Design av displayfästen i Multi-Function Console (MFC)

Transkript

1 Bromma Gymnasium Examensarbete på Gymnasieingenjörsprogrammet inom Innovation och Produktion 100 gymnasiepoäng Design av displayfästen i Multi-Function Console (MFC) Robin Saaristo Examinator: Sven I Pettersson Handledare: Christopher Hoback Datum för framläggning:

2 SAMMANFATTNING Saab Security and Defence Solutions (SDS) i Järfälla tillverkar marina ledningssystem till några av deras militära kunder. En nyckeldel i detta system är operatörsplatsen, en Multi- Functional Console (MFC). MFC:n har en 30-tums skärm som sin övre displayenhet. Denna rapport handlar om konstruerandet av en ny infästning till den övre displayenheten, då man har bytt till en ny display som inte passar i den gamla infästningen. Det tillgängliga utrymmet för designen var kraftigt begränsad. För att ta fram en sådan konstruktion designades nya fästen och olika metoder undersöktes för vertikal positionering. Med en design som man trodde skulle fungera genomfördes en testmontering, dels med riktiga delar, och dels med delar från en 3D-skrivare. Med positiva resultat från testmonteringen kunde man gå vidare till en prototyptillverkning av den nya infästningen. Avslutningsvis analyseras resultatet. ABSTRACT Saab Security and Defence Solutions (SDS) in Järfälla, Sweden manufacture naval Combat Management Systems (CMS) for some of their military customers. A key piece in this system is the seat of the operator, a Multi-Functional Console (MFC). The MFC uses a 30 inch display for its upper display unit. This report is about the construction of a new fastening mechanism for the upper display unit. After having switched to a new screen they found that the old fastening mechanism did not work for the new screen. The space available for the design was severely limited. In order to develop such a fixture, new brackets were designed and different methods of vertical positioning were examined. With a design believed to work, a test assembly was carried out with real parts, as well as parts from a 3D-printer. With positive results from the test assembly the process could move on to the manufacturing of a prototype of the new fastening mechanism. The result was also analysed.

3 FÖRORD Jag har läst Gymnasieingenjörsprogrammet vid Bromma Gymnasium inom grenen Innovation och Produktion med inriktningen Konstruktion och Produktutveckling. Inriktningen omfattar fortsättningskurser i CAD (100 gp) och konstruktion (200 gp). Vidare ingår kurser i hållbar miljö (100 gp), produktionsfilosofi (100 gp) och ett större projekt (100 gp) samt en allmän kurs om ingenjörens villkor (200 gp). Utbildningen är ettårig och omfattar även elva veckor praktik, under vilken detta examensarbete (100 gp) har arbetats fram. Examensarbetet, och tillika praktiken, är utförd på enheten Command and Control Systems (C2S) inom Saab Security and Defence Solutions (SDS) i Järfälla. Examensarbetet har utgjort ungefär hälften av praktiken, alltså mellan fem och sex veckor. Under arbetets gång har ett antal personer utmärkt sig som behjälpliga. Jag vill därför tacka: Kristian Bengtsson, Senior Mechanical Design Engineer Saab SDS Ronny Berglund, Senior Electronic Design Engineer Saab SDS Christopher Hoback, Handledare och Mechanical Design Engineer Saab SDS Lars Öberg, Manager Mechanics C2S Saab SDS Anställda på C2S Saab SDS Examensarbetet har varit mycket lärorikt och stimulerande. Jag är glad över att ha fått möjligheten att bidra till utvecklingen av en av Saab SDS grundläggande produkter. Robin Saaristo

4 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sammanfattning Abstract Förord Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund 1.2 Syfte 1.3 Avgränsningar 1.4 Preciseringar av frågeställningar 1.5 Förväntad Slutprodukt 2. Teoretisk Referensram Metod Utformningen av huvudfästena Alternativen för vertikal positionering Centrerande packningar 5.2 Nedstickande plåtar 5.3 Sidoplåtar 5.4 Nedstickande plåt med försänkta skruvar 5.5 Nedstickande L-plåtar 5.6 Nedstickande kilar 5.7 Hörnpackningar 5.8 EMC-packningar 6. Resultat av testmonteringen Det slutgiltiga förslaget Diskussion om lösningen Slutsatser... 5 Bilaga 1: Ritningar på de tidigare fästena Bilaga 2: Ritningar på de nya displayfästena Bilaga 3: Bilder

5 1. INLEDNING 1.1. Bakgrund Konsolerna till Saab:s MFC (Multi-Functional Console) har tidigare använt sig av LCDskärmar med storleken 30 tum som övre display. Dessa nådde End of Life, och man verkade vara tvungen att byta till 27 tum. Nu har man ännu en gång fått tag på skärmar med storleken 30 tum, men den tidigare infästningen för 30-tums skärmar fungerar inte för dessa. Detta p.g.a. att den gamla displayen hade skruvhål på ovan- respektive undersidan, men den nya har M3-hål på vänster- och högersidan. Där är det för trångt för att få in några skruvar. En ny infästning måste därför göras så att de nya displayerna kan användas med de befintliga ramarna och övriga delar (se Bilaga 3, Figur 1) Syfte Uppdraget går ut på att designa den överenskomna konstruktionsändringen (till viss del genom att konstruera nya detaljer utifrån tidigare versioner). Innan konstruktionen tillverkas kommer den valda metoden att genomgå en testmontering, där de faktiska fästena ersätts av utskrifter från en 3D-skrivare, för att garantera funktionaliteten Avgränsningar Arbetet skall inte inkludera att komma på den nya infästningsmetoden eller några tester av hållfastheten (däremot inkluderas en kortare beskrivning om de standarder som detaljerna förväntas uppfylla när de väl är producerade), utan bara konstruerandet av en 3D-modell Precisering av frågeställningar En precisering kan göras genom att nämna de begränsande faktorer som man måste ta hänsyn till. I detta fall är det: Dimensionerna [1] och toleranserna [2] hos ramen som displayen skall ligga i. Närheten till fästnitarna hos EMC-packningarna som skall isolera displayen. Tjockleken hos de gummipackningar som behövs (då det är cellgummi kan det komma att förändras under konstruktionens livstid). En adekvat centrering av displayen i ramen, så att den under inga omständigheter (t.ex. kraftig sjögång, minsprängningar, grundstötningar eller vibrationer) förskjuts Förväntad slutprodukt Examensarbetet skall resultera i en CAD-modell som ska godkännas under en konstruktionsgenomgång ledd av en erfaren mekanisk konstruktör, förslagsvis Kristian Bengtsson. 2. TEORETISK REFERENSRAM Med tanke på att detta är ett konstruktionsuppdrag är den teoretiska referensramen relativt begränsad. I detta uppdrag är det de tidigare fästena, som användes för att hålla den tidigare displayen på plats som har varit utgångspunkten. Ritningarna till dessa återfinns i Bilaga 1. 1

6 3. METOD Det första steget var att en CAD-modell av den nya displayen skall göras. Den ska sedan sättas in i en sammanställning med displayramen (som man inte vill göra några ändringar på då den gjuts) för att undersöka hur mycket plats man har till de nya fästena. För att få en så noggrann uppfattning som möjligt om de mått man måste hålla sig inom, läggs gummipackningarna till. Något att ha i åtanke är dock att de i sammanställningen inte kan komprimeras, men då de är av cellgummi kommer de att göra det i verkligheten. Man kan nu konstruera en mekanisk lösning som får plats. Utgångspunkten för denna lösning har alltid varit att med de övre och undre fästena hålla displayen på plats med hjälp av tryck från en ca 5 mm lång kant som går in över displayen. 4. UTFORMNINGEN AV HUVUDFÄSTENA Den första tanken för hur de nya fästena skulle se ut var att bara modifiera de gamla fästena (se Bilaga 1), genom att bocka till kanter (där det finns tillräckligt med plats), så att en tillräckligt stor yta kan utöva ett tryck på displayen. Fördelen med denna konstruktion var att den skulle kunna bockas, vilket är mycket billigare än det andra alternativet, fräsning, vilket poängterades av Kristian Bengtsson. Men på grund av kraven på storleken hos tryckytan förkastades denna version, och man beslöt att de nya fästena skulle fräsas fram. De frästa fästena skulle få en T-profil för att både trycka på displayen och fästas i displayramens tidigare hål. Dessutom skulle fästena ha ett tjockare liv i mittstycket för att ge tillräckligt med gods för att göra hål som används till att fästa kretskortens plåt i (se Bilaga 3, Figur 2). De styrande måtten för konstruktionen kom ifrån det tillgängliga utrymmet i sammanställningen och vad vi praktiskt kunde se att det fanns utrymme för. Mot slutet gjordes en ändring i designen då man valde att göra fästena oberoende av toleranserna hos den gjutna displayramen genom att fräsa upp hålrum i fästena kring ramens fästhål (se Bilaga 3, Figur 3-4). På grund av att fästena ska tillverkas av aluminium behöver hålen till kretskortens plåt förstärkas med en gänginsats av rostfritt stål, en s.k. helical coil eller heli-coil. Denna valdes efter hur stort utrymme som finns i fästenas mittparti och vilka tillgängliga storlekar det finns på gänginsatserna. Det blev en M4 med 4 mm djup [3]-[5]. Då en effektiv fixering av displayen har varit eftertraktad har man övervägt att gå ifrån de dubbla slits som användes tidigare och istället använda runda hål på det nedre fästet, vilket fixerar displayen i underkant. Med slits på det övre fästet kan man då trimma ned displayen till dess att den är helt fixerad. I slutändan valde man slits på båda sidorna, för att följa de andra fästenas design. När fästena hade konstruerats i CAD beslöts det att 3D-utskrifter av dessa skulle göras, då man skulle kunna genomföra en testmontering. Med delarna på plats fann man att de passade, men att vissa designförbättringar kunde göras. Bl.a. kunde fästena göras djupare och godset 2

7 kunde på vissa ställen bli tjockare för att ge en starkare konstruktion. Dessa ändringar genomfördes i samband med ändringen till toleransoberoende fästen. 5. ALTERNATIVEN FÖR VERTIKAL POSITIONERING Under arbetets gång har flertalet olika förslag på konstruktionen, samt variationer av förslagen, dykt upp. De alla syftar till att på något sätt låsa fast displayen vertikalt (vissa symmetriskt, andra asymmetriskt), vilket inte är lätt då man har mellan 2,5 och 3 mm på båda sidorna. 5.1 Centrerande packningar Genom att låta gummipackningar (med antingen U- eller L-profil) av rätt tjocklek löpa längs med kanten av displayen var tanken att man skulle kunna uppnå en fixering för den vertikala axeln. Det visade sig att packningarna inte gav en tillräcklig noggrannhet gällande fixeringen. 5.2 Nedstickande plåtar Med plåtar som fyller ut det lilla tomrummet mellan displayen och ramen troddes displayen få en centrering inom toleranserna för skärmens aktiva yta. Dessa plåtar skulle fästas på de övre och undre fästena med bockade kanter. Alternativet övergavs p.g.a. oron för att plåtarnas icke fästa balkliv skulle kunna skallra. 5.3 Sidoplåtar Tanken bakom denna lösning var att två plåtar både skulle fylla ut sidorna samt hålla fast displayen genom att skruvas fast i displayens M3-hål och huvudfästenas sidor. Utöver att det finns oklarheter kring hur stor plats skruvskallarna som minst skulle ta upp, så övergavs detta alternativ främst då det inte fanns tillräckligt med gods för att fästa skruven i det övre fästet. 5.4 Nedstickande plåt med försänkta skruvar Idén med detta alternativ var att fixera snarare än fästa displayen på den vertikala axeln genom att använda försänkta skruvar (bara på en sida då de kräver en plåttjocklek på 2 mm), och samma fästning ovanifrån som beskrevs i 5.2. Lösningen ansågs ursprungligen som acceptabel då den nuvarande displayen inte är helt symmetriskt placerad, men man beslöt att denna centrering skulle vara symmetrisk. 5.5 Nedstickande L-plåtar Denna lösning är något av en kombination av 5.2 och 5.3. En L-formad plåt fästs i fästena på displayens ovan- och undersida. Därtill fästs den i displayen med stoppskruvar genom frigående hål i plåtarna och displayens M3-hål. Stoppskruvarna säkras med låsvätska. Metoden övergavs p.g.a. dess monteringskomplexitet. 5.6 Nedstickande kilar Metoden fungerar precis som 5.2 (och fästs på samma sätt), fast istället för en rak plåt använder man en kilformad. På det sättet undviker man problemet med att plåten kan skallra, 3

8 och den fyller inte bara ut tomrummet, utan utöver också ett tryck på displayen (vilket centrerar den). Även om alternativet var bra, fanns det ett enklare och därmed valdes det. 5.7 Hörnpackningar Liknande 5.1 skulle man kunna sätta gummipackningar enbart i hörnen av displayramen. Om dessa ligger under kanten på de två fästena så tros de både centrera displayen och definiera dess position. Däremot väcktes frågor kring alternativets långsiktiga hållbarhet (med tanke på att samma frågor har ställts för de andra gummipackningarna vid skärmen) och man förpassade alternativet. 5.8 EMC-packningar Lösningen bygger på samma princip som 5.1, men med en stor skillnad. Istället för en gummipackning som troligen skulle skjuvas, fäster man en fjädrande EMC-packning på displayens sidor, vilket får displayen att automatiskt centrera sig [6]. Dessa packningar fästs på displayen, eftersom att även gummipackningarna som ligger mellan glaset och displayen fästs direkt på displayen. Så i händelse av ett byte av displayen, måste man oundvikligen byta fyra packningar. Då gör två till ingen större skada. Eftersom alternativet är lätt att genomföra och ingen väckte några protester, blev detta förslaget som prövades i praktiken. 6. RESULTAT AV TESTMONTERINGEN När displayramen skickades tillbaks till Saab med glaset fastlimmat (tidigare hade man undersökt delarnas passform i en ram med glaset löst) kunde en testmontering genomföras med samtliga delar som ska sitta i displayramen, förutom att fästena är gjorda av plast och tillverkade i 3D-skrivaren (istället för frästa i aluminium). Man fann då att fästena troligen kommer att leverera ett tillräckligt stort tryck för att hålla fast displayen, samt att den ursprungliga designen inte behövde modifieras nämnvärt. Ändringarna var främst att fästenas tryckklackar gjordes djupare, att man lade till utfräsningen för displayramens fästhål och specificerade toleranserna när de generella inte räckte till [7]. Dessutom kunde man bekräfta att EMC-packningarna fick plats och centrerar displayen. Slutligen observerades att gummipackningarna med tjockleken 4 mm höjde skärmen till en sådan nivå att operatören skulle se att skärmen låg en bra bit från själva glasrutan. Därför prövade man med de nuvarande gummipackningarna på 2 mm. Det löste problemet med vilket djup skärmen såg ut att ligga på, däremot fick det som konsekvens att några av måtten på de båda T-profilerna behövde ändras (se Bilaga 3, Figur 5). Då det inte var någon kö till 3D-skrivaren beslöt man att göra nya utskrifter för att pröva dem. När monteringen genomfördes med de nya fästena blev resultatet att delarna passade mycket bättre. 7. DET SLUTGILTIGA FÖRSLAGET Efter de positiva resultaten från testmonteringen blir det slutgiltiga förslaget för de nya displayfästena till MFC:n följaktligen aluminiumfästen (enligt ritningarna i Bilaga 2) som håller displayen på plats med hjälp av tryck. Dessa fästs i displayramens gamla fästhål som användes till de tidigare fästena. Gummipackningar av 2 mm tjocklek kommer att ligga mellan displayen och glaset för att undvika direktkontakt och hindra damm från att komma in 4

9 [8]. För att centrera displayen på den vertikala axeln fästs EMC-packningar på displayramens kanter i en sådan höjd att de andra EMC-packningarnas fästnitar inte träffas. När displayen sedan sätts in i displayramen kommer den att centreras automatiskt (se Bilaga 3, Figur 6-7). 8. DISKUSSION OM LÖSNINGEN Det finns ett antal sätt att utvärdera den nya konstruktionen. Till en början skulle man kunna jämföra kostnaden för den nya infästningen med den gamla. Det går däremot inte att göra i skrivande stund, då en beställning på detaljerna ännu inte har lagts, och följaktligen finns ingen prisuppskattning. Man kan däremot säga att då de tidigare fästena bockades, men de nya ska fräsas, borde denna infästning bli dyrare än den förra. Det ska däremot tas i beaktning att man med dessa nya, och dyrare, fästen, inte behöver göra några ändringar på displayramen- eller huset. En sådan ändring skulle, enligt Kristian Bengtsson, leda till en större kostnadsökning än den som kommer från de nya fästena. För att undersöka monteringsvänligheten skulle man kunna genomföra en s.k. DFA-analys [9, s. 25, 29]. Men då jag inte har studerat denna metod kommer en sådan inte att genomföras. Det kan däremot poängteras att jag personligen genomförde testmonteringen och inte upplevde några problem med att fästa displayen med alla tillhörande delar. Då fästena sitter inuti konsolen har de inga specifika krav på sin konstruktion, däremot måste hela konsolen uppfylla kravspecifikationer inom områdena vibration och chock. Dessa krav återges i tabellerna nedan och fås från MIL-STD-167-1A, MIL-S-901D och den överordnande standarden för tester MIL-STD-810G (samtliga är militära standarder utgivna av USA:s Försvarsdepartement), samt interna dokument på Saab [10]-[12]: Frekvens (Hz) Amplitud (mm) 1-4 1,270 ± 0, ,762 ± 0, ,508 ± 0, ,254 ± 0, ,076 ± 0,015 Tabell 1 Vibrationsamplituder [11] Riktning Acceleration (g) Tid (ms) Vertikalt Horisontellt Tabell 2 Chocknivåer 9. SLUTSATSER Uppdragets syfte har uppfyllts, då en konstruktionsändring har designats med de tidigare detaljerna som utgångspunkt. Konstruktionsändringen har genomgått en testmontering (då fästena representerades av 3D-utskrifter), under vilken funktionaliteten bekräftades. Fästenas design tar hänsyn till de toleranser som finns hos displayramen. EMC-packningarna har på alla ställen gott om plats för fästnitarna (se Bilaga 3, Figur 8-9). Därtill förväntas inga 5

10 problem med tjockleken hos gummipackningarna då man har återanvänt de som finns i den tidigare modellen. Dessutom har man åstadkommit en fullgod centrering av displayen i ramen. Trovärdigheten hos resultatet kan bedömas som god, då det har prövats i praktiken. Vidare är resultatet giltigt för alla MFC med den aktuella displayramen. För att kunna utnyttja denna konstruktion i framtiden har en struktur skapats i SAAB:s dokumenthanteringssystem, IFS LOKE, där de nya fästena ingår i den annars likadana strukturen för displayramen. Om fästena skall bli användbara i framtiden krävs dessutom att man konstruerar den täckplåt, som skall sitta i hålen i fästena, på vilken kretskorten som styr displayen skall monteras, samt att man uppdaterar resterande omkringliggande underlag som hör till displayramen. 6

11 KÄLLFÖRTECKNING [1] Saab, doc. PD-RP248712, C, 2006 [2] SIS Standardiseringskommissionen i Sverige, SS-EN ISO :2007, 2007 [3] Saab, doc. IT-TH2110, 2.0, 2003 [4] Saab, doc. P2-P , E, 2005 [5] Saab doc. P2-P , 1.0, 2005 [6] Laird Technologies, Item # 4903, Rectangle Shaped Gaskets, Online Catalog, [Online]. Tillgänglig: [Hämtad: 2 maj, 2014]. [7] SIS Standardiseringskommissionen i Sverige, SS-ISO , 1990 [8] Saab, doc. IM-M , 2009 [9] Nadja Vorontsof, Integration av kraftenhet i Multi Function Console (MFC), Examensarbete, Teknikhögskolan i Stockholm, Stockholm, 2014 [10] United States Department of Defense, MIL-STD-167-1A, 2005 [11] United States Department of Defense, MIL-S-901D, 1989 [12] United States Department of Defense, MIL-STD-810G, 2008

12 BILAGA 1: RITNINGAR PÅ DE TIDIGARE FÄSTENA BILAGA 1. Sid 1(2)

13 BILAGA 1. Sid 2(2)

14 BILAGA 2: RITNINGAR PÅ DE NYA DISPLAYFÄSTENA BILAGA 2. Sid 1(2)

15 BILAGA 2. Sid 2(2)

16 BILAGA 3. Sid 1(3) BILAGA 3: BILDER Figur 1 Det ursprungliga problemet. Den nya displayen ilagd i displayramen med de gamla fästena ovanför. Notera glappen runtom displayen. Figur 2 Godstjockleken i fästenas mittparti.

17 BILAGA 3. Sid 2(3) Figur 3 Toleransoberoende i det nedre fästet. Figur 4 Toleransoberoende i det övre fästet. Figur 5 Djupet som skärmen ser ut att ligga på med den slutliga lösningen.

18 BILAGA 3. Sid 3(3) Figur 6 Automatisk centrering vid montering som synes på skärmens högra sida. Figur 7 Automatisk centrering vid montering som synes på skärmens vänstra sida. Figur 8 Det fria utrymmet för EMCpackningarnas fästnitar vid skärmens högra sida. Figur 9 Det fria utrymmet för EMCpackningarnas fästnitar vid skärmens övre kant.