1. No category

CHALMERS IKOT 2010 7.1 Systemarkitektur Grupp B4 2010-­‐03-­‐27 Christopher Cinadr Oscar Davison Robert Kull Per Löved David Sundquist Innehåll
7.1.1 Modularisering av produkten m.h.a. flödesschemat .................................. 3 7.1.2 Beskrivning av modulernas funktioner.......................................................... 4 7.1.3 Reducering av konstruktionen .......................................................................... 5 7.1.4 Gränssnittsmatris ................................................................................................... 6 Grupp B4 2 7.1.1 Modularisering av produkten m.h.a. flödesschemat
Vid modularisering undersöks, m.h.a. flödesschemat (figur 7.1.1), de olika modulerna med avseende på att kunna förenkla och eliminera utan att de önskade funktionerna försvinner. Vidare listas modulernas delkomponenter i ett träddiagram (figur 7.1.2). Figur 7.1.1 Flödesschema Figur 7.1.2 Träddiagram Grupp B4 3 7.1.2 Beskrivning av modulernas funktioner
Figur 7.1.3 Konceptskiss Blandarmodulen (se figur 7.1.3) består av en sluttande och roterande trumma med fenor fastsvetsade på insidan, mycket likt insidan av en cementblandare. Blandarens funktion ska nämligen likna den hos en cementblandare. När stenen har kommit in i den roterande trumman fångas den upp av fenorna och de stora stenarna blandas med de små. Blandarens övre ände, d.v.s. den närmast silon, vilar på ett lager som sitter fast i silons nedre del. Den undre änden vilar också på ett lager som sitter fast i ett icke roterande rör. Runt trumman sitter ett kugghjul vilket drivs av motorn och får trumman att rotera. Av blandarmodulens komponenter är endast lager och kugghjul från externa tillverkare. Munstycksmodulen (se figur 7.1.3) består av ett lodrätt och cylinderformat rör med en fyrkantig öppning längst ner. Inuti röret är en böjd plåt fastsvetsad på vilken stenen kommer att kana och åka ut genom öppningen. Runt röret sitter en massiv ring fastsvetsad vilken vilar på ett lager monterat på en annan modul. Runt röret sitter även ett kugghjul vilket drivs av en motor och får det att rotera. Den roterande rörelsen och stenens vertikala rörelse får stenen att slungas ut genom öppningen med horisontell rörelse. Av munstycksmodulens komponenter är endast lager och kugghjul från externa tillverkare. Grupp B4 4 Delarmodulens (se figur 7.1.3) alla komponenter ryms inuti ett cylinderformat hölje. Ovansidan av höljet är platt och har ett hål i mitten med samma diameter som munstycket, runt vilket det sitter ett lager. Höljets volym är delat i två av en platt och lodrät skiljevägg. Stenen fördelas jämnt över skiljeväggen vilket ger två lika stora flöden. Av delarmodulens komponenter tillverkas alla av Sandvik. Motormodulen köps färdig av en extern tillverkare. 7.1.3 Reducering av konstruktionen
Blandarens funktion i systemet är att likt en cementblandare röra om i innehållet och på så sätt uppnå en homogen fördelning av olika stenstorleker. Modulen är relativt komplex på grund av delkomponenter som exempelvis kraftöverförande kugghjul och lagerfunktionen begränsar vid konstruktionsarbete. Vid noggrann undersökning av munstycksmodulen ansågs den även, förutom att lösa fördelningen till krossarna, blanda stenen tillräckligt väl. Att blandarmodulen är placerad i början av vår process förenklar eliminationen då endast munstyckemodulen och infästningen till silon är det som berörs. Stenen kommer alltså att falla direkt från silon till munstycket vilket sitter fast i silon på samma sätt som munstycket satt fast i blandaren. Genom att eliminera blandarmodulen minskas hela produktens komplexitet avsevärt. Detta påverkar exempelvis faktorer som materialkostnad, transport, kontroll, montering och reparationskostnader positivt. Därmed reduceras träddiagrammet till följande: (se figur 7.1.4) Figur 7.1.4 Reducerat träddiagram Grupp B4 5 7.1.4 Gränssnittsmatris
En gränssnittmatris (se figur 7.1.5) är bra att använda för att se hur olika moduler påverkar varandra. Detta är viktigt att veta vid tillverkning av produkten och när man ska planera i vilken ordning produktionen ska ske. I det här fallet fanns inte så många moduler vilket kan ses som något positivt då det ger en lägre komplexitet. De tre modulerna som beskrivs här är: •
•
•
Modul 1 – Motorn Modul 2 – Munstycket Modul 3 -­‐ Delaren Denna typ av matris är mer användbar i större komplexa produkter där flera moduler beror av varandra på flera olika plan, se teckenförklaring för exempel. Teckenförklaring: M – Mekanisk E – Elektronik K – Kemi L – Logik T – Termisk Ma – Magnetisk Figur 7.1.5 Gränssnittsmatris Grupp B4 6 CHALMERS
IKOT 2010
7 Konstruera konceptet
Grupp B4
2010-04-26
Christopher Cinadr
Oscar Davison
Robert Kull
Per Löved
David Sundquist
Innehåll
7.2 Kostnadsuppskattning och jämförelse ......................................................................... 3
7.3 Dimensionering av kritiska delsystem ......................................................................... 5
7.4 Produktionsanpassning ..................................................................................................... 7
7.4.1 DFM ................................................................................................................................................... 7
7.4.2 DFA .................................................................................................................................................... 7
7.4.3 DFM och DFA för på den egna produkten ......................................................................... 8
Grupp B4
2
7.2 Kostnadsuppskattning och jämförelse
För att finna vilken tillverkningsmetod som är att föredra ur ekonomisk
synpunkt är det en god idé att göra kostnadsuppskattningar för att enkelt kunna
se vilken metod som visar sig vara dyrast. Det kan vara värt att göra ordentliga
sådana relativt tidigt i ett projekt, eftersom en redan dyr tillverkningsmetod lätt
ger en ännu högre kostnad om det visar sig att man måste ändra i
konstruktionen senare i projektet, och därför bör en sådan elimineras.
Den kostnadsuppskattningsmetod som användes är framtagen av K.G. Swift och
bygger på följande formel:
är då den sammanlagda kostnaden för material och ett processteg, är
materialets volym,
är materialets pris per volymenhet,
är en koefficient
och är den grundläggande processkostnaden för en ideal design. Koefficienten
bestäms i sin tur ur följande formel:
beror på materialvalet, på detaljens komplexitet,
och
på toleranser eller ytjämnhet.
på detaljens tjocklek
Det bestämdes att endast den cylinderformade komponenten, d.v.s. själva
spridaren, skulle kostnadsuppskattas eftersom denna är den enda vilken
möjligtvis kan tillverkas på olika sätt och därmed den enda som har två
jämförbara kostnader. Seriestorleken sattes till 1000 enheter per år. De två olika
metoderna som undersöktes var:
1. Valsbockning av plåt i kombination med svetsning.
2. Gjutning
För metod 1 krävs följande processteg:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Valsning av cylinderhöljet (SMW)
Utskärning av öppningen i sidan av cylindern (MM)
Valsning av plåten inuti höljet (SMW)
Borrning av hål för fästning av axel (MM)
Hopsvetsning av cylinderhöljet
Fastsvetsning av plåten inuti höljet
Grupp B4
3
För steg a till d beräknades
Steg
a
b
c
d
Pc
95
10
95
10
Cmp
Cc
1,5
1,5
1,5
1,5
och
och resultaten framgår ur tabell 1
Cs
1,2
1,4
1,2
3
Cft
2,5
1
2,5
1
Rc
1
1
1
5
4,5
2,1
4,5
22,5
RcPc
427,5
21
427,5
225
1101
Tabell 1. Kostnadsuppskattning för metod 1.
Steg e och f är båda svetsningar och sträckorna är sammanlagt ungefär 3 meter.
Kostnaden för en svetsare per sekund sattes till 0,465 pence och med en
svetshastighet på 0,05 meter per sekund kostar detta alltså 27,9 pence. Detta ger
den totala processkostnaden 1101+27,9=1128,9 pence.
För metod 2 krävs följande processteg:
a. Gjutning
b. Borrning av hål för fästning av axel
och
Steg
A
B
beräknades och resultaten framgår ur tabell 2
Pc
Cmp
Cc
100
1,5
10
1,5
Cs
3,6
3
Cft
1,2
1
Rc
1
5
RcPc
6,48
648
22,5
225
873
Tabell 2. Kostnadsuppskattning för metod 2.
Tillverkningsmetod 2 är alltså mindre kostsam utan att ta hänsyn till
materialkostnaden. Uppskattningsvis behövs 0,0205
material vid metod 1
och 0,0437
, d.v.s. ungefär det dubbla, för metod 2. Därmed kommer
kostnaderna för de båda metoderna vara mycket lika och vilken som är att
föredra hänger på vilken av dem som rent utförandemässigt är enklast.
Grupp B4
4
7.3 Dimensionering av kritiska delsystem
Då cylindern som fördelar stenflödet kommer att vila på en axel som roterar
måste den lagras. Ett lager sätts så nära cylindern som möjligt för att få minsta
möjliga utböjning på axeln. Detta lager skall ta upp all axiell kraft. Det andra
lagret sitter i närheten av motorn samt växellådan och dess syfte är att ta upp de
radiella laster som uppkommer p.g.a. tillexempel vobbling o.s.v. Lagret finns
enbart för att stabilisera. Axelns diametermått på 100 mm var en aspekt som fick
tas hänsyn till vid val av lager.
Kraften (tyngden) från cylindern, stenen, och från stången togs fram utifrån
volymsberäkningar av den mängd stål och sten som kommer att inverka på
tyngdkraften. Dessa värden beräknades med densiteten för stål (7850 kg/m3)
och bulkdensiteten för sten (1.6 ton/m3).
mcylinder
mstång
89.36 kg
61.6kg
msten
100 kg
mtot
250 kg
Denna totalvikt räknades om till en axialkraft som tas upp av Lager A:
Fax
mg
250 9.82
2465 N
Lager A är ett enradigt koniskt rullager med innerdiameter 100 mm. Detta fås ur
SKF-katalogen. Då kraften enbart är av axiell sort blir ekvivalenta dynamiska
lagerlasten:
P Y Fax med Y=1.7 (från lagerdata)
P 1.7 2465
4190 N
Livslängden för Lager A blir:
p
L10, A
C
P
L10, A
572
4.19
med C=572kN (från lagerdata) och p=10/3 (rullager)
10
3
1.3 10 7 miljoner varv.
Med en rotationshastighet på ¼ varv per sekund blir det ca 1.5 år vilket anses
tillräckligt.
Grupp B4
5
Lager B kommer att sitta långt ner på axeln (se figur 1) och fungera som
stabilisator för de radiella krafter som kan förekomma. Eftersom inget är känt
om dessa krafter antas de vara mycket små och livslängden gå mot oändligheten.
Detta lager kommer troligtvis att bytas samtidigt som det övre.
Figur 1. Översiktsbild av produkten.
Grupp B4
6
7.4 Produktionsanpassning
7.4.1 DFM
Design for Manufacturing är en metod med huvudsyftet att få en så
kostnadseffektiv tillverkningsprocess som möjligt. Metoden består av fem
grundsteg. I det första beräknas produktens tillverkningskostnad, då är viktigt
att veta hur stor volym man har för avsikt att producera. Steg två är att
bestämma vilken tillverkningsprocess man ska använda sig av. En del av detta
steg är också att bestämma vad som ska tillverkas in-house och vad som ska
levereras av externa leverantörer. När man väljer externa leverantörer är pris
och kvalitet en avgörande faktor. Steg tre är att optimera tillverkningsprocessen
genom att försöka reducera antalet steg i processen. Målet är att i hög grad få en
så enkel process som möjligt. I steg fyra förenklas designen av produkten. En
komplex design kostar mycket mer att tillverka. Att förenkla kan reducera
kostnaden. I många fall kan sammansatta komponenter ersättas av en gjuten. Ett
av målen är att försöka använda standardkomponenter i så hög grad som möjligt.
Det sista steget är att anpassa designen för tillverkningsprocessen. Även små
förändringar kan ge stor kostnadspåverkan. Beroende på vilken
tillverkningsprocess man valt finns det en rad olika förändringar som kan göras.
När man t.ex. använder strängpressning är det önskvärt att ha en så symmetrisk
form som möjligt.
7.4.2 DFA
Design for assembly är en metod baserad på forskning av Boothroyd och
Dewhurst från 1987. Metoden var från början avsedd för manuell montering
men har på senare tid utvecklats för att även fungera för maskinell montering.
Grundstegen i DFA är att reducera antalet, standardisera, göra symmetriska och
göra delar enkla att hantera. Det absolut vanligaste bidraget till höga
tillverkningskostnader är att produkten har många delar. För att råda bot på
detta kan man enligt metoden ställa tre frågor. Besvaras alla dessa frågor med
”nej” är komponenten kandidat för eliminering. Dessa frågor är;
Rör sig komponenten i förhållande till alla tidigare monterade detaljer?
Måste komponenten vara av annat material eller isolerad från alla
tidigare detaljer?
Måste komponenten vara separat för att inte omöjliggöra montering eller
demontering av övriga detaljer.
För att få fram en så användarvänlig produkt som möjligt kan monteringstiden
jämföras. En kortare monteringstid ger i de flesta fall en mer användarvänlig
produkt.
Grupp B4
7
7.4.3 DFM och DFA för på den egna produkten
Produkten som tagits fram innehåller relativt få komponenter. Antalet har i
tidigare steg reducerats till ett minimum. Produkten kommer att tillverkas i små
serier, innehåller få standardkomponenter och därför kommer de flesta att
tillverkas in-house. Storlek på produkten spelar också en avgörande roll. Då
delarna är stora skulle det bli dyrt och det skulle belasta miljön mycket att köpa
komponenter från externa leverantörer, då detta ger en ökad transport.
Designmässigt har stor vikt lagts på att skapa en så enkel design som möjligt för
att reducera kostnaderna och förenkla tillverkningen. Enligt expertkonsultation
var valet av tillverkningsprocess begränsat. Plåttjocklek och storlek var
avgörande faktorer som ledde till att plåtformning med hjälp av valsbockning var
den mest lämpade tillverkningsmetoden för cylinderhöljet och tungan (se figur
2). Dessa komponenter sammanfogas genom svetsning. Produkten kommer att
utsättas för mycket slitage så höga krav på materialval ställs. Enligt SSABs
beskrivning av materialet Hardox 450 verkar detta lämpligt. Axeln fast i ett hål
cylinderns undersida med värmepassning.
Figur 2. Översiktsbild av munstycket.
Gjutning var inte möjlig på grund av för långa flytvägar i formen. Skulle
vägtjockleken ökas för att möjliggöra gjutning skulle produkten bli för tung.
I metoden DFA är återigen det mest centrala att reducera antalet komponenter.
Ställer man de tre frågorna som är beskriva ovan blir svaret inte nej på alla,
vilket leder till att inga fler kan elimineras. Produkten är inte någon
konsumentprodukt och kommer att användas av experter vilket gör att
användarvänligheten inte kommer att spela lika avgörande roll.
Grupp B4
8