Integracja zespołów mechanicznych

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Integracja zespołów Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Proces projektowania urządzeń mechatronicznych (VDI 2004) Oprogramowanie Mechanika Elektronika

3 Konstruowanie urządzeń mechatronicznych (Gawrysiak 1997)

4 Algorytm projektowania (Wierciak 2007) 1. Określenie potrzeb użytkownika - struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji systemu - wykaz torów wykonawczych (sterujących) i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Analiza wymagań technicznych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych torów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

5 Analiza funkcji schemat blokowy funkcjonalny (Subdysiak 2009)

6 Przydział zadań dla specjalistów: mechanika, elektronika i informatyka Integracja zespołów Zadana wartość siły (Wierciak 2004) EF F Przelicznik Przetwornik C/A UF Moduł izolujący ADAM V Śruba siłownika UF Czujnik przemieszczenia MT-101K Napęd NR 160 F Popychacz siłownika MF Mechanizm rolkowo -cięgnowy Silnik obciążający IF Sterownik silnika Kabel specjalny Karta licznika IK-220 Algorytm pomiaru Układ pomiaru przemieszczenia - oprogramowanie 24 V Akumulatory - moduł sterująco-pomiarowy - układy elektroniczne Instrukcja (zał / wył) Wyjście (DO) Układ izolujący - badany obiekt (siłownik) Częstotliwość taktowania 12 V - oprogramowanie Układ obciążania silnika - układy elektromechaniczne Ładowarka Wyłącznik Liczbowa wartość siły - moduł sterująco-pomiarowy Program sterujący - układy elektroniczne - oprogramowanie - układy elektromechaniczne - moduł sterująco-pomiarowy ADVANTECH PCL 812 PG Przetwornik Układ - badany obiekt (siłownik) siły obciążający KT 1500 K Popychacz siłownika Port RS 232 Instrukcje sterownika Napięcia sterujące Sterownik API DM-224i Badany siłownik Przemieszczenie popychacza 32 V DC - układy elektroniczne - układy elektromechaniczne Zasilacz ZN200-L - badany obiekt (siłownik) Mostek tensometryczny ADAM 3016 Przetwornik A/D Algorytm pomiaru Układ pomiaru siły Układ sterowania silnika

7 Kategorie systemów mechatronicznych (Gausmeier 2008) Systemy oparte na przestrzennej integracji mechaniki i elektroniki Systemy wieloczłonowe ze sterowanymi ruchami

8 Kategorie systemów mechatronicznych - systemy wieloczłonowe (Gausmeier 2008) Systemy wieloczłonowe ze sterowanymi ruchami (MBS multi-body systems). Mają zapewnić optymalne działanie (zachowanie) systemów technicznych. Układy pomiarowe zbierają informacje o środowisku i samym systemie. System wykorzystuje je do wypracowania optymalnych odpowiedzi, które są realizowane przez układy wykonawcze. W ten sposób systemy te są zdolne do reagowania na zmienne warunki środowiskowe, do wykrywania warunków krytycznych i do optymalizacji swojego działania przez zastosowanie zasad sterowania.

9

10 Konstruowanie (Maluśkiewicz 2009) Konstruowanie dobieranie cech konstrukcyjnych zgodnie z zasadami konstrukcji. Koncepcja Konstruowanie Dokumentacja techniczna Weryfikacja z wykorzystaniem wybranych kryteriów oceny

11 Cechy konstrukcji (Maluśkiewicz 2009) Cechami konstrukcji są wybrane wielkości charakteryzujące konstrukcję i późniejszy wytwór (maszynę). Rozróżnia się cechy: geometryczne materiałowe dynamiczne (obciążeniowe).

12 Maszyna (Maluśkiewicz 2009) Maszyna jest to urządzenie techniczne służące do przetwarzania masy, energii lub informacji. W sensie konstrukcyjnym każda maszyna składa się z zespołów funkcjonalnych, te zaś z elementów. Element wykonany jest z jednego kawałka lub kilku kawałków materiału połączonych ze sobą w sposób nierozłączny. Elementami są np.: nit, śruba, wał, kadłub. Z kolei zespół składa się z pewnej liczby elementów połączonych w celu wykonania określonego zadania. Zespołami są więc np.: przekładnia, sprzęgło, hamulec.

13 Integracja zespołów - urządzenia technologiczne (Kirwil 2008, Masternak 2007) Automat do montażu oprawki elektrycznej Transporter taśmowy z podajnikiem

14 Klasyczna definicja maszyny (Reuleaux XIX w.) Maszyna - mechanizm lub zespół mechanizmów we wspólnym kadłubie, służący do przetwarzania energii lub wykonywania określonej pracy mechanicznej. Silniki maszyny służące do zamiany dowolnego rodzaju energii na energię mechaniczną. Maszyny robocze maszyny dokonujące zmiany stanu, kształtu lub położenia materiału.

15 Integracja zespołów (Listwan, Romaniak 2008) Ogniwo czynne Rama (korpus) Mechanizm jest to łańcuch kinematyczny zamknięty, mający jedno ogniwo unieruchomione zwane podstawą (ramą), w którym przy określonym ruchu jednego lub kilku ogniw napędzających (czynnych) ogniwa napędzane (bierne) wykonują ruchy ściśle określone.

16 Korpusy urządzeń - przykłady (Szlachcic 2010) Korpus płytowy Korpus przestrzenny Korpus gięty z blachy ze wzmocnieniami

17 Korpusy urządzeń - przykłady (Kirwil 2009, Bosch 2010) Korpus z profili spawanych Korpus z profili skręcanych

18 Mechanizmy (Listwan, Romaniak 2008) Przykłady mechanizmów: a) czworoboku przegubowego, b) pięcioogniwowego, c) krzywkowego, d) z kołami zębatymi, e) pięcioogniwowego z 2. napędami, f) dźwigniowego z ogniwami w postaci siłowników hydraulicznych

19 Schematyczne przedstawienie ogniwa nieruchomego (Listwan, Romaniak 2008)

20 Ogniwa napędzające (Listwan, Romaniak 2008) Para kinematyczna to ruchowe połączenie dwóch ogniw Przykłady ogniw napędzających tworzących z podstawą pary kinematyczne: a) obrotowe, b) przesuwne

21 Postać konstrukcyjna mechanizmu płaskiego maszyny włókienniczej (Listwan, Romaniak 2008)

22 Połączenia mechaniczne (Paprocki 1996) gwintowe kołkowe wpustowe nitowane i nitowe klejone zgrzewane spawane

23 Konstruowanie - siłownik liniowy zintegrowany z silnikiem skokowym (Kowalski 2005)

24 Konstruowanie miniaturowy siłownik liniowy napędzany silnikiem prądu stałego (Kowalski, Oleksiuk, Nitu 1999)

25 Układ napędowy stawu (Credo 2011) Przekładnia z paskiem zębatym Łańcuch Przekładnia śrubowa Silnik Korpus Przegub

26 Mechaniczna struktura robota ortotycznego (Szykiedans 2012)

27 Dokumentacja zespołów

28 Dokumentacja techniczna (Mościcki 2010) Dokumentacja techniczna jest efektem założeń konstrukcyjnych dotyczących projektowanego urządzenia. Dokumentacja techniczna składa się z rysunków i schematów, które przedstawiają pełne informacje o urządzeniu, a więc o jego: budowie i działaniu, sposobie montażu, kształcie, wymiarach, dokładności wykonania, oraz o materiałach elementów tworzących urządzenie.

29 Zawartość podstawowej dokumentacji konstrukcyjnej (Szatkowski 2008) 1. Rysunek zestawieniowy wyrobu 2. Rysunki zestawieniowe zespołów 3. Rysunki wykonawcze części 4. Specyfikacja zespołów i części 5. Schematy układów 6. Warunki techniczne odbioru materiałów, części, zespołów i całego prototypu

30 Dokumentacja konstrukcyjna towarzysząca (Szatkowski 2008) 1. Skrócony opis techniczny 2. Wstępna instrukcja obsługi 3. Arkusz czystości patentowej 4. Obliczenia konstrukcyjne wyrobu i jego elementów 5. Niezbędny zakres badań prototypu 6. Normy i projekty norm stosowanych w konstrukcji wyrobu

31 Komputerowe wspomaganie prac konstrukcyjnych (Salomone 1995) Mechanical Development Tools MCAD/MCAE: 2D CAD 3D CAD Surfacing Solids Modelling Detaling Finite Element Analysis Dynamic Analysis Rendering Tools Information Libraries Spreadsheet Thermal Analysis Design Optimization

32 Komputerowe wspomaganie prac konstrukcyjnych - analiza wymiarowa (Sedlicki 2009)

33 Komputerowe wspomaganie prac konstrukcyjnych - analiza naprężeń (Semeniuk 2012)

34 Kategorie systemów mechatronicznych - zespoły mechaniczno elektroniczne? (Gausmeier, MOLEX, 2008) Systemy oparte na przestrzennej integracji mechaniki i elektroniki, dla których ważnym kryterium oceny jest jak największa gęstość upakowania funkcji elektrycznych i w dostępnej przestrzeni. Konsekwencje budowy tych systemów to m.in.: miniaturyzacja, mniejsze koszty wytwarzania i większa niezawodność. W tej kategorii istotną rolę odgrywają technologie montażu i połączeń np. MID (Molded Interconnect Devices).

35 Przykłady zintegrowanych urządzeń formowanych przez wtrysk (LEONI, MOLEX, 2008) Podzespoły kompaktowych urządzeń medycznych Elastyczne połączenia elektryczne Wykonanie MID Wykonanie tradycyjne

36 Projektowanie współbieżne

37 Pętla jakości cykl życia wyrobu (ISO 9004:1989) Marketing i badania rynku Tworzenie projektu/specyfikacji i konstruowanie wyrobu Zaopatrzenie Likwidacja Planowanie i rozwój procesu Pomoc techniczna i obsługiwanie Odbiorca/ klient Producent/ dostawca Produkcja Instalowanie i uruchamianie Kontrola i badania Sprzedaż i dystrybucja Pakowanie i przechowywanie

38 Wpływ projektowania na koszty produktu (Branecki 1998) 75% całkowitych kosztów wytwarzania 80% jakości wyrobu 70% kosztów cyklu życia

39 Projektowanie współbieżne (Branecki 1998) Projektowanie współbieżne (ang. Concurrent Engineering) jest dziedziną równoległego, zintegrowanego i przewidującego skutki projektowania produkcji

40 Charakterystyczne cechy współbieżnego podejścia do projektowania (Branowski 1998) a) główne cechy podejścia współbieżnego i tradycyjnego, b) proces projektowania współbieżnego, c) empiryczna analiza efektów projektowania współbieżnego

41 Różne podejścia strategiczne do rozwoju produktu (Branowski 1998)

42 Oszczędności kosztów i czasu przy projektowaniu współbieżnym (Branowski 1998)

43 Koszty cyklu życia wyrobu (Branowski 1998)

44 Możliwości obniżenia kosztów (Branowski 1998)

45 Projektowanie zorientowane na koszty

46 Projektowanie zorientowane (Branecki 1998) 1. Na montaż (DFA Design for Assembly) 2. Na wytwarzanie (DFM Design for Manufacture) 3. Na koszty (CDD Cost Driven Design) 4. Na jakość (Quality Engineering) 5. Na niezawodność (Reliability) 6. Na obsługiwalność (Serviceability)

47 Wymagania stawiane konstrukcji w procesie konstruowania (Branowski 1998)

48 Działania zapewniające konkurencyjność produktów (Branowski 1998)

49 Proces poszukiwania rozwiązań konstrukcyjnych (Branowski 1998)

50 Sprzężenie działań konstrukcyjnych z ciągłą kontrola kosztów (Branowski 1998)

51 Wpływ prac konstrukcyjnych na koszty produkcji wytworu (Branowski 1998)

52 Przepływ informacji o kosztach (Branowski 1998)

53 Niedokładność przewidywania kosztów na różnych etapach produkcji wyrobu (Branowski 1998)

54 Ogólny schemat kosztów (Branowski 1998)

55 Projektowanie zorientowane na koszty - przykład analizy konstrukcji przekładni (Branecki 1998)

56 Konstrukcyjne rozwiązanie przekładni (Branowski 1998) Rysunek konstrukcyjny Koncepcja rozwiązania konstrukcyjnego

57 Koszty względne połączeń śrubowych (Branowski 1998)

58 Koszty względne połączeń wału z piastą (Branowski 1998)

59 Udział w kosztach wytwarzania i odpowiedzialność za koszty (Lotter 1986) Udział w kosztach Projektowanie Montaż Wytwarzanie części Inne Odpowiedzialność za koszty

60 Projektowanie zorientowane na montaż

61 Cele projektowania zorientowanego na montaż (Lotter 1986) minimalizacja czasu montażu i czasu szkolenia operatorów wdrożenie możliwie najprostszego i niezawodnego sprzętu do automatycznego montażu ekonomiczne zapewnienie jakości wyrobu realizacja wysokiej powtarzalności procedur montażu zamiast szerokiego wachlarza odmian wyrobu

62 Ustalanie położenia części podstawowych (Lotter 1986) a) ustalanie zewnętrzne b) ustalanie za pomocą otworu i szczeliny

63 Zamiana trzech części na jedną (przekonstruowanie) (Lotter 1986)

64 Zmniejszenie liczby części (Lotter 1986) a) konstrukcja pierwotna, b) nowy projekt

65 Redukcja liczby części przy projektowaniu zorientowanym na montaż (Lotter 1986) Części oryginalne Części zorientowane na montaż

66 Dominujące położenia części walcowych (Lotter 1986) Część L/D Dominujące położenia

67 Modyfikacja części w celu ułatwienia jej orientacji w zasobniku wibracyjnym (Lotter 1986) Pierwotny kształt części Ściana bębna zasobnika Część z dodatkowym elementem wyróżniającym Asymetryczne występy Układ orientujący w zasobniku wibracyjnym

68 Projektowanie części pod kątem ich transportowania Niezalecane Zalecane (Lotter 1986)

69 Prawidłowe i błędne ukształtowanie części ze względu na transport Niezalecane Zalecane (Lotter 1986)

70 Kształtowanie części do montażu ręcznego (Lotter 1986) Ukształtowanie niewłaściwe Ukształtowanie właściwe

71 Pozostawienie miejsca na wkrętak ręczny i automatyczny (Lotter 1986) Wkręcanie ręczne Wkręcanie automatyczne

72 Pozostawienie wolnego miejsca na oprzyrządowanie montażowe (Lotter 1986)

73 Kształtowanie miejsc podparcia części do operacji montażowych z użyciem sił (Lotter 1986) Miejsca podparcia

74 Porównanie różnych metod łączenia części (Lotter 1986)

75 Dopuszczalne tolerancje Rozkłady wymiaru pojedynczej części wokół wartości średniej Montaż z selekcją Montaż ręczny Montaż automatyczny (Lotter 1986) Wymagany rozkład na potrzeby automatycznego montażu Wymiar Tolerancja rzeczywistych wymiarów