1. Úvod 1.1 Co je návrh (konstrukce) pro výrobu a montáž V tomto textu budeme uvažovat, že „výroba“ znamená vyrobení jednotlivých dílů výrobku nebo sestavy a „montáží“ je uvažováno umístění nebo spojení těchto dílu a vytvoření hotového výrobku. V textu tedy není montáž brána jako výrobní postup jako je například obrábění, tváření atd., které jsou jako výrobní postupy brány. Termínem „návrh (konstrukce) pro výrobu“ (dále jen DFM) rozumí návrh snadně vyrobitelné skupiny dílů, z kterých se zkompletuje výsledný výrobek a „ návrhem (konstrukce) pro montáž“, dále jen DFA, se rozumí návrh snadně smontovatelného výrobku. Z toho vyplívá, že „návrh (konstrukce) pro výrobu a montáž“, (dále jen DFMA) je kombinací DFA a DFM. DFMA je používána pro tři hlavní činnosti. 1. Je základem pro souběžné inženýrství, zaměřeného na vedení vývojových týmu k jednoduššímu tvaru výrobku a dosažení nižší výrobní a montážní ceny a nadále počítat s možnou modifikací výrobku. 2. Jako nástroj pro srovnání konkurence schopnosti výrobku a zjištění výrobních a montážních problémů. 3. Jako nástroj k zjištění předpokládané ceny, čímž se zkrátí čas při vyjednávání s dodavateli. Původní DFA metoda vznikla v šedesátých letech při pracích na automatizované obsluze. Byl vytvořen systém technologického třídění, který katalogizoval automatizovanou obsluhu po malých krocích. Zjistilo se, že systém třídění mohl být nápomocen konstruktérům při návrhu součástí které se dali snadno vkládat automaticky. V polovině sedmdesátých let došlo k všeobecného přístupu k metodám DFM a DFA. V podstatě to znamenalo roztřídění konstrukčních tvarů výrobku a tak významně zefektivnit montáž a výrobu. Ve stejnou dobu získala Sailfordská univerzita v Anglii státní grand na výzkum návrhu (konstrukce) výrobků vhodných pro automatizovanou montáž. Součástí výzkumu bylo i srovnání různých konstrukčních řešení domácích plynoměrů. Všechny pracovali na stejném principu a měli stejné základní součásti. Zjistili se velké rozdíly v jejich vyrobitelnosti, nejhorší návrh byl šestkrát složitější na výrobu než nejlepší návrh. Obrázek 1.1 ukazuje 5 různých řešení připojení, které byli použity u plynoměrů. Nejjednodušší k zajištění krytu je použití západky (nalevo). V příkladech napravo, se nezvětšuje pouze montážní čas, ale roste i počet a cena součástí. Jsou tu vidět základní principy metody jednoduché montáže a výroby: snížení počtu montážních operací, počtu součástí a vytvořit podmínky pro jednodušší montáž. V době příchodu mikropočítačů na trh, byla verze DFA fungující na počítači Apple II velmi atraktivní pro všechny, kteří chtěli využít výhod DFA. Američtí konstruktéři začali, na rozdíl do svých evropských
1
nebo japonských protějšků, preferovat k analýze návrhů pro snadnou montáž počítače před ručními výpočty. Následkem toho, IBM a Digital začali financovat vývoj DFA softwaru pro jejich vlastní výrobky.Hlavní průlom v rozvoji DFA nastal v roce 1988. -
DFM/DFA je základem k řízení kvality a ceny Má dopad na všechny systémy výrobku Je nedílná součást inženýrského a výrobního školení pracovníků Poskytuje vědomosti a schopnosti pro jednotlivce i organizaci Poskytuje technická zlepšení pro výrobek a výrobu Není možností je potřebou
V šedesátých letech se velmi mluvilo o navrhování výrobku s ohledem na co nejsnadnější výrobu. Doporučení známé jako směrnice pro vyrobitelnost, už byli známé. Na obr. 1.2 je vidět typické doporučení návrhu vydané v roce 1971, který kladl důraz na jednodušší jednotlivé části. Autoři této směrnice se chybně domnívali, že několik tvarově jednoduchých dílů je levnější na výrobu než jeden komplexně tvarovaný díl a výdaje na montáž jsou kompenzovány úsporami při výrobě jednodušších dílů. Jak ukazuje tabulka 1.1 mýlili se v obou případech. Dokonce i když pomineme náklady na montáž, dva díly ve „správném“ návrhu jsou výrazně dražší než jeden díl ve „špatném“ návrhu, dokonce i úkolová část ceny ( zanedbávající výdaje na obrábění) je vyšší. Budeme-li v účtování brát v úvahu montážní cenu a ignorovat cenu za uskladnění dodržení kvality a kancelářských prací, je cena „správného“ návrhu o 50% dražší než „špatného“ návrhu! Tabulka 1.1: Přepokládaná cena v dolarech pro dva příklady z obr. 1.2 Cena zorganizování Cena procesů Cena materiálu Cena za součást Cena obrábění Cena celkové výroby Cena montáže Cena celkem
nevhodné 0.015 0.535 0.036 0.586 0.092 0.678 0.000 0.678
vhodné 0.023 0.683 0.025 0.731 0.119 0.85 0.2 1.050
Objev a počátek používání metody k analyzování montážních problémů v sedmdesátých letech, poukázal na rozpor mezi výrobou a montáží. Zjistilo se, že zjednodušení výrobku snížením počtu jeho dílů (díky DFA až o 50%) se dosáhne značného snížení montážních nákladů. Schopnost odhadovat montážní a výrobní náklady v co nejranější době návrhu výrobku je podstata DFMA. Jednoduchý příklad z obr. 1.2 a tabulky 1.1 ukazuje toto. Pokud by byl „správný“ návrh zkoumán podle DFA, konstruktér by se dotazoval, zda-li by podsestava nemohla být vyrobena jako jedna součást, aby se předešlo montážním nákladům ve výši 0.2$. Další rozbor by ukázal ušetření dalších 0.17 v ceně součástí. 2
Po léta se očekává, že konstruktéři by měli upozornit na problémy při výrobě. U studentu technických škol se předpokládá kromě teoretických znalostí o konstrukci strojů i zkušenosti z praxe. Za schopného konstruktéra je brán je ten, kdo je obeznámen s výrobními postupy a vyhne se zvyšování výrobních nákladů už během návrhu. Avšak, z vysokoškolských studijních plánů zmizel praktický kurs už v šedesátých letech;nová generace strojírenských teoretiků ho neshledala vhodným pro akademický kredit. Ve skutečnosti, zaměstnání designéra nebylo obecně považováno jako strojírenské vzdělání. Samozřejmě slovo "design" má mnoho významů, někdy znamená provedení karoserie auta nebo barvu tkaniny, jindy tvar otvíráku na konzervy. Ve studijních plánech některých universit se tím míní „návrh výrobku“. Na druhé straně, design (návrh) může znamenat ustanovení základních parametrů systému. Na příklad, před rozvažováním nějakých detailů,design (návrh) elektrárny by mohl obsahovat charakteristické rysy různých částí, generátorů, pump, kotlů, potrubí, atd. Dalším výkladem slova design (návrh) by mohla být podrobná dokumentace jednotlivých dílů výrobku, jako použitý materiál, tvar, tolerance. Tím se také rozumí design (návrh) v této knize. Je to činnost, která začíná skicami dílů a sestav, pokračuje se v CAD programech až k vytvoření výkresové dokumentace výrobku. Výkresová dokumentace se předá výrobě a montáži, kde ji použiji k vytvoření finálního výrobku. Často se v této etapě zjistí výrobní nebo montážní problémy vyžadující konstrukční úpravy. Pokud jsou úpravy příliš rozsáhlé mohou způsobit zdržení při výrobě. Právě proto je důležité brát výrobu a montáž v potaz při návrhu výrobku a uvažovat je v procesu návrhu tak brzo jak je to jen možné. To je vidět na obr.1.3, kde více času vynaloženého na počátku návrhového procesu je zúročeno časovými úsporami při tvorbě prototypů. DFMA nejenže snižuje cenu výrobku, ale také zkracuje dobu příchodu nového výrobku na trh. Jiný důvod proč brát na zřetel výrobu a montáž již během návrhu, je fakt, že 70% ceny finálního výrobku je dáno konstrukčním řešením výrobku. Tradiční postoj konstruktérů byl „my to navrhneme, vy to vyrobte“. Jednou variantou jak předejít mnoha problémům, byla konzultace s dělníky ještě ve fázi návrhu výrobku. Nicméně, tyto týmy, nazývané simultánní nebo souběžné inženýrské týmy , potřebovali
3
vhodný „nástroj“ k analýze návrhů z hlediska složitosti výroby a ceny výrobku. Na obr.1.4 Je vidět přínos DFMA ve firmě, je vidět postupné snížení výrobních a montážních nákladů.
1.2 Jak funguje DFMA ? Na obr.1.5 je nakreslen koncept sestavy motorového pohonu s pohybujícího se na dvou ocelových vodících tyčích. Motor musí být z estetických důvodů úplně zakrytován a mít odjímatelný kryt pro seřizování snímače polohy. Je kladen důraz na tuhost základové desky navržené tak, aby umožňovala pohyb po vodících tyčích. Vodícími tyče budou určena poloha snímače a držen motor. Motor a snímač jsou připojeny kabelem k řídící jednotce. Navrhované řešení je znázorněno na obr.1.6 , kde je základní deska opatřena dvěma pouzdry s přijatelným třením a opotřebením. Motor je k základní desce připevněn dvěma šrouby. Základní deska je opatřena válcovou dírou pro snímač, který se je držen stavěcím šroubem. Motor,základní deska a snímač jsou nezbytné pro funkci zařízení. Pro požadované zakrytování je použit kryt a čelo. Čelo je přišroubováno k dvěma nástavcům, které jsou zašroubovány do základní desky. Čelo je opatřeno plastovou průchodkou pro přívodní kabely. Nakonec je vše uzavřeno krytem, nasunutým přes celou sestavu od spodu základní desky. Kryt je přichycen dvěma šrouby k základní desce a dvěma k čelu. Jsou zde dvě podsestavy, motoru a snímače, nutných pro
4
funkci, dále je tu osm dalších dílů, a devět šroubů. V sestavě je celkem devatenáct položek. Aby byla metodika DFA nápomocna při snižování počtu dílů výrobku, musí se každá součást uvažovat ze tří hledisek jak je připojena k sestavě výrobku. 1. Koná díl pohyb vůči jiným dílům výrobku během činnosti výrobku? Zvažovat by se měli jen velké pohyby, malý relativní pohyb, který můžeme umožnit například celým pružným elementem, není považován za kladnou odpověď 2. Musí být díl z jiného materiálu a tedy oddělen od dalších částí? Pouze podstatné důvody týkající se materiálových vlastností jsou přijatelné. 3. Musí být součást oddělitelná od sestavy, aby byla umožněna montáž nebo demontáž dalších dílů? Pokud bychom aplikovali tyto kriteria na navrhovanou konstrukci obr.1.6 došli bychom k: 1. Základová deska: Je prvním dílem v sestavě, není žádní díl ke kterému bychom jí museli připojit. Teoreticky je to nezbytná součást. 2. Pouzdra (2): Nesplňují kritéria, protože teoreticky může být základní deska a pouzdra ze stejného materiálu. 3. Motor: Motor je standardní podsestava za předpokladu že je koupený od dodavatele.Nedají se na něj použít kriteria, protože je nezbytnou oddělenou částí. 4. Šrouby motoru(2): Samostatné upínací díly se nikdy nesetkají s kriterii, protože se dají teoreticky nahradit vhodným konstrukčním uspořádáním. 5. Snímač: Další standardní podsestava, která může být považovaná za nezbytnou oddělenou součást. 6. Stavěcí šroub: Teoreticky není nezbytný. 7. Nástavce(2): Nesplňují kritéria, mohou být začleněny do základní desky. 8. Čelo: Musí být odděleno z důvodu montáže, podstatných součástí. 9. Šrouby čela (2): Teoreticky nejsou nezbytný. 10. Průchodka: Může být ze stejného materiálu jako čelo a tedy sním i spojena. 11. Kryt: Může být spojen s čelem 12. Šrouby krytu (4): Teoreticky nejsou nezbytný. Kdybychom podsestavy motoru a snímače uspořádali tak, aby se dali do základní desky zacvaknout nebo zašroubovat a podobně navrhli i plastový kryt, potřebovali bychom pouze 4 díly namísto devatenácti. Tyto čtyři díly reprezentují teoreticky minimální počet dílů nutných k zajištění požadavků kladených na výrobek bez dalších omezení. Konstruktér nebo konstruktérský tým by měl obhájit použití dílu nesplňujících výše uvedená kriteria. Jejich použití může být dáno praktickými, technickými nebo ekonomickými důvody. V tomto případě, by se dalo argumentovat tím že dva šrouby k připevnění motoru a stavěcí šroub snímače jsou vhodné, protože jiné možnosti by byli z důvodu malého počtu vyrobených kusů nevhodné. Nicméně, šrouby by bylo možné k usnadnění montáže opatřit vodící špičkou. Teď když máme vhodné alternativní řešení, musíme vzít v úvahu montážní časy a ceny a zjistit možné úspory, které se dají vzít do úvahy pro návrhovou alternativu. Použitím techniky popsané v této knize, je možné udělat odhady montážních nákladů a později cenu součástí a nutných nástrojů bez znalostí výkresové dokumentace součástí. V tabulce 1.2 jsou ukázány výsledky srovnání montáže původního motorového pohonu, kde dostáváme montážní návrhový index 7,5%. Tento výsledek dostaneme porovnáním odhadovaného montážního času 160 s, s teoretickou minimální dobou získanou násobením teoreticky minimálním počtem součástí (4 součásti) minimálním montážním
5
časem pro každou součást 3 s. Je vhodné připomenout, že se v analýze berou podsestavy jako jednotlivé součásti. Ve sloupci teoretického počtu součástí je nula u těch dílů, které byli v rozporu s uvedenými kriterii pro minimální počet součástí. Tyto součásti tvoří z celkového montážního času 120,6 s. Tento čas můžeme porovnat s celkovým montážním časem pro všech 19 součástí 160 s. Je jasně patrné, že součásti a operace používající šroubová spojení mají největší montážní čas. Dříve navrhované nepoužití šroubů motoru a stavěcího šroubu by bylo pravděpodobně nepraktické. Tab.1.2:Výsledky DFA analýzy pro starou koncepci motorového pohonu obr.1.6 Počet Základová deska Pouzdro Sestava motoru Šroub motoru Sestava snímače Stavěcí šroub Nástavec Čelo Šroub čela Průchodka Kabeláž Změna upnutí Kryt Šroub krytu Celkem
1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 4 19
Teoretický součástí 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 4
počet
Montážní čas (s) 3.5 12.3 9.5 21.0 8.5 10.6 16 8.4 16.6 3.5 5 4.5 9.4 31.2 160
Montážní cena (dolary) (30/h) 2.9 10.2 7.9 17.9 7.1 8.8 13.3 7 13.8 2.9 4.2 3.8 7.9 26 133
Vynechání součástí, které odporují uvedeným kriteriím vede ke koncepci znázorněné na obr.1.7 , kde jsou pouzdra a nástavce utvořena přímo v základové desce. Čelo, kryt, průchodka a šest šroubů nahrazeno plastovým krytem opatřeným západkou. Vypuštěné díly tvořili 97,4 s montážního času. Montážní čas nového krytu je jen 4 s a předešlo se jeho špatné orientaci. Navíc, použití šroubů s vodící špičkou a přepracovaní základní desky umožnilo samo stavitelnost motoru. Tab. 1.3: Výsledky DFA analýzy pro nové koncepce motorového pohonu obr.1.7 Počet Základová deska Sestava motoru Šroub motoru Sestava snímače Stavěcí šroub Kabeláž Kryt (plast) Celkem
1 1 2 1 1 1 6
Teoretický součástí 1 1 0 1 0 1 4
počet
Montážní čas (s) 3.5 4.5 12 8.5 8.5 5 4 46
Montážní cena (dolary) (30/h) 2.9 3.8 10 7.1 7.1 4.2 3.3 38.4
Tabulka 1.3 ukazuje výsledky analýzy pro nový návrh. Nový montážní čas je jen 46 s, méně než jedna třetina původního montážního času. Montážní index je teď 26% , výsledek je charakteristický pro dobře navržená malá elektromechanická zařízení vyráběná v relativně malém množstvím.
6
V tabulce 1.4 jsou porovnány ceny dílů původního a nového návrhu. Na novém návrhu se v cenách dílů ušetří 15 dolarů. Musíme však uvažovat počáteční investici 6307 dolarů na nástroje pro výrobu nového krytu. Ceny dílů a nástrojů, byli vytvořeny postupem popsaným v této knize. Ve výsledku srovnání vidíme úspory nové koncepce ve výši 15,95 dolarů, z kterých pouze 95 centů je úspora v montážním čase. Navíc se index zlepšil asi o 250%.Za všimnutí stojí srovnání ceny součástí s montážní cenou. Druhým krokem je rozbor z hlediska návrhu pro snadnou výrobu DFM. Tedy odhadnout cenu vyráběných součástí a zjistit dopad úprav daných počáteční DFA analýzou. Například, DFM analýzou základní desky zjistíme její cenu, je-li ovšem vyráběna strojně. Vynecháním dvou závitových děr pro nástavce a dalších dvou na bocích základní desky Tab. 1.4: Srovnání nákladů konstrukčních řešení motor a čidlo nejsou zahrnuty, Starý návrh Položka Základová deska (Al) Pouzdro (2) Šroub motoru (2) Stavěcí šroub
Cena (dolary) 12.91 2.4 (závisí na množství) 0.20 (závisí na množství) 0.10 (závisí na množství)
Nástavec (2) Čelo Šroub čela (2) Průchodka Kryt Šroub krytu (4) Celkem
5.19 5.89 0.20 (závisí na množství) 0.10 (závisí na množství) 8.05 0.40 (závisí na množství) 35.44
Nový návrh Položka Cena (dolary) Základová deska (nylon) 13.43 Šroub motoru (2) 0.20 (závisí na množství) Stavěcí šroub 0.10 (závisí na množství) Plastový kryt (vyžaduje 6.71 nástroje) Celkem 20.44 Cena nástrojů pro plastový kryt 6307
snížíme cenu obrábění o 1,14 dolarů. Výrobní úspory jsou samozřejmě vyšší než 95 centu v možných celkových montážních úsporách. I když je důležité znát odhadovanou výrobní cenu, daleko důležitější je znát cenu jednotlivých výrobních operací. Uvedená případová studie je typická v tom smyslu, že ačkoliv DFA analýza zdůrazňuje návrh vhodný pro montáž, výsledky které zlepší smontovatelnost, obvykle významně sníží výrobní náklady součásti. Obr.1.8 shrnuje kroky při návrhu součásti, když používáme metodu DFMA. Metodou DFA provedeme první k zjednodušení struktury výrobku, pak metodou DFM získáme prvotní odhad nákladů pro původní a nové řešení a provedeme rozhodnutí. Během rozhodnutí uvažujeme pro všechny součásti nejlepší vhodné materiály a výrobní procesy. Jsou-li použité materiály a výrobní procesy zvoleny, můžeme provést důkladný DFM rozbor pro podrobný návrh součásti. Všechny kroky budou podrobně probrány v následujících kapitolách.
7
1.3 Co je výhodou použití DFMA během návrhu výrobku? Průzkumy s přehlídek návrhů poněkud překvapivě odhalili, že snížení výrobních nákladů není nutně největší důvod k rekonstrukci návrhu. Snížení prodejního času a zlepšení kvality je považováno za více důležité než snižování nákladů viz. obr.1.9. Další výhodou DFMA je systematický postup analyzování návrhu z hlediska výroby a montáže. Výsledky procedury jsou jednodušší a vhodnější výrobky, které jsou levněji vyrobitelné a smontovatelné. Navíc, jakékoliv snížení počtu dílů v montážních postupech způsobí redukci ceny, protože výkresová dokumentace, specifikace, nákup, skladování a výroba nebude potřeba. To má výrazný dopad na režijní náklady, které v mnoha případech tvoří největší část v celkové ceně výrobku. Nástroj DFMA také podporuje spolupráci konstruktérů, dělníků a dalších osob hrajících roli v tvorbě celkové ceny výrobku během tvorby projektu. To podporuje týmovou práci a přináší výhody ze souběžných týmů.
1.4 Typické případové studie DFMA 1.4.1
Obranný průmysl Obraný průmysl má specifické problémy při uplatňování návrhu pro výrobu a montáž.Konstruktéři často nevědí kdo bude jejich návrh vyrábět, protože je často prodán pryč když je hotov. Z toho důvodu není možná komunikace mezi výrobou a konstrukcí Na příkladu (obr.1.10) je původní návrh návrhu sestavy nitkového kříže pro termovizní zaměřovač používaný u pozemních obrněných vozidel. Slouží k sledování a zaměřování cílů v noci a nepříznivých bojových podmínkách a vytváří obrazový výstup s drahou pohybu zbraně vozidla, pro přesné její přesné dálkově řiditelné zamíření. Trvale provádí úpravy nastavení optických prvků, přenáší zpětné rázy zbraňových systémů, mechanické vibrace od motoru a nerovného terénu. Jako všechny podobné systémy musí být lehký.
8
Výsledky DFA analýzy informují o velkém zvýšení montážního času použitím upevňovacích prvků a častou reorientací součástí. Speciální operace pro vrtání a jištění kolíky a také použití lepidla na šroubové spoje zvyšují montážní čas. Hlavním cílem úpravy návrhu bylo snížení počtu dílů, vynechání nepodstatných dílů, typizovat zbývající a omezit nebo vyloučit možnost špatné orientace Obr.1.11. Nový návrh byl prověřen metodou DFA, tabulka 1.5 uvádí výsledky srovnání. Ve všech stránkách výroby sestavy byli získány ohromné výsledky. Původní výrobek měl 24 dílů a nový jich má pouze 8. Je jasné, že dokumentace, získání a skladování 16 dílů už není nutné. DFMA zjednodušela konečný návrh redukcí dílů a také zlepšila montážní čas a cenu. Firma také použila vlastní technologie k zlepšení kvality a snížení poruchovosti. Tab. 1.5:Srovnání nového a starého návrhu sestavy zaměřovacího systému Montážní čas (h) Počet různých součástí Celkový Počet součástí Celkový počet operací Zhotovení kovových dílů (h) Hmotnost (lb)
Původní návrh 2.15 24 47 58 12.63 0.48
Nový návrh 0.33 8 12 13 3.65 0.26
1.4.2
Zlepšení (%) 84.7 66.7 74.5 77.6 71.1 45.8
Letectví Názorným příkladem je rekonstrukce motorové gondoly na Canadair Regional Jet serie 200. DFMA tým napojil nový návrh na jednu z podsestav torzní skříně. Snížili počet hlavních částí ze 110 na 86, počet upevňovacích prvků z 1090 na 916 a montážní čas ze 126 hodin na 96.
9
McDonell Souhlas použil software DFMA k úpravě návrhu letounu F/A Kornet. Nový letoun je o 25% větší než jeho předchůdce, obsahuje o 42% méně dílů a má o 1000 lb méně než bylo požadováno. Podstatně vylepšen byl vrtulník Apache Longbow. V jedné z několika studii nahrazuje strojně rychle vyrobitelnými díly, plechové přechodky a vytlačované výztuhy spojené nýty. U nové konstrukce klesl počet dílů a spojovacích součástí z 74 na 9, hmotnost ze 3 na 2,74 kg, výrobní čas z 305 na 20 hod. a výrobně/montážní čas z 697 na 181 hod. Úspory byli 43 tis. dolarů na kusu, plus další výhody nové konstrukce byli větší tuhost, stabilita, jednodušší uspořádání a zkrácení času nutného k instalaci a kontrolám.
1.4.3
Výpočetní technika Názorným příkladem je srovnání staré a nové myši je na obr.1.12. Nový DFMA návrh, zkracuje 130s času nutného pro montáž klece kuličky na 15 s montážního času zařízení, které ji nahrazuje. Další změny ve stavbě výrobku, také přinášejí úspory. Například, použití v průměru sedmi šroubů u původní myši bylo odstraněno použitím západky. Nová myš nevyžaduje montážní úpravy, zatímco u staré jich bylo osm. Celkový počet montážních operací bylo na staré myši 83, to se podařilo snížit novým návrhem na 54. Všechny zlepšení v součtu dávají zrychlení montáže na 277 s, oproti 592s u konvenční myši.
10
Časový cyklus, byl snížený použitím DFMA:. Druhý projekt, který se drží nové metody byl hotov za 18 týdnů včetně obrábění
2. Výběru materiálu a výrobních postupů 2.1 Úvod Nedílná součást návrhu pro výrobu je systematický brzký výběr kombinace materiálu a zpracování pro výrobu součástí, které pak mohou být řazené podle různých kritérií. Bohužel, konstruktéři inklinují k používání nejvíce známým výrobním postupům a materiálům pro díly a nemusí pak zahrnout do úvahy zpracování a kombinace zpracování / materiál takové, které by se mohli ukázat více ekonomické. Prostory pro vhodnější výrobní postupy a modifikace součásti může být ztracená díky podobnému omezenému výběru výrobních postupů a materiálů již prvních stupních návrhu výrobku.
2.2 Všeobecné požadavky pro brzký výběr materiálů a způsobu zpracování Pro opravdu hodnotnou konstrukci výrobku, je nutné znát informace o výběru materiálu a zpracování kombinaci co nejdříve v koncepční fázi návrhu nového výrobku. Taková informace by mohla zahrnovat, například: Životnost výrobku Přípustné výlohy na obrábění Možný tvar a složitost součásti Údržba, opravy nebo požadavky prostředí Faktory vzhledu Faktory přesnosti Je důležité si uvědomit, že stavba výrobku a výrobní postup spolu úzce souvisí a návrh výrobku ho musí používat jako jediný možný. Jinými slovy, mnoho konstrukčních detailů součásti nemůže být stanoveno bez zřetele na zpracování. Pro tento důvod, je důležité, aby ekonomické srovnání konkurenčních výrobních postupů bylo provedené ještě když je výrobek v koncepčním stupni vývoje. Takové brzké zhodnocení zajistí, aby každý ekonomicky vhodný postup byl vyšetřen ještě před vývojem a návrhem výrobku a stal se specifickým postupem. Jaké různé návrhové postupy používat při odhadování ceny výrobku z toho koncepčního stupně k výrobní, různé metody mohou být užívaný pro vykonávat cenové modelování toho produktu. V tom koncepčním stupni postačí hrubé srovnání nákladů výrobku, jako například velikost a složitost. Tento postup má v sobě jistou míru nejistoty, ale obsahuje koncepční návrhovou informaci užitečnou pro účel brzkého ekonomického srovnání. S pokračováním vývoje, vybráním určitých materiálů a způsobu zpracování, můžou být použity další metody k tvorbě ceny. Ty mohou být velmi užitečné při stanovení vztahu mezi konstrukčními rysy a výrobními náklady pro určitý postup. Základ několika procedur cenových odhadů pro různé postupy zpracování je popsán v dalších kapitolách. 2.2.1 Souvislost zpracování a operačního plánování
11
Je zřejmý vztah mezi počátečním výběrem kombinace materiálu,způsobu zpracování a výrobního plánování. Během výrobního plánování jsou stanovené podrobnosti v pořadí výrobních operací a použitých strojů. V tomto stupni jsou stanoveny konečné podrobné odhady nákladů pro výrobu součásti. Významná práce byla odvedena v oblasti systémů výrobního plánování pomocí počítače (CAPP ), ačkoli bližší zkoumání ukázalo, že většina této práce byla věnovaná jen obrábění. Tyto systémy jsou využitelné po zhotovení podrobné dokumentace součásti s mlčky předpokládaným výrobním postupem. Počáteční rozhodnutí materiálu a výrobním postupu je pro danou součást nejdůležitější, určí to většinu následujících výrobních nákladů. Cílem systematického včasného výběru způsobu zpracování a materiálu je pokusit se ovlivnit počáteční rozhodnutí, o tom, kterou kombinaci použít , ještě před vytvořením podrobné dokumentace součásti byla uskutečněné a před podrobným výrobním plánováním.
2.3 Výběr výrobních postupů Výběr vhodných způsobů zpracovává pro výrobu jednotlivé součásti je založený na porovnání požadovaných vlastností součásti a rozličných schopností zpracování. V okamžiku, kdy je funkce součásti stanovená, může být vytvořen soupis základních požadovaných atributů součásti, jako je, základní geometrické rysy, materiálové vlastnosti, atd. Jde o jakýsi "nákupní seznam", který musí být splněn materiálovými vlastnostmi a možnostmi výrobních postupů. Parametry na "nákupním seznamu" souvisí s funkcí součásti a jsou určené geometrickým a provozním stavem součásti. Většina jednotlivých součástek není vyrobená jediným postupem, ale vyžaduje řadu různých výrobních procesů zajištění všech požadovaných funkcí. To jsou například případy, tváření nebo obrábění, kdy po vyjmutí polotovarů, je třeba dokončovacích procesů k vytvoření požadovaných rysů všech nebo některých částí dílu. Kombinace mnoha způsobu zpracování je nezbytná. Jednotlivý proces nemůže obecně splnit všechny požadavky kladené na hotový díl. Nicméně, jeden z cílů DFMA analýzy je zjednodušení struktury výrobku a sjednocení dílů. Zkušenosti ukazují to, že obecně je nejvíce ekonomické co nejlépe využít
12
možností počátečního výrobního postupu k zajištění tolika požadavků kladených na součást, kolik je jen možné. Existují stovky způsobů zpracování a tisíce různých materiálů. Navíc se stále vyvíjejí nové materiály a způsoby zpracování. Naštěstí, následující poznámky zjednodušují problém výběru: 1. Některé způsoby zpracování se nehodí pro některé materiály. Obr.2.1 ukazuje kompatibilitu vybrané řady způsobů zpracování a typů materiálu. 2. Mnoho způsobů zpracování není vhodných a proto se neobjeví v žádných výrobních sekvencích. 3. Některé způsoby zpracování mají vliv pouze na jednu vlastnost součásti, jako třeba povrchové úpravy nebo tepelné zpracování. 4. Sekvence zpracování mají přirozeně vytvářet tvar.
Způsoby zpracování můžeme rozdělit na: -
primární primární/sekundární terciální
Některé texty míní primárními způsoby zpracování ty, které vytvářejí polotovary, jako například válcování nebo tažení drátu. V této knize je primárním způsobem zpracování myšlen takový, který vytváří základní tvar součásti. Měli by to být takové způsoby zpracování, které vytváří tolik požadavků kladených na součást, jak je jen možné, obvykle jsou první z celého sledu operací. Odlévání, kování, vstřikování to jsou příklady primárního vytváření tvaru součásti. Primární/sekundární způsoby zpracování, na druhé straně, mohou vytvářet základní tvar součásti nebo začisťovat rysy součásti. Toto zpracování se objevuje na začátku nebo v průběhu sledu operací. Tato kategorie zahrnuje odebírání materiálu a další zapracování, jako obrábění, broušení a protlačování. Terciální způsoby zpracování neovlivňují geometrii součásti a vždy se objevují po primárních a primárně/sekundárních způsobech zpracování. Do této kategorie jsou zařazeny dokončovací procesy a tepelná zpracování. Výběr terciálního způsobu zpracování je zjednodušený, protože mnoho těchto operací ovlivní jen jedu vlastnost součásti. Například, lapování je používáno k dosažení velmi dobré jakosti povrchu, pokovování zase pro zvýšení odolnosti proti korozi.
2.4 Možnosti způsobů zpracování Velké množství všeobecných informací o výrobních postupech je k dispozici v širokém okruhu učebnic, příruček, atd. Každý postup můžeme hodnotit podle toho, jaké vlastnosti součásti může vytvořit. Do těchto možností se zahrnují například, vytvořené tvarové rysy, dosažitelná přesnost (tolerance) rozměrů, drsnost povrchu. To určuje zda je způsob zpracování vhodný pro zlepšení vlastností dané součásti.. Vhodnost k tvoření tvaru součásti u procesů jsou ukázány v Příloze 1. různými podmínkami.
13
Všeobecné tvarové vlastnosti Prohlubně :Možnost tvoření prohlubní a rýh v povrchu součásti. Jedna možnost je tvořit prohlubně v jednom směru a druhá možnost tvorby propadlin ve více směrech. Obě tyto možnosti jsou závislé na směru obrábění. Například u procesu s vstřikováním do formy – směr k plnicímu otvoru. Procesy, které vytvářejí nepřetržité profily – kolmé k směru protlačování, nebo kolmé k ose střižného nástroje. Kování – směr nárazu na součást. Jednotná stěna:Jednotná tloušťka stěny. Některé odchylky vyplívající z výrobní operace jako jsou například rozpínání materiálů nebo nahromadění materiálu při odstředivém lití jsou ignorovány a tloušťka je považována stále za jednotnou. Jednotné průřezy:Součásti u kterých jsou některé průřezy kolmé na osu stejné, kromě úkosů. Osa rotace:Součást, která může být vytvořena pomocí rotace kolem jediné osy: rotační těleso. Pravidelný průřez:Průřezy kolmé k ose součásti, které mají pravidelný tvar (šestiúhelníkový nebo drážkovaný). Změny v tvaru, které dodržují pravidelný tvar jsou přípustné, například, drážkovaná hřídel s šestiúhelníkovou hlavou). Tvorba dutin:Schopnost tvorby dutin, například láhve. Uzavřené:Součásti, které jsou duté a úplně uzavřené. Nekonstruované povrchy:Schopnost vytvářet konstantní průřezy s menšími nároky na vlastnosti které jsou specifikované jako ideální. Toto označení je pouze pro ty operace, u kterých se jedná o jejich základní vlastnost a každý jiný návrh by se neobešel bez cenových ztrát. DFA kompatibilita Různé výrobní postupy se jinak shodují se základními cíly DFA, přesněji se stavbou výrobku a schopnosti snadného sestavení. Tato relativní kompatibilita je v Příloze 1 hodnocena v následujících oblastech. Sloučení dílů:Schopnost zajistit několik funkčních požadavků jednou součástí a vyloučit tak nutnost mnoho dílné sestavy. Tolerování polohy:Zajištění v patřičných částech součásti takové podmínky, aby byla možná snadná montáž k nim připojených součástí. Začleněné úchyty:Rentabilita a rozsah možného připevnění jako závity. Ty ale obecně zahrnují oddělené díly k připevnění a proto nejsou moc považovány jako vhodný příklad, jako třeba západky.
2.5 Výběr materiálu Systematickému výběru specifických materiálů s požadovanými vlastnostmi je dávána značná pozornost.
14
1. Popsané procedury směřují k výběru konkrétních materiálů založeném na specifikaci detailních materiálových vlastností, které nemusí být brzo v návrhovém procesu známé. V tomto stupni jsou možná známé jen hlavní požadavky. 2. Výběr materiálu je zvažován nezávisle na možných použitých výrobních postupech, i když vzájemná vazba mezi výrobním postupem a materiálem je důležitá.
2.5.1 Rozdělení materiálu podle vhodnosti ke zpracování Spíše než používání jednotlivých komplexních databází materiálů, je výhodnější rozdělit databáze materiálů do tříd, ve kterých budou materiály vhodné k určitým hlavním výrobním postupům určité součásti. To je nutné kvůli nevhodnosti některých způsobů zpracování a materiálů a výběr zpracování a materiálu musí být zvažovány společně. Operace užívané k vytváření dalších tvarů součásti se nemusí již zahrnovat do výběru materiálu, výroba součástí začíná s materiály vhodnými pro primární zpracování. Databáze by měli zahrnovat je-li materiál vhodný například k hutním operacím ( na dráty, tyče. atd.), k odlévání do písku nebo do trvalé formy, k tlakovému lití, na kovové prášky, na termoplastické granule, na plastové desky na protlačování a tak dále. Během počátečního vyhledávání, kdy je podstatná rychlá odpověď na změnu ve, je asi nevhodné hledat v rozsáhlých databázích materiálů za účelem identifikovat přesné slitiny kovů, specifikace polymerů, směšovací poměry prášků, atd. Vede to k nepřijatelně pomalým postupům ve vyhledávání a poskytuje více irelevantních informací na počátku rozhodování o způsobu zpracování a materiálu. Efektivní postup je, mít pro každý postup, vybrán „supermateriál“, který má ty nejlepší dosažitelné vlastnosti ze všech materiálů v dané skupině. Jestliže je přidaná nová slitina, řekněme do materiálové databáze tlakového lití, vlastnosti tohoto materiálu musíme srovnat s tím nejlepším materiálem pro tlakové lití a výsledky zahrnout v databázi. Přístup k předběžnému výběru způsobu zpracování přes „supermateriál“ je slučitelná se změnami a kompromisy, které jsou součástí vývoje nového dílu. Typický scénář by mohl zahrnovat specifikaci možných vlastností, tvaru, velikosti, výrobu jednoho nebo více kusů a předvedení parametrů. Dalším krokem by byly změny vstupních dat nebo, nebo vyšetření výrobního postupu dále pro další přijatelné materiály.
2.5.2 Výběr materiálu metodou neurčitých požadavků Jedním úskalím projektování je výběr materiálu v počátečních fázích vývoje, kdy simulace mohou uvádět nejednoznačnosti nebo nejasnosti v omezeních materiálů. Například, konstruktér může chtít použít materiál s mezí kluzu "okolo" 2000 psi teplota „okolí“ 90o C. Pátrání v konvenčních databázích materiálů ukáže
15
vlastnosti blízké požadované hodnotě, ale ne ve specifikovaném rozsahu. Některý materiálový výběrový systém se pokusí modelovat nejasné požadavky konstruktéra rozdělením materiálových hodnot do jednotlivých rozsahů. Nicméně, alternativní přístup je modelovat takové nejasné kvalifikování jako "okolo" a "v sousedství " z aspektů neurčitosti. Neurčitost se spoléhá na tyto pojmy, aby určila jak dobře objekt zapadá do definovaného problému. těchto Dvojznačnost pojmů nutí konstruktéra s jinými nároky na přesnost používat stejné výrazy. Tyto nároky by mohly korespondovat například pomocí pojmů „přibližně“, „blízko u sebe“ a „méně nebo více“. Schopnost přiřadit různé úrovně přesnosti každému omezení je výhodou neurčitosti. Jednoduchý příklad může napomoci ilustrovat výhody a pružnost tohoto přístupu (obr.2.2). Jestliže jako primární postup bylo vybraný stlačení a slinování a konstruktér má vybraný materiál s pevností v tahu mezi 25 a 35 kpsi, pak konvenční hledání v malé databázi, která obsahuje 102 položek nám ukáže 15 vhodných materiálů. Neurčité hledání s označením "blízko u" objevilo 29 vhodných materiálů s pevností v tahu mezi 21 až 29 kpsi. Označením "přibližně" získáme 38 materiálů s pevností v tahu z 19 až 36 kpsi. Sedmnáct dalších materiálů s pevností v tahu mezi 16 a 39 kpsi je nalezeno, když je užito označení "více nebo méně ". Tyto další materiály vybrané neurčitou funkcí se mohou stát stále více důležité, když další omezení odstraní jiné materiály z uvažování. 2.5.3 Výběr materiálu pomocí bezrozměrné klasifikace Stránka výběru materiálu je problémem, je rozdíl mezi základními vlastnostmi materiálů, které jsou v materiálových databázích, a skutečnými konstrukčními požadavky, které obvykle vychází z kombinace jiných požadavků. V současnosti, ceny materiálů na jednotku hmotnosti jsou brány jako vlastnost materiálu, a proto ekonomické nátlaky na návrh mohou být považovaný jako jistý způsob hmotnostního, pevnostního omezení, a tak dále. Pro konstrukční prvek v leteckém průmyslu se konstruktéři mohou zajímat o maximální tuhost na jednotku hmotnosti, zatímco pro velkosériový spotřební výrobek, může být důležitá maximální tuhost na jednotku ceny. V prvním případě, byli materiály srovnávané na základě funkce modulů pružností dělených hustotou, a ve druhém případě byla použita pro srovnávací účely kombinace modulů pružností , hustoty , a cena za jednotku hmotnost. V této kapitole se budeme zabývat jednoduchou procedurou pro porovnávání materiálů, založené na jednotlivých základních vlastnostech materiálů, nebo na hlavních odvozených parametrech. Postup popsaný v této kapitole bude pro porovnání používat bezrozměrný rozsah od 0 do100. Tvůrci počítačového výběru způsobu obrábění a materiálu zjistili, že vlastnosti materiálu mají sklon být rozdělené přibližně rovnoměrně pokud jsou uvedené na logaritmické stupnici. Ve všech případech vlastností reprezentujících určitou skupinu materiálů je vidět, jak se rozsah rozprostírá v přibližně jednotným způsobem napříč logaritmickými stupnicemi.
16
Například, obr.2.3 ukazuje rozsah modulů pružností pro různé třídy materiálů zapsaných na lineární stupnici. Můžeme vidět špatné rozdělení materiálů na začátku stupnice,příčinou je příliš hrubá stupnice v této oblasti. Obr.2.4 vidíme stejná data reprezentovaná na logaritmické stupnici, která rozšiřuje materiálovou třídu na široký okruh hodnot. Podobné jednotný rozsah materiálů na logaritmické stupnice je i pro odvozené vlastnosti materiálů. Rozdělení do tvaru ukázaném na obr.2.3 můžeme zaměnil do log-lineární stupnice skrz vztahem: P = α10βN
(2.1)
kde P….skutečná hodnota N….hodnota v log-lineární stupnici α,β…konkrétní materiálové hodnoty Budeme se zajímat o použití rovnice (2.1). Z důvodu vytvoření se vyhledávacích nebo výpočtových tabulek v kterých jsou pevné horní a spodní hodnoty a poskytnou testy pro porovnání vlastností materiálů. Pro tyto pevné hodnoty materiálových vlastnosti, zavedeme databázi materiálu nulu pro tu nejmenší hodnotu a 100 pro nejvyšší hodnotu. Databáze pak bude automaticky aktualizovaná, jestliže uvedeme nový materiál s vyššími nebo nižšími hodnotami než má některý z existujících materiálů. Nicméně u těchto krajních materiálů je jen malá pravděpodobnost, že budou překonány. Uvažujme vlastnost P, Pmax, Pmin jsou ty nejvyšší a nejnižší hodnoty v databázi. Pak z rovnice (2.1): α = Pmin β = log(Pmax / Pmin)/100
(2.2) (2.3)
dosazením rovnice (2.2) a rovnice (2.3) do rovnice (2.1) dostaneme: N = 100log(P/ Pmin)/log(Pmax /Pmin)
(2.4)
Například pro Youngův modul E, největší hodnota v databázi bude asi hodnota pro diamant, která bude: Emax = 1.03x106 MN/m2 nejnižší hodnotou může být hodnota přírodního kaučuku, která je Emin = 4.59 MN/m2 s těmito hodnotami ve stupnici 0 - 100 pro Youngův modul dostáváme z rovnice: N = 18.68log(0.218E)
(2.5)
Kde E má jednotky MN/m2. Tabulka 2.1 ukazuje N hodnoty pro moduly pružnosti malé řady obvykle používaných materiálů. Je vidět, jak hodnoty N znázorňují inženýrům tuhost materiálu. Zvláště hodnoty větší než 50 jsou použije v konstrukčních aplikacích.
17
Největší a nejmenší hodnoty pro řadu nejdůležitějších základních materiálových vlastností jsou uvedené v tabulce 2.2. Malá databáze materiálů je uvedena v Příloze 2. která zahrnuje zástupce materiálů ze slitin kovů, polymerů, gum, pěn, keramik, a přírodní materiálů. Poslední sloupec v tabulce ukazuje "0 - 100 - stupnici", jsou to hodnoty pro odvozenou vlastnost v sousedním sloupci. O ní bude pojednáno dále. tabulka 2.1 Materiál Diamant Karbid wolframu Ocel Hořčík Polykarbonát(33%skla) Borovice (po letech) Dřevotříska Polyethylen Uretanová pěna Korek Přírodní pryž
N 100 95 87 75 64 61 51 42 26 12 0
tabulka 2.2 Vlastnost Pevnost v tahu Pevnost v tlaku Youngův modul Hustota Cena
Materiál Legovaná ocel Korek Karbid wolframu Korek Diamant Pryž Karbid wolframu Korek Umělý diamant Beton
Největší hodnota 1375 -----4950 -----1.0x106 -----13300 -----725 ------
Nejmenší hodnota ------1 ------1 ------4.6 ------140 ------0.13
Jednotky MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2 dolarů/kg
Odvozené parametry významné pro konstruování jsou napsány v tabulce 2.3. Vycházejí ze vztahu: D = P1m1P2m2P3m3………
(2.6)
tabulka 1.3:Yt …namáhání v tahu,Yc …namáhání v tlaku,E…Youngův modul ρ ….hustota Cm …součinitel cena/hmotnost K získání Největšího namáhání v tahu Největšího namáhání v tlaku Největší šířky nebo plechu Nejtužšího nosníku Nejlepší vinuté pružiny Nejlepší membránové pružiny
Maximální výkon Yt Yc Yt E Yt2/E Yt1.5/E
Minimální hmotnost Yt/ρ Yc/ρ Yt0.5/ρ E1/3/ρ Yt2/(Eρ) Yt1.5/(Eρ)
Minimální cena Yt/ρCm Yc/ρCm Yt0.5/ρCm Y1/3/ρCm Yt2/(ρCm) Yt1.5/(EρCm)
Například, pokud P1 = Yt, P2 = E, P3 = ρ, m1 = 2, m2 = -1 a m3 = -1, potom D je odvozený parametr pro nejlepší pružnost na jednotku váhy, jak je uvedeno v tabulce 2.3. Nyní log-lineární vztahy pro P1, P2, P3,…..
18
P1 = 1101N1 P2 = 2102N2 P3 = 3103N3
(2.7)
Obecný tvar pro odvozený parametr potom je, D = (α1m1α2m2α3m3……)10(m1β1N1+m2β2N2+m3β3N3+…….)
(2.8)
požadujeme aby D bylo ve tvaru D = α10βN
kde 0 ≤ N ≤ 100
(2.9)
Podle rovnice (2.4), je pro „0 - 100 stupnici“ hodnota pro ten odvozený parametr dána vztahem N = 100log (D/Dmin)/log(Dmax/Dmin)
(2.10)
Rovnice (2.10) se může dále zjednodušit tím , že se zruší člen (α1m1α2m2α3m3……) v argumentu obou logaritmických výrazů. Potom, definujeme parametr W jako W = m1β1N1 +m1β1N1 + ……
(2.11)
Dosazením W do rovnice (2.10), získáme N = 100log(10W-Wmin)/log(10Wmax-Wmin) = 100(W-Wmin)/(Wmax-Wmin) (2.12) Tato transformace z hodnot "0 - 100stupnice " pro jednotlivé parametry k hodnotě pro "0 - 100stupnice " odvozeného parametru se dá snadno udělat pomocí tabulkového kalkulátoru použitím rovnice (2.11) a (2.12). Příloha 3 je protokol takového tabulkového kalkulátoru vytvořeného v Microsoft Excel. Spodní řada tabulkového kalkulátoru obsahuje hodnoty m, žádané toho odvozeného parametru. Poslední dva sloupce obsahují hodnoty pro W a tu " 0 - 100 stupnici" pro N hodnoty odvozeného parametru. Za povšimnutí stojí, že požadované hodnoty na největší tuhost nosníku s co nejmenší vahou se projevili v posledním řádku. Je vidět, že pro toto použití (a pokud není jiné návrhové omezení), je borové dřevo nejlepší výběr (N = 100) a guma je ten nejhorší (N = 0). Výsledek 100 pro borové dřevo názorně ukazuje proč je přímé dřevěné vlákno stále ještě vhodný materiál na součásti akrobatických letadel.
19
Výrobní proveditelnost není součástí tohoto výběrového postupu. Zatímco diamant má zaručený výsledek 81, jeho použití by bylo zřejmě omezené na velmi malá a velmi drahá zařízení. Pokud změníme ukazatel pro cenu z 0 na -1, pak ta odvozený parametr bude znázorňovat tuhost nosníku v závislosti na minimálních nákladech. Nejlepší volba se změní na beton. Dřevotřísková deska je druhá s výsledkem 96, diamant má 6, a karbid wolframu nula kvůli jeho kombinaci vysoké ceny a vysoké hustoty. Vysoký výsledek betonu a dřevotřískové desky vysvětluje jejich použití pro levné nosníky a podlahy staveb. Hlavní účel metody "0 – 100 stupnice " je pro snadnou představu relativních předností materiálů pro různé aplikace. Metoda může být rozšířena a zahrnovat kombinace dvou nebo více odvozených parametrů. Například, primární požadavek pro automobilový panel může být co nejvyšší pevnost v ohybu za co nejmenší cenu. Nicméně, kvalita membránové pružnosti je další cenná vlastnost materiálu, protože dělá materiál více vrubově houževnatým. Metoda „0 - 100 stupnice“ může být vhodná i na takové situace použitím váženého geometrického průměru těch dvou odvozených parametrů. Někdy ta volba materiálu je založená na ta inverzi jedné ze základních vlastností. Příklady by zahrnovaly měrný objem reprezentující lehkost namísto hustoty reprezentující tíhu, ohebnost namísto tuhosti, inverzní vlastnost (1/P), kde P je dáno rovnicí (2.1). Nechť (1/P) = α10βM
(2.13)
Z rovnice (2.2) a (2.3), hodnoty pro α a β inverzní vlastnost získáme α = 1/Pmax β = log[(1/Pmin)/(1/Pmax)]/100 = log(Pmax/Pmin)100
(2.14) (2.15)
a tak hodnota M je M = 100log[(1/P)/(1/Pmax)]/log(Pmax/Pmin) = 100{[log(Pmax/Pmin)-log(P/Pmin)]}/log(Pmax/Pmin) = 100 – N
(2.16)
To jednoduše pramení z "0 - 100 stupnice" rozpětí od minima k maximálním hodnotám, které se prohodí, když pravé opaky vlastností uvažujeme. Nicméně, skutečnost je taková, že " 100" se mění na "0", ale i "95" se stává "5", "90" se stává "10", a tak dále.
2.6 Výběr materiálu a primární zpracování Systematické postupy mohou být vytvořeny pro výběr vhodné kombinace primárního zpracování a materiálu. Fungují na principu vyloučení materiálů a způsobů zpracování podle podrobnější specifikace vlastností součásti. Prvky takového výběru mohou být ilustrované na příkladu, součást na obr. (2.5) má být používaná jako pecní podpěra (žebro). V rámci možnosti tvorby tvarů, uvedených v Příloze 2, je součást specifikovaná tímto způsobem. Tvarové vlastnosti 1. 2. 3. 4.
Prohlubně Jednotná stěna Jednotný průřez Osa rotace
Ano Ano Ano Ne
20
5. 6. 7. 8.
Pravidelný průřez Tvorba dutin Uzavřené Nekonstruované povrchy
Ne Ne Ne Ano
Materiálové požadavky A. Maximální teplota 500 oC B. Výborná korosní odolnost proti slabým kyselinám a zásadám V seznamu, tvarová vlastnost s "Ano" vybere ty procesy, které jsou schopné produkovat tyto rysy. Výsledek "Ne" odstraní ty procesy které jsou jen schopné produkování součástí s těmito vlastnostmi. Použitím těchto požadavků do základní kompatibility materiálu a zpracování zvýší progresivitu výběru. Znázornění ukázané na obr.2.1 použijeme i na výsledky v obr.2.6 až obr.2.9. Obr.2.6 ukazuje způsoby zpracování, které vyhovují z hlediska prvních čtyř tvarových vlastností uvedenými výše a obr.2.7, ukazuje způsoby zpracování z hlediska zbývajících tvarových vlastností. Zkombinování výsledků v nám dává výsledek v podobě čtyřech vybraných výrobních postupech (obr.2.8): prášková metalurgie, průtlačné lisování za tepla, obrábění z polotovaru, a drátová EDM. Nakonec, výrazná spotřeba materiálu má za následek finální výběr zpracování a materiálu ukázané v obr.2.9. Tyto vybrané kombinace pak mohou být roztříděné podle jiných kritérií, jako například odhady výrobních nákladů.
2.7 Systematický výběr způsobu zpracování a materiálu Vývoj postupů výběru materiálů a zpracování na základě počítačů, podle hlavních vlastností součásti má výrazný dopad na rané stádium vývoje součásti. Bylo vytvořeno několik postupů jak tento problém řešit. 2.7.1 Počítačový výběr materiálu a primárního zpracování V současnosti se používá vyhledávač primárního zpracování a materiálu s označením CAMPS. V tomto vyhledávači se do hlavních položek jako , je tvar, rozměry, výrobní parametry vkládají patřičné údaje vhodné pro vyhledání postupů zpracování v databázi podle schopnosti zpracování. Nicméně, výběr způsobu zpracování úplně nezávislý na materiálových požadavcích byl neuspokojivý, a byl to důvod požadovat také specifikaci materiálu a provádět výběr pod hlavními kategoriemi: mechanické, teplotní, elektrické a fyzikální vlastnosti.. Způsob zpracování může být vyřazen přímo kvůli tvaru, rozměrům, nebo vyřadí vše, když výběr materiálu neodpovídá zadaným požadavkům.
21
Zjednodušená verze postupu zpracuje výběr materiálu a začlení ho do odhadu nákladů v ranném stupni návrhu výrobku. Program může vymezit hranice zpracování, jako maximální rozměry, minimální tloušťka stěny, a tak dále. Výběr zobrazuje některé kombinace zpracování a materiálu, který není vhodný pro geometrii součásti, nebo může být mimo možnosti výrobního postupu. 2.7.2 Odborný vyhledávač výrobních postupů Přístup k předběžnému výběru materiálů a způsobu zpracování byl popsán výše. I když tento přístup má obecně za následek výběr vhodných kombinací materiálů a primárního zpracování, v některých případech výběr samotného materiálu a primárního procesu k získání požadovaných vlastností dokončené součásti bez rozvažování vhodného pořadí výrobních operací, může vést k opomenutí některých vhodných kombinací primárních procesů a materiálů. Speciální tvořič výrobních postupu může ošetřit toto hledisko výběru materiálu a primárního zpracování. S touto procedurou uživatel třídí geometrii a specifikuje omezení materiálu dané součásti. Výsledkem je seznam vhodných sledů výrobních operací a materiálů. Procedura se dělí na čtyři kroky: údaje o geometrii, výběr způsobu obrábění, výběr materiálu, a aktualizace řešeného systému. Geometrie součásti je hodnocena podle rozměrů, tvaru, průřezů, a povrchy. Použitím vzorových porovnávacích pravidel, jsou pak způsoby výroby vybrané, tak aby vytvořily geometrii součásti. Výběr materiálu používá teorii neurčitosti, popsané dříve. Geometrie součásti je zhodnocena podle následujících vlastností: 1. 2. 3. 4. 5.
Celkové rozměry Základní tvar Přesnost a povrchové úpravy Průřezy Funkční povrchy – výběžky, prohlubně, atd.
Podle dřívějšího popisu, způsoby na primární, zpracování jsou dělené primární/sekundární, nebo terciální, aby se
22
využilo přirozeného pořadí postupů v sekvenci. Pravidla, vytvořená ze znalosti o způsobu zpracování a materiálech, jsou použita pro výběr sekvence výrobních operací a materiálu s ohledem na výrobu. Pro primární zpracování jsou důležitá omezení daná velikostí a tvarem výchozího polotovaru a typem průřezů součásti. Akcí je výběr vhodného primárního způsobu zpracování. Jestliže součást splňuje omezení, potom je primární zpracování vybráno. Podle dalších pravidel se stejným způsobem zhodnotí, které povrchy součásti můžou být vytvořený primárním zpracováním. Podmínkou těchto pravidel jsou omezení za kterých, může daná akce nebo výrobní postup vytvořit určitý povrch. Hranice možností způsobů zpracování nejsou dobře definovány. Součásti s požadavky, které jsou blízko hranic možností výrobního postupu se daleko obtížněji vyrábí, než-li součásti, které se nacházejí hluboko mezi hranicemi. Proto jsou pravidla výběru výrobního postupu daleko lépe formulovatelná neurčitými výrazy, jimiž se modeluje přechod od „jednoduchého“ k „obtížnému nebo nemožnému“ vyrábět něco daným výrobním postupem. Například, obr.2.10 ukazuje použití neurčitých výrazů pro primární výběr způsobu obrábění, z hlediska rozměrů součásti, řekněme, pro odlitek litý pod tlakem. Podobná neurčitá pravidla výběru mohou být aplikovaná na další vlastnosti součásti. Tento postup také umožňuje provádět předběžný výběr založený na hodnotách ze získaných z neurčitých funkcí. Materiál pro primární zpracování je vyhledáván v databázi za použití principu neurčitosti popisovaném dříve. Vlastnosti materiálu ovlivňují jak bude materiál zpracovaný, každý výrobní postup má svoji vlastní databázi materiálů. Materiály jsou vybrané, zhodnocením požadavků na materiál zadaných uživatelem. Materiály s vlastnostmi, které může ovlivnit terciální zpracování, nejsou v tomto stupni vyloučené. Například, odolnost proti korozi může být dosažena pokovováním jinak nepřijatelného materiálu. Primárně/sekundární zpracování se vybírá podobným způsobem, k vytvoření těch povrchů součásti, které není možné vytvořit primárním procesem. Podobně, terciální zpracování je vybráno, aby splnilo požadavky, které vybraný materiál nemohl splnit. Vhodný sled operací je nalezen, když všechny geometrická a materiálové požadavky uživatele jsou splněny. Obr.2.11 ukazuje tento postup graficky. Kruhy představují požadavky a zpracování. Splněné požadavky jsou označeny vyplněnými kruhy se šipkami směřujícími k výrobnímu postupu nebo materiálu který je splnil. Jestliže není možné nalézt vhodný způsob zpracování nebo
23
materiál k vytvoření požadovaného povrchu nebo nejsou splněny požadavky na materiál, pak se postup vrací zpět, aby vyřešil situaci. Charakteristické pro tento postup výběru materiálu a způsobu zpracování je seznam vlastností součásti. Jak se tento seznam rozšiřuje, může se zvětšit i počet možných výrobních operací. To jej odlišuje od postupu pro výběr kombinace primárního zpracování/ materiálu, ve kterém se seznam možných kombinací obecně snižuje, jak se specifikace součásti stává přesnější. Například, přidáním tolerancí povrchové úpravy do seznamu vlastností, uvede patřičné sekundární zpracování do sekvence, která by mohla vytvořit tento požadavek. Pro tento důvod je důležité zvážit ekonomické výhody způsobů zpracování, které je možné použít ve sledu operací. 2.7.3 Ekonomické zhodnocení výrobních postupů Vhodné kombinace materiálu a zpracování určené výše popsaným výběrem vyžaduje rozbor, které z nich jsou nejvíce vhodné z ekonomického hlediska. Je to vyžadováno pro realistické zhodnocení výrobních nákladů v počátcích vývoje. V raných fázích návrhu mohou být použity i jednodušší metody cenového odhadu pro řadu kombinací alternativního materiálu a výrobního postupu. Pro příklad odhadu si vezmeme obrábění. Detailní analýza odhadu nákladů pro obráběné součásti může být bráno tak, že jde o čas na odstranění daného množství materiálu při hrubém obrábění, to závislé hlavně na řezné síle nebo výkonu motoru obráběcího stroje. Pro obrábění na čisto daného povrchu, se pro odhad ceny obrábění používají doporučené rychlosti a posuvy. Existuje velké množství statistických údajů o válcovaných profilech a velikostech obráběných součástí a rozsahu provedeného obrábění na nich. Také jsou dostupné informace o velikosti obráběcích strojů vztažené k velikostem obrobků. S těchto informací lze vytvořit odhad ceny již na počátku vývoje součásti. Požadované informace se dají rozdělit do 3 skupin: 1. Informace o výrobě a obrobku 2. Faktory ovlivňující nevýrobní výdaje 3. Faktory ovlivňující obráběcí čas a cenu První položka popisuje typ tvaru obrobku. Běžné obrobky mohou být rozděleny do sedmi skupin (obr.2.12). Dále zahrnuje, materiál, rozměry obrobku, cenu na jednotku hmotnosti, průměrný rozsah obrábění a rozsah seřizování. Znalost obrobku a výrobních dat dovoluje
24
odhadnout cenu obrobku, ale také předvídat pravděpodobnou velikost zbývajících položek nutných pro odhad nevýrobních nákladů a cen obrábění. Například, pro obrobek ukázaný v obr.2.13, je celková cena dokončené součástky odhadnutá na 24.32 dolarů, vychází ze znalostí materiálu obrobku, převažujícím Stroj CNC soustruh
Vertikální frézka
Tvar 1 2 3 4 5 6 7 8
Operace Upíchnutí obrobku obrobení na čisto vystředění, vyvrtání obrobení na čisto drážka nové upnutí obrobení(nahrubo a na čisto) obrobení na čisto obrobení na čisto vyfrézování drážky
tvaru, a ceny za jednotkový objem. Odhad nákladů této součástky, založený na znalosti obráběných povrchů a přibližných rovnic daných odbornou literaturou dává cenu 22,83 dolarů, tedy o 6% nižší. Podrobnější odhad daný více tradičními metodami ukazuje cenu 22,95 dolarů. Srovnání těchto tří odhadů společně se srovnáními pro dalších několik obrobků je ukázáno v obr2.14, kde je vidět, že metoda s přibližnými rovnicemi používající skutečná data dává ceny překvapivě blízké přesnému odhadu. Také, hrubý odhad založený na typických obrobcích je docela přesný a dostatečný pro účel brzkého odhadu nákladů, kdy se vybírá vhodná kombinace materiálu a výrobního postupu. 25
Příklad pro obrábění ilustruje možnost získání spolehlivých rozpočtů nákladů založených na počátečních všeobecných návrhových údajích a postupně je zpřesňovat, při získání dalších informací. Pro ukázku použití nástroje pro výběr materiálu a způsobu zpracování uvažujme příklad. Na obr.2.15 je ojnice, která by měla jít do výroby, předpokládaný materiál je mosaz a vhodné způsoby zpracování: Tlakové lití Kování za tepla Lití do vytavitelné formy Automatické lití do pískové formy Prášková metalurgie Pro některé výrobní procesy naznačené bude nutné použít sekundárních obráběcích procesů. Obr.2.16 podrobněji ukazuje pokles cenových příspěvků pro výrobní objem 100 000 součásti pro každý výrobní postup. Náklady na materiál pro lití a kování za tepla jsou vyšší než u druhých výrobních procesů. U lití je do ceny materiálu započítávána i cena materiálu formy a u kování jsou velké odpady materiálu na výroncích z formy. Vysoká cena je i u nastavení automatického lití do pískové formy. Nejnižší náklady na výrobu má lití pod tlakem, ale za předpokladu, licí zařízení už existuje. Nicméně v grafu je vliv ceny zařízení vidět, nehledě na krátkou životnost formy. Jako nejvýhodnější se jasně jeví prášková metalurgie.
26
3. Návrh výrobku vhodného pro ruční montáž 3.1 Úvod DFA můžeme aplikovat ve všech stupních vývoje výrobku, ale hlavně na počátku. Vytvoří-li konstrukce alternativní řešení, měla by být brána v úvahu snadnost montáže toho výrobku nebo podsestavy. DFA je potřeba k efektivnímu rozboru návrhu z hlediska montáže, aby bylo možné rychle a jednoduše posoudit smotovatelnost výrobku. Použitím DFA, je komunikace mezi výrobou a konstrukcí lepší, myšlenky, úvahy, a rozhodnutí udělané během vývoje jsou dobře zdokumentované. DFA řeší tyto body: 1. Zajišťuje, že složitost a smotovatelnost výrobku bude brána v úvahu v co možná nedřívějším stadiu vývoje. Eliminuje tím možnost, zaměření se pouze na funkci výrobku bez ohledu na cenu a konkurenceschopnost výrobku 2. Vede konstrukci tak, aby byl návrh co nejednodušší a došlo k úsporám na montáži i počtu kusů. 3. Napomáhá méně zkušeným konstruktérům. 4. Základní databáze obsahuje montážní časy a ceny pro různé typy návrhů a výrobní předpoklady. Rozbor návrhu výrobku z hlediska snadnosti montáže závisí do značné míry o tom, má-li být výrobek smontován ručně, jednoúčelovou automatizací, roboty, nebo kombinací těchto způsobů. Kritéria samočinného podávání a orientaci jsou mnohem víc přísnější než pro ruční manipulaci. Prozatím se budeme zabývat pouze ruční montáží.
3.2 Všeobecná návrhová pravidla pro ruční montáž Se zkušenostmi získanými používáním DFA, bylo možné vytvořit určitá pravidla pro tvorbu návrhu. Ruční montáž může být rozdělena do dvou oddělených oblastí, manipulace
27
(získání, orientace a posun součástí) a vložení a upevnění (spojování součástí nebo sestav). Následující pravidla se zaměří na obě oblasti. 3.2.1 Pravidla pro manipulaci 1. Součást by měla být symetrická nebo rotační. Není li to možné, snažit se navrhnout součást s maximální možnou symetrií (obr.3.1a). 2. Pokud není součást symetrická, navrhnout ji tak aby bylo jasně vidět, že je nesymetrická (obr.3.1b). 3. Vytvořte takové prvky, které předejdou nechtěnému zapadnutí součástí do sebe, když jsou skladovány pohromadě (obr.3.1c). 4. Netvořte takové prvky na součásti, které by mohli způsobit spojení součástí, jsou-li skladovány pohromadě (obr.3.1d). 5. Předejděte používání takových součástí, které jsou pro ruční manipulaci kluzké, jemné, ohebné, velmi velké nebo nebezpečné (např. ostré, snadno se tříští atd.) (obr.3.2). 3.2.2 Pravidla pro snadné vkládání a připevnění 1. Součást by měla být navrhnuta tak, aby nebyly problém s vkládáním (např. zkosení hran,únik vzduchu z dutin). Měla by být vytvořena vůle, ale ne tak velká aby došlo k zadírání nebo vzpříčení součásti během vkládán (obr.3.3 až 3.6) . 2. Je vhodné používat normalizované díly, výrobní postupy a metody, jelikož umožní zvýšit produkci a snížit cenu. 3. Používat při montáži souosé součásti a nejlépe sestavovat odshora(obr.3.7). 4. Předejděte držení součásti, aby byla zachována její pozice při montáži. Pozice součásti může být zachována vhodným tvarem druhého dílu(obr.3.8). 5. Navrhujte součást tak, aby byla správně umístěna ještě před puštěním. Potencionální zdroj problémů při montáži vzniká u těch součástí, které musí být puštěny ještě před správným umístěním(obr.3.9). 6. Různé způsoby upevnění mají různou cenu voz obr.3.10. a) západka b) plastický ohyb c) Nýty d) Šroubové spojení
28
7. Předcházejte změnám upnutí částečně smontovaného výrobku v přípravku. Ačkoliv jsou tyto pravidla zlepšují návrh z hlediska montáže, jsou i přesto nedostatečné z řady důvodů. Za prvé, pravidla neobsahují, žádné zhodnocení součásti z hlediska montáže. Za druhé, chybí celá řada daleko efektivnějších zlepšení, manipulace, vkládání a připevnění: není způsob jak zjistit zlepšení, pokud díl vyloučíme, nebo pokud provedeme inovaci součásti. A proto je pro konstruktéra těžké, zjistit, na která pravidla klást během vývoje důraz. Tyto pravidla jsou vlastně vodítkem pro konstruktéra, jak vytvořit součást vhodnou pro snadnou montáž. Metoda by ale měla obsahovat i způsob jak zjistit oč, je snadnější sestavit jednu variantu než druhou.
3.3 Efektivita montáže Základní myšlenou DFA metody je použití určitého stupně DFA indexu nebo-li " efektivity montáže" návrhu výrobku. Dva základní faktory ovlivňující montážní cenu výroku nebo podsestavy jsou : -
počet dílů výrobku snadnost manipulace, vkládání a upevnění dílů
Index DFA je číslo získané, dělením teoretické minimální doby sestavení skutečným časem sestavení. Rovnice pro vypočet DFA indexu Ema je Ema = Nminta/tma
(3.1)
Kde Nmin je teoreticky minimální počet dílů, ta je základní montážní čas pro jeden díl a tma je předpokládaný čas montáže celého výrobku. Základní montážní čas je průměrný čas na součást bez žádných problémů s manipulací, vkládáním a upevňováním (asi 3 s). Teoretické minimální počet dílů ukazuje ideální situaci, kdy všechny jednotlivé součásti spojeny do jedné, pokud to není v rozporu s těmito pravidly:
29
1. Během normálního provozu výrobku se součást vůči druhým pohybuje. ( Malé pohyby, které mohou být umožněné pružností součásti se neuvažují). 2. Součást musí být z jiného materiálu, nebo musí být izolovaná od sestavy. (ochrana proti nárazu, elektrická izolace, tlumení vibrací, atd.). 3. Součást musí být oddělena od sestavy, protože by to bránilo montáži součásti podle dvou předchozích pravidel. Poukazujeme na to, že tyto pravidla by měla být používána vždy bez ohledu na návrh nebo provozní požadavky. Například, spojovací součásti se nikdy nebudou shodovat s těmito pravidly a vždy je budeme považovat za vylučitelné.
3.4 Systém hodnocení Systém hodnocení je založen na zhodnocení rysů součásti jako je manipulace, orientace, snadnost vkládání, způsob připevnění a operacemi, které jsou nutné k montáži. Pro vybrané podíly hodnotícího systému, je přiřazena jakost a odpovídající časová norma tab.3.1 až tab.3.5. Jak je v tabulce vidět, klasifikační číslo se skládá za dvou částí: první číslice značí řadu a druhá sloupec. Část hodnotícího systému, pro ruční vkládání a upevňování se zabývá vzájemnou interakcí součástí při montáži. Ruční vkládání a upevňování má mnoho variant ( kolíkem, tabulka 3.1Pro součásti uchopitelné a manipulovatelné jednou ruko, bez nářadí sym (deg) = (alfa + beta)
sym < 236 360≤ sym < 540 540 ≤ sym < 720 sym = 720
0 1 2 3
bezproblémová manipulace tloušťka > 2 mm rozměr > 6 mm< rozměr < 15 mm 15 mm 0 1 1.13 1.43 1.5 1.8 1.8 2.1 1.95 2.25
< 2mm rozměr > 6 mm 2 1.69 2.06 2.36 2.51
součásti se spojují nebo do sebe zapadají tloušťka > 2 mm < 2mm rozměr > 6 mm< rozměr < rozměr > 15 mm 15 mm 6 mm 3 4 5 1.84 2.17 2.45 2.25 2.57 3.0 2.57 2.9 3.18 2.73 3.06 3.34
tabulka 3.2 Pro součásti manipulovatelné jednou rukou, ale vyžadující obě, z důvodu spojení mezi sebou nebo ohebnosti atd.
4
alfa≤180 rozměr > 15 mm 0 4.1
6 mm< rozměr < 15 mm 1 4.5
alfa = 360 rozměr > 6 mm 2 5.6
šroubem, svárem, tlakový spoj, atd.) Pro každý dvoj-číselný kód je dán průměrný čas. Existuje tedy celá řada časů, pro zjištění montážního času. Řady časů byli získány mnoha pokusy.
30
tabulka 3.3 Vložení součásti,nezjištěné okamžitě po vložení nebo za pomoci západky
bez špatného přístupu a viditelnosti špatný přístup nebo viditelnost špatný přístup i viditelnost
0
zajištění další součástí nebo operací přidržení není přidržení je požadováno požadováno snadné nesnadné snadné nesnadné usazení usazení usazení usazení 0 1 2 3 1.5 3.0 2.6 5.2
zabezpečení západky
pomocí
snadné usazení 4 1.8
nesnadné usazení 5 3.3
1
3.7
5.2
4.8
7.4
4.0
5.5
2
5.9
7.4
7.0
9.6
7.7
7.7
tabulka 3.4 vložení součásti a zjištění pomocí šroubů utahovacím zařízením (časy jsou pro pět závitů a bez času vložení nástroje 2.9s)
bez špatného přístupu a viditelnosti
3
snadné usazení 0 3.6
esnadné usazení 1 5.3
špatná viditelnost
4
6.3
8.0
špatný přístup
5
9.0
10.7
tabulka 3.5 Vybrané další operační časy
6
šroub utažen utahovacím zařízením 0 5.2
manipulace, reorientace nebo nastavení 1 4.5
přidání netuhých součástí 2 7
3.5 Vliv symetrie součásti na manipulační čas Jednou z hlavních konstrukčních vlastností ovlivňující čas k uchopení a orientaci je symetrie. Montáž zahrnuje alespoň dvě součásti: díl do kterého se vkládá a díl, který je vložen. Orientace, kterou myslíme natočení součástí správným směrem proti sobě, můžeme rozdělit na dvě operace: (1) orientovat osy obou součástí proti sobě, a natočení součástí vůči sobě do správného směru pro sestavení. Proto se zavádí dva významy pro výraz symetrie: 1. Alfa symetrie: Závisí na úhlu otočení kolem osy kolmé na osu vložení, abychom dostali správnou orientaci. 2. Beta symetrie: závisí na úhlu otočení kolem osy vložení, abychom získali správnou orientaci. Například, čtvercový hranol, který má být vložený do díry čtvercového průřezu, musí být otočen okolo některé osy kolmé na osu vložení. Hranol má správnou orientaci každých 180o, a tedy alfa symetrie je 180o. Beta symetrie je 90o, protože při
31
otáčení kolem osy vložení může být vložen do díry při každých 90o. Byla by-li ovšem díra kruhového průřezu, je alfa symetrie 180o a beta symetrie 0o(obr.3.11). Různé časové normy jsou stanovené pro montáž. Pro určení požadované rotace a času určenému k rotaci se používají dva způsoby, metoda měření času (MTM) a pracovní faktor (WF). Dlouho se hledala uspokojivá veličina, která by zahrnovala vztah mezi symetrií a časem nutným pro správnou orientaci. Nejednodušší se zdál součet alfa a beta symetrie. Nazývá se celkový úhel symetrie a je dán Celkový úhel symetrie = alfa + beta (3.2) Efekt celkového úhlu náběhu na manipulační čas( uchopení, pohyb, orientace) je ukázán na obr.3.12. Šrafované oblasti značí celkové úhly náběhu, které neexistují. Podle těchto poznatků se může symetrie součásti rozdělit do pěti skupin. První skupina nemá praktický význam. Zbývající čtyři jsou zahrnuty do manipulace (tab.3.1 a 3.2).
3.6 Vliv tloušťky a převažujícího rozměru součásti na manipulační čas Další významné faktory ovlivňující čas ruční montáže jsou tloušťka a rozměry. Tloušťka u rotačních (válcová) součástí je daná jejich poloměrem, u nerotačních je to nejmenší vzdálenost mezi plochami součásti (obr.3.13). Jako rotační (válcová) se bere součást s kruhovým průřezem nebo průřezem o 5-ti a více stranách. Je-li průměr součásti větší nebo rovný její délce, bere se tato součást jako nerotační. Důvod pro toto dělení je ukázán křivkami v obr.3.13. Je vidět, že mezní hodnota pro problémovou nerotační součást jsou 2 mm, pro rotační součást, je to průměr 4 mm. Převažující rozměr nebo také velikost, je největší nediagonální rozměr součásti. Vliv velikosti na manipulaci je ukázán na obr. Můžeme rozlišit čtyři kategorie velikosti. Montážní čas velkých součástí není tak citlivý na změnu kategorie, jako součásti střední a malé velikosti. Dá se to vysvětlit problémy s manipulací a používáním různých uchopovacích nástrojů (např. pinzety), které jsou pro součásti menší než 2 mm nezbytné.
3.7 Vliv hmotnosti na manipulační čas Vliv stoupající hmotnosti je zajištěn časovým přídavkem, vzrůstající nároky na pohyb zvětšením základního času. Časový přírůstek tpw, daný hmotností součásti, se kterou manipulujeme jednou rukou, můžeme vyjádřit rovnicí:
32
tpw = 0.0125W + 0.011Wth
(3.3)
kde W (lb) je hmotnost součásti a th (s) je základní čas pro manipulaci s „lehkou“ součástí, když není nutná žádná orientace a manipulujeme na krátkou vzdálenost. Průměrná hodnota th je 1.13, a proto je celkový časový přírůstek přibližně 0.025W. Uvažujeme-li maximální hmotnost pro manipulaci je 1020 lb je časová korekce 0.25-0.5 docela malá korekce. Rovnice nebere v úvahu, že součásti s velkou hmotností přesunované na větší vzdálenost potřebují větší časový přídavek, to bude probráno později.
3.8 Součásti vyžadující dvouruční manipulaci Součásti vyžadují dvouruční manipulaci, když: -
Součásti jsou těžké Je vyžadována přesná a opatrná manipulace Součásti jsou velké nebo ohebné Součást nedrží tvar a manipulace jednou rukou je proto obtížná
Za těchto okolností je nutný časový přídavek, protože druhá ruka mohla provádět jinou operaci, například uchopení jiné součástky. Obvykle se v těchto případech přidává 1.5 s.
3.9 Vliv kombinace faktorů Výše bylo uvažováno několik faktorů ovlivňující čas ruční manipulace. Je ale nutné si uvědomit, že časové přídavky se nemusí sčítat. Například, je-li vyžadován časový přídavek na pohyb z A do B, pravděpodobně se během pohybu bude i orientovat do správné polohy. Není proto na místě, přidávat čas ještě z hlediska velikosti a orientace.
3.10 Vliv symetrie u špatně vkládaných součástí a nutnosti použití uchopovacích nástrojů Uchopovací nástroje potřebujeme, když -
Tloušťka je příliš malá na uchopení prsty. Součást v prstech nevidíme a změna orientace je obtížná z důvodů malé velikosti. Dotyk není možný kvůli negativním vlivům (vysoká teplota). Prsty se nemohou dostat na požadovanou pozici.
33
Součást uvažujeme za špatně vložitelnou, když časové přídavky s těchto důvodů jsou 1.5 s nebo větší. Na umístění špatně vložitelné součásti potřebujeme obvykle obě ruce (tlačná pružina). Obr. ukazuje požadovaný čas pro orientaci ovlivněný alfa a beta symetrií pro obtížně vložitelné součásti, kdy je nutné použít nástroje. Orientace do správného směru rukou trvá kratší dobu než za pomoci nástroje, proto bychom měli použití nástroje zvážit.
3.11 Vliv zkosení na vkládání součásti Běžnými operacemi je umístění kolíku (nebo hřídele) do díry nebo díry na kolík. Geometrie tradičního kuželového zkosení je na obr.3.16. Na obr.3.16a je vidět kolík se zkosením, d je průměr kolíku, w1 je šířka zkosení, a θ1 je úhel zkosení. Na obr. je návrh zkosení na díře, D je průměr díry, w2 je šířka zkosení a θ2 je úhel zkosení. Vůle c mezi kolíkem a dírou je definována (D-d)/D
(3.4)
Ukázka vlivu různého konstrukčního uspořádání zkosení na čas vložení je v obr.3.17 Z těchto a jiných výsledků plynou tyto závěry: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Pro danou vůli je čas vložení pro různé uspořádání zkosení vždy stejný. Zkosení na kolíku má větší vliv na snížení času vložení než zkosení v díře. Maximální šířka zkosení na kolíku i v díře pro snížení času vložení je přibližně 0.1D. Nejefektivnější je konstrukční uspořádání w1 = w2 = 0.1D a θ1= θ1 < 45. Čas ručního vkládání není citlivý na rozdíly v úhlu zkosení v rozsahu 10 < θ < 50. Zaoblení nebo zkosení podle křivky je výhodnější než kuželové zkosení pro malé vůle.
Jak jsme se poučili, dlouhý čas vložení u kolíků a děr s malou vůlí, je dán pravděpodobně kontaktem mezi kolíkem a dírou na počátku vkládání. Obr.3.18 ukazuje dva možné problémové stavy. Kontakt dvou bodu na stejném průřezu dává vzniknout silám zabraňujícím vložení(obr.3.18a). Obr.3.18b ukazuje druhou možnost kolize kolíku s dírou. Těmto problémům se dá předjít použitím zkosení stálé šířky (obr.3.19). Takové zkosení není ovlivněno malými vůlemi v rozsahu c > 0.001. Proto je toto křivkové zkosení vhodné pro vkládání kolíku do díry (obr.3.17). Náklady na výrobu takového zkosení jsou vyšší než u klasického kuželového, proto ho uvažujeme jen pro malé vůle, kdy úspory v čase vložení vynahradí výrobní cenu.
34
3.12 Přepokládaný čas vložení Existují empirické vztahy pro odhadnutí ručního času vložení kuželových a křivkových zkosení. Pro kuželové zkosení s šířkou 0.1d a úhlem 45o, je pro ruční čas vložení ti pro válečkový kolík dán vztahem: ti = -70ln c + f(zkosení) + 3.7L + 0.75d [ms] (3.5) nebo ti = 1.4L + 15 [ms]
(3.6)
kde f(zkosení) = -100 (bez zkosení) -220 (zkosení v díře) -250 (zkosení na kolíku) -370 (zkosení na kolíku i v díře) Pro modifikované zkosení (obr.3.19)je čas vložení dán vztahem ti = 1.4L + 15
(3.7)
3.13 Eliminace zadírání během montáže Díly s děrami se při montáži na kolík můžou snadno zadřít, nejsou-li správně navrženy. Pokud budeme uvažovat průměr díry jako jednotku, jsou všechny další délkové rozměry vztažené k této jednotce malé (obr). Průměr kolíku je 1 – c, kde c je vůle. Výsledná síla P, působící na součást během montáže, protíná osu x v místě e, 0. Splnění následující rovnice zajistí, aby se součást na kolík nasouvala rovně: Pcosθ > µ(N1+N2)
(3.8)
Pro horizontálně působící sílu Psinθ + N2 – N1 = 0
(3.9)
A momenty k bodu (0,0)
{[1+L2-(1-c)2]1/2+µ(1-c)}N2 – ePcosθ = 0
(3.10)
dále
35
[1+L2-(1-c)2]1/2+µ(1-c) = q
(3.11)
Potom, když e = 0 a cosθ>0, podmínka tanθ<1/µ zajišťuje volné klouzání. Když e = 0 a cosθ je menší než 0, pak prodmínka přechází na tanθ>1/µ. V případě že, θ = 0 (montážní síla působí vertikálně) získáme 2µe < q nebo e = m(1 – c)/2
(3.12) (3.13)
kde m je kladné číslo. Substitucí z rovnice (3.13) do rovnice (3.12) získáme 1 + L2 > (1 – c)2[µ2(m – 1)2 + 1]
(3.14)
Když m = 1, síla působí v ose kolíku. Protože (1 + L2 ) je vždy větší než (1 – c)2 díly se nikdy za těchto okolností nezadřou. I když se díly zadřou, změna v působení síly je uvolní. Je nezbytné jestli součást může na kolíku rotovat a jestlise může vzpříčit, protože moment může v uzlových bodech součástí pootočit ze zaklínění a součást se uvolní. Pro toto platí 1 + L2 > (1 – c)2 (µ2+ 1)
(3.15)
Srovnáním rovnice (3.14) s (3.15) vidíme, že podmínka pro vzpříčení bez samouvolnění nastává když m = 2.
3.14 Omezení problémů s montáží kruhových desek Pří montáži součásti kruhového tvaru do díry je kolize běžným problémem. Speciální nářadí tomu sice může předejít, ale daleko levnější je podrobný rozbor rozměrů součásti před začátkem výroby. Princip řešení je stejný jako v předchozím případě, průměr díry je brán jako jednotka, c je vůle, P je montážní síla a µ je třetí (obr.3.21). Pokud kruhová deska nemá sražené hrany podmínka pro volné vložení do díry je: L2 > µ2+ 2c –c2
(3.16)
Je-li c mále můžeme rovnici vyjádřit ve tvaru L2 > µ + c/ µ
(3.17)
Kruhová deska brána jako velmi tenká, když (1 – c)2 + L2 < 1
(3.18)
kruhová deska pak může být vložena do díry, když je její kruhový průřez rovnoběžný se stěnou díry a srovnána až když dosáhne dna díry.
36
3.15 Vliv špatného přístupu a viditelnosti na aplikaci šroubových spojení Nejprve se zaměříme na čas vynaložený k správnému nasměrování šroubu do díry, kdy montér na práci nevidí a existují různé překážky v montáži (obr.3.22a). Je-li vzdálenost osy díry od překážky větší než 16 mm nemá překážka žádný vliv(jak to je když je poloměr díry větší než 16 mm???), viditelnost pak zůstává jediným problémem. V tomto případě standardní šroub a díra, vyžaduje přídavek 2,5 s. Je-li díra blíže je nutný další přídavek 2 nebo 3 s. Obr.3.22b ukazuje srovnání s podmínkami, kdy viditelnost nebyla omezená. Omezení viditelnosti má jen malý vliv, když je špatný přístup, protože blízkost překážky umožňuje vnímat dotykem namísto zrakem. Po odstranění překážky může čas narůst až o 1,5 s. Při použití závitů musí pracovník použít určitý nástroj a vynaložit určitou sílu k připevnění šroubu. Na obr.3.23 vidíme celkový čas pro různé druhy hlav šroubů a různé ruční i poháněné nářadí bez žádného omezení. Obr.3.24 ukazuje čas otáčky pro rozličné nástavce ručních nástrojů, u kterých je činnost omezena. Pro ráčnový klíč je časový přídavek na otáčku vysoko nad 4 s při přítomnosti překážek. Avšak při vývoji nového výrobku konstruktér obvykle neuvažuje, který nástroj bude použita očekává výběr toho nejvhodnějšího. V tomto případě šroubovák s nástavci nebo násuvná ráčnu (klasická ráčna na nástavce).
3.16 Vliv špatného přístupu a viditelnosti na nýtování Obr.3.25 ukazuje výsledky výzkumu času potřebného k nýtování. Při pokusech doba k uchopení nýtovacích kleští, vložení nýt, umístění nýt do správného místa a vrácení kleští na původní místo trvala 7,3 s. V obr jsou znázorněny problémy se špatným přístupem i viditelností dohromady, čas operace se zvýšil o 1s, pokud nejsou vzdálenosti od překážek docela malé, je časové navýšení zanedbatelné. S omezeným výhledem se čas navyšuje o 2 až 3 s.
37
3.17 Vliv přidržení Přidržení je nutné vždy, když je nutné udržet součásti v dané pozici a orientaci než proběhnou další operace. Čas nutný k vložení kolík do dvou nebo více částí se dá rozdělit na součet základního tb a přídavkového času tp. Základní čas je čas vložení kolíku součástí, které jsou jsou vůči sobě ve správné poloze (obr.) a může být vyjádřen: tb = - 0,07ln c – 0.1 + 3.7L + 0.75dg (3.19) kde c = (D – d)/D je vůle (0.1 ≥ c ≥ 0.0001) L = Hlobka vložení v metrech dg = průměr osazení v metrech (0.1 m ≥ dg ≥ 0.01 m) Z grafů zobrazených na obr. 3.26 a obr.3.27 budem určovat přídavkový čas tp podle tří podmínek: 1. Pro snadno polohovatelné součásti vyžadující přidržení obr.3.26b. 2. Pro těžko polohovatelné součásti vyžadující přidržení obr.3.26c. 3. Pro těžko polohovatelné součásti a přidržované obr.3.27.
3.18 Databáze ruční montáže a návrhové informační listy Výše uvedené odstavce uvedli některé výsledky a pokusy vzniklé během vývoje DFA. Pro vytvoření systému hodnocení a časových norem bylo nezbytné získat odhad času, pro dokončení operací na daném dílu, který spadal do určité třídy nebo kategorie. Například, levý horní roh na tab.3.1 určuje průměrný čas 1.13 s na uchopení, orientaci a pohyb. -
Může být uchopen a manipulován jednou rukou Jeho celkový úhel symetrie je menší než 360o ( prostý válec například) Větší než 15 mm Tloušťka větší než 2 mm Není problém s manipulací, tzn. Není ohebný, nemá sklon k zaplétání se, atd.
38
Samozřejmě, že do této kategorie bude spadat mnoho součástí a jejich manipulační čas se bude měnit. Jde pouze o průměrný čas pro tuto řadu.
3.19 Aplikace metody DFA Pro ukázku práce DFA si rozebereme sestavu na obr. Výrobek se skládá ze sestavy kovového rámu spojeného šrouby, který je vložen do plastového krytu opět spojeného šrouby. Nevýhoda návrhu plastového krytu je v tom, že různé podsestavy musí být nejdřív připevněny k kovovému rámu než je použit kryt. Montáž začíná umístěním tlakového regulátoru horní stranou dolu do přípravku. Kovový rám je umístěn na trn regulátoru a zajištěn maticí. Montáž je v přípravku otočena, aby se připevnili další položky do kovového rámu. Dále se přidrží ve správné pozici senzor s držákem a připevní šrouby, to přináší časové přídavky na držení. Po připojení senzoru k němu našroubuje redukce. Na redukci je našroubována trubička jejíž druhý konec se našroubuje do tlakového regulátoru. Tištěný spoj (PCB) je pak přidržen ve správné pozici a přišroubován, následně se konektor zapojí do senzoru a připojí se uzemnění. Pak se sestava otočí, aby se připevnil knoflík k ovládání regulátoru. Sestavu nakonec otočíme potřetí, abychom nasunuly plastový kryt a přišroubovali ho třemi šroub(přístup k těmto šroubům je velmi omezený). Z popisu montáže je jasných mnoho zlepšení. Je nutné zhodnotit nutnost každé operace před zjednodušení stavby výrobku a redukovat objevené problémy. Nejdříve se zaměříme na předpověď manipulačních časů a časů vložení. Přidání držáku bude ukázáno na příkladu. Počet dílů v sestavě, RH: je pouze jeden. Manipulační kód: Osa vložení držáků je horizontální na obr a držák může být vložen pouze jedním způsobem podle této osy, alfa úhel je tedy 360o. Beta úhel je 180o. Celkový úhel vložení je 540o. Držák může být uchopen a manipulován jednou rukou bez nářadí, celkový úhel je 540o, proto podle tabulky manipulačních časů (tab.3.1), je první číslo manipulačního kódu 2. Držák nepřináší žádné manipulační problémy, je tloušťka je větší než 2 mm, a velikost větší než 15 mm proto je druhé číslo kódu 0. Manipulační kód je 20. Manipulační čas na položku, TH: Manipulační čas 1.8 s souhlasí s kódem 20 (tab.3.1) Kód vložení: Držák není zakryt, nejsou zde žádné překážky ani omezení viditelnosti, a tak je první číslo kódu 0 (tab.3.2). Přidržení je nutné, dokud neproběhne následující operace, a
39
tabulka 3.6 Konstrukční změna 1.Kombinace krytu s rámem,-eliminace 3 šroubů a reorientace 2.Odstranění držáku a 2 šroubů (západky na plastovém krytu) 3.Odstranění šroubů držících PCB (západky na plastovém rámu) 4.Eliminace dvou reorientací 5.Odstranění montáže trubičky a dvou upevňovacích operací 6.Odstranění uzemnění (není nutné s plastovým rámem) 7.Odstranění konektoru
Časová úspora (s) 52.05 24.1 17.1 9 17.4 8.7 5.25
udržení ve správné pozici je obtížné, protože nejsou žádné prvky, které by udržely díry pro šrouby vůči sobě ve správné poloze. Proto je druhé číslo kódu 3 a dostáváme kód vložení 03. Čas vložení na položku, TI: Čas vložení je 5.2 s což souhlasí s kódem 03 (tab.3.2) Celkový čas operace: Součet manipulačního času a času vložení násobený počtem položek plus přídavný čas při použití nástroje: TA + RP( TH + TI). Pro držák je 7 s. Minimální počet dílů: Jak bylo vysvětleno dříve, ustanovení teoreticky minimálního počtu součástí je dobrou cestou ke zjištění zjednodušení výrobku. Posuzuje se podle tří pravidel. Při aplikaci na držák:
1. Držák nekoná žádný pohyb a proto může být teoreticky zkombinován s jinou součástí. 2. Držák není vyroben z jiného materiálu – může být součástí senzoru. Zřejmě ale konstruktér předpokládal, že senzor je nakupovaná položka, a její design se nedá měnit. V této úvaze však tyto ekonomické důvodu ignorujeme. 3. Držák nemusí být nezbytně oddělen kvůli montáži senzoru. Držák nesplnil žádné pravidlo a je možným kandidátem na vyřazení. 3.19.1 Výsledek rozboru Ovladač má 19 součástí nebo podsestav a je tu šest dodatečných operací. Doba sestavení je 206,43 s a to dělá při hodinové mzdě montéra 30 dolarů za hodinu, cenu montáže 1.72 dolarů. Teoreticky minimální počet součástí je pět. DFA index získáme z rovnice (3.1) a činí 7 %. Zjistí nejnákladnější operace, zvláště takové, které mají spojitost s díly odporující požadavkům na samostatnou součást. Pozornost by měla být věnována kombinaci kovového rámu a plastového krytu. Touto kombinací, by odpadli montážní operace spojené s krytem, třemi šrouby a reorientací výrobku. Cena nosného krytu je nižší než samostatné díly,kovového rámu a krytu. Přehled položek, které ja možné vypustit a kombinace vhodné pro montáž jsou ukázány v tabulce 3.6. Obr.3.29 ukazuje rekonstrukci ovládače. Celkový montážní čas se snížil na 77,93 s a efektivita montáže stoupla na 19%, některé součástky byli vyřazené, čímž se snížila výrobní
40
cena ovladače. Konstruktér teď musí zvážit všechny technické a ekonomické důsledky navrhovaných konstrukcí.
3.20 Další navrhování
pravidla
pro
Některá pravidla pro manipulaci a vkládání byla popsána již dříve. Několik se jich dá ještě odvodit z pravidel pro minimální počet součástí. 1. Omezit spojovací díly: Je-li jediným účelem dílu spojit dva jiné, pokusit se ho vynechat a spojit díly přímo spolu. Na obr.3.30 jsou ukázány způsoby spojení dvou sestav s ohledem na zvyšování montážní a výrobní efektivity. 2. Konstruovat tak, aby nebyl přístup k montáži omezen: Obr.3.31 ukazuje dvě varianty montáže malé sestavy. V první variantě se obtížně šroubují šroubky do krabičky, v druhém případě je přístup neomezen. 3. Vyhýbat se seřizování: Při použití dvou dílu z různých materiálů spojených šrouby se musí seřizovat správným jejich poloha kvůli rozměrům (obr.3.32). Pokud by byli nahrazeny jedním dílem z dražšího materiálu, odpadlo by seřizování i další operace. Úspory překonají náklady na materiál. 4. Použití kinematiky:Použitím kinematických principů lze snížit výrobní a montážní náklady. Vždy když je umístění součásti převazbené, musí se seřizovat součásti určující polohu nebo zpřesnit výrobu. Na obr.3.33 můžeme vidět díl čtvercového průřezu připevněný šesti bodovými vazbami a každá vyžaduje seřízení. Použitím kinematiky můžeme použít tři bodové vazby a uzavírací síly. Z obr.3.34 je patrná jednodušší koncepce, méně dílů, snadnější montáž, jednodušší nastavení a nižší cena. V mnoha případech převazbené sestavy mají zbytečně mnoho dílů. Použitím napínáku se návrh zjednodušuje.
41
3.21 Velké sestavy DFA získávala montážní časy podle použitých technologických operací, které rozdělovaly součásti a sestavy do různých kategorií u kterých byl dán průměrný manipulační čas a čas vložení. Je možné, že pro specifickou operaci mohou být tyto časy výrazně vyšší nebo nižší, ale pro sestavy s významným počtem součástí jsou tyto časy poměrně přesné. Praxe ukázal, že jsou přesné i ruční nízko objemovou výrobu, kdy jsou všechny díly v dosahu rukou dělníka. Velké sestavy budou mít jiné manipulační a přepravní časy než malé sestavy. Například, podle DFA databází z tab. 3.1 až 3.5. je čas pro uchopení a vložení šroubu 8.2 s. Ale pro sériovou výrobu, kde je šroub často vkládán automaticky čas klesne na 3,6 a u dobře navržených šroubů až na 2 s. DFA byla upravena, aby mohla řešit i takové problémy.Vezmeme-li v úvahu předchozí příklad, použití šroubu s krátkou dobou vložení, by značilo, že vyloučení šroubu ze sestavy už není tak výhodné. Naštěstí největší výhodou jsou cenové úspory používáním víceúčelových součástí a redukcí spojovacích dílů, nehledě na to, že na tak rychle vložení je nutné speciální vybavení. I když nemůžou být provedeny přesné odhady časových úspor při vývoji výrobku, je jasné, že největších úspor se docílí kvalitním návrhem. Na druhé straně, používání databází pro ruční montáž, ve kterých se mluví o centimetrech, nedá přesné odhady pro hromadnou výrobu, kde se mluví v metrech. Musí se proto používat i adekvátní časové databáze. Konstruktérovi nebude znám podrobný popis montážní oblasti, to je nutné si uvědomit.
3.22 Metody ruční montáže Čas uchopení je velmi závislý na rozvržení montážní oblasti a způsobu montáže. Časy pro malé součásti z tab. 3.1 jsou adekvátní, je-li použít montážní stůl (obr.3.35) nebo montážní linka (obr.3.36) a nejsou nutné výrazné pohyby těla. U takových montáží, kde se nevyplatí použít dopravní systémy a obsahují součásti těžší než 5 lb a větší než 12 palců, nebude možné umístit zásobárnu takových dílů v dosahu
42
montéra. V případě, že největší díl je menší než 35 palců, a nejtěžší neváží více než 35 lb, můžeme použít modulové montážní centrum. Na obr.3.37 je ukázáno takové uspořádání montážního stolu a poličkami se součástkami. Avšak manipulační časy vzrostou, protože bude nutná chůze, ohýbání a otáčení pracovníka. Pro výrobky s většími rozměry by měl být použit montážní prostor. Zde je výrobek montován na stolici nebo na podlaze a různé zásobníky a nezbytné vybavení je rozestaveno okolo montážního prostoru (obr.3.38). Montážní prostor je větší než modulové montážní centrum a závislý na největší součástí v sestavě, používají se ruční jeřáby a vozíky. Montážní prostory se podle velikosti součástí rozdělují do tří kategorií, kde největší součást je od 35 do 50 palců, dále od 50 do 65 palců a větší než 65 palců. Pro velké výrobky může být použit flexibilní montážní prostor. Rozvržení (obr.3.39) je podobné jako u montážního prostoru a používají se i stejné kategorie. Ale používají se mobilní nástrojové a zásobní vozíky. Pro velkoseriové montáže výrobku obsahujících velké díly (automobilový průmysl) se běžně používají průběžné linky přes montážní stanoviště (obr.3.40). Existují další dvě montážní situace. Za prvé montáž malých výrobků v malých sériích v čistých podmínkách. Do toho můžeme zahrnout montáž složitých a citlivých výrobků (palivové ventily letadel), kde se instrukce čtou postupně, nebo když je pracovník ještě nezaškolen. Za druhé, montáž velkých výrobků přímo na místě, nebo-li instalace (výtahy do budov apd.).
3.23 Vliv montážního prostoru na čas získání součásti Pro typy montáže obr.(3.37, 3.38, 3.39) jsou v tab.3.7 vypsány časy montážních prostorů různých velikostí. Pro každou časovou kategorii popsanou výše je navrženo použití standardních položek jako např: pracovních stolů a zásobníků, aby položky různých velikostí a hmotností byli uloženy na nejvhodnějších místech. Pro vliv hmotnosti součásti můžeme spočítat časový přídavek výše popsaným způsobem. Ale výsledný časový přídavek je malý, a proto je vhodné dělit součásti do skupin s hmotností 0 až 30 lb, a přes 30 lb. Důvodem je, že k manipulaci se součástmi s hmotností nad 30 lb je nutná druhá osoba nebo zvedací zařízení. Pro první skupinu uvažujeme přídavek jako pro součást průměrné hmotnosti 15 lb.
43
tabulka 3.7 jedna položka (malá nebo velká) nebo více malých
průměrná vzdálenost umístění součástí (ft.)
tovární montáž velkého výrobku
méně než 4 4 až 7 7 až 10 10 až 13 13 až 16 více než 16
Velikost největší součásti v sestavě (in.) méně než 15 15 až 25 25 až 35 35 až 50 50 až 65 více než 65
0 1 2 3 4 5
hmotnost méně než 30 lbs. snadné nesnadné uchopení uchopení 0 1
hmotnost více než 30 lbs. dvě ruční osoby jeřáb 2 3
malé součástizamíchané, může se jich uchopit více dodatečný čas pro součást snadné nesnadné uchopení uchopení 4 5
2.54 4.25 5.54 9.93 11.61 12.41
8.82 14.34 18.54 32.76 36.75 40.80
0.84 0.84 0.84 0.84 0.84 0.84
4.54 6.25 7.54 11.93 13.61 14.41
18.42 27.10 31.22 39.50 44.93 50.07
1.11 1.11 1.11 1.11 1.11 1.11
Druhá hmotnostní skupina potřebuje k manipulaci dvou osob. Časová hodnota je počítána jako dvojnásobek času získání dílu vážícího 45lb jednou osobou, násobený 1,5 (protože dva lidé spolupracují s efektivitou 67% času). Pro třetí hmotností kategorii je nutné zdvihací vybavení. Musí se započítat čas k uchopení zařízení, výběru součásti, pohybování se součástí k sestavě, uvolnění součásti ze zařízení a návrat zařízení do původní pozice. Tab.3.7 ukazuje předpokládané časy. Montážní prostor se nemusí zvětšovat kvůli umístění zvedacího zařízení. Je-li požadováno několik malých dílů a je-li možné je uchopit jednou rukou je výhodné vzít je všechny při jedné cestě do zásobárny. Obr.3.41 ukazuje výsledky pokusu s časem a vzdáleností, kterou musel montér absolvovat při získání a manipulaci se součástkami. Je výhodnější mít součásti uložené v dosahu ruky než je všechny přinášet ze zásobníku. Dají se tak odhadovat pořizovací časy při získání součásti uložené mimo oblast montáže, v tab.3.7 jsou vypsané časy pro všechny kategorie.
3.24 Kvalita montáže Pravděpodobnost chyby v montáži by mohla být funkcí předpokládaného montážního času, zrovna tak jako časové hodnoty obtížných montážních operací získaných z DFA. Výsledky ukázaly 50 případu, kdy byla chyba závislá na vlastnostech montáže. Ze střídání průměrné montážní chyby za operaci a průměrného DFA času za operaci vychází lineární vztah, s korelačním součinitelem r = 0,94. Skutečná data jsou v obr.3.42, rovnice (3.20) této přímky je dána:
44
Di = 0.0001(ti – 3.3)
(3.20)
kde Di = průměrná pravděpodobnost montážní chyby za operaci ti = průměrný montážní čas na operaci Průměrný montážní čas daný DFA pro bezproblémovou montáž je 3 s. Rovnici (3.20) můžeme podat jako poměr montážní chyby 0,0001 nebo 1 z 10000 na každou přidanou sekundu problémové montáže. Pokud přímka protne časovou osu v 3 s, je korelační koeficient stále 0,94. Pro výrobek vyžadující n montážních operací, je pravděpodobnost vadného výrobku obsahujícího jednu nebo více montážních chyb přibližně Da = 1 – [1 – 0.0001(ti – 3.0)]n
(3.21)
Alternativně, očekávané množství montážních chyb v jednom výrobku je dán Nd = 0,0001(ti – 3.0)n
(3.22)
Tyto vztahy se dají snadno aplikovat v brzkých stupních vývoje výrobku a srovnávat poměry chyb pro různá konstrukční řešení. Zvláště vhodné to je pro malé výrobky vyráběné ve velkých sériích. Jelikož častěji působí problémy výrobku špatná montáž než špatné díly, mohl by to být jasný ukazatel jak zvyšovat kvalitu.
4. Montáž elektrických spojení a vodičů 4.1 Úvod Postupy navrhovaní popsané v kapitole 3 se s úspěchem použili na mechanické výrobky. Ale, pokud výrobek obsahuje větší množství elektrických spojení, rozsah práce s nimi, často převýší rozsah práce spojené s mechanickými částmi. Na obr. je vidět možné snížení montážního času řídící jednotky. Původní návrh má celkovou dobu sestavení 260 min, téměř polovina je věnována ručnímu pájení vodičů, a 31% jejich uchycení. Rekonstrukce, která vyloučila ruční pájení a snížila počet uchycení redukovala montážní čas na 33 min.
45
Při použití pravidel pro minimální počet dílů z kapitoly 3, zjistíme, že elektrická spojení je nikdy nesplňují. Vyřadit je ale může pouze při spojení dílu A a B přímo k sobě obr.3.30 Ale díly A a B jsou často umístěny v jiných místech výrobku a spojení je nezbytné.
4.2 Montáž kabelového svazku Kabelový svazek se obvykle skládá z hlavního svazku, kde jsou všechny kabely svázané dohromady a jednotlivých kabelů nebo menších svazků, které se od hlavního svazku oddělují na žádaných místech(obr.4.2). a Nejpoužívanější zapojení operace s vodiči jsou na obr.4.3 : příprava, vlastní spojení a připojení do sestavy. Svazky se sestavují ručně, připevňovací prvky jsou umístěny tak, aby se svazky dali upevnit jen na požadovaných místech výrobku, koncovky svazku musí být ve správné pozici vůči protikusům. Kabely se udržují pohromadě, spojovacími obaly, svazováním nebo izolační páskou. Po montáži kabelového svazku, se provede test, zda je správně připojen. Obvykle je každý kabel připojen prostřednictvím nějakého spojovacího dílu nebo přímo volným koncem. K připojování dochází hlavně při instalaci kabelů do výrobku. Jinak může být kabel zapojen přímo do tištěného spoje, vypínače nebo svorkovnice. V různých stupních výroby musí být každý vodič zkrácen na vhodnou délku, vhodně zakončen, instalován a nakonec zapojen. Kdy se tak stane je dáno složitostí elektrického rozvodu nebo kabelového svazku. Obr.4.4 ilustruje sled těchto operací pro nízkou, střední a vysokou složitost elektrického rozvodu. U nízké složitosti rozvodu jsou kabely nejprve zkráceny a ukončeny. Během konečné montáže jsou odděleně instalovány do výrobku zapojeny. U střední složitosti, typické pro automobilový nebo výpočetní průmysl, se kabely zkrátí, zakončí sestaví do svazku a spojí k sobě, při montáži do výrobku jsou nasměrovány, zapojeny a zakryty. Při vysoké složitosti rozvodu, typické pro obraný nebo kosmický průmysl, záleží na typu svazku. Nejprve se vodiče umístí, potom se zkrátí, zakončí v té podobě v jaké se nacházejí. Stupeň automatizace výroby kabelových svazků závisí na jejich složitosti a množství předpokládané produkce. Automatizace je, ale omezena pouze na přípravu kabelů. Plně automatizované je řezání na délku, „holení“ a zakončení konců drátů. U malosériové produkce je běžná, pouze částečná automatizace, veškerá manipulace je ruční, pouze operace
46
s konci dráty jsou automatizovány. Spojení kabelů do svazku, se většinou provádí ručně i ve velkosériové výrobě, i když existují pro tento proces roboty. Instalace svazků je ryze ruční.
4.3 Druhy spojení vodičů Jednoduché vodiče a kabely jsou spojeny vývody nebo konektory. Typy spojení mohou být obecně rozděleny do tří skupin obr.4.5. 4.3.1 Pájené spoje I když drahé, pájení je jedna a nejspolehlivější z nejvšestrannější metoda připojení vodičů k vývodům nebo hrotům, hlavní funkcí je vytvoření mechanického spojení elektricky vodivých součástí. Spoj může být zajištěn mechanicky před vlastním pájením podle důležitosti spoje. U elektroniky se používá zahnutí kleštěmi o 180 stupňů, u mechanicky namáhaných spojení až o 360 stupňů. Z důvodu použití nástrojů narůstá montážní čas. U mechanicky nenamáhaných spojů se může pájet přímo jako u pájecích oček. 4.3.2 Nízkotlaký spoj
Dají se rozpojit bez pomocí nástrojů. Spadají sem elektrické a elektronické konektory. Poskytují dobré spojení a umožňují časté rozpojení a spojení. Požadavky na nízkotlaký spoj jsou:
-
dostatečnou kontaktní sílu pro dobrou vodivost dobrou čistící schopnost během montáže nízký odpor k spojování nízké opotřebení dlouhá životnost snadné spojení a rozpojení
47
Nízkotlaká spojení se může dělit podle provedení. Jednodílné nekruhové konektory a dvoudílné zásuvkové konektory a PCB se označují jako obdélníkové. Dvou dílné spojky se rozdělují na „samce a samici“. Koaxiální a další kruhové zásuvkové konektory se označují jako kruhové. Oba druhy mají spoustu možností spojení. Četnost spojování ovlivňuje výběr konektoru. Konektory mohou být lisovány nebo obráběny v mnoha tvarech a velikostech. Na obr je příklad typického levného dvoudílného udičkového konektoru, nevýhodou je velká zasouvací síla a náchylnost k poškození. Při výběru konektoru je důležité: typ ukončení sběrače, montáž spojení, požadovaný počet kontaktů, funkce výrobku a cena. Pro spojení vodiče s konektorem se používají tři způsoby. Za prvé, zásuvka nebo zástrčka může být zahnutá a vodiče se do těla konektoru zasouvá nástrojem, Za druhé, vodič je připájen ke konektoru. Za třetí, isolace je proříznuta a stažena z vodiče, vodič je nastrčen do U-tvaru na konektoru. Konektory pro vysokofrekvenční signály musí být pevně spojené. Počítá se u nich s odolností proti vibracím a otřesům, různému prostředí, jsou řešeny s ohledem na špatnou přístupnost. Běžně se používá při spojení, závitů, bajonetů, tření, při použití obdélníkových zásuvek zase jazýčků, západek, jistících příchytek, pružinových příchytek (obr.4.6). 4.3.3 Vysokotlaký spoj K vytvoření vysokotlakého spoje je nutný nástroj k vytvoření kontaktu kov na kov nebo plastické deformace. Nejpoužívanější metody jsou obalování vodičem, obrubami a závitové spojení, další pak svařování ultrazvukem, nýtování. Obalování vodičem (obr.4.7) je nejspolehlivější metoda vytvoření vodivého spojení vodiče a vývodu. Holým koncem vodiče se pevně obalí ve spirále vývod čtvercového nebo obdélníkového průřezu. Vysokotlaký kontakt vytvoří kompaktní spojení s velkou styčnou plochou a malým odporem, časem molekuly difundují a spojení dosáhne pevnosti sváru. Spojení lze vytvořit ručně za pomoci patřičného vybavení nebo automaticky čímž se snižuje zmetkovitost a zvýší produktivita. Obrubovaný vývod je použit při stálém spojení jednotlivých vodičů ke svorkovnici pomoci šroubů nebo nastrčených do svorkovnice. Obruby se dají vytvořit ručně nebo strojově. Běžně používané tvary obrub vývodu jsou očka, vidličky nebo jazýčky(obr.4.8). Vidlička se
48
používá hlavně v případech, kdy je žádané rychlé rozpojení a neklade se důraz na pevnost spojení. Připojení vodiče šroubem, je nejstarší způsob připojení vodiče, jeho výhodami je rychlé a jednoduché spojení v „polních“ podmínkách(obtočením vodiče kolem šroubu se vytvoří očko, které se přitáhne šroubem ke svorkovnici). Nevýhodou je citlivost na vibrace a náchylnost ke korozi, také je toto připojení omezeno maximálním převáděným napětím (obr).
4.4 Druhy vodičů a kabelů Vodiče sloužící pro přenos elektrického proudu nebo signálu mezi systémy se vybírají podle kapacity, mechanického zatížení, typu izolace a ceny. Kabely se obecně skládají ze dvou nebo více vodičů. Pro správnou funkci je nutný výběr správné kombinace konektoru a kabelu. Běžně užívané vodiče zahrnují, pevné nebo ohebné vodiče, stočený pár nebo trojici vodičů, vícejádrový kabel, koaxiální kabel, pásový kabel a pružný plochý kabel. Materiál vodičů je často měkká žíhaná měď, pro svoji vysokou vodivost, tažnost a pájitelnost. Pevné vodiče nemají ohebnost ani u nich nedochází k únavě jako u ohebných vodičů, ale inklinuje k zlomení i při malém ohybu. Používají se na přemostění u tištěných spojů, kde nehrozí namáhání ohybem ani vibrace. Výhodou je tuhost a efektivita při vysokých frekvencích. Pevné a ohebné vodiče jsou určeny American Wire Gauge (AWG) číslem, průměrem drátu v tisícinách palce nebo průřezem v tisícinách čtverečního palce. Kabel se stočeným pár nebo trio se skládá z dvou nebo tří izolovaných stočených ohebných vodičů, kde počet otoček na palec je závislý na požadavcích. Stočení kabelů redukuje rušivý signál. Více jádrový kabel se skládá z dvou nebo více izolovaných barevně odlišených vodičů. Pro zvýšení pevnosti se může přidávat vrstva z konopné příze. Vnější izolace je nejčastěji vyrobená z neoprénové pryže nebo PVC. Koaxiální kabel je používán tam, kde se musí udržet stálá kapacita po celé délce kabelu. Je složen z vodiče uloženého ve vodivém stínícím obalu opleteného kolem něj, na povrchu je další izolace. Pásový kabel, někdy nazývaný plochý, se skládá z několika vodičů stejné délky, držených vedle sebe v ohebné izolaci. Jsou výhodné z hlediska levné izolace a hromadných kabelových koncovek. Používá se v úzkých pravoúhlých rozvodnách, kde se využije vysoká ohebnost. Výrazně snižuje vadnost vodičů a zjednodušuje montáž celého svazku, výborně přenáší vysokorychlostní signály, má neproměnnou kapacitanci mezi vodiči, jelikož vzdálenost mezi vodiči je stálá. Flexibilní obvody, používající ohebný kabel, může být ohnut, několikrát přeložený, nebo zatočený v závislosti na materiálu, stávají se široce používaným způsobem spojení, když je potřeba zmenšit rozměry nebo hmotnost, řídit impedanci, redukovat pracnost a usnadnit montáž. Další výhodou je bezporuchovost a praktičnost obvodu. Tendence je přecházet od základních desek a kabelových svazků k tuhému/flexibilnímu obvodu.
4.5 Případová studie Na obr.4.9 je příklad zapojení obsahujícího 50 vodičů s dvojnásobným počtem zapojení, jedná se o řídící jednotku. Různé prameny kabelového svazku jsou značeny od A do T. V tabulce 4.1 jsou zapsány výsledky analýzy časové náročnosti obou sestav. Na obr.4.10 je vidět pravděpodobná rekonstrukce jednotky, za použití pásových kabelů a hromadných koncovek. Byli vyřazeny svorkovnice na místě A a B, dvě spojení mezi tištěnými obvody byli nahrazeny jedním.
49
tabulka 4.1
Příprava Montáž Zapojení Celkem
starý návrh čas (s) čas (min) 800.1 13.3 1236.7 21.6 1350 22.5 3446.8 57.4
nový návrh čas (s) čas (min) 576.8 9.6 0 0 875.6 14.6 1452.4 24.2
50
5. Návrh pro vysokorychlostní automatizovaná a robotizovanou montáž 5. 1 Úvod Největší výhody návrhu pro snadnou montáž získáváme v automatizované výrobě. Mírně nesymetrický závrtný šroub (obr.5.1), způsobuje velké problémy automatické manipulaci a montáži s rozeznáním správné orientace. Automatická manipulace se symetrickou součástí je jednodušší a levnější. Největší problémy s automatizací jsou spíše v manipulaci než ve vkládání dílů. Díl vhodný pro automatickou manipulaci je obvykle vhodný i pro automatickou montáž. Proto je vhodné při návrhu dílu věnovat pozornost snadnému automatickému podávání a orientaci. V automatizované montáži nemá montážní čas vliv na cenu montáže. Pokud vše pracuje správně, vyrobí se výrobek v každém cyklu. Potom je-li známa cena (cena za jednotku času) stroje a operátorů, náklady na montáž se získají po započítání prostojů. Proto se budeme zabývat cenou vybavení, techniků, operatérů a časové dávky určené k řízení. Abychom ale mohli poznat problémy jednotlivých dílů, musíme montážní cenu rozdělit mezi jednotlivé díly a pro každou z nich znát cenu za posuv, orientaci a automatického vložení.
5.2 Návrh dílu vhodných pro vysokorychlostní dopravník a orientaci Cena posunu na dopravníku a orientace je závislá na ceně vybavení a času expedice po sobě následujících součástí. Pokud označíme rychlost posunu Fr (díl/min), potom cena zásobování pro každou část Cr je Cr = (60/Fr) Rf [cena]
(5.1)
kde Rf je cena (částka/s) použitého zařízení. Použitím jednoduchého návratové metody pro odhad zásobovacího poměru Rf, získáme Rf = CFEo/(5760PbSn) [částka/s]
(5.2)
kde CF je cena dopravníku, Eo je režie firmy z vybavení, Pb návratnost v měsících a Sn počet směn. Konstanta 5760 je počet volných sekund na jednu směnu v jednom měsíci dělená 100 (pro převod dolarů na centy). Při použití tohoto vztahu zjistíme, za prvé použití stroje s 6 sekundovým cyklem v montážní lince nás stojí dvakrát tolik jako použití
51
stroje s 3 sekundovým cyklem, za druhé stojí dvakrát tolik použití při zásobování, zásobovacího stroje za 10000 dolarů než použití stroje za 5000 dolarů. Vyneseme-li cenu dopravníku v závislosti na rychlosti zásobování Fr, získáme lineární závislost (obr.5.2). Zdá se tedy, že čím rychlejší zásobování tím nižší cena, to ale platí pokud není rychlost nějak omezená. Samozřejmě existuje maximální rychlost daného stroje, označíme ji Fm a budeme dále uvažovat. Je-li požadovaná rychlost posunu vyšší než rychlost stroje, je cena posunu stejná, jako když pracuje stroj maximální rychlostí.To znázorňuje horizontální čára v obr.5.2. Pro vícenásobné linky je křivka obsahuje „zuby“. Pokud je rychlost posunu Fr menší než maximální rychlost stroje Fm spočítáme cenu zásobování z Cf = 0.03(60/Fm)Cr
(5.4)
Maximální rychlost stroje Fm = 1500E/l
[díl/min]
(5.5)
kde E je efektivita orientace dílu (díl/za sekundu) a l (mm) je jeho rozměr ve směru posuvu, předpokládáme rychlost posuv 25 mm/s. Cena posuvu je nepřímo úměrná orientaci dílu a přímo úměrná jeho délce. Tyto vztahy jsou použitelné jen pro malé součásti. V praxi je posuv součásti větší než 8 in. v převažujicím rozměru neefektivní. Při tvorbě návrhu součásti a její ceny za posun, bude konstruktér znát požadovanou rychlost posuvu Fr a rozměry součásti l. Další dva parametry efektivitu orientace E a relativní cenuu posuvu Cr, budou záviset na symetrii součásti a typy povrchů definujícich orientaci. Systém rozdělení symetrie a orientace součásti byli vytvořeny pro každou součást a byli určeny průměrné hodnoty E a Cr. Součásti jsou rozděleny na rotační a nerotační. Rotační jsou děleny na disky, krátké a dlouhé válce. Nerotační jsou rozděleny na ploché, dlouhé, krychlové, v závislosti na délkách stran.
5.3 Další problémy spojené s posuvem Kromě nevhodné geometrie k orientaci, existují i jiné vlastnosti součásti, které mohou učinit dopravu obtížnou. Například, tenké strany dílů, které se mohou překrýt během posuvu a přivodit problémy s orientovanými součástmi na pásu dopravníku(obr.5.3). Je několik způsobu jak takovýmto problému předejít, i vhodnou konstrukcí součásti.
5.4 Vysokorychlostní automatizované vkládání Jestliže může být součást, vybrána ze zásobníku, dopravena správně orientovaná k vhodnému umístění, může být navržena při použití správného montážního stroje i k automatizované montáži. Takový montážní stroj může pracovat v cyklech kratších než 1 sekunda. Potom pro automatické montážní zařízení pracujících v cyklech větších než 1 sekunda je automatický čas vložení Ci dán Ci = (60/Fr)Ri
(5.6)
52
kde Fr je požadovaná montážní rychlost (nebo rychlost posuvu na součást) a Ri cena (částka/s) použité automatické montážního stroje. Jako u případu výpočtu posuvu, odhadovaný montážní poměr Ri, je dán (5.7)
Ri = ScEo/(5760PbSn) [částka/s]
kde Wc je cena montážního stroje, Eo je režie firmy z vybavení, Pb návratnost v měsících a Sn počet směn. Konstanta 5760 je počet volných sekund na jednu směnu v jednom měsíci dělená 100 (pro převod dolarů na centy). Při návrhu nové součásti zná konstruktér požadovanou montážní rychlost Fr. Relativní ceny automatizovaného vkládání byli roztříděny podobně jako u ručního vkládání.
5.5 Všeobecná pravidla konstruování pro automatizaci Jak už bylo uvedeno v kapitole o ruční montáži, značných úspor na výrobku můžeme získat zjednodušením konstrukce a snížením počtu součástí. U návrhu vhodných pro automatickou montáž je nutné navíc uvážit možnost snížení počtu samostatných součástí, v důsledku to může znamenat vynechání určitého stroje, dopravníku, atd. Nehledě na zjednodušení sestavy, automatická montáž může být usnadněná použitím vedení a zkosení obr.3.6 a obr.5.4 V obou případech jsou ostré hrany odstraněny a součást může být vedena do správné pozice s menšími nároky na kontrolu nebo bez umísťovacího zařízení. Další příklady můžeme najít mezi typy zakončení závitů šroubů použitých při automatické montáži. Šrouby s vodící špičkou mají větší uplatnění v automatické montáži. šrouby se dají rozdělit(obr.5.5): 1. Válcový šroub: velmi špatná schopnost umístění, není možné správně umístit bez držení na vnějším průměru závitu 2. Dodatečně vytvořené zkosení: o trochu lepší než (1) pokud je správně vytvořen 3. Zkosení: uspokojivě umístitelný 4. Vodící špička (čep): uspokojivě umístitelný 5. Vodící špička (kuželová špička): velmi dobře umístitelný 6. Vodící špička (ovál): velmi dobře umístitelný Dalším problémem je montáž z jiného směru než přímo shora. Konstruktér by měl uvažovat montáž „po vrstvách“ jeden díl na povrchu předchozího. Výhodou je pomoc gravitace při posunech a umisťování součástí.
53
Také je vhodné mít dopravník s pracovní strojem nad montovanou sestavou kvůli případným poruchám zařízení. Montáž shora také řeší problém horizontálně působících dynamických sil, které by mohli způsobit přesazení jednotlivých ještě nepřipevněných dílů. Účinek se ještě zvýší použitím tvarů, které udrží za pomoci gravitace ve správné poloze. Není-li tento způsob montáže možný, je rozumné rozdělit sestavu do podsestav. Například u elektrické zástrčky (obr.5.6) by bylo obtížné umístit a držet dva držáčky kabelu a sešroubovat odspoda. Takže se dva šroubky, držáčky kabelu a obal zástrčky smontuje jako podsestava před finální montáží. V automatické montáži je často nezbytné mít základní díl na kterém se bude sestava provádět. Ten by měl být vhodně uzpůsoben pro rychlé a přesné umístění na pracovním přepravce. Základní díl pro který je těžký navrhnou pracovní přepravku je ukázáno na obr.5.7a, pokud bychom působili silou v místě A součást by se otáčela. Jedním způsobem jak tomu předejít, je umístění těžiště mezi ploché povrchy (obr.5.7b).Umístění základního dílu na horizontální desce je často zajištěno kolíky umístěnými na pracovní přepravce (obr5.8).
5.6 Návrh součásti pro posuv a orientaci Mnoho typů dopravníků je použito při automatizované montáži, ale jsou omezeny na malý rozsah tvarů součástí. Na návrh takových součásti by se měla aplikovat tato pravidla:
předejít malé asymetrii nebo „negeometrických“ povrchů.
1. předejít návrhům takových součástí, které se budou splétat nebo zapadat do sebe. 2. Vytvářet symetrické součásti 3. pokud součást nemůže být symetrická, předejít asymetrii plynoucí z malých nebo
Mají-li díly tendenci se v zásobníku splétat se nebo do sebe zapadat, je téměř nemožné je oddělit, orientovat a dopravovat automaticky, tomu se dá často předejít malou změnou v návrhu nemající na funkci vliv (obr5.9). I když přehnaná asymetrie může usnadnit orientaci, v některých případech záměrné přidání asymetrie orientaci také usnadní, některé příklady jsou uvedené v obr.5.10. Pokud je pro zařízení zajišťující orientaci těžké správné orientace dosáhnout, je vhodné přidat nějaké vnější rysy, které by pomohly. Obr.5.11a znázorňuje obtížně manipulovatelnou součást a obr.5.11b znázorňuje přepracovaný návrh, který může být dopravován a orientován na vibračním dopravníku vysokou rychlostí.
54
V některých přídech není možné provést konstrukční úpravy součásti z důvodu automatizace. Hlavně u malých tvarově složitých součástí vytvořených z tenkých pásů. Je ale, možné je vyrábět přímo na montážním stroji nebo je odlamovat z proužku v okamžiku montáže.
5.7 Výpis konstrukčních pravidel pro vysokorychlostní automatickou montáž 5.7.1 Pravidla výrobku
pro
konstrukci
1. Minimalizovat počet dílů 2. Navrhnout vhodnou základní součást na které se bude provádět montáž 3. Navrhnout takové tvary základní součásti, aby se dala umístit stabilně na horizontální desce. 4. Je-li to možné, navrhnout výrobek tak aby se dala jedna součást od shora montovat na druhou a byla zajištěna tak, aby nedocházelo při působení horizontálních sil k jejím posunům. 5. Usnadněte montáž použitím zkosení nebo úkosů, k vedení součásti do správné pozice. 6. Vyhněte se drahým a zdlouhavým připevňovacím operacím (šrouby, pájení, atd.). 5.7.2 Pravidla pro konstrukci součástí 1. Předejděte výčnělkům, dírám nebo štěrbinám, které mohou způsobit zapletení stejných součástí v zásobníku nebo na dopravníku. 2. Navrhovat součásti symetrické, aby se předešlo nutnosti dodatečně orientovat součást pomocí zvláštního zařízení. 3. Nemůže-li být symetrie dosaženo, vytvořte výraznou asymetrii pro usnadnění orientace, nebo vytvořte další asymetrický rys k umožnění orientace.
55
5.8 Návrh výrobku pro robotizovanou montáž Jako u vysokorychlostní automatizované montáže i u robotizované montáže jde o to poskytnout konstruktérovy prostředky k odhadu montážní ceny. Výběrem robota je ovlivněno několik důležitých stránek návrhu. Výběr bude postupně ovlivněn výrobními parametry, jako objem výroby,počet dílů sestavy apd. V úvahu mohou být brány tři robotizované montážní systémy: 1. Jednomístná stanice s jedním robotickým ramenem 2. Jednomístná stanice s dvěma robotickými rameny 3. Více místná stanice s roboty, speciálními hlavicemi a stanovištěm pro ruční montáž Pro jednomístnou stanici představuje ruční manipulace a montáž v montážním cyklu problém. Z důvodu bezpečnosti se musí sestava odvést z pracovního prostředí robota a po dokončení činnosti opět navrácena zpět. Použití pracovních hlavic pro vkládání a připevňování představují podobné problémy pro ruční montáž. Nastávají dvě situace. Za prvé, součást je robotem vložena bez připevnění a součást je připevněna na externím pracovišti. Za druhé, zařízení pro připevnění je už přímo na robotovi. Problém s jednomístnými stanicemi odpadá u vícemístné stanice, kde může být tolik míst pro ruční montáž kolik je nezbytné. To je důvod znát montážní systém na kterém bude výrobek montován. Pro určení montážních nákladů je nutné znát následující: 1. Celkovou cenu víceúčelového zařízení použitého v sytému, včetně ceny robota, zařízení pro přesun a dalších pomocných zařízení. 2. Celkovou cenu speciálního vybavení a nástrojů, včetně pracovních hlavic, upínek, vybavení robota, čelistí, palet, zásobníků atd. 3. Průměrný čas montážního cyklu – průměrný čas na kompletní montáž jednoho výrobku nebo sestavy. 4. Cenu práce s kontrolou zařízení, plnění zásobníků, dopravníků atd. Pro každý robotický montážní systém existuje jedna tabulka a klasifikace, kde jsou rozděleny způsoby vložení a jiné operace podle složitosti s patřičnými cenovými a časovými činiteli,získaný odhadovaný čas se píše do seznamu položek. Navíc se k ceně robota vybavení musí připočítat cena na dopravení dílů. To záleží na tom, jaký způsobem to bude provedeno, jestli dopravníkem nebo pomocí ručně naložených zásobníků nebo palet. 1. Pracovní náklady, zahrnující manipulaci materiálu, údržbu a preventivní prohlídky dopravníků, palet nebo zásobníků, náklady na výměnu zásobníků, upínek, seřízení a programování robotů. 2. Výdaje na vybavení, zahrnující amortizaci dopravníků, upínek, speciálních nástrojů, zásobníků, atd. Cena dopravy součásti se dá posuzovat podle tří významných parametrů. 1. Speciální dopravníky: Předpokládaná cena speciálního dopravníku s vybavením a operujícím v robotnickém sytému je minimálně 5000 dolarů. Přepočet ceny dopravníku na jednotlivou součást byla popsán dříve.
56
2. Ručně plněné zásobníky: Předpokládaná cena zásobníků nebo palet je 1000 dolarů. Pro větší součásti je tato cena značně optimistická. 3. Naplnění zásobníků: Čas nutný k ručnímu naplnění jedné součásti do zásobníku se dá získat z času pro ruční manipulaci (popsané v dřívější kapitole) plus jedna 1 s. 5.8.1 Výčet pravidel konstruování pro robotizovanou montáž Pravidla pro ruční a automatizovanou montáž se dájí aplikovat i na robotizovanou montáž. Pozornost by se u robotizované montáže měla věnovat použití speciálních upínek nebo dopravníků s ohledem na objem předpokládané výroby, navyšují montážní náklady. 1. Snižování počtu dílů, to je hlavní strategie pro snížení montážních, výrobních a režijních nákladů bez ohledu na použitý systém montáže. 2. Používáním vedení, hran, zkosení, atd. zajišťovat snadné vložení dílů, protože jednoúčelové pracovní hlavice, zajišťují malou možnost opakování operace. 3. Součásti by se sami měli držet na své pozici ihned po vložení. Pro více místné stanice a jednomístné stanice s jedním ramenem je to základní pravidlo, není nutné použít zvláštní upínky, navyšovat tím počet jednoúčelových nástrojů a cenu. U dvou ramenného systému se může použít k držení druhé rameno, ale to se musí osadit přidržovacím nástrojem a systém pracuje s 50% účinností. 4. Navrhovat součásti tak, aby byli uzpůsobené k uchopení pokud možno jedním uchopovacím zařízením. Největší pokles efektivity robotických montážních systémů je způsoben potřebou uchopovacího zařízení nebo výměnou nástrojů, která se v ideálních případech rovná dvěma montážním operacím. 5. Konstruovat výrobky tak, aby se dali montovat „po vrstvách“ od z hora (montáž v ose z). Montáž je levnější a nejpoužívanější rameno se čtyřmi stupni volnosti může zajistit montážní požadavky. 6. Zamezit nutnosti změny orientace částečné sestavy nebo manipulaci s namontovanými díly. Zvyšuje to čas montážního cyklu, bez zvýšení hodnoty sestavy. 7. Navrhovat součásti tak, aby se dali lehce vyjímat ze zásobníku. Je nutné předejít: a) zamotání nebo zaklesnutí v zásobníku b) pružnosti c) tenkým nebo kuželovými tvary, které spolu můžou kolidovat nebo se překrývat při pohybu po dopravníku d) tak jemným a křehkým součástem, které by se mohli poškodit při pohybu po dopravníku e) lepivým nebo magnetickým dílům, u kterých je potřebná síla k oddělení větší než jejich hmotnost f) drsným součástkám, které budou opotřebovávat manipulační systém g) tak lehkým součástem, u kterých odpor vzduchu vytvoří dopravní problém (méně než 1.5 N/m3) 8. Při použití automatické manipulace, zajistit jednoduchou orientaci součástí(snadná orientace byla řešena dříve). 9. Zajistit na automatickém dopravníku takovou polohu, aby byli orientovány, uchopeny a vloženy bez jakékoliv manipulace. 10. Zajistit v zásobnících nebo paletách takovou stabilní polohu součásti, v jaké mohou být uchopeny bez manipulace s robotem. Robot může být naprogramován k odbírání součástí z určitého pole, kde jsou součásti vyrovnány a předejít tím nevýhodám automatického dopravování ze zásobníku.
57
58
