3 TILLÄMPAD LÖSNINGSMETODIK
3.4.3 Metall sensor
De vanligaste metallsensorerna som finns på marknaden är sensorer som används för att hitta föremål under marken. Dessa fungerar oftast genom att sensorn ger en hörbar signal när den detekterar metall i närheten (Garrett 1985). Detta kan trigga idéer till en lösning, det är ett sätt att lokalisera detaljerna i pallen.
Figur 17: Metalldetektor CS150 (Teknik Magasinet u.å.)
Nedan finns exempel på metallsensorer som kan vara intressanta för projektet:
Figur 18: K1208065 Metal Detection Sensor Module (Amazon u.å.)
Figur 19: Metallsensor (Gårdslarm u.å.)
För att sensorn ska ha möjlighet att identifiera metalldetaljerna krävs ett avstånd på 0-4 mm mellan sensorn och detaljen (Amazon u.å).
3.4.4 Lastcell
En lastcell är en sensor som mäter krafter och belastning. Lastcellen används av olika företag och industrier för att mäta tyngder. Lastceller undersöks eftersom det är intressant att
analysera hur mycket detaljer en pall innehåller samt medvetandet om när pallen börjar bli tom (Davis, J. R. 2004). Lastcellerna ska klara av att mäta en vikt som ligger på max 800 kg. Lastceller med kapaciteten från 3 - 800 kg kostar ungefär 3000 kr (Vetek u.å.).
Nedan finns 2 exempel på olika lastceller som klarar av 3 - 800 kg:
Figur 20: Lastcell, kapacitet från 3 - 1000 kg (Vetek u.å.)
3.4.5 Hydraulcylinder
En hydraulcylinder är en mekanisk drivanordning, som används för att ge en enkelriktad kraft genom att omvandla hydrauliskt tryck till linjärt mekaniskt arbete. Den består av en cylinder och kolv med kolvstång samt två cylindergavlar. Den har många användningsområden,
särskilt inom industri (McManus 2012). Hydraulikcylindrar undersöks eftersom de ingår i cell 1. Kunskapen om hur cylindrarna fungerar och vad dessa kostar kan vara användbart när valet av produkterna jämförs i förhållande till prisvärdighet och funktionalitet.
Hydraulcylindrarna brukar kosta ungefär 20 000 kr styck för ungefärliga storleken som efterfrågas vid cell 1. 4
Nedan finns exempel på Hydraulikcylindrar som kan vara intressanta för projektet:
Figur 22: Olika sorter och storlekar av hydraulcylindrar (JKB Hyband u.å.)
3.4.6 Kolvstångslösa cylindrar
De kolvstångslösa pneumatiska cylindrarna tillåter föremål att förflytta sig längs en axel genom luft som drivkraft, den är däremot inte exakt om cylindern behöver stanna i mitten av axeln men däremot är den exakt vid start och slutpunkten av axeln. Den andra sorten av cylindern drivs av el och är mer exakt än en luftdriven cylinder. 5
Nedan finns exempel både på en luftdriven kolvstånglös cylinder och en elektrisk cylinder:
Figur 23: Luftdriven kolvstånglös cylinder (Stabe u.å.)
Figur 24: Elektrisk cylinder - Linjärmodul MKK 15-65 (Rexroth u.å.)
5Teknik support, Etab 2016-02-16.
3.4.7 Vibrationsbord
Det finns flera olika vibrationsbord ute på marknaden vars funktion är att skaka föremål för att uppnå olika ändamål. Borden består av en vibrerande motor som monteras fast undersidan av bordet, motorn kan antingen vara elektrisk eller hydraulisk (Vibco Vibrators u.å.).
Vibrationsbord kan vara ett effektivt sätt att fälla detaljerna vid cell 1 på den plana sidan när den står upp.
Figur 25: Heavy duty (Vibco Vibrators u.å.)
Nedan finns exempel på två olika av vibrerande motorer:
Figur 26: BLZ Series (Invicta u.å.)
Figur 27: HV Series (Invicta u.å.) BLZ motorerna kostar ungefär 31 000 kr styck. 6
3.4.8 Elektromagnet
Elektromagneten skapar ett magnetfält genom att använda sig av ström. Det sker genom att linda metalltråd runt en spole flera varv. Sedan tillsätts det ett material med hög magnetiskt permeabilitet inuti spolen för att koncentrera magnetiska fältet (Thompson 2011). Det är viktigt att förstå hur en elektromagnet fungerar i projektet ifall magneten i cell 1 ska omformas.
Figur 28: Byggnad av en enkel elektromagnet (Elektronikkstøtte BA 2016)
Magneten som används vid cell 1 ska klara av att bära max 12 kg. Nedan finns exempel på elektromagnet som kan användas av i cell 1:
Figur 29: Permanent Lifters (Eclipse Magnetics u.å.)
3.5 Idégenerering
Idégenereringen är det allra första steget för att generera användbara och innovativa idéer. Metoden som valdes att generera idéer blev brainstorming.
3.5.1 Brainstorming
En mängd idéer genererades med hjälp av brainstorming för att få fram flera förslag att välja på. Idéerna frambringades genom att skissa och kombinera idéerna för att sedan reduceras. Skisserna var hörnstenarna för den potentiella lösningen till problemet. Idéerna frambringades genom att använda sig av kravspecifikationen, funktionsanalysen och QFD vilket var till en stor hjälp att förstå grundproblemet och hur det löstes (se bilaga 5).
3.6 Konceptgenerering
Under konceptgenereringen utvecklades de valda idéerna från brainstormingen till en
helhetsbild hur mekanismen fungerar ihop, de exakta måtten och detaljerna för lösningen ske under konceptutvecklingen. Utvecklingen av de valda idéerna delas in i 3 olika moment sedan jämförs idéerna med varandra genom Pughs matris
Figur 32: Vipp-pall
Figur 33: Vibbrationsbord
Figur 34: Vibrationspall
Figur 35: Vippbord med skyddsplåt
Figur 36: 3Dkamera med stativ
1. Lösningens funktion är att en hydraulcylinder lyfter upp pallen på ena sidan för att samla alla detaljer på ett ställe. En lastcell signalerar till hydrauliken att utföra sin givna rörelse när det är få detaljer i pallen. Detta gör att magneten lätt kan lokalisera detaljerna i pallen.
2. Bordet vibrerar med hjälp av en motor för att skaka detaljerna till plant läge för att möjliggöra att kameran ser att detaljerna är plockbara.
3. Pallen vibrerar med hjälp av en motor som skakar detaljerna till ett plockbart läge. Detta hjälper magneten att plocka fler detaljer.
4. Bordet har en skyddsplåt på högra sidan av bordet vilket gör att detaljen glider ner närmre till mitten av bordet om detaljen hamnar på kanten.
5. 3Dkamera som analyserar detaljernas plockbarhet direkt i pallen. Kameran kan förflytta sig åt höger och vänster för att analysera i båda pallarna. Detta möjliggör att roboten kan plocka direkt från pallen med en gripklo.
Planning Concept Development
System-level
Design Detail Design
Testing and refinement
3.6.1 Moment 2
Nedan redovisas två olika koncept som kan användas i cell 1 för att lösa hela problemet och möjliggöra att processens OEE värde ökar till över 95 %.
Koncept A
Nedan redovisas två anordningar som ingår i koncept A, dessa anordningar är ett kombinationsresultat av de 5 valda idéerna i moment 1.
Figur 37: Koncept A.1, Bord för detaljerna
Figur 38: Koncept A.2, Bord för pallen.
Figur 39 visar en kombinerad vipp och vibrationsbord. Magneten lämnar detaljerna på bordet. Bordets funktion är att vibrera med hjälp av en motor som sitter under bordet för att förflytta detaljerna från varandra. Detaljerna faller inte ner på golvet eftersom två skyddsplåtar på ändarna av bordet håller tillbaka detaljerna. Skyddsplåtar kan rotera bakåt från bordet för att skapa väg åt detaljerna ner till pallen när bordet vippar. Bordet kan vippa både åt höger och vänster med hjälp av en hydraulcylinder som sitter under bordet.
Figur 40 visar samma funktion som figur 39 bord med skillnaden att den är avsedd för pallen med detaljerna i. Det som skiljer sig ifrån figur 39 är:
Första skillnaden är att hydraulcylindern sitter åt vänster sida av bordet vilket gör att pallen kan vippa bara åt höger.
Andra skillnaden är att bordet har bara en skyddsplåt på högra sidan vars funktion är att hålla tillbaka pallen när bordet vippar.
Tredje skillnaden är att bordet har en lastcell vars funktion är att signalera för hydrauliken när pallen börjar bli tom för att sedan vippa detaljerna åt högra sidan av pallen.
Koncept B:
Figur 39: Koncept B, 3Dkamera med stativ.
Figur 41 visar idén som finns i moment 1. Konceptets funktion är att en 3Dkamera kan analysera detaljerna i pallarna även om de är osorterade vilket gör att roboten kan plocka detaljer direkt från pallen med gripklon. Kameran sitter på en ställning över pallarna. Kameran kan förflytta sig både åt höger och vänster för att analysera detaljerna i båda pallarna. Det finns två pallar eftersom processen ska arbeta kontinuerligt, kameran förflyttar sig över andra pallen när den inte ser fler plockbara detaljer.
Koncept B behövde inte kombineras med de andra idéerna eftersom den redan var fullbordat. En annan anledning till att konceptet inte behöver kombineras är på grund av att det inte finns behov av en magnet eftersom roboten kan plocka direkt från pallen vilket leder till att
3.6.2 Moment 3
Koncepten som redovisas nedan är enbart en visualisering av de koncepten från moment 2. Dessa saknar exakta mått och därför är prissättningen ungefärliga antaganden som har utgåtts från Gnutti personalens erfarenheter. Anledningen att prissättningen sker tidigt är för att jämföra prisskillnaden mellan koncept A och B samt välja det billigaste om möjligt. Koncept B är dyrare än koncept A eftersom den använder sig av en 3Dkamera vilket är dyrt.
Koncept A.1
Figur 40: CAD visualisering av koncept A.1
Bilden ovan visar en enkel visualisering av koncept A.1 som bär upp detaljerna under kameran. Delarna förklaras nedan med hjälp av siffrorna:
1. Bordet ska vippa åt både höger och vänster med hjälp av hydrauliken under underdelen av bordet.
2. De gula skyddsplåtarna håller detaljerna kvar på bordet men däremot roteras de från bordet när bordet vippar för att låta detaljerna falla tillbaka ner i pallen. Detta sker med hjälp av hydraulik på båda sidor av bordet
3. Överdelen av bordet hålls fast av fyra fjädrar för att möjliggöra vibrationer genom en BLZ motor som är fastmonterad under överdelen av bordet.
4. Bordet stoppas av två stötdämpare i gummi när bordet vippar till höger eller vänster. Bordet består av 3 hydrauliska cylindrar som kostar ungefär 6 000 kr tillsammans, en BLZ motor som kostar 31 000 kr och materialet som krävs för att tillverka sammanställningen ligger på 23 000 kr. Summan av alla delar blir då ungefär 60 000 kr för att skapa
konceptet. 7
Koncept A.2
Det behövas två exemplar av konceptet nedan eftersom processen i cell 1 består av två pallar.
Figur 41: CAD visualisering av koncept A.2
Bilden ovan visar en enkel visualisering av koncept A.2 som bär upp en pall med detaljer som väger max 800 kg. Delarna förklaras nedan med hjälp av siffrorna:
1. Bordet ska vippa enbart åt höger med hjälp av hydrauliken som sitter under underdelen av bordet.
2. Den gula skyddsplåten håller pallen på plats men däremot roteras den tillbaka från bordet när den tomma pallen ska bytas ut. Detta sker med hjälp hydraulik som sitter vid sidan av överdelen av bordet.
3. Överdelen av bordet hålls fast av fyra fjädrar för att möjliggöra vibrationer genom en BLZ motor som är fastmonterad under överdelen av bordet.
4. Bordet stoppas av stötdämpare i gummi när bordet vippar till höger.
5. Under överdelen av bordet sitter det en lastcell som väger pallen kontinuerligt och ger signal till hydrauliken att vippa bordet åt höger när pallen når en specifik vikt.
Bordet består av 2 hydrauliska cylindrar som kostar ungefär 4 000 kr tillsammans, en BLZ motor som kostar 31 000 kr, en lastcell som kostar ungefär 3 000 kr. De styrande delarna kostar tillsammans ungefär 38 000 kr för ett koncept vilket ger en kostnad på 76 000 kr för exemplar av koncept A.2.
Övrigt material 29 000 kr
Hela koncept A.2 blir 105 000 kr.
För att lösa problemet i cell 1 krävs det både koncept A.1 och två exemplar av koncept A.2. Totalsumman av detta koncept 165 000 kr. 8
8Underhåll, Gnutti Carlo 2016-03-29.
Koncept B
Figur 42: CAD visualisering av koncept B
Bilden ovan visar en visualisering av koncept B som håller upp 3Dkameran (Scanning ruler S1200). Kameran förflyttar sig både åt höger och vänster för att skanna pallarna i tur och ordning. Delarna förklaras nedan:
1. Kameran förflyttar sig både åt höger och vänster med hjälp av en luftdriven cylinder. Anledningen till att en luftdriven har valts över en eldriven cylinder är på grund av att lösningen inte har behov av cylinderns exakthet för att kameran behöver stanna enbart vid N-lägen.
2. Kanterna skiljer pallarna åt och samtidigt hålls de på plats för kameran ska alltid förflytta sig till mittpunkten av varje pall.
Koncept B består av en luftdriven cylinder som kostar ungefär 10 000 kr, en 3Dkamera med tillhörande mjukvaran som kostar 350 000 kr och övrigt materialet kostar 13 000 kr. Totalsumman av alla delar blir ungefär 373 000 kr. 9
3.6.3 Pughs matris
Tabell 5: Pughs matris
Koncepten jämförs med varandra utifrån hur effektivt de löser problemen i cell 1.
Utifrån Pughs-matrisen blev koncept B den bästa lösningen med god marginal eftersom den klarar alla krav men den var inte billigast. Koncept B klarar även de viktigaste kraven som är att öka kapaciteten och 0 stopptider.
Om den viktade summan av båda koncepten jämförs visar den att koncept B har 23 poäng mer än koncept A och därför går koncept B vidare till konceptutvecklingen för vidareutveckling till en slutlig lösning.
3.7 Konceptutveckling
Under konceptutvecklingen har konceptet som har fått flest poäng enligt Pughs matrisen utvecklats vidare. Koncepten har exakta mått till en grad då de kan användas i verkligheten. Utvecklingen av konceptet delades in i 3 olika milstolpar sedan genomfördes en FEM-analys på konceptet.
3.7.1 Steg 1
Figur 43: Slutkonceptet – Steg
Figur 46 visar de befintliga delarna i cell 1 som återanvänds i slutliga lösningen. Anledningen till att befintliga delar användes i konceptet är för att reducera kostnaderna på tillverkningen av lösningen. Dessa nämns nedan:
1. Fyrkantsrören är en befintlig konstruktion i cell 1 men de återanvänds inte eftersom de är för korta, däremot används exakt samma konstruktion i lösningen men längre eftersom Scanning ruler S1200 måste sitta minst 1000 mm långt ifrån toppen av pallen (Stand-off). 10
2. Pallarna som detaljerna ligger i är standard Europapallar som används av flera företag. De ritades upp dels för att visualisera hur konceptet fungerar ihop och dels för att förenkla anpassningen av alla delar i förhållande till varandra.
3. Pallhållarna är något som finns redan i cell 1 och kan återanvändas i slutliga lösningen. Dess funktion är att hålla pallarna på sin exakta plats även om pallarna förflyttas ut och tillbaka mot till hållarna vilket medför att kameran kan centrera sig över pallens mitt.
Planning Concept Development
System-level
Design Detail Design
Testing and refinement
3.7.2 Steg 2
Figur 44: Slutkonceptet – Steg 2
Genom att rita upp de befintliga delarna i steg 1 fås avståndet fram mellan högra och vänstra stående fyrkantsröret som är 2330 mm vilket ger längden på överliggande fyrkantsröret.
1. Plattorna monteras fast mot Stående fyrkantsrören med M12 skruvar och för att undvika deformationer på grund av vikten används det rör med inre diametern 13 mm i stående fyrkantsrören för att fästa fast skruvarna.
2. Längden på totala överliggande fyrkantsröret är 2330, den fästs mot stående fyrkantsröret med två plattor som svetsas ihop mot varsin ände. Plattorna finns eftersom överliggande fyrkantsröret ska ha möjligheten att fästas mot stående fyrkantsröret med skruvar.
Överliggande fyrkantsrörets funktion är att hålla en luftdriven cylinder med en vikt som ligger på 5.9 kg11, 3Dkamera som ligger på 13.5 kg12 och kamerafästet.
Överliggande fyrkantsröret ska även sammanfoga konstruktionen till en stark enhet. Hållbarheten av stativet undersöks under FEM-analysen
11Tekniksupport, Etab AB 2016-04-11.
3.7.3 Steg 3
Figur 45: Slutkonceptet – Steg 3
1. 3Dkameran (Scanning ruler S1200) bärs upp av kamerafästet. Kamerans vikt är 13.5 kg. Överliggande fyrkantsröret monteras tillräcklig högt från marken så avståndet från kameran ner till kanten av pallkragen är 2000 mm eftersom det är avståndet som krävs för att roboten ska ha möjligheten att sträcka sig ner in i pallen utan att kollidera med kameran.
2. Kolvstångslösa pneumatiska cylindern är anpassad för konstruktionen, eftersom den måste förflytta 3Dkameran tillräckligt långt för att mittpunkten av kameran ska centreras vid mittpunkten av båda pallarna. Slaglängden på cylindern som har valts är 1040 mm lång vilket är ekvivalent med avståndet från pallarnas mittpunkt. Cylindern klarar av att bära upp en vikt på max 60 kg vilket är mer än vad som krävs.13
Överliggande fyrkantsröret är 100x100 för att cylindern ska få plats att monteras fast vilket i sin tur leder till att stående fyrkantsröret blir 150x150.
3. Kamerafästet mittenplattan har skruvhål för att enkel montering av både topp och bottenplattan. Mittenplattan har ytterligare 3 skruvhål för att montera fast kameran men däremot bär bottenplattan på kamerafästet upp all vikt från kameran.
Kamerafästet väger 10.98 kg.
3.8 Undersökning
Nedan testas lösningen för hållbarheten och om den klarar av huvudkravet att öka kapaciteten till mer än OEE värdet 95 %.
3.8.1 FEM-analys
Fyrkantsrören och kamerafästet undersökas om dessa klarar av att bära vikten som de är ämnade för. Gnutti Carlo´s anställda har erfarenhet av materialets hållbarhet då de brukar använda stål S355J2H och SS2172, därför har författaren följt anställdas anvisningar angående tjockleken på konstruktionen. För att säkerställa att konstruktionen klarar av att hålla krafterna utan deformationer uppstår har en FEM-analys utförts. Materialet som valdes i Solid Works Cad är stål med närliggande sträckgräns som S355J2H och SS2172.
Stativet
Figur46: Simulering för stativet
För att undersöka hur stativet påverkas av vikten den ska bära upp, utfördes en simulering med kraften 297,528 N vilket motsvarar vikten på cylindern, kamerafästet och 3Dkameran multiplicerat med gravitationen. Materialet som valdes för stativet är S355J2H. Figur 50 visar att inga stora påfrestningar uppstår av krafterna och att stativet håller för 64 gånger så hög belastning än vad konstruktionen har nu.
Planning Concept Development
System-level
Design Detail Design
Testing and refinement
Kamerafästet
Figur 47: Simulering för kamerafästet
För att undersöka hur kamerafästet påverkas av vikten den ska bära, utfördes en simulering med kraften 132,3 N vilket motsvarar vikten på 3Dkameran multiplicerat med gravitationen. Materialet som valdes för fästet är SS2172 för alla delar utom fyrkantsröret som har
materialet S355J2H. Figur 51 visar inga stora påfrestningar som uppstår av krafterna och att kamerafästet håller för 114 gånger så hög belastning än vad konstruktionen har nu.
3.8.2 processen
Figur 48: Nya processen
Processen börjar med att 3Dkameran förflyttar sig till Pall A och analyserar detaljerna som finns i pallen.
1. Kameran förflyttar sig till pall A för att analysera detaljerna i pallen.
2. Robot 1 förflyttar sig sedan till pall A och plockar upp en detalj i taget med robotklon. 3. Robot 1 förflyttar detaljen till lina 1 och lämnar den, sedan plockar den nästa detalj
och kameran analyserar. Den här processen repeteras tills kameran inte ser flera plockbara detaljer i pallen, sedan förflyttar sig kameran över Pall B för att utföra samma process. Detta sker för att robot 1 ska ha konstant tillgång till en ny detalj. 4. Medan robot 1 lämnar detaljerna på lina 1 förflyttar sig detaljerna till andra ändan av
lina 1 för att plockas av robot 2.
5. När robot 2 plockar detaljen lämnas den på omgreppstationen för att få en precisionsladdning.
6. Robot 2 förflyttar sedan detaljen från omgreppstation till maskinen för bearbetning. 7. När detaljen är färdigbearbetad förflyttas detaljen till lina 2 för att skickas vidare till
andra fasen av den stora tillverkningsprocessen.
Steg 1-3 sker konstant och repeteras oberoende av steg 4-7, prioriteten som robot 1 har är att leverera en ny detalj på lina 1 för att robot 2 ska ha tillgång till en ny detalj. Den nya
3.8.3 Ny tidsanalys
Eftersom lösningen inte kan testas i verkligheten baseras informationen på tidsanalysen som har utförts på gamla processen, hastigheten på cylindern och löptiden för scanning ruler S1200 att analysera detaljerna i pallen. Beräkningarna utesluter underhåll och verktygsbyte.
Tabell 6: Tidsanalysen för gamla processen
Eftersom den nya processen inte behöver någon magnet som plockar detaljerna från pallen utesluts 11 moment från tidsanalysen. Momenten som utesluts är A, B.X, C.X, D.X, E.X, F, G, H-B.X, IDLE.X, VÄLTER och I. Momenten som finns kvar i den nya lösningen är H-A.X, H-C.X, H-D. X och H-E. X (se figur 53). Förutom de kvarstående momenten adderas två nya processteg till processen, dessa är kamerans förflyttning och analyseringen. De totala stegen med sina löptider är:
Kamerans förflyttning: 1-10 sekunder, bestäms efter eget önskemål men den
rekommenderade hastigheten för den vikten som den ska bära är 200 mm/sek vilket är 5 sekunders förflyttning eftersom cylinderns slaglängd är 1040 mm. 14
Kameran analyserar: 3 sekunder. 15
H-A.X: 2 sekunder. H-C.X: 3 sekunder. H-D.X: 1 sekund. H-E.X: 3 sekunder.
Lina 1 från start till slut: 13 sekunder och håller max 6 detaljer.
Löptiden från steg 1-4 i processen om förflyttningen tar 10 sekunder: 35 sekunder.
14Tekniksupport, Etab AB 2016-04-11.
Det tar 9 sekunder för moment H-A. X till H-E. X vilket sker oberoende av lina 1 som tar 13 sekunder vilket gör att lina 1 hinner bli full även om robot 2 utför sin process från steg 4-7 som tar 20,4 sekunder eftersom robot 1 process går snabbare än robot 2. Från och med robot 2 plockar sin första detalj har nästa detalj ha 4 sekunder mer på sig att komma fram till robot 2 eftersom 13 – 9 = 4 sekunder dvs. avståndet från detalj nr 1 och nr 2 är 13 – 4 = 9 sekunder ifrån varandra vilket innebär att detalj nr 2 hinner fram innan robot 2 utför sin process på detalj nr 1 som tar 20,4 sekunder. Detta innebär att lina 1 fortfarande är full under tiden kameran förflyttar sig till nästa pall.
Om antagandet är att lina 1 är full med detaljer tar det 20,4 * 6 = 122,4 sekunder att plocka bort alla detaljer. Detta innebär att hela processen har 122,4 sekunder på sig att leverera en ny detalj vilket är mer än vad som krävs eftersom löptiden för hela processen om förflyttningen