- Akademin för Innovation, Design och Teknik Robotiserad tillverkning av prefabricerade väggelement Examensarbete Avancerad nivå, 30 hp Produkt- och processutveckling Manne Hellsing Fredrik Almers Rapport nr: 1.0 Handledare, Robotdalen: Ingemar Reyier Handledare, Mälardalens högskola: Bengt Erik Gustafsson Examinator: Sten Grahn
78
Embed
Robotiserad tillverkning av prefabricerade väggelement859746/...Akademin för Innovation, Design och Teknik Robotiserad tillverkning av prefabricerade väggelement Examensarbete Avancerad
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
-
Akademin för Innovation, Design och Teknik
Robotiserad tillverkning av prefabricerade väggelement
Examensarbete
Avancerad nivå, 30 hp
Produkt- och processutveckling
Manne Hellsing
Fredrik Almers Rapport nr: 1.0
Handledare, Robotdalen: Ingemar Reyier
Handledare, Mälardalens högskola: Bengt Erik Gustafsson
Examinator: Sten Grahn
2 (78)
ABSTRACT
This report includes a thesis carried out by Fredrik Almers and Manne Hellsing, students at
Mälardalen University in the engineering program, Innovation and product design. The
assignment has been carried out in behalf of Robotdalen (Västerås, Sweden) in the period
2015-01-20 – 2015-06-11. The assignment was to explore possibilities of manufacturing
prefabricated wall elements using industrial robots. The task also included to determine which
robot tools that was needed and also designing one of them. The purpose of the assignment was
to develop the first robot tool required for the manufacturing and to investigate whether the
production time can be reduced by 70 percent compared to manual work.
To be able to address the problem in a scientific way, the project was split into three phases.
The first concerning information gathering, the second concept development and the third the
design of the tool.
The data collection included analyzing literature, previous work that had been done in the
project and conducting study visits. At this stage it was also revealed which tools were
necessary and which one of these that would be designed. It takes six different tools to
manufacture a wall element and the one that were designed was a multifunctional beam
assembly tool. A function analysis and a requirements specification were also established in
this phase. They were used as a basis for further work.
The goal of the concept generation phase was to develop a final concept where the basic
features of the tool was presented. The problem was divided into two parts and each part
solution was developed and evaluated individually. Through discussions and the use of
appropriate product development tools a final concept could be established. The functions of
the final concept was to grab hold of the wooden beam, compress it with another beam and
then nail them together. To solve this, existing components as grippers, pneumatic cylinders
and linear units were used.
The goal of the design phase was to go from a fundamental principle concept to a fully finished
and fully specified design. To achieve this CAD were used to calculate the components
strength and how they would work together. Trough contact and advice collected from the
suppliers the various components were selected. The designing of the tool has been based on
the requirement specifications and the function analysis.
The result of this project is a robotic tool that manages to nail together two wooden beams with
two nails in under five seconds. It does not require any help to accomplish this task and can
handle several different beam dimensions. The tool is designed with a frame of aluminum
profiles, whereupon the necessary components for the task are installed. Thus it is easy to
maintain and change the design of the tool if needed. With the help of this tool, the production
time for a wall element is reduced up to 90 percent, according to simulations in the CAD
environment compared to manual work.
3 (78)
SAMMANFATTNING
Denna rapport innefattar ett examensarbete utförts av Fredrik Almers och Manne Hellsing,
studerande på Mälardalens Högskola inom Ingenjörsprogrammet, Innovation och
produktdesign. Arbetet har utförts på uppdrag av Robotdalen (Västerås, Sverige) under
perioden 2015-01-20 – 2015-06-11. Uppdraget bestod av att undersöka möjligheterna för att
tillverka prefabricerade väggelement med hjälp av industrirobotar. I uppgiften ingick att ta reda
på vilka robotverktyg som behövdes, dessutom skulle ett av dessa robotverktyg konstrueras.
Syftet med arbetet har varit att utveckla det första robotverktyget som behövs i tillverkningen
samt att undersöka om produktionstiden kan minskas med 70 procent genom denna förändring
jämfört med manuellt arbete.
För att kunna ta sig an problemet på ett vetenskapligt sätt delades projektet in i tre faser, där
den första handlade om informationsinsamling, den andra om konceptframtagning och den
tredje om konstruktion.
I informationsinsamlingen analyserades litteratur, tidigare arbete som utförts i projektet samt
studiebesök genomfördes. I detta skede framkom också vilka verktyg som var nödvändiga samt
vilket av dessa som skulle konstrueras. Det behövs sex olika verktyg för att tillverka ett
väggelement och det som konstruerats är ett multifunktionellt balkmonteringsverktyg. En
funktionsanalys och en kravspecifikation upprättades också i denna fas. De användes som
grund för det fortsatta arbetet.
Målet med konceptgenereringsfasen var att ta fram ett slutgiltigt koncept där de grundläggande
funktionerna för verktyget presenterades. Problemet delades upp i två delar och lösningar på
respektive del togs fram och utvärderades individuellt. Genom diskussioner och lämpliga
produktutvecklingsverktyg togs ett kombinerat slutkoncept fram. Slutkonceptets funktioner var
att greppa tag i en träbalk, pressa ihop den med en annan balk och sedan spika ihop dem. För
att lösa detta skulle befintliga komponenter som gripdon, pneumatikcylindrar och linjärenheter
användas.
Konstruktionsfasens mål var att gå från ett grundläggande och principiellt koncept till en helt
färdig och fullt specificerad konstruktion. För att uppnå detta användes CAD för att beräkna
komponenternas hållfasthet och hur de skulle fungera tillsammans. Genom kontakt och
rådgivning med leverantörer valdes de olika komponenter som behövdes. Konstruktionsarbetet
har hela tiden utgått från kravspecifikationen och funktionsanalysen.
Resultatet av detta projekt är en prototyp som i teorin klarar av att spika ihop två träbalkar med
två spikar på under fem sekunder. Det behöver ingen hjälp utifrån för att utföra denna uppgift
och klarar av att hantera flera olika dimensioner på balkar. Verktyget är konstruerat med en
ram av aluminiumprofiler varpå nödvändiga komponenter monterats. Därmed är det enkelt att
underhålla och förändra verktyget om det skulle behövas. Med hjälp av detta verktyg kan
produktionstiden för ett väggelement minskas med upp till 90 procent enligt simuleringar i
CAD-miljö jämfört med manuellt arbete.
4 (78)
FÖRORD
Vi skulle vilja tacka våra handlare i Robotdalen Ingemar Reyier (Teknik- och
applikationsansvarig) och Bengt Erik Gustafsson (Program Coordinator BSc) vid Mälardalens
högskola för all vägledning och stöd under projektet.
Även ett stort tack till Mattias Henriksson (Delägare Grönbo AB) och Anders
Eriksson(Delägare Grönbo AB) för att ta sig tid att dela med sig av deras information och
4.5 PROTOTYP ............................................................................................................................................... 41
6.2.4 Ekonomi ......................................................................................................................................... 50
7 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ..................................................................................... 51
SKISSER PÅ KONCEPT ........................................................................................................................................... 63
BILDER PÅ KONCEPT ............................................................................................................................................ 65
BILDER PÅ SLUTKONCEPT .................................................................................................................................... 69
DATABLAD FÖR GRIPDON .................................................................................................................................... 70
DATABLAD FÖR SKENSTYRNING .......................................................................................................................... 71
DATABLAD FÖR PNEUMATIKCYLINDER ................................................................................................................ 72
DATABLAD FÖR LINJÄRENHET ............................................................................................................................. 73
DATABLAD FÖR SPIKPISTOL ................................................................................................................................. 74
BILDER PÅ FÄRDIGT VERKTYG ............................................................................................................................. 75
konkreta och mätbara krav på vad produkten måste klara av. I kravspecifikationen beskrivs inte
hur varje behov skall lösas (Ulrich & Eppinger, 2008, s.72-73).
Det är viktigt att kravspecifikationen har rätt nivå av detaljer, en kravspecifikation med alltför
snäva krav kan vara svår att arbeta med då det begränsar utrymmet för att söka lösningar. På
samma sätt kan en kravspecifikation med alltför breda krav leda till att arbetet stannar då målet
inte är tydligt nog (Österlin, 2010, s.51-52)
3.3.4 Pugh's matris
Pugh's matris är ett verktyg som används för att utvärdera enkla koncept i förhållande till
varandra. Syftet är att snabbt minska antalet koncept och på samma gång förbättra dem. Detta
görs utifrån kriterium som sedan tidigare satts upp. Verktyget kan delas upp i två delar, concept
screening och concept scoring, och metoden emellan dessa skiljer sig åt (Ulrich & Eppinger,
2008, s.130-137).
Concept screening används för att snabbt minska antalet olika koncept och förbättra dem, här
görs en enkel jämförelse mellan de olika koncepten utifrån uppsatta kriterium (Ulrich &
Eppinger, 2008, s.130). Concept screening används däremot för att göra en noggrannare
utvärdering av de tävlande koncepten, här jämförs koncepten utifrån samma kriterium men
med skillnaden att varje kriterium har givits en poäng beroende på hur viktigt det är. Fokus
ligger alltså på en tydligare definition på varje kriterium och jämförelser emellan dem (Ulrich
& Eppinger, 2008, s.134).
3.3.5 Quality Function Deployment (QFD)
QFD är en utvärderingsmetod inom produktutveckling som tar hänsyn till många aspekter av
produkten vilket gör den särskilt effektiv. Verktyget utvärderar produkten utifrån kundbehov,
produktkrav, mätbara mål samt konkurrerande produkter. Tack vare detta mångsidiga
angreppssätt skapas en förståelse för problemet utifrån flera perspektiv. För att genomföra en
QFD förs produktens egenskaper och data in i en matrismodell, som kallas QFD-hus eller
House of Quality (Österlin, 2010, s.70-72). Matrisen fylls i åtta steg efter den modell som
redovisas nedan (Ullman, 2010, s.151-167).
1. Identifiera kunderna. Det finns flera olika sorters kunder, ofta är det inte samma person
som köper produkten som använder den. Alla kunder och användare ska identifieras. 2. Identifiera kundernas krav. Definiera vad produkten ska klara av och uppnå utifrån de
olika kunderna. 3. Bestäm vikten av varje kundkrav. En värdering av varje enskilt krav för att identifiera
hur resurser ska disponeras för att uppnå respektive krav. 4. Utvärdera konkurrenterna. Undersök hur nöjda kunderna är med de produkter som finns
på marknaden idag, utifrån de egna kundkraven. 5. Generera tekniska krav. Ta fram tekniska och mätbara mål för produkten, för att
undersöka hur kundkraven ska uppfyllas rent tekniskt. 6. Identifiera samband mellan kundkrav och tekniska krav. Undersök hur väl de tekniska
kraven svarar mot de identifierade kundkraven genom att värdera om sambandet är
starkt, svagt eller inget alls. 7. Definiera tekniska mål utifrån de tekniska kraven. Definiera ett målvärde för varje
tekniskt krav och bestäm hur viktigt det specifika målet är att uppfylla. 8. Identifiera kopplingar mellan tekniska krav. Undersök vilka tekniska krav som har ett
samband, för att förstå om de motverkar varandra eller bidrar till samma funktion.
3.3.6 Failure Mode and Effects Analysis (FMEA)
Failure Modes and Effects Analysis, eller FMEA, är ett verktyg inom produktutveckling som
används för att identifiera vilka fel som kan uppstå i ett system eller en produkt. Detta är en
21 (78)
viktig del i att skapa en tillförlitlig produkt som håller kvaliteten under hela sin livstid. FMEA
är ett verktyg som fungerar allra bäst när det används med bottom-up metodik, att fokus läggs
på en enskild funktion i taget och dess felsätt analyseras fullt ut. För att utföra en FMEA
används en metod som är uppdelad i fem steg, denna redovisas nedan (Ullman, 2010, s.350-
353).
1. Identifiera de funktioner där fel kan uppstå. 2. Identifiera de mest troliga felsätten. 3. Identifiera effekterna av respektive felsätt. 4. Identifiera varför respektive fel uppstår. 5. Identifiera åtgärder för att rätta till felet.
Resultatet av analysen presenteras oftast i tabellform där utformningen kan variera mellan olika
projekt (Ullman, 2010, s.350).
3.3.7 Design for Maintenance (DFMain)
Design for Maintenance är ett verktyg som används för att garantera att den framtagna
produkten går att underhålla på ett bra sätt och därmed även förlänga livstiden på produkten.
Exempel på åtgärder som en DFMain-analys kan resultera i är att vissa delar konstrueras för att
lätt kunna bytas ut eller att produkten är lätt att demontera och montera (Ullman, 2010, s.357-
358).
Det finns riktlinjer framtagna för att skapa en produkt som är så lätt att underhålla som möjligt,
dessa kan delas upp i tre kategorier; underhåll, tillförlitlighet och standardisering. Riktlinjerna
under varje kategori fokuserar på olika saker. Underhåll handlar om att konstruera produkter
som kan repareras snabbt och enkelt. Tillförlitlighet handlar om att konstruera produkter som
sällan går sönder. Standardisering handlar om att konstruera produkter med komponenter som
är lätta att få tag på (University of Twente, 2013).
3.3.8 Protoyp
En prototyp är en fysisk modell av en produkt som ännu inte är fullt utvecklad. Det som är
viktigt att tänka på när en prototyp tas fram är vad syftet med den är, i vilken fas av processen
den skall användas samt hur den skall byggas (Ullman, 2010, s.117). Prototyper blir allt lättare
att ta fram till låga kostnader tack vare den teknik som kallas rapid prototyping, eller 3D-
utskrift (Ullman, 2010, s.118).
Prototyper delas in i fyra olika typer; proof-of-concept, proof-of-product, proof-of-process,
proof-of-production. Syftet med att bygga dessa olika prototyper skiljer sig från varandra, från
att visa hur produkten skulle fungera på en konceptuell nivå till att testa hela slutproduktionen
precis innan lansering (Ullman, 2010, s.117-118).
22 (78)
4 GENOMFÖRANDE
De tre faser som projektet har delats in i redovisas i detta avsnitt.
4.1 Fas 1 - Informationsinsamling
Informationsinsamlingen har bestått av följande delar:
Planering
Litteraturstudie Analys av förstudie Studiebesök Kravspecifikation Funktionsanalys
Informationen som samlats in med hjälp av dessa aktiviteter har besvarat delfråga-1 samt gett
en första inblick i svaret på projektets huvudfråga och detta finns beskrivet nedan.
4.1.1 Planering – Gantt-schema
Planeringen för projektet gjordes med hjälp av ett Gantt-schema, detta schema användes för att
planera och följa upp varje process i projektet. Tidslinjen i schemat byggdes upp av dagar,
veckor och månader. Syftet med detta var att kunna skapa en detaljerad planering.
Aktiviteterna delades upp utifrån de olika faserna i projektet och varje aktivitet fick två
tidslinjer vardera, en för planerad utförandetid och en för det verkliga utfallet. Med hjälp av
detta schema var det lätt att se om projektet fortlöpte enligt planen. Gantt-schemat i sin helhet
finns i Bilaga 1.
4.1.2 Litteraturstudie
Fördelar/nackdelar med robotisering inom byggbranschen
Byggbranschen ligger efter andra industrier i användandet och utvecklingen av automation
samt robotik i sin industri. Detta fortsätter trots sina oönskade effekter på industrin. Företag
som ligger i ständig konkurrens med andra företag och som har små vinstmarginaler får helt
enkelt inte råd att satsa på forskning och utveckling eller investera i robotik och automation.
Enligt många studier har byggbranschen visat sig ovillig att tillämpa robotar samt automation i
större utsträckning. Nivåerna av teknik som används inom byggbranschen är lägre än andra
branscher och de låga satsningarna på forskning och utveckling har resulterat i onödigt höga
byggkostnader. Studier visar att fördelarna med automatisering och robotik är ökad
produktivitet, minskat behov av arbetskraft och mindre miljöpåverkan. Tillämpningen av
automation och robotik kan även sporra marknadstillväxt genom att skapa nya eller förbättra
produkter och samtidigt minska kostnaderna. Dessutom har byggbranschen lidit av en dålig
image av att ungdomar och nykomlingar inte vill jobba i en bransch som har ett rykte av tungt
arbete och långa timmar i en farlig miljö. Automatisering av robotar skulle underlätta att lösa
detta problem genom att skapa enklare, säkrare och mer attraktiva byggarbeten. (Hyojoo, S. et.
al, 2009).
Det största hindret för robotisering i byggbranschen är variationen i processerna och de mycket
varierande arbetsplatserna. Med detta i åtanke så bör användningen av robotar i bygg bli mer
anpassningsbar och komma längre ifrån de vanliga fasta och repeterande användandet. Ett
annat problem kan även vara robotars begränsade lyftkraft. Jämfört med andra industrier jobbar
ofta byggindustrin med tunga laster och komponenter. Detta ställer krav på robotar att lyfta
tungt och samtidigt ha precision. Relationen mellan last och precision är en relaterande faktor.
Ökandet av laster leder till minskad precision i änden på robotens arm. Trots att robotar faller
något utanför den klassiska ramen för automation så finns det många fördelar med en
23 (78)
implementering. Jämfört med andra sätt att automatisera så ger robotar flexibilitet, detta tack
vare robotars möjlighet att byta mellan olika typer av uppgifter och verktygssystem.
Omprogrammeringen av robotar skapar även en möjlighet till att byta aktiviteter som skall
utföras. Ett robotbaserat system är mer avancerat än klassiska automationssystem. Det faktum
att en robot är ett dynamiskt system gör det svårare att övervaka och kontrollera. Även
programmeringen av robotsystem är ett komplicerat jobb. Dessa nackdelar kan även ses från en
positiv synvinkel då de kan utföra mer avancerade uppgifter och bearbetningar än andra
klassiska system. Ett sätt att se denna fördel på är att visa hur många funktioner ett robotsystem
kan utföra, samma antal funktioner skulle kräva ett stort antal maskiner. (Santiago, M. et. al,
2008)
Sammanfattningsvis visas en tydlig trend av hur byggbranschen hamnar efter andra branscher i
robotik samt automatisering. Detta kan även ses i en studie av Dr. Paul Teicholz som skriver
om hur byggbranschers produktivitet sakta sjunkit under de senaste femtio åren. Han nämner
även de positiva effekterna som fås genom användningen av prefabricerade moduler och hur
byggprocessen kommer behöva anpassa sig efter detta sätt att bygga. I hans mening är detta det
bästa löftet för en positiv förändring i byggbranschens framtid (Teicholz, 2013).
Effekter av liknande förändringar
I denna del görs jämförelser med andra projekt där det undersökts vilka effekter en övergång
från manuell produktion till automatiserad/robotiserad produktion har på effektiviteten och
kvaliteten.
Tillverkningen av elektriska maskiner, generatorer och elmotorer, innehåller idag en process
som i många fall utförs manuellt. Problemet med denna process är att den kräver stor
flexibilitet och är därför svår att automatisera i en klassiskt stel automation, en robotcell
erbjuder dock ökad flexibilitet. Fördelarna med en robotcell i detta specifika fall var dels att det
förenklade arbetet avsevärt för montören och gav stora ekonomiska fördelar. Cykeltiden för att
producera den utvalda komponenten minskade från 20 timmar till 3,5 minuter och den årliga
kostnaden för produktionen minskade från ca 1,8 miljoner Euro till ca 0,2 miljoner Euro. Detta
skulle medföra att den investering som robotcellen innebär hade betalat av sig efter två
månader (Hultman & Leijon, 2013).
På ett generellt plan för robotanvändning överhuvudtaget går det att se kopplingar mellan hur
mycket robotar som används i ett land och den ekonomiska tillväxten i landet. Samtidigt syns
hur den totala produktiviteten ökar när mer robotar sätts i bruk, detta gör även att den totala
lönekostnaden i förhållande till produktiviteten minskar. Det går alltså att producera mer med
färre montörer om industrirobotar används (Graetz & Michaels, 2015).
Användningen av robotar inom montering och tillverkning ökar inom många olika branscher.
Nya lösningar kommer fram med jämna mellanrum och stora satsningar genomförs för att öka
användningen av robotar. Effekten av detta blir att det behövs mindre arbetskraft för att utföra
samma arbete som tidigare. Utvecklingen går på många ställen mot fabriker där personalen
endast övervakar och underhåller produktionen samt ser till att kvaliteten upprätthålls (Bogue,
2014).
En viktig del i många olika former av tillverkning är efterbehandling av produkten, såsom
slipning och polering. Dessa processer har traditionellt sett utförts manuellt vilket ofta är en
stor kostnadskälla och ofta en stor flaskhals om resterande delen av produktionen är
automatiserad. En alternativ metod för detta är att använda industrirobotar för att utföra dessa
processer. Fördelarna med detta är stora då produktiviteten ökar avsevärt, exempelvis kan en
bit som tar 45-90 minuter att polera manuellt färdigställas på 7-8 minuter med en robot. En
robot kan utföra samma arbete som upp till 10-15 människor, dessa människor är också svåra
24 (78)
att anställa från första början då arbetet kräver en hög skicklighet. Dessa processer är också
utsatta för en hög grad av skador inom arbetet, andelen skador hos personal kan sjunka med
upp till 90 procent om robotar används. Alla efterbehandlingsprocesser passar inte att utföra
med en robot, i vissa fall krävs en större flexibilitet som manuellt arbete erbjuder och i andra
fall högre volymer som stela automationsceller har som främsta fördel (Bogue, 2009).
Användningen av robotar inom produktionen har inte bara fördelar. I en av Volvos
karossfabriker har en återgång till fler människor i produktionen gjorts. Där har tio
problemområden med den tidigare produktionen listats och lösningen på flera av dem har varit
att återinföra manuellt arbete. Den viktigaste punkten för denna förändring har varit
människans förmåga att förstå vad den gör. En robot kan plocka en upp en komponent och
montera den, även fast den uppenbart är trasig eller på annat sätt felaktig. Eftersom den är
programmerad på ett visst sätt upptäcker den inte andra saker. En människa förstår däremot när
en komponent är felaktig och kan lägga den åt sidan och på så sätt förebygga problemen
(NyTeknik, 2015).
För att summera det hela framgår det att de flesta fall där en produktion går från manuella
processer till robotprocesser verkar vara en bra investering, i de flesta fallen ökar
produktiviteten avsevärt medan lönekostnaderna sänks. Det är dock viktigt att förstå att varje
enskilt fall är unikt och att bara för att många andra lyckats med sin övergång till
robotproduktion betyder inte det automatiskt att det passar till allt. En annan viktig aspekt är
hur personal påverkas av en sådan omställning, i regel sänks behovet av personal och vilka
effekter detta har ur ett moraliskt perspektiv är viktigt att tänka på.
4.1.3 Studiebesök
De studiebesök som har genomförts under projektet redovisas i detta avsnitt.
Robotdalen
För att starta upp projektet genomfördes en dagskurs hos Robotdalen i Västerås. Där hölls en
grundläggande föreläsning kring hur en robot är uppbyggd, varifrån den styrs samt hur den
programmeras. Vidare utfördes en laboration för att koppla föreläsningen till praktiken. En
mindre industrirobot programmerades till att klara av enkla uppgifter som att greppa och lyfta
en boll. Den viktigaste lärdomen från detta besök var hur enkel en industrirobot faktiskt kan
vara och hur det går att utföra olika processer med hjälp av den.
Foldy pac
I början av projektet gjordes ett besök hos Foldy Pac i Skultuna. Där visades deras två
robotceller för montering av träpallar upp. Fokus lades på att undersöka hur robotverktygen var
konstruerade och framförallt hur de hade löst implementeringen av en spikpistol i robotcellen.
Det som framgick var att det saknades färdiga automationslösningar för spikpistoler och att en
egen skräddarsydd lösning var nödvändig. Möjliga lösningar kring hur spikpistolen kan laddas
undersöktes också, där Foldy Pac framförallt använder sig av extra stora spikmagasin som
laddas manuellt. De problem som identifierades hos verktygen var att rekylen från spikpistolen
både sliter på roboten och fästet till spikpistolen, att spiken är tung och skapar brytkrafter i
verktyget. De lösningar som identifierades som möjliga att använda i detta projekt var hur
spikpistolen infästs i verktyget, hur spikdjupet kan regleras samt att det finns andra mer
automatiserade lösningar på hur spiken levereras till spikpistolen.
Grönbo AB
En bit in i projektet gjordes ett besök hos Grönbo AB i Piteå. Där visades den nuvarande
produktionen upp, hur ett väggelement blir till från grunden. Fokus för detta studiebesök var att
få information kring specifika detaljer i produktionsprocessen för att anpassningar hos det
framtagna verktyget skulle kunna göras. Resultatet av detta studiebesök var framförallt en
25 (78)
bättre kännedom om hur produkten som robotverktyget ska montera ser ut samt vilka olika
problem som skulle kunna uppstå i produktionsprocessen, där sekvensen för hur de olika
komponenterna ska sättas ihop var det största bekymret.
4.1.4 Analys av förstudie
Projektet att med hjälp av industrirobotar automatisera tillverkningen av prefabricerade
väggelement är nyligen uppstartat, därför har inte särskilt mycket arbete hunnit att genomföras.
Det som har gjorts är dock viktigt att ta reda på. Detta avsnitt kommer att behandla detta och
redovisa vilka beslut som tagits utifrån denna information.
Produktionsprocessen
Till att börja med var det viktigt att förstå hur de olika väggelementen tillverkas idag,
information kring detta kommer dels från det tidigare arbetet men även från samtal med
ledningen för dagens produktion och dokument de delat med sig av.
Idag byggs hela väggelementet för hand, det innebär att tiden det tar att färdigställa varje
väggelement är lång och kostnaderna därefter. Det som dock är fördelaktigt med denna
produktion är att den är helt flexibel, det innebär att alla väggelement kan se olika ut och
produktionen klarar ändå av att tillverka dem. Produktionsprocessen har delats upp i ett antal
olika steg utifrån den information som fanns tillgänglig från tidigare arbete, dessa redovisas
nedan.
1. Montering av väggstomme
a. Beredning av komponenter
b. Förmontering av fönster/dörr-modul
c. Montering av fönster-/dörrmoduler i stomme
2. Montering av invändiga skivor på stomme
3. Vändning av väggelement med hjälp av travers
4. Montering/dragning av el-komponenter
5. Montering av utvändiga skivor
6. Isolering av väggelement
7. Montering av ytterpanel
Detta är en väldigt förenklad bild av produktionsprocessen. Under varje steg ingår upp till 25
delmoment som idag är nödvändiga för att klara dessa sju steg. Beredning av olika
komponenter är en stor del av arbetet i och med att varje väggelement är unikt måste många
komponenter följa unika mått.
Robotprocessen En stor del av det arbete som utförts innan detta projekt startade handlade om att identifiera om
det faktiskt är möjligt att tillverka prefabricerade väggelement med hjälp av industrirobotar
samt att göra en grov plan för hur denna produktion skulle se ut. Detta har resulterat i olika
förslag på produktionsprocesser och utformningar av robotcell. Dessa olika förslag har tolkats
och diskuterats med uppdragsgivaren för att hitta den bästa lösningen. Ett system med två olika
robotar som monteras på ett gantrysystem blev resultatet. Därför har detta projekt utgått ifrån
att ett sådant system kommer att användas och beslut fattats utifrån detta.
De processer som robotarna skall följa, d.v.s. hur de ska röra sig och vad de ska göra, var
viktiga att förstå för att en analys av vilka verktyg som var nödvändiga skulle kunna göras. De
förslag som tagits fram i förväg har därför studerats och resulterat i en förenklad version som
tydliggör när olika verktyg behöver användas, denna process redovisas i sin helhet i Bilaga 2.
Denna process består av 33 steg och indikerar att det är tre olika typer av uppgifter som ska
utföras. Dessa processer har som grundprincip att den ena roboten hämtar material medan den
andra utför monteringsmomenten.
26 (78)
Verktyg Med utgångspunkt i den robotprocess som tagits fram analyserades behovet av olika verktyg, i
och med att robotcellen ska utföra flera olika moment i produktionen behövs olika verktyg för
att klara av detta. Analysen gav till svar att det skulle behövas sex stycken olika verktyg för att
klara av att utföra alla moment i produktionsprocessen. Tre av dem är olika typer av lyftverktyg
som används av hämtningsroboten för att greppa och positionera material och tre av dem är
olika monteringsverktyg. De funktioner varje verktyg behöver samt vilka moment i
produktionsprocessen de ska klara av att utföra har identifierats genom diskussioner med
uppdragsgivare och produktionsledare. En sammanställning av detta finns att läsa i Bilaga 3.
Spik/skruv En viktig del i produktionen att ta ställning till var om spik eller skruv ska användas för att
montera ihop varje väggelement. För att ta ett beslut i denna fråga kontaktades leverantörer av
spikpistoler och skruvautomater, även uppdragsgivare och produktionsledare konsulterades.
Utifrån detta framgick att både spikning och skruvning har sina fördelar. Spikning är
framförallt snabbare och billigare medan skruvning hjälper till att stabilisera väggelementet
under tillverkning. En tabell där de båda alternativen utvärderas utifrån en rad kriterier kan
studeras i Bilaga 4.
Beslut
Utifrån den information som samlats in och analyseras från det tidigare arbetet kunde viktiga
beslut för att driva projektet vidare fattas. Dessa presenteras nedan.
Genom diskussioner med utgångspunkt i den analys som beskrivits i verktygsdelen ovan
bestämdes att det verktyg som skulle konstrueras i detta projekt var det verktyg som kallas
balkmonteringsverktyg i bilaga 3. Bilaga 3 visar en utvärdering som gjordes mellan de olika
verktygen, där syftet var att undersöka vilket verktyg som är mest komplext. Det mest
komplexa verktyget ansågs också viktigast att fokusera på, därför valdes
balkmonteringsverktyget till detta projekt. Funktionen för detta verktyg är att hålla ihop två
lättviktsbalkar och spika samman dem, i ett enda verktyg. Anledningen till att det ansågs
viktigast att fokusera på det mest komplexa verktyget var för att det verktyget ansågs påverka
huruvida det var möjligt att producera väggelement med robotar eller inte mest. Det fanns en
större säkerhet kring de mindre komplexa verktygen skulle fungera.
Vidare beslutades även att spik ska användas för att montera ihop de olika komponenterna i
väggelementet. Detta beslut grundar sig i tabellen från bilaga 4, där den viktigaste posten i
slutändan blev kostnaden. Spikning har där en enorm fördel i och med att kostnaden för en
skruvautomat är avsevärt mycket större.
27 (78)
4.1.5 Funktionsanalys
Nedan redovisas den funktionsanalys för verktyget som tagits fram. Till huvudfunktion för
verktyget valdes att montera väggstomme, vilket är det grundläggande syftet med detta verktyg
i robotprocessen. För att klara av detta krävs att verktyget klarar av att på ett smidigt sätt hålla
ihop konstruktionen tills dess att spikarna är islagna. I och med att detta verktyg inte ska säljas
kommersiellt är endast de delfunktioner som bidrar till huvudfunktionen nödvändiga,
stödfunktioner har därför inte identifierats i detta steg.
De funktioner som verktyget behöver baserades på kravspecifikationen samt
sammanställningen av den dåvarande arbetsprocessen.
Huvudfunktion
(A) Montera väggstomme
Delfunktion (1)
(A.1) Hålla ihop balkar
(A.2) Spika ihop balkar
Delfunktion (2)
(A.1-1) Medge stabilitet
(A. 1-2) Greppa balkar
(A. 1-3) Pressa ihop väggregel med underslag
(A. 2-1) Ge tillgång till spikar
(A. 2-2) Positionera spikpistol
(A. 2-3) Dämpa rekyl
4.1.6 Kravspecifikation
Denna kravspecifikation är en lista med de tekniska krav som ställs på det verktyg som skall
utvecklas.
Information som samlats in under hela informationsinsamlingsfasen bidrog till att skapa denna
kravspecifikation. Mycket kunskap inhämtades genom de diskussioner och iakttagelser som
genom gjordes vid de olika studiebesöken men även litteraturstudien bidrog med viktig
kunskap. Utifrån funktionsanalysen undersöktes vilka krav som skulle behöva ställas på
produkten för att uppfylla de olika funktionerna. Krav som bestämdes av väggelementen och
robotcellens form finns också med.
I och med att mycket av detta arbete är nytt uppdaterades kravspecifikation kontinuerligt för att
möta nya krav som i det fall tidigare okänd information framkom eller förutsättningarna
förändrades. Nedan redovisas den tekniska kravspecifikationen.
Teknisk kravspecifikation
Dimensioner och vikt
Maximal längd 1000 mm
Maximal bredd 600 mm
Maximal höjd 700 mm
Maximal vikt 45 kg
28 (78)
Spikdimension 90 mm
Funktionalitet
Greppa träbalkar på ett stabilt sätt
Trycka ihop träbalkar i rätt monteringsposition
Slå i spik som fäster samman träbalkarna i stommen
Slå i spik i vinkel (skråspikning)
Tillgång till spik som medför att laddning inte stör produktionsprocessen
Automatisk koppling och frånkoppling till robotarm
Separat greppfunktion som kan avlägsnas när det är nödvändigt
Tillförlitlighet
Funktioner får inte skada/försämra robotens prestanda
Komponenter får inte skadas av verktygets funktioner
Verktyget ska vara säkert att använda
Positioneringen av komponenter skall ligga inom ± 1 mm
Materialval och form skall resultera i en säkerhetsfaktor 2 hos verktyget
Materialval och form skall sträva efter att reducera verktygets vikt
Ekonomi
Minimera material- och komponentkostnad.
29 (78)
4.2 Fas 2 - Konceptframtagning
Den information och den erfarenhet som informationsinsamlingen bidrog till låg som grund för
det fortsatta arbetet med konceptframtagning. I denna fas gick projektet snabbt från en rad
enkla och skissade idéer till ett genomarbetat slutförslag. Fasen bestod av stegen:
Konceptgenerering
Pugh’s matris
QFD
DFMain
Dessa olika delar resulterade i att en konceptutvärdering kunde genomföras och ett koncept
väljas för vidareutveckling.
4.2.1 Konceptgenerering
Framtagningen av olika koncept utfördes delvis parallellt med informationsinsamlingsfasen,
men framförallt har detta arbete utförts under första delen av denna fas. För att strukturera upp
arbetet med att ta fram olika konceptuella lösningar delades idéerna in i två olika funktioner;
hålla ihop balkar och spika ihop balkar. Där problemen helt separerades för att på så sätt få
fram bästa möjliga lösning på varje funktion men även för att öka antalet möjliga lösningar.
Koncepten skissades till en början på papper för att sedan föras in i CAD-miljö för att på ett
bättre sätt undersöka hur väl de utförde funktionerna från funktionsanalysen och hur de
fungerade i praktiken. Skisser och de första modellerna i CAD-miljö redovisas i bilaga 5 och 6.
Nedan redovisas de olika idéerna kring hur greppfunktionen och spikfunktionen i verktyget kan
lösas. Greppfunktionen innebär lösningar på hur en balk skall greppas och sedan tryckas mot
underslaget för att göra konstruktionen redo för spikning. Spikfunktionen innebär lösningar för
att kunna spika ihop varje träbalk med underslaget på minst två olika ställen.
Greppkoncept
1. Plattor - två parallella plattor trycks ihop för att klämma fast en större yta av träbalken,
för att skapa ett stabilt grepp. Ytterligare en platta, vinkelrät mot de andra, trycks mot
de andra för att pressa ihop den greppade träbalken med underslaget. 2. Rullband - två parallella rullband/larvband trycks ihop för att klämma fast träbalken.
För att pressa ihop träbalken mot underslaget roterar rullbanden och drar därmed
träbalken mot underslaget. 3. Skruvar - skruvar dras temporärt ner i träbalken och fäster därmed träbalken till
roboten. Skruvgreppet rör sig tillsammans med träbalken mot underslaget och pressar
därmed ihop träbalken och underslaget. 4. Hjul - två hjul trycks ihop och klämmer fast träbalken mellan dem. För att pressa ihop
träbalken mot underslaget roterar hjulen, träbalken pressas då mot underslaget. 5. Sidplatta - en rörlig platta trycks mot en fast platta och klämmer fast träbalken mellan
dem. Greppet rör sig tillsammans med träbalken och pressar ihop träbalken med
underslaget. 6. Profiler - aluminiumprofiler används för att fästa färdiga gripdon som greppar
träbalken. Gripdonet kan röra sig längs med profilerna och pressar på så sätt ihop
träbalken med underslaget. 7. Klor - träbalken greppas med hjälp av en uppsättning klor likt en tång, fler klor används
för att skapa ett stabilare grepp. Klorna rör sig mot varandra och kan tack vare detta
pressa ihop träbalken med underslaget. 8. Vakuum - träbalken sugs med hjälp av vakuum fast i verktyget, hela vakuumdelen kan
röra sig för att på så sätt pressa ihop träbalken med underslaget.
30 (78)
9. Stora plattor - två parallella plattor som täcker hela träbalkens höjd trycks ihop för att
klämma fast hela träbalken och skapar ett stabilt grepp. Ytterligare en platta, vinkelrät
mot de andra, trycks mot de andra för att pressa ihop den greppade träbalken med
underslaget.
Spikkoncept
1. Räls/bana - spikpistolen är fäst på en räls för att på så sätt kunna åka upp och ned och
därmed positionera sig i rätt höjd för att spika ihop stommen på två olika positioner. 2. Robottryck - spikpistolen är fäst i den nedre spikpositionen och skjuter denna spik först.
Roboten positionerar sedan om sig så att spikpistolen hamnar vid den övre
spikpositionen. Den andra spiken slås i utan stöd från greppdelen. 3. Rotation - spikpistolen är fäst på en platta som kan rotera, spikpistol positioneras med
mynningen vid den nedre positionen, sedan roterar plattan 90 grader och mynningen
hamnar vid den övre positionen. 4. 2 spikpistoler - två spikpistoler är fästa på ett fast avstånd som är anpassat för att kunna
spika ihop stommen på två positioner, uppe och nere. Två spikar skjuts i samtidigt. 5. Profiler - aluminiumprofiler används för att enkelt fästa en räls som spikpistolen kan
röra sig längs med. Spikpistolen kan positioneras i olika positioner i höjdled.
4.2.2 Pugh's matris
För att sålla bland dessa koncept användes metoden Pugh’s matris. Där olika krav med grund i
kravspecifikation och funktionsanalys användes för att jämföra koncepten mot varandra.
Förkunskaperna om vad varje koncept klarade av och vilka egenskaper de hade hämtades
utifrån de enkla CAD-modeller som skapats för respektive koncept. Syftet med att använda
detta verktyg var att rensa bort de idéer som inte skulle fungera i verkligheten.
Tabell 1 visar delar av utvärderingen av och resultaten från Pugh’s matris. Endast de koncept
som rekommenderades för fortsatt utveckling redovisas. Matrisen i sin helhet finns att studera i
bilaga 7. Utvärderingen delades upp i två delar, en för greppkoncepten och en för
1 5 6 9 1 2 4 5
Urvalskriterier
Plattor
(Referens)Sidplatta Profiler Stora plattor Räls/ bana Robot-tryck
2x spikpistol
(referens)Profiler
Vikt 0 0 0 - + + 0 +
Storlek 0 0 0 - 0 + 0 0
Snabbhet 0 0 0 0 - - 0 -
Precision 0 - 0 0 0 0 0 +
Stabilitet 0 0 0 + - - 0 -
Vinkelspik 0 0 0 0 + + 0 +
Justerbarhet 0 - + 0 + + 0 +
Ej skada material 0 0 0 0 + - 0 +
Känslighet 0 0 0 0 + 0 0 +
Flexibilitet 0 - + + + + 0 +
Driftsäkerhet 0 0 - 0 0 + 0 0
Hållbarhet 0 + 0 0 - 0 0 -
Underhåll 0 0 + - - 0 0 -
Komplexitet 0 + 0 0 - + 0 -
Kostnad 0 0 + 0 0 + 0 +
Kompatibilitet 0 0 + 0 + - 0 +
Felprocent 0 0 0 0 0 - 0 0
Laddning av spikpistol X X X X + + 0 +
Antal + 0 2 5 2 8 9 0 10
Antal 0 17 12 10 12 5 4 18 3
Antal - 0 3 1 3 5 5 0 5
Summa 0 -1 4 -1 3 4 0 5
Ranking 2 3 1 3 3 2 4 1
Gå vidare? Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja Ja
Greppkoncept Spikkoncept
Tabell 1 - Pugh's matris
31 (78)
spikkoncepten. Referenskoncept för greppkoncepten var koncept 1 och för spikkoncepten
koncept 4.
Utifrån detta rekommenderades fyra greppkoncept och fyra spikkoncept för vidare bearbetning.
Greppkoncept 1, 5, 6 och 9 samt spikkoncept 1, 2, 4 och 5. Anledningen till att de andra
koncepten inte ansågs vara lika lovande var framförallt att de var för komplexa i sin
konstruktion. Detta skulle sannolikt medföra en hög felprocent i produktionen, eftersom
toleranserna inte skulle kunna uppfyllas i längden, vilket inte är önskvärt.
4.2.3 Konceptutvärdering
De koncept som med hjälp av Pugh’s matris valdes ut för fortsatt utveckling analyserades
ytterligare. Detta gjordes genom att fördelar och nackdelar med varje koncept studerades.
Syftet var att med hjälp av detta kunna jämföra koncepten med varandra på ett objektivt sätt. I
detta avsnitt redovisas denna analys samt beslutet av vilket koncept som är det bästa. Beslutet
har tagits gemensamt efter noggranna diskussioner med handledare och uppdragsgivare. I figur
9 redovisas de olika för- och nackdelarna med respektive koncept.
Koncept Fördelar Nackdelar
Gre
ppkonce
pt
1 – Plattor Bred greppyta, få rörelser,
flexibel
Kräver anpassade lösningar,
låg friktion mot balk
5 – Sidplatta Få rörliga delar, fast
positionering, enkel
Känslig för fel, låg precision,
svår att justera
6 – Profiler
Färdiga lösningar, justerbar,
underhållbarhet, hållbar,
enkel, beprövad teknik
Olika system för olika
komponenter
9 – Stora plattor Flexibel, greppar hela balken,
stabil
Klumpig, tung, svår att
underhålla
Spik
konce
pt
1 – Räls/bana Fullt flexibel, lätt laddning,
lätt att justera, precision
Begränsad hållbarhet,
komplex, långsam
2 – Robot-tryck Vikt, storlek, flexibel
Långsam, instabil, långsam,
kräver rörelser från robot,
krånglig programmering
4 – 2 st spikpistoler Snabb, stabil, hållbar,
driftsäker
Tung, ej flexibel, komplex
laddning
5 - Profiler
Fullt flexibel, lätt laddning,
lätt att förändra, beprövad
teknik, lätt, precision
Begränsad hållbarhet,
komplex, långsam
Tabell 2 - Konceptsammanställning
Diskussion
De olika greppkoncepten som utvärderades hade många egenskaper som liknade varandra, i
grund och botten utgick de från samma princip. Det som dock blev tydligt genom diskussioner
med uppdragsgivare och handledare var att det är onödigt att uppfinna hjulet en extra gång. Det
finns alltså många lösningar på liknande problem som kan användas. Utifrån detta framgick att
greppkoncept 6 hade stora fördelar. Då detta byggde på att använda färdiga lösningar och
kombinera dessa. De andra greppkoncepten använder samma grundprincip, men de skulle
kräva egenutvecklade lösningar vilket skulle försämra driftsäkerheten.
32 (78)
De grundläggande principerna för spikkoncepten skiljde sig betydligt mer från varandra.
Egenskaperna var därmed också spridda. Utifrån de diskussioner som hållits med
uppdragsgivaren har flexibilitet varit en av de viktigaste punkterna i detta projekt. Därför har
de lösningar som erbjuder flexibilitet rekommenderats. Vidare diskussioner kring hur roboten
ska arbeta har förts med handledare. Utifrån detta har det framgått att det bästa anses vara att
minimera robotens förflyttningar. På grund av denna punkt ströks spikkoncept 2 och 4 från
fortsatt arbete då de inte uppfyllde detta önskemål. De två resterande spikkoncepten byggde i
grund och botten på samma lösning, men där spikkoncept 5 var tänkt att använda
standardkomponenter.
Beslut
Utifrån dessa diskussioner beslutades om vilka koncept som ansågs vara de bästa för grepp-
och spikmomentet. Beslutet grundade sig också i hur de båda delarna skulle gå att kombinera.
Resultat var att greppkoncept 6 och spikkoncept 5 ansågs lämpligast att arbete vidare med.
4.2.4 Slutkoncept
De båda koncepten kombinerades för att skapa det slutliga konceptet för verktyget.
Lösningarna i sig är skilda från varandra, men för att skapa en helhetslösning måste de fungera
bra tillsammans. Slutkonceptet har en grund som består av en ram av aluminiumprofiler. På
denna monteras alla de komponenter som är nödvändiga för att utföra verktygets uppgifter. För
att möjliggöra sammanpressning av balkar kan komponenterna röra sig linjärt. Konceptet består
av en rörlig del där ett gripdon finns monterat och en rörlig del där spikpistolspaketet finns
monterat. En pneumatikcylinder monteras mellan dessa delar för att dra ihop och trycka isär
dem. Denna cylinder fungerar även som dämpning mot spikpistolens rekyl. I figur 10 visas en
princip för det utvalda konceptet. Listan nedan visar verktygets arbetsmoment, antaget att
verktyget är i arbetsposition.
1. Gripa tag i balk
2. Dra samman balken och spikpistolen
3. Spika
4. Dra tillbaka spikpistolen
5. Flytta ner spikpistolen till nästa position
6. Dra samman balken och spikpistolen
7. Spika
8. Släppa balk
Figur 9 - Slutkoncept
33 (78)
4.2.5 QFD
För att verifiera att det utvalda konceptet svarade mot de krav som fanns uppsatta i
kravspecifikationen skapades en QFD för verktyget. Syftet med att använda en QFD i detta
läge var att se om alla krav uppfylldes med de tilltänkta funktioner koncept hade. Om så inte
var fallet uppdaterades konceptet med fler funktioner för att uppfylla kraven. Den del av QFD-
analysen där konceptets funktioner ställs mot varandra användes också, syftet var för att
undersöka om några funktioner som motarbetade varandra. Med hjälp av detta undersöktes
också om någon funktion var överflödig, exempelvis för att flera utförde samma uppgift.
I figur 11 visas ett utdrag från den utförda QFD-analysen. Symbolerna som syns i de olika
fälten har olika innebörd. Grön prick = hög relation, gul triangel = medelhög relation, röd
1 Greppar träbalk i livet
2 Dubbel säkert spikmoment
3 Fasta komponenter vid förflyttning
4 Rekyl dämpning via luftcylinder
5 Slangmatning av spik
6 Verktygsväxlare
7 Elstyrd höjd reglering
8 Luftstyrt tryck/grepp/avfyrning
9 Befintliga komponenter
Kolumn # 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Riktning för förbättring:Minimera (-), maximera (+) eller träffa (x)
x x x x x x x x +
Rad
#
Hö
gsta
rel
atio
n i
rad
Kat
ego
ri
Funktioner
Gre
pp
ar t
räb
alk
i liv
et
Du
bb
el s
äker
t sp
ikm
om
ent
Fast
a ko
mp
on
ente
r vi
d f
örf
lytn
ing
Rek
yl d
ämp
nin
g vi
a lu
ftcy
lind
er
Slan
gmat
nin
g av
sp
ik
Ver
ktyg
s vä
xlar
e
Elst
yrd
hö
jd r
egle
rin
g
Luft
styr
t tr
yck/
grep
p/a
vfyr
nin
g
Bef
intl
iga
kom
po
nen
ter
1 9 Greppa träbalk på ett stabilt sätt
2 9 Trycka ihop träbalkar när i rätt position
3 9 Slå i spik som fäster samman stommen
4 1 Slå i spik i vinkel (skråspikning)
5 9 Tillgång till spik
6 9 Automatisk koppling till robotarm
7 1 Greppfunktion som kan avlägsnas
8 9 Funktioner får inte skada roboten
9 9 Komponenter får inte skadas
10 9 Verktyget ska vara säkert att använda
11 9 Positionering ska hålla toleranser
12 3 Säkerhetsfaktor 2
13 9 Reducera vikt
Teknis
ka k
rav
Krav
Tabell 3 - QFD
34 (78)
fyrkant = liten relation, ingen symbol = ingen relation, grön pil uppåt = hög samverkan, gul pil
uppåt = liten samverkan, ingen pil = ingen samverkan.
Resultatet av QFD-analysen var att konceptet i det stora hela svarade mot de uppsatta kraven.
De flesta kraven hade åtminstone en funktion som på något sätt bidrar till att uppfylla det.
Detta tolkades som att funktionerna i konceptet var tillräckliga för att klara av sin
huvuduppgift. Krav 4 och 7 i QFD-analysen, som redovisas i figur 11, var de krav som inte
lyckades uppfyllas med de funktioner som fanns hos konceptet. Diskussioner med
uppdragsgivare och handledare resulterade i att dessa krav ströks. Anledningen var att dessa
inte ansågs vara av betydelse för att uppfylla verktygets huvudfunktion.
Relationen sinsemellan de olika funktionerna visar också de att konceptet på det stora hela är
bra. De flesta kopplingar som finns mellan funktionerna är positiva, de strävar alltså mot
samma mål. En negativ koppling som finns är mellan funktionerna ”befintliga komponenter”
och ”slangmatning av spik”. Dessa är inte helt förenliga då ”slangmatning av spik” skulle kräva
en speciallösning. Det har anses vara acceptabelt och inga förändringar i konceptet behöver
utföras. Resultat i denna del är alltså att funktionerna inte behöver förändras.
Slutsatser för hela QFD-analysen är att konceptet uppfyller de krav som ställs på det och att det
är redo för fortsatt vidareutveckling.
4.2.6 DFMain
För att skapa ett verktyg som är lätt att använda underhålla har Design For Maintenance
tillämpats. Denna metod har applicerats genom att valen av vilka komponenter som ska
användas och hur de ska monteras. När dessa val har genomförts har fokus lagts på att hitta
standardkomponenter som kan användas. Målsättning har varit att konstruera ett verktyg som
är lätt att förändra. Antingen om någon komponent slits ut eller om det framkommer att någon
komponent inte fungerar perfekt. Verktygets form har utvecklats för att underlätta sådana
förändringar.
De komponenter som har konstruerats unikt för detta verktyg har även de utformats med
DFMain i åtanke. Reliabilitet har varit den viktigaste punkten. Eftersom detta verktyg ska klara
av att användas under i stort sett 24 timmar om dygnet kräver det att komponenterna är rätt
dimensionerade. Varje komponent har testats för att undersöka dess hållfasthet och styrande
faktorer har varit deformation och säkerhetsfaktor. Vilket ansetts vara de viktigaste punkterna
för att uppnå god reliabilitet i verktyget. Vidare har också komponenterna konstruerats för att
de ska kunna monteras på och av så enkelt som möjligt, och antalet lösa komponenter har
minimerats.
4.3 Fas 3 - Konstruktion av koncept
I detta avsnitt redovisas de olika processer och beslut som låg till grund för
den färdiga konstruktionen på det valda verktyget. I denna fas var
huvudsyftet att skapa en fullständig konkret lösning med alla ingående
komponenter antingen konstruerade eller valda. Under denna fas har
återkoppling givits från handledare och uppdragsgivare för att skapa den
bästa möjliga konstruktionen.
4.3.1 Komponenter
Komponenter valdes för att uppfylla de funktioner som konceptet
innefattade. De olika funktionerna löstes med komponenter som noga valts
ut och jämförts mellan olika lösningar.
Val av gripdon
Det krav på gripdonet som framförallt var styrande var att dess slaglängd
Figur 10 -
Gripdonsfingrar
greppar balken i livet
35 (78)
behövde vara större än balkens tjocklek som är max 49mm. Anledningen var att kontaktytan
mellan gripdon och balken skulle vara i balkens liv, se figur 12. Kraften som gripdonet kunde
trycka ihop sina fingrar med var också viktig. Den behövde vara tillräckligt stor för att balken
inte skulle kunna glida när den pressades mot den andra balken. Uppskattning på kraften
gjordes till 200N baserat på krafterna från lyftcylindern samt underlagets friktion. Hur långa
fingrar gripdonet kunde hantera var också viktigt att ha i åtanke då momentet ökade parallellt
med länden av fingrarna. Önskvärd längd på fingrarna var 125-150mm för att få ett grepp som
stabiliserar balkens läge. Detta skapade ett krav att gripdonet skulle klara av ett moment på
20Nm.
Flera fabrikat på gripdon hade lösningar som kunde uppfylla dessa krav. Valet baserades på
handledares erfarenheter från användning av olika fabrikat samt vilka leverantörer som det
redan fanns kontakter med. Därför valdes gripdon ur sortimentet hos Schunk. Teknisk
rådgivning från Schunk bidrog till att ta fram förslag på möjliga gripdon. Efter diskussion med
handledare valdes en av dessa modeller.
Val av pneumatikcylinder
För att pneumatikcylindern skulle kunna uppfylla den funktion som behövdes var den tvungen
att uppfylla tre olika kriterier. Den skulle ha en slaglängd på 100 mm, den skulle ha tillräckligt
hög kraft för att kunna hålla ihop balkarna under spikning som uppskattades till 300N baserat
på spikpistolens rekyl samt kraften från lyftcylindern, och den skulle klara av att dämpa
rekylen från spikpistolen som avgav en vibration på 4m/s^2 enligt tillverkare.
Det finns flera olika fabrikat som klarar av dessa krav, därför baserades beslutet på
tillgänglighet och med tidigare kontakt uppdragsgivare. Den leverantör som valdes var SMC.
Val av linjärenhet
Linjärenhetens funktion var att förflytta spikpistolen tillsammans med dess tillbehör i höjdled.
Därför ställdes krav på att kunna lyfta minst 5kg som var spikpistolens vikt samt 70 spikar. Ett
annat viktigt krav var att den skulle kunna positionera spikpistolen var som helst i höjdled.
Därför valdes att linjärenheten skulle vara elektriskt styrd. Krav på mått var att ha en effektiv
slaglängd på 500mm för att kunna möjliggöra spikning i bägge ändarna av balkar med höjden
500mm.
Eftersom goda kontakter fanns mellan uppdragsgivaren och Festo så valdes en linjärenhet ur
deras sortiment.
Val av spikpistol
Kravet på spikpistolen var att den skulle klara av att skjuta 90 mm långa spik. Det var önskvärt
att spikpistolen skulle vara så lätt som möjligt och att den skulle skapa en så liten rekyl som
möjligt.
Eftersom spikpistoler redan används i den manuella produktionen idag valdes en modell från
samma leverantör. Den leverantör som valdes var Senco.
Val av skenstyrning
Valet av skenstyrning till verktyget gjordes utifrån följande kriterier. Vilken belastning som
kunde läggas på vagnarna, vikten på komponenterna och hur infästningen av komponenterna
såg ut.
Kontakt togs med EIE Maskin eftersom de var en leverantör till uppdragsgivaren. Efter teknisk
rådgivning från dem beslutades samt diskussioner med handledare togs beslut om att använda
en skenstyrning från dem. Fabrikatet på skenstyrningen var Schneeberger.
Val av aluminiumprofiler De aluminiumprofiler som användes valdes utifrån kriteriet att det skulle vara lätt att fästa
36 (78)
andra komponenter på dem. Detta samtidigt som de skulle erbjuda en stabil ram för hela
verktyget och bära upp dess vikt, detta styrdes av kravet på att verktyget maximalt fick väga 45
kg.
Valet av aluminiumprofiler gjordes utifrån vad som används av Robotdalen idag och tester för
att se om de höll för vikten 45 kg. De har idag ett system som de använder och därför fanns
många lösningar tillgängliga.
4.3.2 Konstruktion och Simulering
För att kunna fästa ihop de olika komponenterna togs olika fästplattor fram.
De designades efter en säkerhetsfaktor som valdes. Detta med hjälp av
hållfasthets simulationer i CAD-miljö. Valet av material blev aluminium
7075-T6 på grund av sin höga hållfasthet samt låga vikt. De flesta
komponenterna upplevde sin största påfrestning under själva spikmomentet
och när komponenterna trycktes från varandra. Vi kallar de två momenten
”ihoptryckning” då spikning sker och ”fråntryckning” då komponenterna
trycks från varandra. Från kravspecifikation ställs krav på säkerhetsfaktor att
inte vara lägre 2 samt att deformeringen hålls under uppsikt. Deformeringen
som syns på figurerna är överdriven för att bättre visa var krafterna är som
störst på komponenterna.
I figur 11 redovisas nivåerna av påfrestningen för de olika komponenterna.
Skalan går från blått till rött, där blått är låg påfrestning och rött är hög.
Denna skala gäller för bilderna i figur 12-19.
Val av FEM-analys
CAD program som valdes var Solidworks. För att få en tillräckligt bra detalj nivå på
simuleringarna valdes en mesh nivå så att det alltid skapades minst två lager mesh. Som
beräkningsprogram i Solidworks valdes ”Direct Sparse” vilket skapar längre beräknings tider
men säkrare resultat.
Gripdon fästplatta
Gripdon fästplattan fäster samman gripdonet med rälsen och luftcylindern. Plåten testades när
krafterna var som högst under själva arbetsprocessen. Detta var då luftcylindern tryckte
samman gripdonet med spikpistolen samt tryckte de ifrån varandra. Plåten testades även med
olika tjocklekar för att se om vikten kunde minskas och samtidigt uppfylla kraven på
hållfasthet. Tjocklek 6mm valdes då deformeringarna på 4mm blev för jämfört med hur liten
viktskillnaden var mellan tjocklekarna. Tabellen nedan redovisar de resultat som ficks av
simuleringarna.
Tjocklek
(mm)
Arbetes moment Påfrestning
(MPa)
Säkerhetsfaktor Deformering
(mm)
Vikt (kg)
Figur 12 - Gripdon fästplatta. Grundform (vänster) och överdriven deformering(höger).
Max
ww
Min
Figur 11 - Skala för
simuleringar
37 (78)
6 Ihoptryckning 42 12 0,12 0,73
6 Fråntryckning 49 10 0,14 0,73
4 Ihoptryckning 93 5,5 0,34 0,57
4 Fråntryckning 108 4,7 0,40 0,57
Tabell 4 - Simuleringsdata, gripdon fästplatta
Basplatta
Denna plåts syfte är att fästa samman linjärenhet med tillbehör och luftcylindern. Plåten
undersöktes under själva spikmomentet samt från dragning. Dessa krafter var de mest
påfrestande på denna komponent. Tester gjordes även för att se hur plåten klarade av de vikter
som linjärenhet, spikpistol med spik, aluminiumprofiler samt de plåtar som håller samman
dessa komponenter. Även här testades olika tjocklekar mot varandra för att minska vikt och
hålla de krav som ställdes på hållfastheten. Dimensionen 6mm valdes då påfrestningen blev för
hög under ”ihop tryckning” samt deformeringen. Tabell nedan redovisar simuleringarnas
resultat.
Tjocklek
(mm)
Arbetes moment Påfrestning
(MPa)
Säkerhetsfaktor Deformering
(mm)
Vikt (kg)
6 Ihoptryckning 181 2,8 0,25 2,6
6 Fråntryckning 90,3 10 0,07 2,6
6 Gravitations påfrestning 18,9 26,7 0,14 2,6
4 Ihoptryckning 366 1,4 0,77 1,75
4 Fråntryckning 99 4,7 0,07 1,75
4 Gravitations påfrestning 39,7 12,7 0,43 1,75
Tabell 5 - Simuleringsdata, basplatta
Figur 13 - Basplatta. Grundform (vänster) och överdriven deformering(höger).
38 (78)
Spikpistols fästplatta
Syftet med denna plåt var att föra samman spikpistolen med rälsar och linjärenheten. De stora
krafterna som ställdes på denna komponent kom från själva spikmomentet. Plåt tjockleken
4mm valdes då den klarade krafterna bra samt höll ner vikten. Figur 16 nedan redovisar