EXAMENSARBETE
Konceptutveckling för kostnadseffektiv och tidseffektiv mekanisk skogsplantering
Emelie Safrani Håkan Lideskog
Civilingenjörsexamen Maskinteknik
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik/Institutionen för ekonomi, teknik och samhälle
Abstract
This master’s thesis has been carried out on behalf of the Swedish forest industries through the Forest Cluster. The main focus has been to improve the efficiency of mechanical planting.
Theimprovements of the planting process has mainly been carried out by focusing on the reduction of time-consuming manual handling whilst refilling plants into a mechanical planting unit, and also by design of a reliable process. The realization of these improvements hasbeen carried out throughmechanical design of a magazine and associated feeder designed for aHIKO V93 cassette. The mechanism manages the cassette and providesseedlings for amechanical planting assembly. For practical reasons, an existing planting device developed by Bracke Forest, has been serving as foundation for the development work.
In order to achieve the desired result of a detailed design with high technical validity and accuracy for the mechanism, the development of the concept was initiated with aninvestigation of existing solutions and their pros and cons.Additionally, other students contributed with new perspectives by participating in focus groups performed during the creative part of the concept design phase.Solutions for the concept have been based upon resultsobtained duringresearch in the field of mechanized reforestation during the SIRIUS-projects 2010 for the Swedish University of Agricultural Sciences. Empirical tests, which were carried out on the prototype built during the project, yielded important conclusions regarding the weaknesses and strengths of the method developed for the removal of the plant from the cassette. Furthermore, essential visual observations contributed tothe establishment of a sustainable process for the development of mechanized planting in northern conditions.
The creative methods resulted in four fundamentally different concepts that matched the demands stipulated in the requirement specification. The winning concept was finally obtained while carrying out an evaluation based on surplus values. Using CAD, a virtual model of the mechanism was constituted and states a good base for the manufacturing of a physical prototype.
It can also serve as one or more elements of a future concept for further development and even more cost reductions.
The mechanical solutions given in this report are all based on real components and materials, and indicate that the design should also work in reality. Dynamic simulations confirm that the mechanics are correctly dimensioned and perform its intended tasks.
Sammanfattning
Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Sveriges skogsindustrier genom skogsklustret.
Arbetet har syftat till att effektivisera den mekaniska planteringen av skog under nordiska förhållanden. Effektiviseringen av planteringsprocessen har gjorts med fokus på reduktion av tidsödande manuell hantering för påfyllning av plantor, samt genom utveckling av en tillförlitlig process. Utförandet av dessa förbättringar har skett genom mekanisk konstruktion av ett magasin och tillhörande matare avsett för kassett-typ HIKO V93. Mekanismen hanterar kassetten som förser ett maskinellt planteringsaggregat med de plantor som kassetten innehåller. Av praktiska skäl har dock utvecklingsarbetet utgått från ett existerande aggregat tillverkat av Bracke Forest.
Aggregatet är kranspetsmonterat och benämns häri som Bracke P11.
För att uppnå det önskade resultatet om en detaljerad konstruktion med hög teknisk giltighet och precision inleddes arbetet med konceptutvecklingen med att titta på befintliga lösningar och dess för- och nackdelar. Även andra studenter har bidragit med nya infallsvinklar genom de kreativa metoder som använts i from av fokusgrupper.
Lösningsförslaget till konceptet har till stor del baserats på utfallet från de studier som gjorts på området för mekaniserad skogsplantering under SIRIUS-projektet för SLU 2010. Utifrån den prototyp som tillverkades under projektet, samt empiriska tester som utförts på denna, har slutsatser om svagheter och styrkor kunnat ge en god grund till ytterligare utveckling av maskinell skogsplantering under nordiska förhållanden.
De kreativa metoderna resulterade i fyra stycken principiellt olika koncept som alla matchade de krav som ställdes i kravspecifikationen. Det vinnande konceptet viktades slutligen fram genom en merittalsberäkning baserade på mervärden.Med hjälp av CAD framställdes därefter en virtuell modell som i framtiden kan ligga till grund för en fysisk prototyp, samt utgöra en eller flera delar i ett framtida koncept för ytterligare effektivisering.
De mekaniska lösningar som framställs i rapporten är alla baserade på verkliga komponenter och material och talar för att konstruktionen skall fungera även i verkligheten. Även dynamiska simuleringar ger stöd för att mekaniken är rätt dimensionerad och korrekt kan utföra sitt tänkta arbete.
Förord
Denna rapport är i sin helhet ett dokument där arbetet med att ta fram en virtuell prototyp dokumenterats. I ett större perspektiv är den dock ett steg i utvecklingen mot ett säkrande av föryngringen av Sveriges skog genom maskinell plantering. Genom att minska kostnaderna för maskinell skogsplantering kan beroendet av fluktuerande arbetskraft minskas och i förlängningen kan de avhandlade aspekterna bidra till att i vissa avseenden trygga produktionen av en av Sveriges största exportvaror.
Under tiden vi genomfört vårt arbete har vi varit i kontakt med många av branschens entusiaster och tillika experter. Dessa har hjälpt oss att hålla rätt kurs och underlättat vårt sökande efter ett tillfredsställande koncept. Till dem vill vi rikta ett särskilt tack. Urban Bergsten, Lars-Göran Sundblad, och Back Tomas Ersson har alla bidragit med ovärderlig information kring detta projekt.
Vi vill tacka Stig Karlsson vid institutionen för Arbetsvetenskap. Vidare vill vi också tacka vår handledare Magnus Karlberg på avdelningen för datorstödd maskinkonstruktion vid Luleå Tekniska Universitet för tydlig och frekvent feedback, ett genuint intresse för vårt arbete, samt ett kompetent handledarskap.
Luleå februari 2011
Emelie Safrani Håkan Lideskog
Innehållsförteckning
Abstract ... i
Sammanfattning ... iii
Förord ... v
Ordlista ... 2
1 Introduktion ... 4
1.1 Behovsanalys ... 5
1.2 Befintliga lösningar ... 8
1.2.1 Silva Nova ... 8
1.2.2 Valmet ECO-planter ... 8
1.2.3 M-planter ... 9
1.2.4 BrackeForestP11 ... 10
1.2.5 Plantkassetter ... 10
1.2.6 Transplanter – Siriusprojektet 2009/2010 ... 10
2 Teori ... 13
3 Problemformulering... 15
3.1 Kriterier för detaljlösning ... 16
3.1.1 Antaganden ... 16
3.1.2 Avgränsning ... 16
4 Kravspecifikation ... 17
5 Konceptutveckling ... 19
5.1 Generering av detaljlösningar ... 19
5.1.1 Kreativa metoder ... 21
5.2 Utvärdering och val ... 22
5.2.1 Evalueringsmetoder ... 22
5.2.2 Vinnande varianter... 24
5.2.3 Slutligt val av koncept ... 29
6 Detaljkonstruktion ... 31
6.1 Part- och sammanställningsmodellering ... 32
6.1.1 Karusell ... 32
6.1.2 Rack ... 34
6.1.3 Mottagare ... 36
6.1.4 Raket ... 39
6.1.5 Bana ... 40
6.1.6 Skydd ... 42
7 Slutsatser ... 44
8 Diskussion och rekommendation ... 46
9 Litteraturförteckning ... 48
Bilaga A – Idé-Matris Bilaga B - Beslutsdiagram
Ordlista
BCC AB - Ett företag som sysslar med tillverkning och utveckling av utrustning till plantskolor i hela världen
Cupcake-form - En form som håller runt varje potta i en plantkassett
Depopper - Den mekanism som trycker ut en planta ur en potta i kassetten Fålla - Den v-formade part som hanterar plantan efter uttryckning
Mottagare - Den mekanism som tar emot och transporterar en uttryck planta från potta till ett planteringsrör
PLC - ProgrammableLogic Controller, datoriserat system som programmeras för att styra maskiners rörelser
Potta - Del av plantkassett där en enskild planta växer
Transplanter - Den maskin som utvecklades under SIRIUS-projektet 2009/2010 för att automatiskt förflytta plantor mellan kassett och planteringshål
- - - - - - - - - - -
1 Introduktion
För att säkerställa återväxten efter skogsavverkning använder sig många markägare av skogsplantering. Idag genomförs den största andelen av planteringen manuellt dvs. genom att personer endast med hjälp av ett planteringsrör sätter skogsplantorna. Intresset för maskinell plantering har dock ökat eftersom den ekonomiska vinsten anses kunna bli större än manuell plantering genom en mer tidseffektiv process samt genom att kunna frigöra sig från ovissheten kring anställning av arbetskraft vid manuell plantering.
Sedan maskinell plantering började utvecklades på 60-talet har det varit svårt att hitta tillräckligt effektiva tekniska lösningar som också medfört tillräcklig planteringskvalitet. Kostnaden för varje planterad och etablerad skogsplanta är idag för hög. Senare versioner av kranspetsmonterade planteringsmaskiner har dock visat på goda möjligheter med avseende på planteringskvalitet. I jämförelse med manuell plantering medför maskinell bättre överlevnadsgrad på vegetationsrika marker i södra Sverige om markberedningen gjorts på ett lämpligt sätt. Kostnaden för maskinell plantering betraktas dock fortfarande som hög, i jämförelse med manuell plantering.
En anledning till att det trots allt finns ett ökat intresse för satsning på maskinell plantering är att det inte finns någon garanti för att importerad arbetskraft, som tack vare relativt låga lönekrav blivit vanlig arbetskraft för plantering, återkommer år efter år för att plantera i Sverige. Att varje år utbilda nya plantörer medför extra kostnader. Dessutom har intresset från svenska ungdomar att plantera minskat betydligt under senare år. Tidigare var det vanligt att skolungdomar och aktiva inom idrottsföreningar utgjorde en viktig låglöne-arbetskraft under sommaren. Genom att göra den maskinella planteringen mer kostnadseffektiv är det troligt att entreprenörer i Sverige kan se nischen som lönsam varpå arbetskraftproblematiken vore löst.
Vid Luleå tekniska universitet har man genom studentprojektet SIRIUS, som omfattat 30 veckor, undersökt möjligheten att automatisera förflyttningen av plantor från plantkassetter (odlings- och transport-behållare), till planteringshuvudet på en planteringsmaskin. En prototyp till plantförflyttnings-aggregat byggdes och gavs namnet Transplanter, och testades med positivt utfall.
Prototypens. Om tekniken kan utvecklas ytterligare till att bli praktiskt användbar bör planteringskostnaden kunna reduceras betydligt.
Syftet med detta examensarbete är att:
Medverka till att göra maskinell skogsplantering mer konkurrenskraftig genom att minimera tiden för manuell planthantering i skogen vid maskinell plantering.
Examensarbetet omfattar vidareutveckling av Transplantern så att dess funktioner till fullo kan användas för vidare påbyggnationer. Fokus för utveckling och detaljkonstruktion ligger i området för uttryckning och positionering av plantor, samt hantering av kassetter vid detta moment.
Examensarbetet avser konceptdesign av fullskaligt lösningsförslag för automatiserad plantförflyttning. Koncepten omfattar magasinering och matning av kassetter för att kunna öka
antalet plantor som sätts innan planteringsmaskinen måste återfyllas. Konceptets arbetsnamn benämns Mag-Mat och syftar till det lösningsförslag som skall tas fram.
Målet med examensarbetet är att:
Konstruera en detaljerad CAD-modell av konceptets depopper-funktion och matning och positionering av kassett anpassat för att arbeta simultant med ett aggregat för mekaniserad plantering av skog i nordiskt klimat
Framställa detaljerat ritningsunderlag för CAD-modell i form av en virtuell prototyp Genomföra analys av nyttan med det koncept som tas fram
Parallellt med arbetet att nå målen ovan skall examensarbetet hela tiden ta hänsyn till att göra lösningsförslagen så generella som möjligt för att passa olika aggregat på marknaden, samt öppna för en flerhuvudslösning där konstruktionen kan ingå. Arbetet skall ändå behålla en stor öppenhet för nya och innovativa lösningar.
Parallellt ska arbetet även avhandla:
Analys för tillämpning av flerhuvudslösning i kombination med nytt koncept Rekommendationer och hänsyn till fortsatt framtida arbete
Figur 1. Cirklar som visualiserarexamensarbetets problemområden och hur de förhåller sig till varandra.
Mekanisk plantering måste bli mer ekonomiskt konkurrenskraftigt. Detta kan göras på ett flertal sätt. I behovsanalysen undersöks hur den ekonomiska bilden kan förändras om utveckling görs där behovet är som störst. Kapitlet ”befintliga lösningar” tar upp dagens planteringsmaskiner och dess för- och nackdelar.
1.1 Behovsanalys
Det är viktigt att veta ifall det är ekonomiskt försvarbart att utveckla den maskinella planteringen.
En jämförelse är gjordes med manuell plantering för att belysa hur stort det ekonomiska spannet är.
Jämförelsen utreder behovet av kapacitet hos den nya Transplantern och till vilken kostnad denna får tillverkas för att, kostnaden till trots, vara konkurrenskraftig gentemot manuell plantering.
Inför 2010 års planteringssäsong infördes nya siffror från Södra Skog för entreprenörer som satte plant på mekanisk väg. Ersättningen till entreprenörerna bestämdes enligt avtalet till 650kr/h vid tidskrävande hyggen eller 3,30kr/plant.
Markberedare /Planterings- aggregat
Transplanter Siriusprojekt
Magasin/Matare
”Mag-Mat”
Examensarbete
1 2
Tiden det tar för dagens mekaniska planteringsmaskin, Bracke P11, att plantera medelhygget kan räknas på 17,8 sekunder per planta i backen, vilket under kontinuerlig körning ger 202plantor/h, exklusive stopp för återfyllning (Rantala et al. 2009). Återfyllningstiden utgör omkring 15% av arbetstiden för maskinen och minskar därför planteringshastigheten till 172 plantor/h(Rantala et al.
2009).
Den totala kostnaden för beställaren av manuell plantering på ett medelhygge (se nedan) uppgår till 27 750 beräknat på samma plantkostnad som för mekanisk plantering, det vill säga 1.40kr/planta beräknas för planteringsarbetet, 1 750 kr/ha för markberedning, dessutom tillkommer 900 kr för utkörning av plantor till hygget (Pers. medd.Ersson B. T. 2010).
Ett medelhygge i södra Sverige är3 hektar. En planteringsmängd på 2000 plantor/haantassättas, vilket gäller för både manuell och mekanisk plantering(Pers. medd. Ersson B. T. 2010).Det tillkommer alltid en grundkostnad för plantuppköp och för mekanisk plantering samt en flyttkostnad av utrustning om 1000kr/medelhygge. Figur 2 visar en jämförelse mellan manuell och mekanisk plantering där ett medelhygge planteras. Kostnaden för mekanisk plantering kan enbart minskas om planteringskostnaden minskar, eftersom plantkostnad och flyttkostnad är orörliga.
Figur 2. Visar kostnader som utgår för ett mekaniskt och ett manuellt planterat medelhygge idag.
En återfyllningstid för det nya magasinet måste approximeras för att kunna göra en ekonomisk jämförelse. Det antas att det tar lika lång tid att gå emellan planteringsmaskinen och skåpet där kassetter tillfälligt förvaras som det tar att gå andra hållet tillbaka med fulla kassetter. Det är därtill rimligt att anta att denna tid är densamma för både nuvarande planteringsmagasin och det nya konceptet. Enligt en tidsstudie av Ersson (2009) är denna tid i snitt 20 sekunder. Antag en tid på 60 sekunder att lossa alla tomma kassetter ur det nya magasinet och 60 sekunder för att sätta fast de nya kassetterna som fastställts till 8st. Övrig tid, t.ex. stopp av maskin och förflyttning från hytt till aggregat uppskattas enligt Erssons studie till 84 sekunder. Sammanlagd tid för en påfyllning av 8 kassetter för det nya konceptet blir då 60+60+20*3+84=4,4minuter.
Med en väl fungerande lösning som använder 8 HIKO-kassetter per laddningstillfälle, det vill säga 320 plantor, och en laddningstid på 4,4 minuter, kommer 19 återfyllningar att göras på medelhygget.
Detta ger följaktligen en återfyllningstid på totalt 83,6 minuter. Enligt tidigare antaganden sätts 6000 5250
13200 8400 900
Manuell plantering, totalkostnad 27750kr
Markberedning
Manuellt arbete Grundkostnad plantor Utkörning plantor
22750 1000
13200
Mekanisk plantering, totalkostnad 36950kr
Kostnad plantering Flyttkostnad
Grundkostnad plantor
plantor på medelhygget, vilket tar 1782 minuter att sätta utan avbrott enligt Rantala et al. (2009).
Sammantaget utgör laddningstiden därmed 4,5% av tiden, enligt 83,6/(1782+83,6). Jämförelsen ses i Figur 3.
Figur 3.Cirkeldiagrammen visar tiden det tar att plantera ett medelhygge i timmar.
Man kan i Figur 4 se hur kostnaderna fördelas då en beställare betalar för planteringen av ett medelhygge. För den nuvarande planteringsmaskin går i dagsläget över 97 kronor/h åt till att betala för den tid då inga plantor hamnar i backen. Om Mag-Mat däremot skulle byggas som ett kassettmagasin med åtta kassetter, med de premisser som tidigare antagits, skulle beställaren istället betala cirka 29 kronor/h för ineffektiv tid varje timme. Detta betyder att entreprenören antas debitera samma timpenning. Istället blir dock denne klar med arbetet snabbare.
Figur 4.Cirkeldiagrammen visar vad en timmes betalning från beställaren utgör i arbete hos maskinen.
Med den tidsminskning som Mag-Mat teoretisktkan medföra skulle kostnaden för beställaren kunna minska från dagens 36750kr/medelhygge, till 34415kr/medelhygge, enligt (650*31,1+13200+1000).
29,65 29,65
5,2 1,4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Dagens P11 Mag-Mat
Återfyllning Plantering
552,50 97,50
Mekanisk plantering med dagens magasin, kostnad/h
Plantering
Återfyllning av plantor
620,70 29,30
Mekanisk plantering med Mag-Mat, kostnad/h
Plantering
Återfyllning av plantor
1.2 Befintliga lösningar
Det finns idag flera lösningar för maskinell plantering som är olika långt utvecklade och används olika mycket beroende på effektivitet och planteringskvalitet. De olika lösningarna är anpassade för svårare terräng och nordiskt klimat.
I dagsläget sätts det mesta av Sveriges plantor manuellt efter att kalhygget beretts på ett sätt som inte tar hänsyn till naturlig föryngring men som däremot frilägger den beredda ytan så att mer solljus når plantan. Konkurrerande vegetation röjs också ur vägen och ger plantan bästa möjliga förutsättning för tillväxt.Manuell plantering är trots sin relativt låga överlevnadsgrad idag billigare i förhållande till maskinell plantering (Skogforsk 1995). Det finns ett antal mekaniska lösningar för maskinell plantering, varav en används i Sverige.
Maskinernas effektivitet mäts i antalet satta plantor per tidsenhet, men hänsyn måste också tas till sådant som antalet operatörer, möjlighet för operatören att ta hänsyn till naturlig föryngring och överlevnadsgrad på de plantor som sätts. Nedan beskrivs fyra olika lösningar för mekaniserad plantering.
1.2.1 Silva Nova
Under tidigt 1980-tal utvecklades Silva Nova, seFigur 5, för mekaniserad plantering i Sverige.
Planteringsaggregatet kräver manuell hantering av så väl övervakning av planteringsprocessen som påfyllnaden av plantor. Påfyllningen görs av en operatör som sitter bak på maskinen. Överlevnads- graden, investerings- och driftkostnader ledde dock till att Silva Nova-lösningen togs ur bruk och används inte i dagsläget(Skogforsk 1995).
Figur 5. Figuren visar Silva Nova ute i fält.
1.2.2 Valmet ECO-planter
Valmet ECO-planter är ett kranspetsmonterat aggregat och används oftast på en skördare, se Figur 6.
Fördelen med Valmet ECO-planter är att operatören själv kan välja en, enligt denne, optimal
planteringspunkt, samt ta hänsyn till naturlig föryngring och omgivande vegetation. Enheten kan sätta två plantor åt gången och sätter ca 260 plantor/timme(Sigurdh 2004). År 2003 fanns det ca 10 Valmet ECO-planterenheter i Sverige, Norge, Finland och Irland, med vilka ca 3 miljoner plantor sattes varje år(Holmen Skog 2003). I dagsläget finns dock veterligt ingen ECO-planter i arbete.
Figur 6. Figuren visar Valmet ECO-planter monterad en skördare. (ISSN 1651-4467, NR 39, 2004)
1.2.3 M-planter
M-plantern liknar på många sätt Valmet ECO-planter. Den är kranspetsmonterad, dess hantering och förvaring av plantorna är automatiskt toppmatad, seFigur 7. M-plantern är utvecklad i Finland och introducerades 2006. Dess kapacitet är 236 plantor/timme(Rantala et al. 2009). Denna enhet laddas, likt samtliga andra mekaniserade planteringsaggregat, manuellt och blir därför i längden ekonomiskt svagare i förhållande till manuell plantering.
Figur 7. Figuren visar M-plantern monterad på grävmaskin. (www.rigasmezi.lv)
1.2.4 BrackeForestP11
Även Brackes P11, seFigur 8, är kranspetsmonterad och används vanligen på en grävmaskin. P11:an används världen över för plantering och har en kapacitet på ca 174 plantor/timme (Rantala et al.
2009). Magasinet som är påmonterat klarar av att hålla 72 plantor åt gången, men måste likt andra mekaniska planteringsaggregat, fyllas på manuellt av operatör. P11:an planterar med hög kvalitet och hög överlevnadsgrad (Rantala et al. 2009).
Figur 8. Figuren visar Brackes kranspetsmonterade P11-aggregat. (www.brackeforest.com)
1.2.5 Plantkassetter
På marknaden finns ett flertal kassetter med olika egenskaper som alla lämpar sig olika bra för att användas till automatiserad plantering. En plantkassett med tydligt positiva egenskaper är BCC AB’s kassett HIKO V93. Dess utstickande egenskaper gentemot många andra kassetter är nämnda i listan nedan.
Fördelar med HIKO V93, gentemot andra kassetter i bruk på marknaden idagsläget:
Hålbilden är symmetrisk i både X- och Y-led
Hålet på pottans underkant är stort i förhållande till pottstorleken Avsaknad av luftspalter gör att plantan är enklare att trycka ut
Kassetten används frekvent kring området där Sveriges enda planteringsmaskin brukas Pottans form har en enkel, rund form
Plantan anses ha en bra utveckling i nämnda kassett
1.2.6 Transplanter – Siriusprojektet 2009/2010
Vid Luleå tekniska universitet genomförs varje år SIRIUS-projekten där studenter genomför skarpa produktutvecklingsprojekt. 2009/2010 genomfördes ett uppdrag där Sveriges lantbruksuniversitet var deltagare genom att tillhandahålla ett projekt för konceptutveckling och problemlösning. Detta projekt omfattade utveckling av mekaniserad skogsplantering. Målet var att minska den improduktiva tiden som innefattade att manuellt återfylla planteringsmaskinen, se Figur 9.
Figur 9. Figuren visar hur ett planteringsaggregat av typen BrackeP11fylls på med plantor manuellt.
(www.brackeforest.se)
Resultatet av projektet blev produkten ”Transplanter”. Denna Transplanter automatiserade en del av arbetsmomentet vid återfyllning av planteringsmaskinen. Effektiviseringen ger maskinföraren möjlighet att fylla två plantkassetter direkt i maskinen istället för att fylla på genom att för hand placera planta för planta i aggregatets magasin. Transplantern har ett system för att tömma kassetten på en planta i taget och föra denna till planteringsmaskinens planteringshål. Figur 10 visar Transplantern monterad på planteringsmaskinen BrackeP11.
Figur 10.Figuren visar Transplantern monterad på BrackeP11, i sin tur monterad på grävmaskin.
Vid tester utförda sommaren 2010 utvärderades en prototyp av Transplanterns funktioner med ett bra resultat.Figur 11 visar en bild på Transplantern monterad på planteringsmaskinen BrackeP11.
Den bockade plåten på bilden, fållan, som utgör den del som hanterar plantan efter att den blivit uttryckt, roterar nedåt för att medge att plantan förs till planteringshålet problemfritt.
Figur 11. Planthanterare som med en rörelse för plantan i planteringshålet
Fållan anses, med stöd av testerna, vara en väl fungerande lösning. Av cirka hundra planterade skogsplantor fallerade planthanteraren i sitt arbete noll gånger. Det vill säga atttillförlitligheten kan antas vara i det närmaste 100%. Därför finns anledning att utnyttja samma funktion i detta utvecklingsprojekt, Mag-Mat.
Funktionen som trycker ut plantan ur kassetten bakifrån fungerar enligt kraven ställda i SIRIUS- projektet. Dock uppdagades andra problem vid testerna. Om kassetten inte riktades in mycket precist före uttryckning fallerade denna funktion och en uttryckning av plantan misslyckades. När kassetten istället riktades in bra kunde uttryckningen utföras med gott resultat där rotsystem och torv lämnades oförstörda och planteringsdugliga.
Konceptet Transplantergör det möjligt att använda en eller två kassetter samtidigt vid plantering, med bristande positionering av kassett före uttryckning av planta. För att öka konkurrenskraften för mekaniserad plantering bör antalet laddade kassetter/påfyllning öka. Dessutom bör positionering och transport av kassett under hela processen utvecklas och förfinas.
2 Teori
Detta kapitel beskriver teorin bakom hur ett generellt produktutvecklingsförfarande kan te sig.
”Guideline 2221” föreslår ett systematiskt sätt för design av tekniska system och produkter (Pahl &
Beitz 2005, ss. 23-24). Förslaget har en huvudsaklig betoning i områdena maskin- precisions- kontroll- mjukvaru- och processteknik. Detta synsätt skulle med fördel kunna användas i en kreativ produktutveckling tack vare den iterativa process som används i guiden. Varje steg i processen enligt Figur 12 kan beskrivas ytterligare detaljerat och stegen kan också utföras på olika sätt, ofta efter hur användaren trivs med modellen.
Figur 12. Beskrivning av ”VDI guideline 2221” från Pahl et al.
Konceptgenerering
För det steg som enligt Guideline 2221 ska utföras genom att generera principiella lösningar och kombinationer av lösningar, finns flertalet olika utföranden. Intuitiva metoder beskrivs av Pahl et al.
(2005, ss. 76-82) med flera alternativa val.
En av dessa metoder är brainstorming som kan beskrivas som en flod av nya idéer. En grupp bestående av personer med olika bakgrund samlas för att föra på tal de tankar och idéer de kan ha och därigenom trigga nya tankegångar för de resterande i gruppen. Brainstorming förlitar sig starkt på att stimulera minnet och att associera idéer till nya sammanhang där dessa idéer aldrig beprövats förr. Pahl et al. (2005, ss. 76-78) beskriver en procedur som kan följas vid brainstormingsessioner.
Brainstorming beskrivs enligt Johannesson, Persson & Pettersson (2004, s. 126) på ett liknande sätt, dock bör större förberedelser göras för att deltagarna ska ta med sig idéer till sessionen genom att de informeras i förväg om problemen. Johannesson et al. beskriver alternativa genereringssätt som kallas ”systematiska eller rationella metoder”. Dessa metoder innefattas av t.ex. litteratursökningar, patentsökningar, analyser av konkurrerande produkter, intervjuer med experter och databas- sökningar. Både de kreativa och systematiska metoderna kan kombineras för att få så många lösningsförslag som möjligt.
Pahl et al. (2005, s. 78) beskriver en utvecklad form av brainstorming kallad 635-metoden där ett mer systematiskt tillvägagångssätt används. Sex deltagare skall skriva ner tre grova lösningar i form av nyckelord. Idéerna skickas ett steg åt sidan och deltagarna utvecklar den första idén ytterligare i fem steg (6 deltagare, 3 initiallösningar och 5 iterationer: 635-metoden).
Konceptevaluering och val
Evalueringen av en mängd koncept görs för att av den mängden hitta lösningen som passar bäst till användningsområdet. Pahl et al. (2005, ss. 99-100) beskriver ett systematiskt sätt att evaluera koncepten enligt ett beslutsdiagram där ett flertal punkter granskas. Lösningsförslagen ska:
Vara kompatibel med den övergripande uppgiften och med varandra Uppfylla alla kraven i kravspecifikationen
Vara realiserbara beträffande prestanda, layout etc.
Antas vara inom tillåtliga och rimliga gränser kostnadsmässigt
Johannesson et al. (2004, s. 128) skriver att evalueringsförfarandet ska vara ett sätt att bestämma ett värde på varje alternativ i förhållande till de krav och önskemål som var formulerade i kravspecifikationen. På samma sätt beskriver också Pahl et al. (2005, ss. 104-111 & ss. 184-185) evalueringen då en viktning där också sker genom en merittalsberäkning. Från denna kan ett slutgiltigt val göras eftersom alla lösningar och dess ingående vikter har summerats och jämförts.
3 Problemformulering
Bakgrundsstudien och testerna av Transplantern från SIRIUS-projekten visade att en mekanism som kan hantera ett större antal kassetter vid varje påfyllning av plantor vid mekaniserad plantering, skulle bidra till en ökad kostnadseffektivitet. Området som avsågs för utveckling specificeras och ringas in med hjälp av antaganden och avgränsningar. Problemrymden för mekaniserad plantering visualiseras i Figur 13. Figuren visar hur de olika områdena hör samman och vilken typ av lösning de rymmer. Rött område avser examensarbetet.
Figur 13. Rött område, längst till höger, inkluderar det område projektet avser. Område 2 visualiserar det område som kräver arbete som utvecklar samarbetet mellan Transplanter och Mag-Mat.
Examensarbetet har två huvudspår. Det ena spåret avser detaljlösning för att öka kostnadseffektiviteten hos mekaniserad plantering i form av en magasin-lösning Mag-Mat. Det spåret syftar till att, parallellt ta fram ett koncept för ett framtidsscenario där två eller flera planteringshuvuden ska förses med plantor. Konceptstudien baseras på detaljlösningen.
Examensarbetets två riktningar visas grafisk i Figur 14 nedan, dock ligger stor vikt på en fungerande detaljlösning.
Figur 14. Examensarbetets olika spår: detaljlösning, och konceptstudie, visualiseras grafiskt i figuren.
Examensarbete MAG-MAT
Detaljlösning För positionering av
kassett och utmatning av planta
Positionerare, kassett Magasin
Konceptstudie För magasinering och
frammatning av kassetter och plantor
Flerhuvudslöning, idéer Enklare framtidsanalys
Leverabler detaljlösning
Detaljerat ritningsunderlag
Virtuell 3D-prototyp visualisera koncept
Enklare kostnadsanalys
Leverabler konceptstudie
Konceptskisser Diskussion och rekommendation
Markberedare Planterings-
aggregat
Siriusprojekt Transplanter
Examensarbete Magasin/Matare
Mag-Mat
1 2
3.1 Kriterier för detaljlösning
För att koncentrera arbetet formulerades de förutsättningar och begränsningar som ansågs nödvändiga som ett antal antaganden och avgränsningar. Kriterierna avsåg även precisera arbetet och hålla det innanför ramarna för vad som ansågs rimligt i förhållande till avsatt tid.
3.1.1 Antaganden
Med grund i de studier som gjorts under utvecklingen av Transplantern under SIRIUS-projekten för SLU 2009/2010 baserades vidareutveckling av positionering och frammatning av kassetter och plantor på följande antaganden:
Uttryckningen av plantansker från baksidan av kassetten.
För uttryckning avses: 5 eller 8 plantor per rad beroende på om kassetten hanteras på högkant eller inte.
Kassetterna är fullständigt kompletterade; samtliga plantor i kassetten är planteringsdugliga.
Kassett-typen BCC AB’s HIKO V93 avses.
Vinkeln av kassett vid uttryckning varierar mellan 45° och 80° mot horisontalplanet för att undvika att plantor ramlar ur under all annan tid än uttryckningstillfället. Detta enligt resultat från empiriska tester som utförts på Transplantern.
3.1.2 Avgränsning
För utveckling av magasinering och frammatning av kassetter, samt uttryckning av täckrotsplantor ur dessa görs följande avgränsningar:
Inga hållfasthetsberäkningar harutförts då maskinen inte antas utsättas för laster i närheten av materialens sträck- och/eller brottgräns.
Ingen FEM-analys utförs.
Principen för omhändertagandet av den uttryckta plantan görs till en fålla lik den som utvecklats under SIRIUS-projektet 2009/2010. Ingen vidareutveckling sker i det området för konstruktionen.
Områdesanalysen utgör tillsammans med antaganden och avgränsningar grunden till den kravspecifikation, se kapitel4.
4 Kravspecifikation
Utifrån bakgrundsfakta som togs fram under SIRIUS-projektet 2010, samtal med inblandade parter och områdesstudie upprättades en kravspecifikation. Kriterierna delades upp i krav och önskemål enligt Tabell 1, och kan sammanfattats enligt:
”En produkt skall konstrueras (med krav och önskemål enligt Tabell 1) där plantkassetter av typen HIKO V93 laddas i maskinen och varje planta individuellt lyfts ur respektive kassett för att planteras enskilt i ett planteringsrör på ett aggregat för mekanisk plantering. Maskinen arbetar simultant ett kranmonterat aggregat för mekanisk plantering. Nettovikten på maskinen överstiger inte 300kg. 8 kassetter skall kunna laddas per tillfälle och varje planteringscykel tar under 8 sekunder. Kostnaden för maskinens tillverkning bör inte överstiga 100000 SEK”.
Tabell 1. Krav och önskemål satta för konstruktionen av detaljlösningen ”Mag-Mat”.
Kravspecifikation för
automatiserad positionering och fram-matare av planterings- kassett för automatisk plantering
MAG-MAT
Utfärdad2010-09-29
Datum för ändring
Krav: K
Önskemål: Ö
Specifikation
Ändring
utförd av
1. Geometri
2010-09-29 K Grävmaskinens svängrum påverkas inte av konstruktionens omfång.
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen medger erforderligt synfält för optimal manöverförmåga av maskinen.
Emelie & Håkan
2. Kinematik
2010-09-29 K Konstruktionens cykeltid överstiger ej 8 sekunder.
Emelie & Håkan
3. Krafter
2010-09-29 K Konstruktionen motstår krafter och
vibrationer som uppkommer under planteringsprocessen.
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen motstår krafter med ursprung i sig själv.
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen medger kassetter med massan Emelie & Håkan
4. Design och konstruktion
2010-09-29 K Rationell konstruktion. Emelie & Håkan
2010-09-29 K Standardkomponenter används så långt som möjligt.
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen skall medge full kompatibilitet med intakta exemplar av kassettsorten HIKOV93
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen är direkt monterbar på BrackeP11
Emelie & Håkan
2010-09-29 Ö Konstruktionen är med mindre modifikationer monterbar och användbar på ECO-Planter, M- Planter och Silva Nova
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Tidsåtgång för lossning och återfyllning av kassetter är mindre än 5 minuter
Emelie&Håkan
2010-10-20 K Konstruktionen skall kunna hålla och använda minst8 kassetter per laddningstillfälle
Emelie & Håkan
2010-10-06 Ö Konstruktionen är designad på ett sätt som verkar självrengörande
Emelie & Håkan
2010-10-06 Ö Konstruktionen medger samtliga av
marknadens mest använda kassetter;
Starpot, S120, S50, S60 Jackpot
Emelie&Håkan
2010-10-06 Ö Halv-automatisk påfyllning av kassetter Emelie&Håkan
5. Signaler
2010-10-06 Ö Tydlig feedback och översikt över planterings- processen
Emelie&Håkan
6. Drivkälla
2010-09-29 K Konstruktionens drivkälla/or medger
kompatibilitet för något av följande:
24V likström 6bar pneumatik 100bar hydraulik
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen skall tillverkas av relativt billigt material
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen kan köras i spannet Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen tål nordiskt utomhusklimat Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionens bruttovikt understiger 300kg Emelie & Håkan
7. Plantansegenskaper
2010-09-29 K Konstruktionen kan hantera plantor av både gran(Piceaabies) och tall (Pinus sylvestris)
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionen skall kunna hantera plantor i längdspannet
Emelie & Håkan
8. Säkerhet
2010-09-29 K Konstruktionen är säker att hantera, underhålla och återfylla ur hälsosynpunkt
Emelie & Håkan
9. Skötsel/underhåll
2010-09-29 K Konstruktionens dagliga underhåll understiger 15 minuter.
Emelie & Håkan
2010-09-29 K Konstruktionens förväntade livslängd är ≥5 år. Emelie & Håkan
10. Produktion
2010-09-29 K Den totala materialkostnaden för färdig produkt överstiger ej 100000SEK
Emelie & Håkan
5 Konceptutveckling
Examensarbetet utgörs av en detaljerad lösning som konstruktionslösningar baserade på sub- funktionerna S1, S2….S7, beskrivna iFigur 15. Parallellt genereras och utvärderas lösningar och koncept för en två-huvudslösning.Processens förfarande var iterativt och avsåg minska antalet lösningar, samt förfina dem.
5.1 Generering av detaljlösningar
För att på ett strukturerat sätt kunna avgöra vilka områden detaljlösningen börbestå av, samt på vilket sätt de hör ihop inleddes det kreativa arbetet med att göra en mind-map, se Figur 15. De olika sub-funktionerna sorterades in i ett hierarkiskt träd och benämndes S1, S2…S7. De olika funktionerna symboliserar de områden/funktioner som är absolut nödvändiga för att maskinen ska fungera enligt kravspecifikationen. Ingentingkantas bort utan att konceptet faller, inget ska heller kunna läggas till utan att bli överflödigt.
Figur 15. Hierarkiskt träd över de kritiska funktioner som definierar konstruktionen.
För att undvika genereringav idéer som begränsar de mekaniska funktionerna utifrån fel kriterier upprättades ett cirkeldiagram enligtFigur 16.Där beskrivs problemet utifrån kärnan, det vill säga uttryckningen av plantan för att kunna plantera den i marken. Utifrån kärnan fördelas sedan de segment som så småningom leder till det manuella bytet av kassetterna, samt signalsystemet som berättar för operatören att magasinet är tomt, och behöver bytas ut.
De olika sub-funktionerna placerades där de närmast hörhemma. Utifrån figuren går detdärefteratt utläsa vilken av sub-funktionerna som ligger närmast kärnan, och somdärmedärmest strategisk att utgå ifrånkonstruktionsmässigt. Enligt figuren bör alltså Sub-funktion 1, S1,utgöradet område som de andra sub-funktionerna vilar på.
Figur 16. Cirkeldiagrammet visar hur de olika sub-funktionerna är fördelade med avseende på närhet till kärnfunktionen
”Uttryckning av planta”.
MAG-MAT
S3 - Passiv kassetthantering - Förvara kassetter - Transportera från och till S2
S4 - Manuell kassetthantering
S2 - Aktiv kassetthantering - Byta kassett, förbered för S1
övertagande
S1 - Planthantering -Ny potta -Centrera för uttryckning
-Uttryckning
S7 - Styrning S5 - Skydd
S6 - Drivkälla
Interaktion operatör Kassettbyte
Passiv kassett- hantering
Aktiv kassett- hantering
Uttryckning av planta
S4
S5 S6 S7
S3
S1
S2
5.1.1 Kreativa metoder
Det kreativa arbetet stöttades av flertalet metoder som på olika sätt angrep problematiken kring Mag-Mat. De olika arbetssätten resulterade i ett stort urval av alternativ och idéer som sedan utvärderades och gallrades till ett reducerat antal koncept. Slutligen vidareutveckladesdekoncept, som visade sig hastörst potential. Uppgifterna utfördes både individuellt och gemensamt.
Arbetsföljden visas i hierarkiskt träd, Figur 17.
Figur 17. Figuren beskriver hur det kreativa arbetet går från stort antal lösningar till en slutgiltig lösning.
Brainstorming
Målsättningen var inledningsvis att noggrant utforska varje sub-funktionsområde (S1, S2…S7) med hjälp av brainstorming. Tidsbegränsade, både korta och långa sessioner med brainstorming syftade till att pressa deltagarna till att fundera både på de mest uppenbara lösningarna samt sådant som krävde mer fantasi och tid. De korta sessionerna genomfördes med hjälp av post-its. Deltagarna fick 3-5 minuter på sig att fritt skissa på post-its inom varje sub-område. Därefter gallrades kopior och uppenbart ogenomförbara idéer bort. De långa sessionerna genomfördes gemensamt. Eftersom prototypen Transplantern som utvecklats under SIRIUS-projektet 2009/2010 var tillgänglig, var det praktiskt att utifrån denna diskutera och visa idéer om förändringar och förbättringar. Prototypen fungerade också som en bra referens till storlek och placering, samt uppskattning av godstjocklekar och hållfasthet. De idéer som genererades och de problem som upptäcktes nedtecknades simultant och utgjorde en bred grund för vidare arbete.
Inga krav fanns på de idéer som i detta tidiga stadie fram, allt var tillåtet under denna brainstorming.
Antalet upprepningar bestämdes på förhand och resulterade i ett stort antal, både realistiska och mer oväntade originella lösningar.
Brainstorming-tekniker användes upprepade gånger för att vidareutveckla de koncept som föll ur evalueringen under projektets gång.
Idé-matriser
Specifikation
Identifiera de essentiella problemen Upprätta/identifiera underfunktioner/subfunktioner Kombinera principiella lösningar som
fungerar ihop till varianter Välja ut de bäst fungerande
varianterna Förfina valda varianterna
Evaluera m.h.a.
merittalsberäkn.
Koncept- val
En idé-matris (Pahl &Beitz, 2005)användesi ett tidigt stadie för att på ett överskådligt sätt, med hjälp av bilder och text, visa de olika principlösningar som genererats inom respektive sub- funktionsområde (se bilaga A). Matrisen låg sedan till grund för kombinationerna av olika rader med kolumner till olika lösningsalternativ. De olika kombinationerna av lösningsalternativ benämns härefter ”Varianter”.Idé-matrisen var ett effektivt och överskådligt sätt att skapa lösningar som på ett tydligt sätt angav vilka idéer som fungerade tillsammans. Varianterna blev schematiska skisser som hela tiden utvecklades och blev mer detaljerade under tiden som projektet fortskred.
Fokusgrupp
För att vidga designrymden och minskarisken för inskränkta idéer, kan externa personer, i det här fallet studenter vid LTU, delta i projektets kreativa arbete. Deltagarna tilldelades papper, penna, tillgång till Transplantern samt en kassett av typen HIKO V93. Deltagarna delges bara den information som anses nödvändig för att lösa en viss del av problemet. Utifrån dessa premisser uppmanades de sedan, under fria former, att först fundera själva för att sedan arbeta tillsammans.
Idéerna nedtecknades på papper av deltagarna själva, samtidigt som försöksledarna hela tiden passivt lyssnade och antecknade arbetet på avstånd.
5.2 Utvärdering och val
Under utvärdering och val av koncept användes ett antal metoder på både individuell och gemensam nivå. Evalueringen baserades på kriterier i kravspecifikationen och även spontana frågor som uppkom under arbetet. De spontana frågorna avsåg lämna utrymme för att kravspecifikationen kunde behöva uppdateras under arbetets gång utifall nya, oförutsedda upplysningar tillkom.
Utvärdering och val utfördes på ett iterativt sätt och resulterade hela tiden i färre och mer genomarbetade koncept. Slutligen återstod endast ett koncept som viktats fram med hjälp av de mervärdeskriterier som hade sitt ursprung i de önskemål som noterats i kravspecifikationen.
5.2.1 Evalueringsmetoder
För att på ett tillåtande sätt sålla fram den bästa lösningen användes både vetenskapliga och egna evalueringsmetoder.
Individuell betygssättning
De olika varianter som genererats ur diverse kreativa metoder utvärderades till att börja med på ett individuellt plan. För- och nackdelar diskuterades sedan gemensamt vartefter de svagheter som påpekats åtgärdades i så stor utsträckning som möjligt om dessa ansågs relevanta. Korrektionerna syftade till att lyfta varje koncept till en nivå som ansågs genomarbetad relativt utvecklingsfasen, samt för att undvika onödigt extra arbete längre fram i processen.
Beslutsdiagram
För att bedöma de olika varianternas potential och mognadsgrad relativt den tillgängliga tiden utvärderades koncepten i ett beslutsdiagram (se bilaga B). Detta gjordes för att ytterligare bedöma varianternas svagheter och styrkor inför nästa steg i processen. Frågorna i beslutsdiagrammet formulering baserades på kravspecifikationen och gav svar på frågor som var essentiella för att kunna fortsätta med konstruktionen.Frågorna besvarades med ”+”,” –”, eller” ?”. När samtliga frågor besvarats summerades antalet plus och minus och de koncept med flest plus och minst frågetecken valdes ut för ytterligare förfining.
012-matris
En 012-matris (Pahl et al. 2005) används för att ge vikter till önskemålen, det vill säga de mervärden som utmärker ett koncept från ett annat. För projektet användes matriser i två olika nivåer. Den första nivån innehåller övergripande önskemål. Önskemålen jämfördes mot varandra; två poäng ges utifall önskemålet anses viktigare än det jämförda. Noll poäng ges utifall önskemålet anses mindre viktigt än det jämförda. Utövaren tvingas välja noll eller två även om egenskaper kan anses väldigt lika varandra i värde vilket uppmuntrar till diskussion och längre gångna tankar på funktionerna i en mekanism. Vikten faller ut genom att summera önskemålets poäng och därefter dividera med summan av totalpoängen.Tabell 2 visar viktning av fösta ledet i önskemålsträdet, se Figur 18.
Tabell 2. Viktningsmatris där önskemålen ställs mot varandra rad mot kolumn.
ÖNSKEMÅL
Tillgänglig Högtantalka ssetter
Användar- vänlig
Billigatttillv
erka Kompatibel ∑ Vikt
Tillgänglig 1 2 2 2 2 9 9/25=0,36
Högtantalka
ssetter 0 1 2 2 2 7 7/25=0,28
Användar-
vänlig 0 0 1 0 2 3 3/25=0,12
Billigatttillve
rka 0 0 2 1 2 5 5/25=0,2
Kompatibel 0 0 0 0 1 1 1/25=0,04
Den andra nivån utgörs av en uppdelning av de övergripande önskemål som återfinns i önskemålsträdet, seFigur 18.Vikterna från 012-matrisen sätts in önskemålsträdet(Pahl et al. 2005).
För att önskemålen på den andra nivån ska tilldelas sin rätta vikt, multiplicerades dess procentuella vikt med den första nivåns procentuella vikt. Till exempel multiplicerades önskemålet
”Tillgänglighet” med ”Hög precision” enligt: 0,36*0,49=0,18.
Figur 18. Önsketräd med viktning.V%, står för den procentuella vikten ochVv står för det viktade värdet.
5.2.2 Vinnande varianter
De fyra starkaste varianternai beslutsdiagrammet utvecklades ytterligare. Varianterna synades också på eventuella oklarheter, det vill säga de områden som markerats med ett ”?” klarades upp, och nya tydligare skisser gjordes med förklarande texter och pilar. Skisserna användes sedan som presentationsmaterial och diskussionsunderlag i diverse möten och samtal med beställare för examensarbetet, samt med handledare.De olika skisserna utgjorde också en god grund för att visualisera koncepten under interna diskussioner, uppdelning av arbete och upprättandet av sammanställnings-träd, se Figur 23.
De olika varianterna har alla ett roterande magasin. Fördelarna med detta är bland annat, att en mer exakt positionering vid kassettbytekan åstadkommas utan att kassetten själv behöver transporteras i någon ledd (x,y, z). Det vill säga, ingen extra rörelse krävs för att placera kassetten i förhållande till uttryckningsmekanismen eftersom kassetten hela tiden befinner sig på ett exakt avstånd från centrum av den roterande rörelsen, detta värderades mycket högt eftersom precisionen är viktig och svår att uppnå på grund av de kraftiga vibrationer som uppstår under drift. Däremot är, till exempel, samtliga fastsättningsanordningar (S4) olika. De olika del-lösningarna från idé-matrisen presenteras tillsammans med respektive principskiss vidare nedan.
MAG-MAT
Tillgänglighet
V %=0,36 Vv=0.36
Hög precision
V %=0,49 Vv=0.18
Skydd från omgivning
V %=0,08 Vv=0.03
Lite underhåll
V %=0,44 Vv=0.16
Få kassettbyten/te*
V %=0,28 Vv=0.28
Stort kassettmagasin
V %=1 Vv=0.28
Användarvänlig
V %=0,12 Vv=0.12
Enkel manuell återfyllning
V %=0.9 Vv=0.11
Säker för användaren
V %=0,1 Vv=0.012
Billig att tillverka
V %=0,20 Vv=0.20
Många standard- komponenter
V %=0,35 Vv=0.07
Billigt material
V %=0,23 Vv=0.046
Få komplexa komponenter
V %=0,42 Vv=0.084
Kompatibel
V %=0,04 Vv=0.04
Monterbar på olika maskiner
V %=1 Vv=0.04
*Tidsenhet
Variant #2
Magasinet med 8 kassetter är fyrkantigt med två liggande kassetter för varje kant. Kassetterna är fastsatta i en form som exakt följer kassettens yttre struktur. Denna form sitter i över- och underkant av kassetten och syns i Figur 19, i rött. Centreringen utförs av en liten tratt på baksidan av kassetten för varje potta i raden. Denna tratt passar mot varje pottas avfasade nederkant.Depopper-hanteringen innehåller 5 stycken depopper-cylindrar som flyttar sig på en räls i x-led längs kassetternas baksida. Då sidan ska bytas på det kvadratiska magasinet kan hela depopper-hanteringen förflyttas längst ut på rälsen, ur vägen för magasinets roterande rörelse. På så sätt är det möjligt att undvika kollision med depopprarna vid kassettbyte.
Figur 19. Principskiss för variant #2.
OBS! S1 Fålla enl. koncept #7 om tester visar att fållan måste röra sig i Y.
S1 S2 S3 S4
S5 S6 S7
Variant #7
I variant 7, Figur 20, är kassetterna stumt fastsatta i vinkel i en roterande karusell med ca 10 kassetter. Fastsättningen görs med en ”kassettband”-princip. Kassetten har fastsatts mot en
”cupcake”-form som centrerar varje potta i respektive hål i formen. Kassetterna sitter med långsidan neråt. Varje kassett byts med hjälp av att undersidan av magasinet, på vilken kassetterna sitter fastsatta, är lagrad och kan snurra. Mittennavet är tomt för att ge plats åt fållan och tratten.Depopperhanteringen kan föras i x-led för att byta rad. För att fållan ska kunna befinna sig på samma rad som depopper-hanteringen befinner sig, är dessa kopplade till varandra, de rör sig alltså likadant på vardera sida om kassetten. Tratten bör kunna medge att plantan fälls ner lite ur centrum. Depopper-pinnarnas spets är avrundad, och dessa är inställda för ”cupcake”-formen.
Figur 20.Principskiss för variant #7.
S1 S2 S3 S4
S5 S6 S7
Variant #10
8 eller 10 kassetter fästs i ett roterande magasin. Kassetten är fastsatt mot en ”cupcake”-form som centrerar varje potta i respektive hål. Kassetten sitter fastlåst med ett lås som användaren med en spak kan låsa upp och fast. Pinnar som förs i hål på kassettens framsida säkerställer att kassetten sitter stabilt. Varje kassetthållare har en särskild kuggstångs-anordning fastsatt i sig. Denna gör att kassetten kan föras uppåt och neråt.En motor som kan föras i och ur kontakt kör den upp och ner vid depopper-stationen. Depopper-pinnarna är avrundade pinnar som är inställda för ”cupcake”- formen. Varianten visas i Figur 21 nedan.
Figur 21. Principskiss för variant #10.
S1 S2 S3 S4
S5 S6 S7
Variant #11
Variant #10, se Figur 22, har ett magasin med liggande kassetter för att säkerställa att plantorna sitter kvar. Varje kassett har en form med inbyggda hjul för att kunna föras i lister som i sin tur kan vinklas för att kassetten ska få den vinkel som behövs för att depopprarna ska komma åt och så att fållan kan ta emot plantan bra. En ”cupcake”-form eller ett gumminät gör att kassetten sitter stadigt.
Vid depopper-stationen vinklas kassetten upp med hjälp av listerna som sitter i ett gångjärn i nederkant. Med depopper-hanteringen som ”motor” förs både depopprarna i läge och kassetten hamnar i rätt vinkel.
Figur 22. Principskiss för variant #11.
S1 S2 S3 S4
S5 S6 S7
5.2.3 Slutligt val av koncept
De fyra varianterna passerade alla kravspecifikation och beslutsdiagram. För att skilja det bästa lösningsförslaget från övriga viktades dessa fyra varianter med hjälp av en merittalsberäkning(G.
Pahl et al. 2005), se Tabell 3. De tio kriterierna baseras alla på önsketrädet, som i sin tur baseras på önskemålen i kravspecifikationen och utgör de mervärden konstruktionen kan förväntas ha.
Merittalsberäkning
Tabell 3. Tabellen visar viktningen av de fyra vinnande koncepten. Tabellen baseras på mervärden från önsketrädet.
Kriterie
# Vikt
Parameter
Enhet
Variant #2 M V VV
Variant #7 M V VV
Variant #10 M V VV
Variant #11 M V VV
1
Hög precision 0.18 Antalet träffar St H 4 0,72 H 4 0,72 H 4 0,72 H 4 0,72 2 Skydd från
omgivning 0.03 Skyddsnivå - M 3 0,09 M 3 0,09 H 4 0,12 H 4 0,12
3 Lite underhåll 0.16 Underhåll Tid M 3 0,48 L 2 0,32 M 3 0,48 L 2 0,32
4 Stort
kassettmagasin 0.28 Antal medgivna
kassetter St L 2 0,56 L 2 0,56 M 3 0,84 H 4 1,12
5 Enkel manuell
återfyllning 0.11 Användar-
vänlighet - H 4 0,44 H 4 0,44 L 2 0,22 H 4 0,44
6 Säker för
användaren 0.012 Skyddsnivå - H 4 0,048 H 4 0,048 M 3 0,036 H 4 0,048
7 Många standard-
komponenter 0.07 Antal standard-
komponenter St M 3 0,21 M 3 0,21 M 3 0,21 M 3 0,21
8 Billigt material 0.046 Material-kostnad Kr H 4 0,184 H 4 0,184 H 4 0,184 H 4 0,184
9 Få komplexa
komponenter 0.084 Antalet komplexa
komponenter - M 3 0,252 M 3 0,252 M 3 0,252 H 4 0,336 10 Monterbar på
olika maskiner 0.04 Monterbarhet - M 3 0,12 M 3 0,12 M 3 0,12 M 3 0,12
∑ ∑V=1 3,10 2,94 3,18 3,62
Valet av variant föll på Variant #11 efter viktning av alla varianter i beslutsdiagrammet. Med 3,62 poäng i diagrammet vannVariant #11 över Variant #10 med 0,44 poäng. Konceptet, Variant #11, fick ca 12% högre poäng än Variant #10. Med denna relativt stora skillnad i poäng kunde Variant #11 väljas utan ytterligare iterationer av valmetoderna.
Då kassetter används till att fylla planteringsmaskinen måste dessa hämtas från sidan av grävmaskinen där en lagringsstation finns. Enligt Erssons studiefrån 2010 tar det i snitt20 sekunder enkel väg att hämta nya kassetter genom att gå ifrån planteringsmaskinen till lagringsplatsen.
Samma antas gälla för tillbakavägen.Ett antagande kan göras att det tar samma tid att förflytta fyra kassetter jämfört med två, eftersom en person har möjlighet att samtidigt bära fyra kassetter. Detta betyder alltså att tio kassetter i ett magasin jämfört mot åtta kassetter ökar varje återfyllningstid med 40 sekunder, trots att föraren bara bär två kassetter. (En tanke kan dock vara att det går snabbare att montera kassetterna när man endast har 2 i handen istället för 4 st., eftersom det kan bli mer en komplicerad återfyllningsprocedur med 4 kassetter,men denna teori bortses ifrån för att kunna göra en jämförelse.)Man kan anta att monteringstiden är oväsentlig eftersom det för att avsluta planteringen av ett likadant hygge alltid måste placeras lika många kassetter i maskinen.En ökning av magasinstorlek medför att maskinen inte behöver stanna lika många gånger på ett hygge, och kan därigenom tjäna in tid. Om planteringsmaskinen kan sätta 320plantor (åtta kassetter) per
tillfälle,behövs 19 stopp på medelhygget på 3ha med 2000 plantor/ha. Med en magasinstorlek på 10 kassetter kan stoppen minskas till 6000/400=15 stycken.
Ett stopp av maskin kräver enligt Erssons studie i genomsnitt 84 sekunder från att föraren slutar plantera till att föraren återigen kan börja plantera, bortsett den tid det tar att återfylla planteringsaggregatet. Ett 8 kassetters magasin istället för 10,tar det, med de tre extra stoppen 84*3 sekunder, alltså ytterligare 252 sekunder för ett medelhygge. Med ett 10 kassetters magasin har man istället 40 sekunder extra per laddningstillfälle. Detta ger en total extra tidsåtgång på 40*15=600 sekunder på medelhygget. Denna jämförelse pekar alltså på att ett magasin med 10 kassetter gör att man tappar 600-252=348 sekunder eller nästan 6 minuter per medelhygge.
6 Detaljkonstruktion
De 7 sub-funktionerna S1 till S7,nyttjades vidare i konstruktionsfasen och delades också upp ytterligare. En ”Top down-metod” användesgenom att först namnge de filer som skulle skapas(cad.luth.se/education). Detta gjordes genom att namnge den högsta sammanställningen av filer i trädet och sedan gå neråt för att slutligen komma till grundfilerna, ”parter”. Detta gjordes för att redan från början ha en översikt av alla delar som skulle konstrueras. Figur 23 visar ett konstruktionsträd visar hela produkten, inkluderat Bracke P11.
Figur 23. Konstruktionsträd, enligt ”top-down”.
Konstruktionsträdet gav en grov plan över vad som skulle skapas och arbetet med att fylla filerna med parter kunde börja. Arbetet underlättades av attBrackesP11 som tillhandahållits i CAD-format, på vilken konstruktionen kunde baseras. CAD-modellen underlättade även arbetet genom att tydligt visualisera bredd och höjd för Mag-Mat vid montering. HIKO V93-kassetten modellerades också upp som en ”dummie” från vilken mycket av konstruktionsarbetet utgick.
MAG-MAT
Mottagare
Fålla
Drivkälla
Placeringsmek. Drivkälla
Raket
Depopper-
mekanism Cylindrar
Ram
Rack
CupCakeForm
Rörelsemekanism
Karusell
Botten Fäste P11
Drivkälla Karusell
Topp Fäste Rack
Positionering Rack
Skydd Kåpa Karusell
Bana
Transportskena
Kedjekonstruktion Drivkälla mata P11/aggregat
