METODA PLANOWANIA SEKWENCJI MONTAŻU DO WSPÓŁBIEŻNEGO PROJEKTOWANIA ZESPOŁÓW MASZYN

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 8 nr Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 008 MICHAŁ SĄSIADEK, RYSZARD ROHATYŃSKI METODA PLANOWANIA SEKWENCJI MONTAŻU DO WSPÓŁBIEŻNEGO PROJEKTOWANIA ZESPOŁÓW MASZYN W artykule przedstawiono koncepcję metody wyznaczania zbioru dopuszczalnych sekwencji montażu urządzeń mechanicznych zawierającą ocenę i selekcję elementów tego zbioru. U podstaw koncepcji leży założenie, że metoda powinna wspomagać inżyniera konstruktora w wyznaczaniu najkorzystniejszej sekwencji montażu z uwzględnieniem ograniczeń zdefiniowanych już na wczesnym etapie kształtowania konstrukcji produktu. Opisano algorytm metody i prototypowy program komputerowy oraz pokazano przykład zastosowania. Słowa kluczowe: projektowanie współbieżne, montaż, sekwencja montażu. WPROWADZENIE Montaż jest ważnym elementem procesu produkcyjnego, ponieważ znacząco wpływa na koszt i czas, a także na jakość wyrobu. Uwzględnienie wymagań montażu podczas procesu projektowania umożliwia optymalne dostosowanie konstrukcji do tych wymagań. Jakkolwiek części maszyny i jej zespołów mogą być łączone w różny sposób, to jednak istnieją lepsze i gorsze rozwiązania połączeń oraz łatwiejsza i trudniejsza kolejność montażu. Zagadnienie planowania sekwencji montażu było dotychczas rozpatrywane przez wielu autorów w kraju i za granicą [4, 5, 7 0], ale zawsze przy założeniu ustalonej konstrukcji zespołu maszyny. W takim podejściu wykonanie zmian konstrukcyjnych mających na celu poprawę procesu montażu jest mało prawdopodobne, chyba że zostaną zauważone poważne błędy konstrukcyjne. Nie ma tu więc miejsca na świadome kształtowanie montażu w trakcie procesu projektowo- -konstrukcyjnego. Proponowana w niniejszym artykule metoda wyznaczania zbioru dopuszczalnych sekwencji montażu oraz ich wartościowania i selekcji należy do kategorii klasycznych metod formalnych [6, 7]. Metoda składa się z czterech podstawowych wykonywanych kolejno części (modułów): Mgr inż. Instytut Informatyki i Zarządzania Produkcją Uniwersytetu Zielonogórskiego. Prof. dr hab. inż. Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego.

2 50 M. Sąsiadek, R. Rohatyński modułu (M_) zapis struktury konstrukcyjnej wyrobu, modułu (M_) ocena połączeń montażowych, modułu 3 (M_3) definiowanie ograniczeń, modułu 4 (M_4) algorytm generowania dopuszczalnych sekwencji. Moduły M_, M_ i M_3 opisano w punkcie drugim artykułu, natomiast algorytm M_4, który jest podstawą programu komputerowego, w punkcie trzecim.. ZARYS METODY PROJEKTOWANIA SEKWENCJI MONTAŻU Niżej scharakteryzowano podstawowe założenia metody dotyczące: zapisu topologii konstrukcji, przyjętego sposobu wartościowania połączeń oraz formułowania warunków ograniczających niektóre kombinacje. Na podstawie tych założeń opracowano algorytm i program komputerowy. Wszystkie relacje (styku) pomiędzy częściami składowymi wyrobu są identyfikowane na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej. Relacje łączenia części mogą przybierać trzy formy. Pokazano je w tablicy. Formy zapisu macierzowego relacji pomiędzy częściami Three forms of matri notation for the parts mutual relations Tablica Macierz M k Kierunek relacji Zapis łączenia części Komentarz X element dołączany jest do elementu element dołączany jest do elementu element dołączany jest do elementu lub element dołączany jest do elementu Ustalone relacje można zapisać w formie grafu i odpowiadającej mu macierzy nazwanej macierzą struktury konstrukcyjnej M k. Macierz struktury konstrukcyjnej M k ma rozmiar n n, gdzie n jest liczbą części wyrobu. W przypadku braku relacji między częściami (lub gdy nie ma możliwości połączenia dwóch części) odpowiednie pole macierzy M k pozostaje puste.

3 Metoda planowania sekwencji montażu do współbieżnego projektowania 5 Do oceny operacji montażu służy wskaźnik q a, opracowany na podstawie wiedzy ekspertów oraz informacji uzyskanych od pracowników przedsiębiorstw produkcyjnych [ 3, 8]. Do oszacowania wskaźnika q a = h p f p służą: wskaźnik podawania i chwytania elementu h p, wskaźnik łączenia elementów f p. Wskaźnik f p = A B C D E F G H uwzględnia: A poprawność łączenia części ze względu na funkcję zespołu, B wymaganie dokładnego wzajemnego pozycjonowania dwóch łączonych części, C orientowanie łączonych części, D kierunek łączenia części, E rodzaj łączenia części, zależny od powierzchni styku pomiędzy nimi, F ograniczenia dostępu i/lub kontroli połączenia, G osiowanie i inne możliwe utrudnienia, H opory łączenia części. Wskaźnik h p zależy od sposobu podawania i wrażliwości elementu. Uwzględnia on trzy warianty podawania: ręczne podawanie i chwytanie, podawanie z wykorzystaniem podajnika (chwytanie: mechaniczne, podciśnieniowe, magnetyczne), podawanie zautomatyzowane (z uwzględnieniem: podajnika i przenośnika; chwytanie: mechaniczne, podciśnieniowe, magnetyczne). Wrażliwość elementu zależy od jego podatności na uszkodzenia mechaniczne, zmiany temperatury, zanieczyszczenia (chemiczne, mechaniczne). Po zapisaniu struktury konstrukcyjnej zespołu w macierzy M k oraz po przyporządkowaniu każdej relacji zapisanej w tej macierzy wskaźnika jej oceny q a należy przystąpić do definiowania ograniczeń. Będą one potrzebne do tworzenia zbioru dopuszczalnych sekwencji montażu. Ograniczenia dotyczą zbioru połączeń bezpośrednio zapisanych w macierzy M k. Każdemu połączeniu można przyporządkować jeden z trzech desygnatów: połączenie startowe jest to takie połączenie dwóch części, od którego rozpoczyna się tworzenie wariantów sekwencji montażu wyrobu, połączenie pomiń jest to połączenie, które nie będzie uwzględniane przy generowaniu wariantów sekwencji montażu wyrobu, połączenie blokujące jest to połączenie, które uniemożliwia lub ogranicza w dalszym przebiegu montażu uzyskanie kompletnego zespołu. W pierwszej kolejności podczas definiowania ograniczeń należy określić połączenia typu startowe i pomiń. W kroku następnym, aby zdefiniować relacje kolejnościowe, należy dla każdego rozpatrywanego połączenia określić połączenia poprzedzające, których wykonanie uniemożliwiłoby jego realizację. W ten sposób eliminuje się możliwość

4 5 M. Sąsiadek, R. Rohatyński wystąpienia niepoprawnej kolejności łączenia części. Przyjmuje się, że połączenia blokujące mogą być definiowane z operatorem i ( ) oraz lub ( ). Dla prostego czteroelementowego podzespołu w tablicy zestawiono możliwe połączenia montażowe oraz ich typy. Konwencja zapisu połączeń montażowych i ich typów Conventional notation of assembling connections and their categories Tablica Lp. Połączenia Połączenia startowe Połączenia blokujące OR ; AND ; tak 3 3 ( 4) (4 ) tak 3. ALGORYTM GENEROWANIA DOPUSZCZALNYCH SEKWENCJI MONTAŻOWYCH Działanie algorytmu generowania dopuszczalnych sekwencji montażu polega na wyborze pierwszego dostępnego połączenia montażowego z listy połączeń startowych i dołączaniu do powstałego podzespołu kolejnych części (z uwzględnieniem ograniczeń) aż do wyczerpania zbioru części montowanego obiektu. Algorytm generowania dopuszczalnych sekwencji przedstawiono na rys.. Algorytm (rys. ) generuje wszystkie możliwe warianty kolejności operacji montażowych rozpoczynające się od zadanych połączeń startowych. Utworzone sekwencje są zapisywane, a wykorzystane połączenie startowe jest usuwane z listy dostępnych połączeń startowych. Następnie algorytm wybiera kolejne dostępne połączenie startowe i proces tworzenia sekwencji się powtarza. Po wykorzystaniu wszystkich połączeń startowych otrzymuje się zbiór wszystkich możliwych sekwencji montażu.

5 Metoda planowania sekwencji montażu do współbieżnego projektowania 53 Macierz struktury konstrukcyjnej (M K ) Zdefiniowane ograniczenia (M K ) START Utwórz listę operacji startowych Pobierz pierwszą dostępną operację startową i utwórz macierz M K+ Dołącz kolejną(e) możliwą(e) operację do powstałej podsekwencji i utwórz M K+n Czy dołączana operacja jest typu pomiń? tak Usuń dołączaną operację z budowanej podsekwencji Czy dołączana operacja jest typu blokuj? nie Czy możliwe jest dalsze budowanie sekwencji? tak nie nie tak Czy wykorzystano wszystkie części składowe w bieżącej sekwencji? tak nie Zapisz sekwencję do listy wyników Usuń sekwencję startową z listy sekwencji startowych Czy są dostępne operacje startowe? nie KONIEC Rys.. Algorytm generowania dopuszczalnych sekwencji montażu Fig.. Flow chart of generation of feasible assembling sequences W pierwszym kroku algorytmu z listy połączeń startowych (wygenerowanych na podstawie macierzy wyjściowej M K ) wybierane jest pierwsze dostępne połączenie i tworzona jest podsekwencja montażowa z części składowych tego połączenia. Podsekwencja ta zapisywana jest w formie macierzy M K+. Jednocześnie

6 54 M. Sąsiadek, R. Rohatyński sprawdzane są ograniczenia dla bieżącej podsekwencji. W przypadku występowania ograniczeń uniemożliwiających dalsze budowanie sekwencji bieżąca sekwencja jest usuwana z dalszych rozważań. Jeżeli ograniczenia pozwalają na dalsze budowanie sekwencji montażu, dołączane są kolejne części składowe i tworzone podsekwencje wyższego rzędu aż do zbudowania kompletnej sekwencji spełniającej wszystkie ograniczenia. Działanie algorytmu zostanie przedstawione na przykładzie czteroelementowego podzespołu pokazanego w tablicy. Na rysunku przedstawiono schematycznie kolejne kroki działania algorytmu opartego na macierzy struktury konstrukcyjnej. M K Kro k_ M K Kro k_. Kro k_ M Krok_.. K+.. M K Krok_ Kro k_3. M K+ 3. Niepoprawna bieżąca sekwencja M K Kro k_. 4-3 Niepoprawna bieżąca sekwencja Krok_. M K+.. Kro k_.. M K+.. Krok_ Krok_3. M K Rys.. Algorytm generowania sekwencji montażu dla podzespołu z tablicy Fig.. Flow chart of generation of assembling sequences for the sub-assembly shown in Table W pierwszym kroku (rys. ) są dwie możliwości wyboru połączenia startowego: i 4. W wyniku wybrania połączenia startowego tworzona jest podsekwencja ( ) zapisywana w formie macierzy M K+. rozmiaru 3 3. W dalszej kolejności istnieje możliwość dołączenia części 3 lub 4. Ze względu na ograniczenia kolejnościowe poprawne jest dołączenie do ( ) części 3 i zapisanie powstałej podsekwencji (( ); ( 3)) w formie macierzy M K+.. rozmiaru. Ostatnim elementem dołączanym do bieżącej podsekwencji jest część 4. Sekwencja wynikowa ((( ); ( 3)); ( 4)) zapisywana jest w postaci macierzy M K+3. rozmiaru.

7 Metoda planowania sekwencji montażu do współbieżnego projektowania 55 W wyniku wybrania połączenia startowego 4 tworzona jest podsekwencja (4 ), zapisywana w formie macierzy M K+. rozmiaru 3 3. W dalszej kolejności istnieje możliwość dołączenia części 3 lub. Ze względu na ograniczenia kolejnościowe jedyną możliwością jest dołączenie do podsekwencji (4 ) części 3 i zapisanie jej ((4 ); ( 3)) w macierzy M K+.. rozmiaru. Ostatnim elementem dołączanym do bieżącej podsekwencji jest część 4. Sekwencja wynikowa (((4 ); ( 3)); ( 4)) zapisywana jest w macierzy M K+3. rozmiaru. 4. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA METODY Proces wyznaczania i oceny dopuszczalnych sekwencji montażu pokazano na przykładzie podzespołu koła zębatego ułożyskowanego w korpusie. Podzespół ten złożony jest z 8 części (rys. 3). Rys. 3. Podzespół koła zębatego; koło zębate, korpus, 3 łożysko, 4 łożysko, 5 tuleja dystansowa, 6 pokrywa boczna, 7 pierścień zabezpieczający, 8 nakrętka Fig. 3. Sub-assembly of the gear; pinion, body, 3 bearing, 4 bearing, 5 distance sleeve, 6 side cover, 7 retaining ring, 8 nut Przy założeniu, że częścią bazową jest część nr (korpus), zbiór par połączeń montażowych należy zredukować o wszystkie te, w których część jest częścią

8 56 M. Sąsiadek, R. Rohatyński dołączaną. W analizowanym przypadku są to: 3 i 4 i po ich wykluczeniu pozostanie tylko połączeń montażowych. W tablicy 3 zestawiono komplet informacji potrzebnych do rozwiązania zadania. Tablica ta zawiera: zestawienie możliwych połączeń montażowych ( 3, 4, 5 itp.), połączenia startowe (oznaczone znakiem ), połączenia blokujące (stanowiące warunki kolejnościowe przy budowaniu sekwencji montażu), wartość wskaźnika q a dla każdego połączenia. Te informacje są danymi wejściowymi do programu stanowiącego komputerową implementację algorytmu metody. Tablica 3 Zestawienie informacji niezbędnych do generowania dopuszczalnych sekwencji montażu Set of information required for generation of feasible assembling sequences Lp. Połączenie montażowe Połączenie startowe Połączenia blokujące OR ; AND ; Wskaźnik q = h f , , ,0 4 8,0 5 3, ,55 7 6, 8 3, , , ,0 a p p Przy założeniu, że częścią bazową jest część nr, połączeniami startowymi mogą być jedynie: 3, 4 oraz 6. Jednak ostatnie z nich ( 6) dołączenie pokrywy bocznej 6 do korpusu nie może być rozważane jako startowe ze względu na to, że należy ono do połączeń blokujących. W kolejnym kroku w zakładce Blocking Sequencies są definiowane połączenia blokujące typu: i, lub. W wyniku działania algorytmu uzyskano 6 dopuszczalnych sekwencji montażu widocznych w oknie dialogowym programu w zakładce Run Process (rys. 4). Dla każdej z wyznaczonych sekwencji istnieje możliwość przeglądu połączeń montażowych (w prawej części zakładki), a także kolejnych kroków algorytmu (pole Messages).

9 Metoda planowania sekwencji montażu do współbieżnego projektowania 57 Rys. 4. Wynikowe okno dialogowe programu komputerowego dla omawianego przykładu Fig. 4. Display of the computer screen showing results of the demonstrated eample 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Z uwagi na istotny wpływ prac montażowych na koszt i jakość maszyn i urządzeń mechanicznych konstruktor powinien mieć do dyspozycji sprawne narzędzie oceny projektowanej konstrukcji oraz możliwość wyboru najkorzystniejszej sekwencji łączenia jej części składowych. Dzięki temu uniknie się konstrukcji nieuwzględniających wymagań procesu montażu. W artykule przedstawiono koncepcję, w tym algorytm i prototypowy program komputerowy, generowania zbioru dopuszczalnych wariantów kolejności montażu urządzeń mechanicznych. Program ten powinien wspomagać inżyniera konstruktora w wyznaczaniu najkorzystniejszej sekwencji montażu z uwzględnieniem ograniczeń zdefiniowanych już na wczesnym etapie kształtowania konstrukcji produktu. W dalszych pracach autorzy przewidują udoskonalenie komputerowego procesu oceny i wyboru wariantów sekwencji montażu. Będzie do tego służyć opracowana baza wiedzy, zawierająca podręcznikowe zasady projektowania uwzględniającego montaż oraz specyficzne uwarunkowania technologiczne konkretnego zakładu produkcyjnego. Program komputerowy i baza wiedzy będą wykorzystywane przez użytkownika (projektanta konstruktora, planistę procesu montażu) w trakcie

10 58 M. Sąsiadek, R. Rohatyński tworzenia konstrukcji, jak również podczas opracowywania operacji technologicznych montażu. LITERATURA [] Booker J. D., Raines M., Swift K. G., Designing Capable and Reliable Products, Butterworth-Heinemann 00. [] Boothroyd G, Dewhurst P., Design for Assembly, Wakefield, Boothroyd Dewhurst Inc. 99. [3] Koch T., Systemy zrobotyzowanego montażu, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 006. [4] Łebkowski P., Metody komputerowego wspomagania montażu mechanicznego w elastycznych systemach produkcyjnych, Kraków, Wyd. AGH 000. [5] Rohatyński R., Kielec R., Sąsiadek M., Implementation of the dependency matri in the assembly process planning, w: Computer integrated manufacturing: advanced design and management, Warszawa, WNT 003, s [6] Rohatyński R., Sąsiadek M., Nowa metoda wariantowania sekwencji montażu dla projektowania współbieżnego, w: Komputerowo zintegrowane zarządzanie, t., Warszawa, WNT 005, s [7] Sąsiadek M., Optimal mechanical assembly sequence planning, w: Modelování a optimalizace podnikových procesů MOPP 008,. ročnik mezinárodního semináře, Plzeň, Czechy, 008. [8] Whitney D.E., Mechanical Assemblies: Their Design, Manufacture, and Role in Product Development, Oford, Oford University Press 004. [9] Żurek J., Ciszak O., Computer assisted selection of assembly sequence of machine parts and assemblies, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 005, vol. 5, nr. [0] Żurek J., Ciszak O., Modelowanie oraz symulacja kolejności montażu części i zespołów maszyn za pomocą teorii grafów, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 999. Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Żurek A METHOD OF DESIGN FOR ASSEMBLY FOR APPLICATION IN THE CONCURRENT ENGINEERING DESIGN S u m m a r y The paper presents a method of generation of the feasible set of the mechanical devices assembling sequences, which includes evaluation and selection of the set members. The concept of the method is based on the assumption that it should assist the engineering designer in finding the best assembly sequence, taking into account the constrains defined at early stage of the design process. An algorithm and computer program carrying out the method are also described, as well as an eample of implementation. Key words: concurrent engineering, assembly, assembling sequence