Jak wygląda proces projektowania maszyn dla przemysłu?

Projektowanie maszyn dla przemysłu to niezwykle złożony proces, który wymaga nie tylko wiedzy technicznej, ale także zdolności do analizowania potrzeb klienta oraz znajomości aktualnych trendów w dziedzinie inżynierii. W poniższym artykule przyjrzymy się temu bliżej, począwszy od analizy potrzeb klienta, poprzez etapy projektowania i konstrukcji, aż po wdrożenie gotowych maszyn. Pozwoli to zrozumieć, jak ważne jest precyzyjne planowanie.

Analiza potrzeb klienta

Pierwszym krokiem w procesie projektowania maszyn dla przemysłu jest analiza potrzeb klienta. Inżynierowie muszą dokładnie poznać oczekiwania i wymagania przedsiębiorstwa, dla którego mają stworzyć maszynę. Bardzo istotne jest, aby angażować klienta od jak najwcześniejszego etapu projektowania maszyny, aby projekt od samego początku szedł w dobrą stronę zgodną z oczekiwaniami klienta. W tym celu przeprowadza się spotkania z przedstawicielami firmy, wtedy omawiane są takie kwestie jak:

• rodzaj produkcji – jak wyglądają wyroby gotowe i z ilu i jak wyglądających komponentów się składają,
• ilość referencji, które ma produkować maszyna – ilość referencji oznacza ilość typów lub rodzajów produktów. W przemyśle samochodowym zwykle w ramach projektu jednego samochodu są referencje LHD (left hand drive) dla pojazdów z kierownicą po lewej stronie i RHD (right hand drive) dla pojazdów z kierownicą po prawej stronie. W innych rodzajach przemysłu ilość referencji może być większa lub mniejsza,
• wydajność maszyny – podawana zwykle w postaci ilości sztuk produkowanych na godzinę lub na zmianę. Czasem wydajność podawana jest jako Tact time w sekundach. Tact time oznacza, co ile sekund maszyna ma produkować jedną sztukę wyrobu gotowego,
• ilość operatorów potrzebnych do obsługi maszyny,
• parametry procesowe – siły, momenty skręcające, ciśnienia, temperatury niezbędne do prawidłowego wykonania produktu,
• tolerancje wyrobu gotowego – wymiaru, położenia, kształt, struktury materiału, nieszczelności, rezystancji,
• wymagania parametrów zdolności procesu dla wymiarów krytycznych – Cp, Cpk, Cmk,
• wymagania traceability – czy każdy produkt powinien być znakowany np. unikalnym kodem data matrix, a parametry procesu, które osiągnęła maszyna, powinny być przechowywane w jej pamięci i przyporządkowane dla każdej wyprodukowanej części,
• dla maszyn pomiarowych – wymagania R&R (Repeatability& Reproducibility), pokazujące stopień zmienności systemu pomiarowego powodowany przez urządzenie pomiarowe oraz w jakim stopniu zmienność systemu pomiarowego wynika z różnic pomiędzy operatorami,
• czy układ sterowania ma być zbudowany na podstawie sterownika PLC, czy komputera przemysłowego,
• wymagania działu BHP,
• ograniczenia wynikające z warunków panujących na hali produkcyjnej,
• uzyskanie od klienta modeli 3D i rysunków technicznych 2D komponentów i wyrobu gotowego.

Projektowanie konceptualne i projektowanie 3D

Na etapie projektowania konceptualnego inżynierowie tworzą pierwsze szkice maszyny, które mają pomóc w wizualizacji budowy maszyn dla przemysłu. Pierwsze szkice są bardzo proste, czasem odręczne, a czasem wykonane w wersji elektronicznej w programie do tworzenia prezentacji. Szkice koncepcyjne należy wysłać, omówić i zatwierdzić mailowo na telekonferencji lub spotkaniu z klientem. W kolejnym etapie przystępujemy do dokładnego projektowania maszyny. W tym celu konstruktorzy (zwykle inżynierowie mechanicy) korzystają z zaawansowanych programów komputerowych CAD, umożliwiających projektowanie maszyn w środowisku 3D. Oprogramowanie to ułatwia uwzględnienie w projekcie wszelkich ograniczeń wynikających z geometrii produktu, ergonomii pracy operatora, przepisów czy warunków technicznych, a także przeprowadzenie symulacji ruchu poszczególnych elementów maszyny. W oprogramowaniu CAD projektuje się wszystkie elementy mechaniczne maszyny oraz umieszcza się na modelu elementy handlowe jak siłowniki pneumatyczne, napędy elektryczne, siłowniki hydrauliczne, szafy sterownicze, panele sterowania, pulpity i przyciski sterowania.

Analizy wytrzymałości i symulacje

W przypadku maszyn produkowanych jednostkowo analizy wytrzymałościowe wykonywane są jedynie dla najbardziej obciążonych elementów, ponieważ koszt przeprowadzenia rozbudowanych analiz w przypadku produkcji np. jednej sztuki maszyny wyniósłby więcej, niż koszt przewymiarowania elementów poprzez np. zwiększenie grubości. W przypadku maszyn produkowanych seryjnie w dużych ilościach liczy się każdy gram materiału, dlatego, aby zaoszczędzić ilość zużytego materiału do produkcji np. kilkuset tysięcy urządzeń, analizy wytrzymałościowe wykonywane są dla większości elementów. Analizy wytrzymałościowe wykonuje się w oprogramowania wykorzystującego do obliczeń metodę elementów skończonych.

Tworzenie rysunków technicznych 2D

Gdy projekt 3D maszyny zostanie zaakceptowany przez klienta, inżynierowie przystępują do opracowania szczegółowej dokumentacji technicznej, na podstawie której zostanie wykonana konstrukcja. Biorąc pod uwagę wyniki symulacji i analiz wytrzymałościowych inżynierowie muszą uwzględnić takie czynniki jak wytrzymałość materiałów, ich odporność na ścieranie czy korozję. Inżynierowie nanoszą na rysunki tolerancje wykonania elementów oraz informacje o wymaganej technologii wykonania np. szlifować lub spawać. Na rysunkach znajdują się także informacje o wymaganej obróbce cieplnej np. hartowaniu, nawęglaniu, azotowaniu. Poza tym konieczna jest informacja o sposobie zabezpieczenia elementów przed korozją. Doświadczony dobrej klasy konstruktor zdaje sobie sprawę z tego, że wyśrubowane tolerancje oraz obróbki cieplne znacząco zwiększają koszt wytworzenia elementów i unika hartowania, a wysokie tolerancje umieszcza tylko na kształtach, na których to jest konieczne do poprawnego działania maszyny.

Tworzenie układu sterowania

Po zatwierdzeniu projektu 3D przez klienta inżynier elektryk rozpoczyna pracę nad projektem układu sterowania maszyny. W zależności od stopnia skomplikowania układ sterowania składa się z:

• schematu układu elektrycznego i layoutu szafy elektrycznej,
• schematu układu pneumatycznego i layoutu szafki pneumatycznej i wyspy zaworowej,
• schematu układu hydraulicznego,
• schematu układu pomiarowego.

Powyżej wymienione schematy inżynier elektryk zwykle wykonuje w oprogramowaniu CAE, które przyspiesza i ułatwia projektowanie oraz edytowanie.

Przekazanie dokumentacji na produkcję

Po wykonaniu dokumentacji technicznej należy wyprodukować maszynę. Inżynierzy wgrywają do oprogramowania ERP listy elementów mechanicznych oraz handlowych. Oprogramowanie przekazuje rysunki i listę elementów mechanicznych do działu produkcji, a listę elementów handlowych do działu zakupów. Dział produkcji wytwarza elementy mechaniczne na obrabiarkach CNC (tokarkach, frezarkach i szlifierkach). Programiści CAM tworzą programy z kodami G, które operatorzy CNC wczytują do maszyn. Po uruchomieniu programu maszyny CNC wykonują poszczególne części ze stali, aluminium czy plastiku. Podczas produkcji operatorzy CNC kontrolują jakość wytwarzanych elementów.

Kompletacja dokumentacji technicznej maszyny

Ostatnim etapem stricte projektowym jest kompletacja dokumentacji technicznej maszyny. W dokumentacji maszyny zgodnie z dyrektywą maszynową 2006/42/WE muszą się znaleźć:

• ogólny opis maszyny,
• rysunek zestawieniowy maszyny i schematy obwodów sterowania, jak również istotne opisy i objaśnienia niezbędne do zrozumienia działania maszyny,
• rysunki szczegółowe wraz z dołączonymi obliczeniami, wynikami badań, certyfikatami itp., niezbędne do sprawdzenia zgodności maszyny z zasadniczymi wymaganiami w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa,
• dokumentację oceny ryzyka przedstawiającą zastosowaną procedurę, zawierającą:

1. wykaz zasadniczych wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa, które mają zastosowanie do maszyny,
2. opis środków zapobiegawczych wdrożonych w celu wyeliminowania rozpoznanych zagrożeń lub zmniejszenia ryzyka oraz, w stosownych przypadkach, wskazanie ryzyka resztkowego związanego z maszyną,
3. zastosowane normy i inne specyfikacje techniczne, wskazujące zasadnicze wymagania w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa objęte tymi normami,
4. wszelkie sprawozdania techniczne, podające wyniki wszystkich badań przeprowadzonych albo przez producenta, albo przez jednostkę wybraną przez producenta lub jego upoważnionego przedstawiciela,
5. egzemplarz instrukcji maszyny,
6. w odpowiednich przypadkach, deklarację włączenia wmontowanej maszyny nieukończonej i odpowiednią instrukcję montażu takiej maszyny,
7. w odpowiednich przypadkach, egzemplarz deklaracji zgodności WE maszyn lub innych produktów włączonych do maszyny,
8. egzemplarz deklaracji zgodności WE.

Poza powyższymi dobrą praktyką jest przygotowanie dla użytkownika maszyny listy elementów zamiennych i szybkozużywających się z informacją o częstotliwości ich wymiany.