Пример использования общей методики проектирования

Описание

Пример использования общей методики проектирования

Постановка задачи на проектирование

Перед технической службой предприятия была поставлена задача, подготовить производство для изготовления новых, сложных жгутов, содержащих от 300 до 500 проводов. При этом необходимо было осуществлять их сборку на свободных площадях предприятия, имеющих строго ограниченные размеры, прежде всего по ширине. Жгуты, содержащие такое количество проводов, можно было собирать только на конвейере. Таким образом, была предварительно сформулирована цель проектирования, определяющая необходимость создания сборочного конвейера, на котором можно осуществлять сборку различных типов сложных жгутов. Проведение структурно-функционального анализа известных, на данном этапе проектирования, конструкций сборочных конвейеров позволило определить, что для выполнения своего функционального назначения они создаются на базе горизонтально замкнутого цепного транспортера с электромеханическим приводом, перемещающим каретки с закрепленными на них сменными сборочными планшетами (см. Рис. 1).

На основании проведенного структурно-функционального анализа был сформирован основной принцип задачи на проектирование, который содержал требование о необходимости спроектировать сборочный конвейер, позволяющий расположить на его прямой и обратных ветвях, рабочие места сборщиков, при этом его ширина не должна превышать 1,5 м, а себестоимость изготовления для предприятия должна быть не более 750 тыс. руб. На основании проведенного структурно-функционального анализа было также выявлено противоречие, мешающее решению задачи на проектирование, которое заключалось в том, что традиционная конструктивная схема конвейера, не позволяет расположить его на свободных производственных площадях предприятия из-за большой ширины.

Оценка результатов выполнения этапа показала следующее:

• задача на проектирование соответствует цели,
• технические решения аналогичных задач на проектирование в ранее создаваемых ТО отсутствуют,
• задача на проектирование не содержит требований, способных оказывать вредное влияние на окружающую среду.

Выбор критериев оценки создаваемого ТО

Выбор основных критериев оценки (технических и экономических), которые в дальнейшем будут являться основными параметрами ТО, вытекает из требований основного принципа  задачи на проектирование, это:

• обеспечение наличия рабочих мест на обоих ветвях конвейера,
• ширина конвейера должна быть не более 1,5 м.
• себестоимость изготовления конвейера для предприятия должна быть не более 750 тыс. руб.

Прочие критерии для оценки конструкции сборочного конвейера были сформулированы в следующем виде:

• перемещение кареток конвейера со сборочными планшетами, как поступательное по прямой и обратной ветвям, так и при перемещении их с одной ветви на другую, не должны создавать предпосылок для получения рабочим травм.
• расположение сборочных планшетов на конвейере и скорость их перемещения должны обеспечивать создание комфортных условий для работы сборщиков,
• крепление сборочных планшетов на каретках  должно быть быстросъемным
• размеры кареток должны обеспечивать установку сборочных планшетов для большой номенклатуры собираемых жгутов.
• уровень технологичности сборочного конвейера должен позволять осуществить его изготовление с использованием технологических возможностей (имеющегося технологического оборудования) предприятия.

Оценка результатов выполнения этапа показала, что выбранные критерии измеряемы, сопоставимы и постоянны.

Поиск технической информации и выбор прототипа

При проведении патентного поиска были выявлены следующие патентные документы, содержащие описание конструкции сборочных конвейеров:

• патент US 2001008202 кл. по МПК B65G 35\06, опуб. 19.07.2001г.
• патент EP 1117106 кл. по МПК H05K 13\06, опуб. 18.07.2001г.
• патент JP 6302234 кл. по МПК B65G 17\06, опуб. 28.10.1994г.

В патенте US 2001008202 (см. Рис 2) предлагается конструкция конвейера, в которой на общей раме установлены тележки со сборочными планшетами, угол наклона которых может регулироваться. При этом для продольного перемещения тележек по раме они снабжены четырьмя колесами, контактирующими с продольными направляющими рамы, передними и задними зацепами, а также участками цепей, жестко закрепленными на боковой плоскости тележки со стороны оси конвейера. На обоих концах конвейера расположены механизмы, выполняющие функции привода перемещения тележек и механизма переноса их с одной ветви конвейера на другую. Конструкция, описанная в патенте, имеет тот же существенный недостаток, что и конструкция, показанная на Рис 1, заключающейся в том, что ширина конвейера для сборки больших, сложных жгутов может быть намного больше, чем 1,5 м., так, как она определяется длиной сборочного планшета (длина планшета может быть более 4 м.)

В патенте JP 6302234 (см. Рис 3) предлагается конструкция конвейера для сборки жгутов, в котором сборочные планшеты размещены на вертикально замкнутом транспортере и содержат регулируемые в двух координатах вилки и штыри для раскладки проводов, входящих в жгут и колодкодержатели. Такая конструкция конвейера позволяет сократить его ширину до размера менее 1,5 м, в зависимости от размеров собираемого жгута, но сборка больших сложных жгутов на конвейере не возможна. Причиной этого является то, что способ расположения, крепления и регулировки  базовых элементов (вилок, штырей, колодкодержателей) для сборки жгута не позволят их разместить и закрепить предлагаемом в патенте способом при сложной конструкции собираемого изделия.

В патенте EP 1117106 (см. Рис 4) предлагается конструкция конвейера, схема которого аналогична описанной в предыдущем патенте, с той лишь разницей, что тележки имеют индивидуальный привод. Естественно, что данная конструкция конвейера обладает тем же недостатком, что и рассмотренный ранее конвейер.

Проведенный патентный поиск показал, что предлагаемые в выявленных патентах конструкции сборочных конвейеров не позволяют решить задачу на проектирование, основным требованием которой является создание сборочного конвейера шириной  не более 1,5 м. Однако в качестве прототипа в данной ситуации был принят патент US 2001008202 кл. по МПК B65G 35\06, опуб. 19.07.2001г., поскольку, хотя, он и не позволял решить задачу на проектирование, но обладал существенным признаком, который было целесообразно использовать при проведении инженерного анализа и поиске технического решения. Этот признак заключался в том, что предложенная в патенте конструкция конвейера позволяла исключить в качестве привода перемещения тележек со сборочными планшетами горизонтально замкнутый транспортер, являющийся основным элементом противоречия, мешающего решению задачи на проектирование. При этом на обоих концах конвейер был оснащен механизмами переноса кареток с прямой ветви на обратную, которые одновременно осуществляли продольное перемещение кареток методом переталкивания вдоль обоих ветвей.

Оценка результатов проведения этапа показала наличие необходимого объема информации для проведения инженерного анализа.

Инженерный анализ исходных данных и уточнение задачи на проектирование

В качестве инструмента для проведения инженерного анализа был использован структурно – функциональный анализ конструкции сборочного конвейера предложенного в прототипе. Для выполнения своего функционального назначения конвейер содержал: раму, на которой располагались тележки со сборочными планшетами и два механизма, осуществляющие привод продольного перемещения сборочных планшетов и перенос планшетов с прямой ветви конвейера, на обратную. В результате проведенного анализа было сформировано уточнение основного принципа задачи на проектирование, которое заключалось в том, что для создания конструкции сборочного конвейера, ширина которого будет не более 1,5 м., необходимо изменить конструкцию механизма переноса, поскольку при схеме переноса тележки со сборочным планшетом принятой в прототипе, его ширину определяла длина сборочного планшета. На данном этапе в качестве привода создаваемого полуавтомата был выбран пневмопривод, поскольку наиболее эффективно и просто позволял выполнить следующие требования, предъявляемые к нему спецификой выполняемой операции:

• усилие необходимое для поступательного перемещения кареток, требовалось в пределах 1200 – 2500 Н,
• скорость перемещения сборочных планшетов невелика (перемещение конвейера на шаг  должно осуществляться на время равное 2,5 – 5,0 с, в зависимости от длины планшета)
• цикл работы конвейера представлял собою движение с остановками,
• исполнительные механизмы конвейера находятся на значительном расстоянии друг от друга,
• каждый исполнительный орган должен иметь два положения, исходное в начале перемещения каретки и конечное в конце перемещения каретки.

Оценка результатов выполнения этапа показала наличие достаточного объема исходной информации для проведения поиска технического решения задачи на проектирование.

Поиск технического решения задачи на проектирование

При поиске технического решения, в данной ситуации, разработчику, вряд ли, могли в полной мере помочь выявленные патентные документы, а также знания различных типов конвейеров, с конструкцией которых можно было познакомиться в специальной литературе. Не давало желаемого результата и умение логически анализировать различные варианты конструкций выявляя их слабые и сильные стороны. Необходимо было искать принципиально новое конструктивное решение способа переноса кареток конвейера с прямой ветви на обратную, полностью абстрагируясь от известных технических решений. Для поиска технического решения, позволяющего исключить противоречие, мешающее решению задачи на проектирование разработчик в качестве инструмента, позволяющего направить  мыслительный процесс в более целенаправленное русло использовал эвристический прием функциональной аналоги, заключающийся в переносе объекта в другую область для выполнения аналогичных функций. В данном случае для осуществления такого приема при поиске решения задачи разработчику было необходимо иметь развитое абстрактное мышление и пространственное воображение. Рассуждал он следующим образом. Сборочный планшет это большая доска, а как, например, на воде серфингист, потеряв равновесие, переворачивается вместе с доской. Это движение можно сравнить с вращением доски относительно мнимой продольной оси. А теперь проведем аналогию доски серфингиста и сборочного планшета, ведь здесь много общего и тогда вырисовывается простое техническое решение задачи, которое состоит в следующем. Для обеспечения ширины конвейера не более 1,5 м. он на обоих концах оснащается механизмами переноса кареток из прямой ветви в обратную и наоборот, выполненными в виде механизма вращения кареток со сборочными планшетами вокруг их продольной (горизонтальной) оси. При этом поступательное перемещение кареток осуществляется известным методом переталкивания, получая индивидуальный привод от двух пневмоцилиндров, расположенных на прямой и обратной ветвях конвейера. Однако найденное техническое решение, определяющее кинематику и конструктивную схему механизмов обеспечивающих перенос кареток со сборочными планшетами с прямой ветви на обратную и поступательное перемещения кареток после переноса не решало вопрос зажима и фиксации кареток во время их переноса, а конструкция механизма зажима должна была помимо обеспечения гарантированного зажима каретки и удержания ее в процессе переноса, что можно считать целью проектирования, отвечать еще ряду требований. Поэтому в качестве основного принципа задачи на проектирование было сформулировано требование о том, что механизм зажима должен поворачиваться вместе с ведомым звеном механизма переноса на угол до 150⁰, а форма выходного звена должна была обеспечивать центрирование при зажиме кареток находящихся, как на прямой ветви конвейера, так и на обратной.  При этом, основным противоречием мешающим  решению поставленной задачи на проектирование механизма зажима являлась конструкция каретки, которая традиционно представляла собой прямоугольную сварную раму и не имела элементов для ее фиксации и зажима на выходном  звене механизма переноса. Для поиска технического решения задачи на проектирование механизма зажима кареток разработчик использовал:

• для исключения основного противоречия прием универсальности, который заключался в том, что каретке помимо функции базирования и крепления сборочного планшета придавалась дополнительная функция – центрирование и фиксация относительно выходного элемента механизма переноса, для чего каретка снабжалась двумя вилкообразными кронштейнами состоящими из стойки вилки с пазом и заплечиков (см. Рис 6),
• для обеспечения цели проектирования  (гарантированного зажима каретки и удержания ее в процессе переноса) в качестве ведущего звена механизма был приенен самотормозящийся клиновой механизм, для чего была использована информация из технической литературы, описывающей конструкции механизмов зажима,
•  для выполнения второй части основного принципа задачи на проектирование (обеспечения формы выходного звена механизма переноса позволяющего осуществить центрирование при зажиме кареток находящихся, как на прямой ветви конвейера, так и на обратной) выходное звено было выполнено в виде цилиндрической трубы, для чего был проведен анализ геометрических форм различных поверхностей,  которые обеспечивают одинаковое центрирование независимо от их углового положения,
• для выполнения первой части основного принципа задачи на проектирование (обеспечение возможности поворота механизма зажима вместе с ведомым звеном механизма переноса) механизм зажима был выполнен клино – рычажного типа с приводом ведущего клинового элемента от пневмоцилиндра, который был  расположены внутри барабана соосно с его продольной осью.

После того как техническое решение задачи было найдено, разработчик формализовал его в виде эскизных чертежей конструктивных схем механизма переноса кареток, механизма продольного перемещения кареток и общей компоновки конвейера.

При проведении оценки результатов выполнения этапа было выявлено следующее:

• найденное решение соответствует задаче на проектирование,
• найденное решение достаточно просто позволяет устранить противоречие и поэтому может считаться оптимальным,
• данное техническое решение может быть реализовано с применением традиционных технологических методов изготовления деталей и сборки узла.

Моделирование

Первым этапом моделирования, как говорилось ранее, является абстрактная модель технического решения, которая возникает у разработчика еще на этапе поиска технического решения она была создана на предыдущем этапе. На втором этапе – теоретическом  моделировании были выполнены следующие предварительные  расчеты:

• расчет потребного усилия пневмоцилиндра для продольного перемещения кареток со сборочными планшетами по направляющим,
•  расчет потребного усилия пневмоповоротника привода механизма переноса кареток со сборочными планшетами,
• кинематический расчет механизма переноса,
• прочностной расчет зубчатой передачи привода механизма переноса,
• кинематический, силовой и прочностной расчеты механизма зажима кронштейнов кареток при их фиксации в момент переноса на поворотном барабане, а также прочностной расчет кронштейнов кареток,

Проведенные расчеты позволили уже более конкретно определить конструктивные параметры, создаваемого конвейера и получить определенную уверенность в его работоспособности, так необходимую разработчику перед началом непосредственной разработки конструкторской документации. Третий этап моделирования, – изготовление и испытание натурной модели, не выполнялся так, как оставшаяся неясной информация, связанная непосредственно со сборкой и монтажом достаточно габаритной конструкции конвейера могла быть получена только при изготовлении опытного образца, а остальная информация для проектирования узлов и механизмов конвейера в проверке методом макетирования не нуждалась.

Оценка результатов выполнения этапа показала наличие достаточного объема информации для разработки КД.

Разработка конструкторской документации

Учитывая, что конвейер предназначался для внутризаводского использования, техническое задание на его проектирование было разработано в упрощенной форме и утверждено главным инженером предприятия. После разработки эскизных чертежей, общей компоновки конвейера и конструктивных схем его основных механизмов, на этапе поиска технического решения задачи на проектирование, было решено, что в связи с невысоким уровнем сложности, создаваемого ТО, а также с целью сокращения сроков проектирования, целесообразно сразу приступить к разработке  рабочей документации. В качестве основной исходной информации для разработки рабочих чертежей узлов и механизмов сборочного конвейера были использованы:

• техническое задание на проектирование сборочного конвейера
• эскизные чертежи, выполненные при поиске технического решения,
•  расчеты, выполненные на стадии теоретического моделирования.

Для определения размеров кареток, обеспечивающих возможность сборки на конвейере всех типов новых жгутов, была проведена работа по унификации сборочных планшетов, в результате проведения которой были определены два их типоразмера 2400 – 1000 мм. и 4000 – 1200. Конструкция конвейера для сборки жгутов проводов показана на Рис 5, 6.

Конвейер состоит из множества планшетов 1, расположенных на каретках 3 и станины 2, образованной множеством связанных между собой сварных рам. На краях станины закреплены тумбы 4. На тумбе 4 от продольной оси справа и слева смонтированы опорные направляющие 5, а на станине ориентирующие направляющие 6, образующие две сборочные технологические ветви. Опорная направляющая 5 имеет возможность регулировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях посредствам стойки 7. Ориентирующая направляющая 6 регулируется в горизонтальном направлении посредствам винта 8 , устанавливая угол наклона каретки 3. С внутренней стороны каретки 3 посредине установлено по два обрезиненных колеса 9, а вверху и внизу по четыре упорных колеса 10, а также по четыре ролика 11 для взаимодействия с механизмом переталкивания кареток  (на Рис не показан) по направляющим 5 и 6. В начале и в конце конвейера на тумбах 4 установлены механизмы переноса 12 (поворота вокруг оси) кареток 3 со сборочными планшетами 1 с прямой ветви на обратную, при этом, каретки 3 снабжены вилкообразными кронштейнами 13 взаимодействующими с механизмами переноса 12. Кронштейны 13 состоят из стойки 14, вилки 15, с пазом 16 и заплечиками 17. Механизм переноса планшетов12  состоит из сборного барабана 18, включающего три жестко связанные между собой части центральную 19 и две крайние 20, который на цапфах 21 установлен в подшипниках скольжения 22, смонтированных в корпусах 23,  закрепленных на раме 24. Крайние части 20 барабана 18 снабжены шпонками 46, контактирующими с пазами 16 кронштейнов 13.

На концах 25 цапф 21 закреплены зубчатые колеса 26, находящиеся в зацеплении с шестернями 27 закрепленными на  выходных валах пневмоповоротников 28. Внутри барабана 18 смонтированы пневмоцилиндры 29, штоки которых соединены с клиньями 31, клинового механизма и имеют скосы 32 контактирующие с роликами 33 толкателей 34, размещенных в направляющих втулках 35, жестко закрепленных в крайних частях 20 барабанов 18. Другой ролик 36, установленный на противоположном конце толкателя 34 контактирует с рычагом 37, шарнирно установленном на оси 38 смонтированной на крайних частях 20 барабана 18. Зацепы 39 рычагов 37 контактируют с заплечиками 17 вилки 15. Паз 16 вилки 15 контактирует со шпонкой 46, жестко установленной на барабане 18.

Работа конвейера осуществляется следующим образом. После выполнения сборочной операции, каждый из рабочих сборщиков на своем месте нажимает на педаль или кнопку, сигнал от которой поступает в шкаф управления, суммирующий все сигналы. После поступления последнего сигнала, подается команда на включение пневмоцилиндров 29 и их штоки 30, перемещая клинья 31, приводят в движение толкатели 34, которые через ролики 33 и 36 осуществляют поворот рычагов 37. Последние, поворачиваясь на осях 38, зацепами 39 прижимают через заплечики 17 вилки 15 к наружной поверхности барабана 18. Далее подается команда на включение пневмоповоротников 28, которые, осуществляя вращение шестерни 27 и зубчатого колеса 26, поворачивают барабан 18 вместе с кареткой 3 и сборочным планшетом 1, перенося его с прямой ветви конвейера на обратную и наоборот. Далее поступает команда на возврат в исходное положение штоков 30 пневмоцилиндров 29 с клиньями 31, что приводит разжиму рычагов 37 и освобождению кронштейнов 13 сборочных планшетов 1. После чего подается команда на продольное перемещение кареток с планшетами механизмом переталкивания (на Рис 6 не показан) и возврат в исходное положение механизмов переноса. На этом цикл перемещения сборочных планшетов заканчивается и после прекращения продольного перемещения кареток со сборочными планшетами сборщики приступают к выполнению своих операций по изготовлению жгута проводов. Общий вид сборочного конвейера показан на Рис 7

На этапе разработки РП также был проведен анализ конструкции механизмов конвейера с точки зрения удобства сборки, разборки и регулировки, с технологической службой была проведена отработка на технологичность конструкции механизмов конвейера и входящих в них наиболее ответственных и сложных деталей. При отработке конструкции механизмов конвейера на технологичность, которая выполнялась  в соответствии с методикой изложенной в разделе 4, были составлены, рассчитаны и проанализированы следующие размерные цепи:

• размерная цепь, определяющая величину несоосности шпонок барабанов механизма переноса кареток,
• размерная цепь, определяющая качественные показатели  в зубчатых передачах механизма переноса кареток,

Анализ результатов расчета указанных размерных цепей показал, что при экономически обоснованных требованиях по точности к деталям механизмов конвейера:

• несоосность шпонок барабанов должна компенсироваться зазором в ее соединении в ответным пазом в вилке кронштейна,
• качественные показатели в зубчатых передачах могут быть обеспечены,

Также при выполнении рабочего проекта были разработаны руководство по эксплуатации и программа и методика испытаний сборочного конвейера. При проектировании конвейера, помимо реализации требований задачи на проектирование, особое внимание при разработке КД уделялось разработчиком решению следующих технических вопросов, которые существенным образом определяли работоспособность создаваемой конструкции конвейера:

• поиск формы направляющих, по которым поступательно перемещаются каретки со сборочными планшетами и способ регулировки их взаимного расположения,
• создание модульной конструкции рамы конвейера и способ стыковки и регулировки взаимного расположения модулей,
• реализация конструкции механизма переноса кареток, обеспечивающего их надежное базирование и зажим, а также плавное, безударное перемещение (поворот) с прямой ветви конвейера на обратную,
• реализация конструкции механизма переталкивания кареток, позволяющий использовать в качестве привода стандартный покупной пневмоцилиндр с величиной хода штока меньше длины каретки со сборочным планшетом,

При проведении оценки выполнения этапа было выявлено, что:

• разработанная КД соответствует ТЗ,
• технический уровень разработанной конструкции конвейера удовлетворительный

Созданная конструкция конвейера была защищена патентом РФ № 2 399 107 МПК Н01В 13/012.

 Авторский надзор за изготовлением, сборкой, наладкой и испытаниями опытного образца конвейера

При изготовлении деталей конвейера основную сложность вызвала механическая обработка составных частей сборного барабана, механизма переноса кареток. При этом проводилась отработка технологического процесса механической обработки с точки зрения выбора технологических баз. При сборке конвейера основные проблемы были связаны с регулировкой направляющих, по которым поступательно перемещались каретки в прямом и обратном направлениях. Для обеспечения их прямолинейности и исключения стыков направляющие регулировались с помощью регулируемых опор по «струне». При регулировке положения центральной шпонки 46 механизма переноса кареток, крепежные отверстия в центральной части барабана 19 для соединения его с крайними частями барабана 20 были выполнены (доработаны) в виде пазов, что дало возможность получить угловую регулировки составных частей барабана.

Для обеспечения равномерности зажима кронштейнов 13 кареток перед их поворотом в ведущие плечи рычагов 37 вместо бонок были установлены регулировочные упорные винты 47, положение которых фиксировалось гайками 48 (см. Рис 8). Для регулировки положения кронштейнов 13 на каретках (длина кареток составляла 2400 мм и 4000мм) относительно шпонок 46,  расположенных на барабане 18 механизма переноса, они были разделены на две части (передний кронштейн и задний кронштейн). Регулировалось также положение на каретках обрезиненных колес 9 и 10 и роликов 11, взаимодействующих с механизмом переталкивания кареток. При испытаниях сборочного конвейера в автоматическом режиме регулировались скорости поступательного перемещения и переноса (поворота) кареток с одной ветви на другую  для получения максимальновозможной производительности и обеспечения удобства работы сборщиков.

Авторский надзор за изготовлением, сборкой, наладкой и испытаниями сборочного конвейера показал следующее:

• все требования ТЗ на конвейер, заложенные в его конструкции выполнены,
• незначительные конструкторские ошибки, выявленные при изготовлении, сборке и наладке конвейера  устранены,
• сборка узлов и механизмов  обеспечена методом полной взаимозаменяемости, регулировки и подгонки,
• сбоев в работе конвейера, после устранения причин выявленных отказов, как в наладочном, так и в автоматическом режимах при его испытаниях выявлено не было,
• необходимый доступ к узлам и механизмам конвейера при их сборке, разборке и регулировке обеспечен, конструкция конвейера отвечает требованиям ТБ.

Статья написана на основании соответствующего раздела учебно – методического пособия автора «Основы проектирования, часть 1 «Общая методика проектирования». Азов 2011г.