Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2015

39

KONCEPCJA WIELOFUNKCYJNEGO URZĄDZENIA DO MONTAŻU ZAWORÓW PNEUMATYCZNYCH

Wojciech BABIRECKI, Małgorzata ŚLIWA

S t r e s z c z e n i eW artykule przedstawiono spojrzenie autorów na modułowość w projektowaniu inżynierskim. Wyróżniono i scharakteryzowa-no modułowość konstrukcyjną i technologiczną w zastosowaniu do maszyn technologicznych. Zaprezentowano modułowe podejście do projektowania urządzenia służącego do montażu pneumatycznych zaworów kontrolnych. Urządzenie, zgodnie z założeniami, ma realizować automatyczny proces montażu zaworów, w krótkim czasie, przy sporadycznym udziale operato-ra. Ponadto, jego konstrukcja ma umożliwiać montaż kilku typów podobnych zaworów z tej samej rodziny, oraz – po wymianie i uzupełnieniu oprzyrządowania – również innych podobnych konstrukcyjnie elementów pneumatyki. Zastosowano więc mo-dułową budowę urządzenia, umożliwiającą w krótkim czasie jego przezbrojenie na potrzeby realizacji procesu montażowego szerokiego zbioru podobnych zaworów. Zaprezentowano zastosowane modułowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne, umożliwiające realizację procesu montażowego. Modułowość konstrukcyjna w projektowanym urządzeniu to przede wszyst-kim typowe podzespoły realizujące napęd, dozowanie części montowanego zaworu, przemieszczanie montowanych detali pomiędzy poszczególnymi gniazdami montażowymi oraz proces kontroli poprawności montażu. Modułowość technologiczna z kolei to możliwość wymiany poszczególnych gniazd montażowych, zmiany położenia i pozycji kolejnych modułów dozujących poszczególne części, czy wreszcie możliwość dowolnego przemieszczania czy wręcz wymiany poszczególnych modułów mon-tażowych. Wykazano, że tak zaprojektowane urządzenie, po niewielkich zmianach i modyfikacjach oprzyrządowania, będzie mogło w przyszłości realizować proces montażu wielu podobnych elementów. Podejście takie jest ze wszech miar korzystne, gdyż umożliwia rozszerzenie asortymentu produkcji przedsiębiorstwa, bez dodatkowych znaczących nakładów inwestycyjnych na realizację procesu montażu.

S ł o w a k l u c z o w emodułowość, montaż, pneumatyka, projektowanie

1. Wprowadzenie

Dynamizm w rozwoju małych i średnich firm sektora produkcyjnego wymaga elastycznych rozwiązań. Przed-siębiorstwa te, poprzez ograniczone zaplecze maszyn wysoko zautomatyzowanych, wykazują w tym obszarze znacznie większy potencjał. Wynika to częściowo z racji ograniczonych funduszy i stosunkowo dużych nakładów przeznaczonych na zasoby ludzkie.

Przedmiotowy artykuł powstał na bazie metodyki wdrożonej w małej, 50-osobowej firmie produkcyjnej, z rynku automotive. Opracowana przez własne zaplecze konstrukcyjne idea wykorzystuje elastyczne i wielofunk-cyjne podejście w montażu podobnych sobie, niewielkich elementów stosowanych w układach pneumatycznych. Przytoczone rozwiązanie wykazuje się prostą, nieza-wodną konstrukcją, zadowalającą efektywnością, a co najważniejsze możliwościami adaptacyjnymi w obsłudze zróżnicowanych produktów.

Celem konstruktorów było stworzenie konstrukcji mini-malizującej ponoszone koszty, przy zachowaniu wysokiej wydajności i jakości. Zdecydowano więc, że idealnym rozwiązaniem odpowiadającym potrzebom byłyby szero-ko pojęte systemy modułowe.

2. Modularyzacja

Stosowane od lat szczegółowe zasady konstruowa-nia zostają dziś przewartościowane – na pierwszy plan wysuwa się aspekt kosztowy przedsięwzięcia projekto-wego. Stąd działania konstruktorów w kierunku szeroko pojętej modularyzacji konstrukcji. W przypadku opraco-wywania idei montażu zaworów – podobne podejście towarzyszyło pracownikom B&R. Pojęcie modularyzacji zastosowano w dwóch zasadniczych ujęciach [1]:a) modułowość konstrukcyjna

Tu rola konstruktora sprowadza się w zasadzie do zaprojektowania funkcji urządzenia oraz określenia całości konstrukcji składającej się z typowych czę-ści i podzespołów [2]. Już nie tylko tzw. normalia, ale wiele innych elementów, takich jak: napędy, przekład-nie, elementy wykonawcze, typowe części maszyn, dobiera się z katalogów i kupuje celem wdrożenia w opracowywanej konstrukcji. Dużą pomocą dla kon-struktorów w tym względzie jest ostatnio zauważana tendencja do udostępniania przez wytwórców szcze-gółowych rysunków technicznych, wraz z modelami CAD 3D oferowanych elementów i zespołów. Większość

TiAM_3_2015_szary.indd 39 2015-09-14 14:24:30

3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

40

konstrukcji ruchomej składa się z typowych części i pod-zespołów, które w razie potrzeby łatwo można serwiso-wać, czy wymienić na nowe. Zakupiona część/element produkowana przez wyspecjalizowaną firmę na skalę masową będzie tańsza niż wykonanie jej we własnym zakresie.b) modułowość funkcjonalna

Ten rodzaj modularności opisuje cechy maszyny, które umożliwiają jej wielofunkcyjne zastosowanie. Uwzględ-nia się tu jej adaptację do obsługi wielu podobnych konstrukcyjnie wyrobów, jak też szybkie, niegenerujące znacznych kosztów przezbrojenie na inny rodzaj wytwa-rzanego wyrobu.

3. Koncepcja modułowego urządzenia montażowego

Idea modułowości konstrukcyjnej, jak i funkcjonalnej, zostanie zaprezentowana na przykładzie koncepcji auto-matycznego urządzenia technologicznego, służącego do montażu pneumatycznych zaworów kontrolnych.

3.1. Charakterystyka montowanego obiektuOpracowywane urządzenie montażowe, dedykowane

jest produkcji zaworu kontrolnego, zwanego również „te-stpointem”. Stanowi on element pneumatyki hamulcowej, występujący w każdym samochodzie ciężarowym czy w naczepie. Gotowy wyrób składa się z sześciu elemen-tów przedstawionych na rys. 1 [3].

Rys. 1. Przykładowy zawór kontrolny; 1 – korpus zaworu, ma-teriał: mosiądz, 2 – tłoczek zaworu, materiał: poliamid z włók-nem szklanym, 3 – o-ring tłoczka, materiał: NBR, 4 – sprężyna, materiał: stal sprężynowa nierdzewna, 5 – uszczelka korpusu, materiał: NBR, 6 – pierścień sprężynujący, materiał: poliamid z włóknem szklanymFig. 1. The example of control valve; 1 – the valve bod, material: brass, 2 – the valve piston, material: polyamide with glass fiber, 3 – piston’s gasket, material: NBR, 4 – spring, material: stainless spring steel, 5 – body valve’s piston, material: NBR, 6 – spring ring, material: polyamide with glass fiber

3.2. Koncepcja technologicznego urządzenia montażowegoNa etapie projektu określono założenia charakteryzu-

jące urządzenie [4]: – linia montażowa o wydajności min. 4 zaworów/mi-

nutę, – możliwie duży stopień automatyzacji ograniczający

pracę operatora (maks. 1 pracownik), – zakładana koncepcja liniowa,

– napęd przenośnika linowego realizowany za pomocą silnika krokowego,

– układy dozujące – konstrukcji własnej, napędzane pneumatycznie,

– całość sterowana modułem sterującym, opartym na sterowniku PLC,

– elementy montowanego zaworu podawane za po-mocą podajników wibracyjnych.

Na podstawie powyższych założeń opracowano kon-cepcję urządzenia, przedstawioną na rys. 2.

Urządzenie działało według liniowego schematu przedstawionego na rys. 3.

W pierwszym etapie pracy z urządzeniem operator wrzuca luzem do pojemnika podajnika wibracyjnego apli-kowane elementy. Tak więc: do pierwszego korpusy, do następnego – zmontowane uprzednio tłoczki z uszczel-ką typu o-ring, do trzeciego: sprężyny, a do ostatniego pierścienie sprężynujące. Podajniki mają za zadanie przekazanie elementu na szczyt korytka podającego z zachowaniem właściwego ustawienia niezbędnego do aplikacji. Z tego miejsca, element przekazywany jest do układu dozującego (indywidualnie dobrany do kształtu i wagi). Jako ostatni aplikowany jest pierścień sprężynu-jący. Po przejeździe kompletnego zaworu pod modułem dociskowym (rys. 2b) zamontowany wizyjny system kon-troli sprawdza, czy wszystkie elementy składowe są po-prawnie zmontowane. Gotowy wyrób grawitacyjnie wy-pada z obiegu do pojemnika podstawionego przy końcu urządzenia.

Proces montażu jest powtarzany i charakteryzuje się ciągłością, eliminując czynny udział operatora, którego rola sprowadza się do sporadycznego uzupełniania po-dajników wibracyjnych. O konieczności tego zabiegu in-formowany jest za pomocą sygnałów świetlnych i dźwię-kowych.

3.3. Modułowość konstrukcyjna urządzeniaBazą maszyny jest stalowy szkielet, zamknięty od

góry płytą stanowiącą blat. Do konstrukcji wsporczej montowane są poszczególne moduły, będące kolejny-mi zespołami funkcjonalnymi. Źródło napędu to typowy silnik krokowy wraz z przekładnią planetarną. Takie roz-wiązanie umożliwiło zastosowanie silnika o niewielkiej mocy, charakteryzującego się małymi gabarytami i du-żym momentem obrotowym. Następnie moment obroto-wy przekazywany jej poprzez przekładnię pasową zębatą na wał napędzający przekładnię łańcuchową. Łańcuch z kolei wyposażono w gniazda, w których realizowany jest proces montażu. Wszystkie moduły dozujące wy-konane we własnym zakresie, napędzane są typowymi elementami pneumatycznymi. Zastosowano tu siłowniki pneumatyczne, jako część wykonawczą, sterowaną za pomocą odpowiednich zaworów rozdzielających. System aplikacji poszczególnych składowych oparto na: podaj-nikach wibracyjnych i dozujących, doprowadzających pojedyncze elementy zaworu do odpowiednich gniazd z wymaganą częstotliwością. Całość procesu monitoro-

TiAM_3_2015_szary.indd 40 2015-09-14 14:24:30

Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2015

41

wana jest przez zestaw czujników i system wizyjny. Po każdej operacji sprawdza się poprawność jej wykonania, a pozytywny wynik kontroli umożliwia przejście do kolej-nej operacji montażowej. W razie jakiegokolwiek błędu, linia jest zatrzymywana, a operator informowany o źródle konfliktu za pomocą lampek kontrolnych i wyświetlacza LCD. Do sterowania zastosowano typowe komponen-ty elektrotechniczne i elektroniczne, takie jak: zasila-cze, sterownik PLC, modem itp. Urządzenie składa się w znacznej większości z katalogowych elementów zaku-powych – całość stanowi więc konstrukcję modułową.

3.4. Modułowość technologicznaProjektowane urządzenie charakteryzuje się moduło-

wością technologiczną w dwóch obszarach. Pierwszy, to możliwość montażu zbliżonych do siebie konstrukcyjnie i funkcjonalnie zaworów w kilkunastu wariantach. Po-szczególne rozwiązania różnią się wielkością gwintów przyłączeniowych – czyli przede wszystkim kształtem korpusu zaworu. Przezbrojenie urządzenia na inny typ montowanego zaworu z tej samej rodziny będzie wyma-gało jedynie wymiany gniazd montażowych mocowanych do ogniw łańcucha transportowego. Przykładowe gniaz-da dla trzech różnych typów złączy pokazano na rys. 4.

Drugi typ modułowości funkcjonalnej, to opcja reali-zacji zadań montażowych innych wyrobów zbliżonych konstrukcją do pierwotnego zaworu. Pod tym względem urządzenie charakteryzuje się wieloma cechami kon-

strukcyjnymi, sprzyjającymi montowaniu podobnych wy-robów, a mianowicie: – możliwość dowolnej konfiguracji lub dodawania ko-

lejnych modułów montażowych, kontrolnych, dozują-cych, wzdłuż prowadnic przenośnika łańcuchowego,

– regulowana prędkość przesuwu przenośnika,

– regulacja modułów dozujących w dwóch płaszczy-znach (załadunek elementów o innych gabarytach),

– uniwersalne czujniki zbliżeniowe, indukcyjne, z per-spektywą regulacji ich położenia,

– system kontroli wizyjnej, umożliwiający zaprogramo-wanie dowolnego algorytmu kontroli.

Rys. 4. Przykładowe gniazda montażowe dla trzech różnych ty-pów zaworówFig. 4. Examples of assembly seats for three different types of valve

Operacja dostosowania maszyny w momencie za-istnienia konieczności montażu innego typu złącza jest procesem prostym, niewymagającym specjalnych kom-petencji czy wysokich umiejętności. Dzięki temu jest osiągalna we względnie krótkim czasie, przy minimal-nych nakładach finansowych.

a) b)

Rys. 2. a) – ogólna koncepcja urządzenia; b) – widok rzeczywisty urządzenia; 1 – podajnik wibracyjny korpusów, 2 – podajnik wibra-cyjny tłoczka z uszczelką, 3 – podajnik wibracyjny sprężyny, 4 – podajnik wibracyjny pierścienia sprężynującego Fig. 2. General concept of machines (a) and reality view (b); 1 – vibrating feeder for bodies, 2 – vibrating feeder for piston with gasket, 3 – vibrating feeder for springs, 4 – vibrating feeder for spring rings

Rys. 3. Schemat działania urządzenia montażowegoFig. 3. Scheme of action assembly machine

TiAM_3_2015_szary.indd 41 2015-09-14 14:24:31

3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

42

4. Wnioski

Całkowicie zautomatyzowana, a także kompaktowa, łatwa w obsłudze i uniwersalna maszyna montażowa. Istotą rozwiązania jest jego opłacalność i niezawodność odniesiona do podobnej wydajności, osiągniętej przy zatrudnieniu dodatkowych pracowników sekcji monta-żu (szacuje się roczny pay back). Możliwość wymiany gniazd, dostawienia czy swobodnego ustawienia modu-łów dokujących elementy pozwala na stworzenie wielo-funkcyjnego urządzenia bazującego na jednym szkiele-cie i idei.

Modularyzacja stwarza okoliczności ułatwiające na-prawę, eksploatację lub ewentualne dostosowanie nie-zbędnych elementów. Dzieje się tak dzięki użyciu pro-stych rozwiązań konstrukcyjnych oraz typowych części maszyn. Poprzez wykonanie uniwersalnych, dodatko-wych otworów w ramie występuje sposobność pozycjo-nowania modułów w dwóch osiach. Uniwersalny jest również system kontroli jakości wyrobów, a to dzięki mo-dułowi wizyjnemu, którego umiejscowienie wraz z zaczy-tanymi do systemu wzorcami można dopasować do in-dywidualnej potrzeby, zapewniając subiektywną i wysoce skuteczną selekcję braków od wyrobów zgodnych. Taki rodzaj projektowania maszyny stwarza wiele możliwo-ści adaptacyjnych, nie wykluczając dowolnej rozbudowy z ograniczeniem używanej przestrzeni.

LITERATURA

1. Łunarski J., M. Pyć. 2007. „Problem modularyzacji na przykładzie spycharki”. Technologia i Automaty-zacja Montażu (1) : 38–41

2. Palczewski B. 2007. „Modularyzacja w procesach wytwarzania technologicznych systemów do pako-wania”. Technologia i Automatyzacja Montażu (1) : 4–8

3. Babirecki W., M. Śliwa. 2015. Analiza możliwości uruchomienia nowego wyrobu w firmie produkcyjnej na przykładzie producenta pneumatyki motoryzacyj-nej. W Inżynieria produkcji: planowanie, modelowa-nie, symulacja, 115–128. Instytut Informatyki i Za-rządzania Produkcją Uniwersytetu Zielonogórskiego w Zielonej Górze.

4. Szymonowicz P. 2014. Analiza możliwości automa-tyzacji procesu montażu szybkozłącza pneumatycz-nego. Praca dyplomowa magisterska. Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny.

__________________Dr inż. Wojciech Babirecki – adiunkt, Uniwersytet Zie-lonogórski, Wydział Mechaniczny, Instytut Informatyki i Zarządzania Produkcją, Zielona Góra, 65-516 Zielona Góra, ul. Prof. Z. Szafrana 4.Mgr inż. Małgorzata Śliwa – absolwentka, Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Zarządzanie i Inży-nieria Produkcji, Zielona Góra.

CONCEPT OF MULTIFUNCTIONAL MACHINE FOR THE ASSEMBLY OF PNEUMATIC VALVES

A b s t r a c tThe article presents a authors look, at the modularity in the engineering design. Distinguished and characterized modularity in design and technology in using to technology machines. The paper presented a modular approach to the design of assembly machine of pneumatic control valves. The device, according to assumptions, is supposed to carry out the automatic process of the assembly of valves, in the short time, with occasional participation of the operator. Additionally, this construction enables the assembly of a few similar types of valves from the same family, and – after the exchange and supplementing the instrumentation – also other similar elements of the pneumatic market. Machine uses a modular design, enabling in the short time to retool for purposes of implementing the assembly process a wide set of similar valves. In the article presented modular construction and technological solutions, enabling the realization of the assembly process. Modularity design of the proposed device, is primarily implementing typical drive components, the dosage of the part of assembled valve, transferring assembled details between the individual assembly seats and process of checking the correct assembly. The modular technology, on the other hand, is the pos-sibility of exchanging the assembly seats, the change positions of modules dispensing individual parts and finally, the possibility of any movement or even replacement of individual assembly modules. As demonstrated, that machine designed by this way, after slight modifications and alterations of the instrumentation, will be able to in the future to realize the assembly process of many similar elements. This approach is supremely beneficial because allows to extend the range of the enterprise's production without extra meaning investments on the accomplishment of the assembly process.

K e y w o r d smodularity, assembly, pneumatics, design

TiAM_3_2015_szary.indd 42 2015-09-14 14:24:31