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. Figur 7.1.5 Gränssnittsmatris Teckenförklaring: M Mekanisk E Elektronik K Kemi L Logik T Termisk Ma Magnetisk 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: och beror på materialvalet, på detaljens komplexitet, på detaljens tjocklek på toleranser eller ytjämnhet. 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. Valsning av cylinderhöljet (SMW) b. Utskärning av öppningen i sidan av cylindern (MM) c. Valsning av plåten inuti höljet (SMW) d. Borrning av hål för fästning av axel (MM) e. Hopsvetsning av cylinderhöljet f. Fastsvetsning av plåten inuti höljet Grupp B4 3
För steg a till d beräknades och och resultaten framgår ur tabell 1 Steg Pc Cmp Cc Cs Cft Rc RcPc a 95 1,5 1,2 2,5 1 4,5 427,5 b 10 1,5 1,4 1 1 2,1 21 c 95 1,5 1,2 2,5 1 4,5 427,5 d 10 1,5 3 1 5 22,5 225 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 beräknades och resultaten framgår ur tabell 2 Steg Pc Cmp Cc Cs Cft Rc RcPc A 100 1,5 3,6 1,2 1 6,48 648 B 10 1,5 3 1 5 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/m 3 ) och bulkdensiteten för sten (1.6 ton/m 3 ). m cylinder 89. 36kg m stång 61. 6kg m sten 100 kg m tot 250 kg Denna totalvikt räknades om till en axialkraft som tas upp av Lager A: F ax 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 med Y=1.7 (från lagerdata) F ax P 1.7 2465 4190 N Livslängden för Lager A blir: L, A p C 10 med C=572kN (från lagerdata) och p=10/3 (rullager) P L 10 572 3 7 10, A 1.3 10 4.19 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