan trọng tương đối yêu cầu 43 3.4 Đánh giá mức độ cạnh tranh 44 3.5 Phát triển đặc tính kỹ thuật 45 3.6 Xác định mức độ đáp ứng đặc tính kỹ thuật 47 3.7 Xác định mục tiêu kỹ thuật 49 3.7.1 Mức độ quan trọng tương đối đặc tính kỹ thuật 49 3.7.2 Xác định thông số đặc tính kỹ thuật sản phẩm cạnh tranh 51 3.7.3 Xác định mục tiêu thiết kế đặc tính kỹ thuật 52 3.8 Xác định tương tác đặc tính kỹ thuật 53 3.3 Tổng kết chương 56 Chương Thiết kế khái niệm 57 4.1 Khởi tạo ý tưởng thiết kế 57 4.1.1 Khái niệm chức sản phẩm 58 4.1.2 Phân tích chức sản phẩm có 59 4.1.3 Kỹ thuật đề xuất ý tưởng thiết kế sản phẩm 62 4.1.4 Giới thiệu số phương pháp khơi tạo ý tưởng 66 4.2 Đánh giá đề xuất 67 Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Chương 1. Cơ bản về thiết kế cơ khí 1.1 Khái niệm tiến trình thiết kế 1.1.1 Giới thiệu tiến tình thiết kế Con người thiết kế chi tiết khí từ cách khoảng 5.000 năm tiếp tục phát triển thiết kế khí Từ chi tiết khí đơn giản mâm quay bàn gốm thời xa xưa, sản phẩm phức tạp hay hệ thống vận tải đại ngày nay, sản phẩm dù đơn giản hay phức tạp kết tiến trình thiết kế lâu dài khó khăn Dù yêu cầu thiết kế khác nhau, chẳng hạn thiết kế hộp tốc độ dùng bánh hay phận trao đổi nhiệt, vệ tinh hay ta vặn khóa cửa …, cần công cụ định dành cho tốn thiết kế khí nói chung Các kỹ sư sử dụng cơng cụ suốt tiến trình thiết kế nhằm đảm bảo kết tốt Vậy tiến trình thiết kế công cụ cần áp dụng tiến trình thiết kế gì? Thêm nữa, người thực trình thiết kế hàng ngàn năm nay, có hàng triệu sản phẩm khí làm việc tốt, cần phải nghiên cứu q trình thiết kế khí nữa? Nhu cầu sản phẩm mới, có chất lượng tốt giá cạnh tranh tăng tỷ lệ với phát triển xã hội Hơn nữa, sản phẩm đa dạng, yêu cầu số lượng người chuyên môn khác hợp tác thực từ ý tưởng đến tạo sản phẩm thực Để cạnh tranh tồn thị trường, công ty phải thực thật hiệu công tác thiết kế phát triển sản phẩm Vì vậy, học phương pháp thiết kế thực hành thiết kế cần thiết cho kỹ sư khí tương lai Mục đích giáo trình nhằm mang đến cho người học cơng cụ để thực tiến trình thiết kế có hiệu sản phẩm Trong chương này, đặc trưng quan trọng tiến trình thiết kế với trình tự giải giới thiệu Các đặc trưng tập trung chủ yếu vào giải tốn thiết kế khí, áp dụng với tất tốn thiết kế khác Sự thành cơng hay thất bại sản phẩm phụ thuộc vào ba yếu tố quan trọng là: Thiết kế, sản xuất tiêu thụ sản phẩm (xem minh họa hình 1.1) Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất KINH DOANH Thị trường đích Quảng cáo Dự đốn thị trường Mẫu mã sản phẩm Thông tin phân phối Giá bán Chức Q trình gia cơng Giá thành/ rủi ro Vật liệu Hệ thống Sản xuất THIẾT KẾ Kế hoạch, nguồn tài nguyên Thiết bị SẢN XUẤT Hình 1.1 Các yếu tố điều khiển trình phát triển sản phẩm Yếu tố thứ nhất: Thiết kế sản phẩm, tập trung chủ yếu vào chức sản phẩm Chức sản phẩm mô tả vấn đề “sản phẩm làm gì” cho người sử dụng Các yếu tố có liên quan trực tiếp đến chức sản phẩm mẫu mã sản phẩm, vật liệu q trình gia cơng sản phẩm - Mẫu mã (Form) sản phẩm bao gồm: Cấu trúc, hình dạng, màu sắc, cách bố trí yếu tố liên quan đến cấu trúc khác Vật liệu trình sản xuất Như minh họa hình 1.1, bốn yếu tố: Chức năng, mẫu mã, vật liệu trình sản xuất bốn yếu tố quan trọng mà người thiết kế cần quan tâm Mẫu mã chức sản phẩm quan trọng vấn đề tiêu thụ sản phẩm định mua hay không mua khách hàng phụ thuộc chủ yếu vào: Sản phẩm làm (chức năng) trơng (mẫu mã) Như minh họa hình 1.1, yếu tố chức mẫu mã có đường liên kết trực tiếp đến yếu tố thị trường Thị trường yếu tố quan trọng vấn đề tiêu thụ sản phẩm Việc sản xuất sản phẩm phải mang lại lợi nhuận – để đạt doanh số dự kiến Hãy lưu ý điểm giao hai hình ơvan “Thiết kế” “Sản xuất” “q trình gia cơng” Việc lựa chọn vật liệu mẫu mã sản phẩm có ảnh hưởng lớn đến q trình gia cơng, từ có ảnh hưởng định đến giá thành giá bán sản phẩm Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Môn học tập trung chủ yếu vào tiến trình thiết kế khí, quan tâm đến yếu tố thương mại sản xuất sản phẩm liên quan đến vấn đề thiết kế Nói chung, tiến trình thiết kế có ảnh hưởng lớn đến giá thành, chất lượng thời gian đưa thị trường sản phẩm Tiến trình thiết kế sản phẩm: Hiệu tiến trình thiết kế sản phẩm đánh giá qua ba yếu tố: Giá thành, chất lượng thời gian đưa thị trường Mọi khách hàng mong muốn có sản phẩm rẻ (chi phí thấp hơn), tốt (chất lượng cao hơn) nhanh (tốn thời gian hơn) Hình 1.2 Tỷ lệ giá thành sản phẩm Thống kê số liệu công ty tơ Ford cho thấy, chi phí cho hoạt động thiết kế chiếm khoảng 5% giá thành sản phẩm Chi phí thiết kế cơng ty nói chung khác nhau, nhiên chi phí cho thiết kế chiếm phần nhỏ giá thành Dù vậy, ảnh hưởng chất lượng thiết giá thành sản phẩm lớn nhiều so với mức 5% (hình 1.2) Một ví dụ khác cơng ty Xerox Vào năm 1960 - 1970, hãng Xerox hãng chiếm lĩnh phần lớn thị phần máy photocopy Nhưng sau đó, đến 1980, có khoảng 40 nhà sản xuất máy photô thị trường thị phần hãng Xerox sụt giảm đáng kể Nguyên nhân sụt giảm giá thành sản phẩm hãng cao Thực tế, hãng khác bán máy photơ có tính tương đương mà giá lại thấp Xerox Một nghiên cứu cơng ty Nhật sản xuất linh kiện với chi phí 50% so với Xerox Trong 50% tiết kiệm có tới 25% có từ việc thiết kế tốt linh kiện Dù chi phí thiết kế chiếm tỷ trọng nhỏ giá thành sản phẩm, định đưa q trình thiết kế có ảnh hưởng lớn đến giá thành sản phẩm Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Kết trình thiết kế ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Để hiểu rõ chất lượng sản phẩm gì, tham khảo ví dụ sau Trong báo cáo điều tra ý kiến khách hàng, câu hỏi có dạng “cái định chất lượng sản phẩm?” thống kê bảng 1.1 Bảng 1.1 Các yếu tố định chất lượng sản phẩm Yếu tố Thực chức cần thiết Thời gian phục vụ Dễ bảo dưỡng Hình thức, kiểu dáng hấp dẫn Tích hợp cơng nghệ Năm 1989 Năm 2002 4,99 (1) 4,58 (1) 4,74 (2) 4,65 (3) 2,95 (4-5) 2,95 (4-5) 3,93 (5) 3,29 (5) 3,58 (3-4) 3,58 (3-4) Chú thích: - Cấp độ 5: Rất quan trọng Cấp độ 1: Không quan trọng Số ngoặc số xếp hạng Nhiều năm trước đây, người ta thường quan niệm cần có đánh đổi chất lượng với giá thành sản phẩm Tuy nhiên, kinh nghiệm gần cho thấy, nâng cao chất lượng đồng thời với việc giảm giá thành sản phẩm Các ví dụ thảo luận vấn đề trình bày chương 1.1.2 Lịch sử tiến trình thiết kế Trước đây, cá nhân đảm nhận vai trị vừa thiết kế, vừa chế tạo hồn chỉnh sản phẩm định Thậm chí với đề án lớn thiết kế tàu hay cầu, cá nhân cần có đủ kiến thức vật lý, học, vật liệu, kiến thức chế tạo để quản lý tất mặt tiến trình thiết kế triển khai đề án Khách hàng Marketing Thiết kế kỹ thuật Thiết Sản xuấtkế kỹ thuật Hình 1.3 Phương pháp thiết kế “quẳng qua tường” Đến kỷ 20, sản phẩm quy trình sản xuất phức tạp nhiều Khi này, tầm hiểu biết thời gian để tập trung vào tất khía cạnh sản phẩm vượt Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất khả cá nhân Do đó, nhiệm vụ tiếp thị, thiết kế, sản xuất quản lý chung phân chia theo nhóm khác Tiến trình dẫn đến cách thức mới: “thiết kế quẳng qua tường” – “over the wall design process” (hình 1.3) Kiểu phân chia nhiệm vụ theo nhóm có số nhược điểm Chẳng hạn, nhóm thiết kế khơng thể hiểu hết tất khách hàng mong muốn thơng qua thơng tin nhận từ nhóm tiếp thị, nhóm thiết kế khơng thể hiểu hết q trình sản xuất chuyên gia sản xuất Kết xảy tình trạng thiết kế sai hiểu sai vấn đề, sản phẩm thiết kế nằm khả chế tạo thiết bị sẵn có Vào cuối thập niên 70 đầu thập niên 80, khái niệm kỹ thuật đồng thời đời khắc phục nhược điểm Kỹ thuật đồng thời hồn thiện với việc bố trí đại diện nhóm chế tạo tham gia vào thiết kế Mục đích phát triển triển khai trình chế tạo cách đồng thời Hiện nay, thuật ngữ “kỹ thuật đồng thời” (concurrent engineering) sử dụng phổ biến Tiếp sau (những năm 1990), khái niệm chế tạo dốc (lean manufacturing) chế tạo “6 sigma” trở nên phổ biến bắt đầu ảnh hưởng đến lĩnh vực thiết kế 1.1.3 Vịng đời sản phẩm Hình 1.4 Vịng đời sản phẩm Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Mỗi sản phẩm tồn theo thời gian, gọi “vòng đời sản phẩm”, minh họa hình 1.4 Trên hình vẽ, hộp minh họa cho giai đoạn vòng đời sản phẩm Các giai đoạn vịng đời sản phẩm bao gồm nhóm sau: - - - - Nhóm thứ liên quan đến việc phát triển sản phẩm Đây nhiệm vụ trọng tâm công tác thiết kế Các công đoạn giai đoạn là: o Xác định nhu cầu khách hàng; o Lập kế hoạch thiết kế; o Xác định đặc tính kỹ thuật quan trọng đáp ứng nhu cầu sử dụng; o Phát triển ý tưởng thiết kế; o Phát triển ý tưởng thành thiết kế chi tiết sản phẩm Nhóm thứ hai liên quan đến sản xuất phân phối sản phẩm; bao gồm công đoạn sau: o Sản xuất / gia cơng sản phẩm; o Lắp ráp hồn chỉnh; o Phân phối / bán hàng; o Cài đặt, hướng dẫn sử dụng Nhóm thứ ba liên quan đến việc sử dụng sản phẩm; bao gồm giai đoạn lặp lại theo chu kỳ sau đây: o Sử dụng / vận hành; o Lau chùi; kiểm tra; bảo dưỡng; o Chẩn đốn, bảo trì; o Sửa chữa Nhóm thứ tư nhóm xử lý sản phẩm qua sử dụng Các công việc liên quan bao gồm: o Thanh lý sản phẩm; o Tháo bỏ / tháo rời sản phẩm; o Tái chế tái sử dụng 1.1.4 Bài toán thiết kế Trước hết, xét ví dụ vấn đề kỹ thuật đặt ra: Xác định kích thước bulơng để kẹp chặt hai tâm thép 1045, dày mm rộng mm, chịu lực 100N (hình 1.5) Dễ thấy tốn có lời giải đường kính bulơng xác định theo điều kiện bền (xem giáo trình Chi tiết máy) Hình 1.5 Bài tốn tính tốn kích thước bu lơng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Bây ta xét vấn đề tương tự: “Xác định mối ghép cần thiết để kẹp chặt hai thép 1045, dày mm rộng mm, chịu lực 100 N” Ở tốn này, có nhiều phương án như: Ghép bu lông, ghép hàn, đinh tán, Để lựa chọn lời giải phù hợp, cần dựa vào điều kiện khác như: Yêu cầu mức độ tháo lắp thường xuyên, nhiệt độ môi trường làm việc, độ tin cậy yêu cầu, khả đáp ứng thiết bị cần thiết Nhận thấy, tốn thứ hai khơng có lời giải với toán thứ Trong thực tế, hầu hết tốn thiết kế có nhiều lời giải Trong hầu hết tình huống, khó để xác định đâu “lời giải tốt nhất” Tuy nhiên, cần xác định lời giải hợp lý tình hình cụ thể phù hợp với yêu cầu chất lượng, thời gian nguồn tài nguyên khác Các toán thiết kế khí ln có địi hỏi lời giải để đưa sản phẩm thực Tiến trình thiết kế khí bắt đầu với địi hỏi đơi chưa thật rõ ràng (illdefined need) phải mang lại sản phẩm thực Điều nghe nghịch lý Nhà thiết kế phải tạo sản phẩm có chức thỏa mãn yêu cầu đặt ra, nhiều yêu cầu đặt chưa thật rõ ràng 1.1.5 Các hoạt động để giải vấn đề thiết kế Bất luận tốn thiết kế khí địi hỏi giải vấn đề gì, ta cần thực sáu bước sau: Xác định nhu cầu phát biểu vấn đề cần giải Lập kế hoạch giải vấn đề Làm rõ vấn đề thơng qua phân tích u cầu tìm hiểu lời giản vấn đề tương tự Đề xuất phương án giải khác Đánh giá phương án cách so sánh chúng với yêu cầu thiết kế Quyết định lời giải chấp nhận được 1.2 Thiết kế sản phẩm khí 1.2.1 Giới thiệu Trong lịch sử, quy tắc thiết kế khí yêu cầu kiến thức khí lắp ráp Tuy nhiên vào đầu kỉ 20, thành phần điện – điện tử giới thiệu thiết bị khí Trong suốt chiến tranh giới thứ II, vào năm 1940 hệ thống điều khiển điện tử trở thành phần hệ thống khí Do có thay đổi này, người thiết kế thường phải lựa chọn hệ thống khí túy hệ thống – điện – điện tử Các hệ thống điện tử phát triển từ chức hàm logic đơn giản kết hợp máy tính hàm logic phức tạp Các sản phẩm - điện bao gồm nhiều vi xử lý Ví dụ, máy ảnh, máy photocopy văn phịng, tơ, nhiều thứ khác… Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên Trang Bài giảng Phương pháp tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất Hệ thống gồm thành phần khí, điện tử phần mềm thường gọi thiết bị điện tử Khó khăn cho việc thiết kế thiết bị tách biệt thành phần kiến thức trình thiết kế chồng chéo thuộc ba lĩnh vưc khí, điện điện tử, mà lĩnh vực có quy tắc thiết kế riêng khác biệt Tuy nhiên, dù máy tính, thiết bị điều khiển, điện tử có hồn hảo nữa, tất sản phẩm địi hỏi phải thực chức học phải có phần giao diện với người Hơn nữa, sản phẩm điều cần chế tạo gia cơng khí lắp ráp lại với thành thiết bị hoàn chỉnh Do vậy, sản phẩm có tính thơng minh cần thiết kế góc độ khí Để tìm hiểu thành phần khí quan trọng hệ thống, xét ví dụ Ví dụ Bàn kẹp Irwin Quick-Grip Irwin nhà sản xuất lớn thiết bị kẹp cầm tay Điều kỳ diệu bàn kẹp nhanh cầm tay (hình 1.6) vận hành tay Với tay người trung bình, vừa cầm vừa tác dụng lực bóp bình thường tạo 250 kg lực kẹp chi tiết Thêm nữa, lực kẹp theo hướng ngược hai phía đảo chiều má kẹp Hình 1.6 Bàn kẹp nhanh Irwin Irwin giới thiệu sản phẩm vào năm 2006 bán hàng chục ngàn sản phẩm tháng Chức bàn kẹp gì? Bạn đốn xem bao gồm chi tiết khí hoạt động sao? Chúng ta khảo sát chi tiết chức phận bàn kẹp chương sau Ví dụ Xem xét xe tự hành NASA Mars Exploration Rover (MER) phát triển Cal Tech's Jet Propulsion Laboratory (JPL) Trái ngược hoàn tồn với sản phẩm khí túy với lượng sản phẩm bán cao Quick-Grip, có 02 MER (có tên Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Thái Nguyên Trang 10 ... Việc sản xuất sản phẩm phải mang lại lợi nhuận – để đạt doanh số dự kiến Hãy lưu ý điểm giao hai hình ơvan “Thiết kế” “Sản xuất” “q trình gia cơng” Việc lựa chọn vật liệu mẫu mã sản phẩm có ảnh... thảo luận vấn đề trình bày chương 1.1.2 Lịch sử tiến trình thiết kế Trước đây, cá nhân đảm nhận vai trị vừa thiết kế, vừa chế tạo hồn chỉnh sản phẩm định Thậm chí với đề án lớn thiết kế tàu hay... vật liệu, kiến thức chế tạo để quản lý tất mặt tiến trình thiết kế triển khai đề án Khách hàng Marketing Thiết kế kỹ thuật Thiết Sản xuấtkế kỹ thuật Hình 1.3 Phương pháp thiết kế “quẳng qua tường”