Technické systémy s využitím počítačové podpory

TECHNICKÉ SYSTÉMY
S VYUŽITÍM POČÍTAČOVÉ PODPORY
Ing. Daniel Polák I Ing. Petr Kopec
Ing. Marek Studénka
PODĚKOVÁNÍ
Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru
věnuje poděkování autorům informačního manuálu „Technické systémy s využitím počítačové podpory“.
Odborná práce byla realizována za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu
CZ.1.07/2.4.00/31.0080 Partnerství v oblasti energetiky.
1
2
OBSAH
PŘÍKLADY ÚSPĚŠNĚ ŘEŠENÝCH PROJEKTŮ
A JEJICH POSOUZENÍ Z HLEDISKA APLIKOVANÝCH METOD
A NÁVRHOVÝCH POSTUPŮ
1.
2.
3.
4.
5.
ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
HASICÍ A ZÁCHRANÁŘSKÝ ROBOT HARDY . . . . . . . . . . . . . . . . .
VÍCEÚČELOVÝ ROBOTICKÝ TRANSPORTÉR . . . . . . . . . . . . . . . . . .
UNIVERZÁLNÍ ROBOTICKÝ STRETCHER SE VŠESMĚROVÝMI KOLY.
ZÁVĚRY K POSTUPŮM NÁVRHU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
.8
11
13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MOŽNOSTI A PRAXE VYUŽITÍ ANALÝZY
A SYNTÉZY NAVRHOVANÝCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
S PODPOROU SOFTWARE GOLDFIRE INNOVATOR (INVENTION MACHINE, USA)
1. ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. MOŽNOSTI SOFTWARE GOLDFIRE INNOVATOR (GFI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Analýza a definice problému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Modelování funkčnosti pro pochopení problému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Generování myšlenek a bezbariérové myšlení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ SOFTWARE GFI PRO NÁVRH KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
3.1. Innovator workbench (pracovní stůl Inovátoru) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
3.1.1. Improve Existing Systém (zlepšení stávajícího systému) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2. Design new systém (návrh nového systému) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3. Synthetize Hybrid Systém (syntéza hybridního systému) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4. Failure Mode & Effect analysis – FMEA (mód poruch & analýza efektů) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.5. Researcher (výzkumník) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6. Innovation trend analysis (analýza inovačních trendů) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. PŘÍNOS SOFTWARE GFI PRO NÁVRH A HLEDÁNÍ ŘEŠENÍ VÝRAZNÝCH INOVACÍ
KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
15
15
15
15
16
16
16
16
21
21
21
21
22
SYNTÉZA 3D MODELŮ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
S PODPOROU SOFTWARE CREO, OVĚŘOVÁNÍ,
TESTOVÁNÍ A PRAXE NÁVRHOVÝCH POSTUPŮ
1. ÚVOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. PŘÍKLADY MODELŮ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
2.1. Hasicí a záchranářský robot Hardy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Víceúčelový robotický transportér . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Univerzální robotický stretcher se všesměrovými koly . . . . . . .
3. PROBLÉMY A DOPORUČENÍ PŘI VYUŽITÍ SYSTÉMU CREO
K ŘEŠENÍ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ . . . . . . . . . .
3
23
23
. 23
. 26
. 29
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4
PŘÍKLADY ÚSPĚŠNĚ ŘEŠENÝCH PROJEKTŮ
A JEJICH POSOUZENÍ Z HLEDISKA APLIKOVANÝCH METOD
A NÁVRHOVÝCH POSTUPŮ
Ing. Daniel Polák
1. ÚVOD
Cílem semináře je ukázat na skutečně realizovaných projektech složitých technických systémů, výrazně inovovaných nebo
principiálně nových, s jakými problémy se ať již ve fázi koncepčního návrhu nebo ve fázi konstrukčního řešení tvůrčí pracovníci potkávají a jaké jsou moderní možnosti racionálního řešení a metodické podpory.
První téma k tomuto cíli představuje příklady složitých technických systémů mechatronického typu jako studie na kterých
jsou demonstrovány metodické postupy a komentovány některé problémy s kterými se konstruktéři museli vyrovnat.
2. HASICÍ A ZÁCHRANÁŘSKÝ ROBOT HARDY
Hasicí a záchranářský robot Hardy byl vyvinut v rámci projektu TANDEM Výzkum a vývoj modulární struktury servisních
zásahových a záchranářských robotů (FT-TA5/071).
Výsledkem projektu je prototyp hasicího a záchranářského robotu Hardy, který je primárně určen k hašení a manipulaci
s předměty v průběhu protipožárního zásahu a dalších krizových situacích. Prototyp byl poprvé vystaven na 52. MSV Brno
v roce 2010 (viz obr. 1).
V průběhu své premiéry a na dalších výstavách postupně získal robot Hardy tato ocenění:
·
Zvláštní cenu 52. Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně, kterou předal vedení třinecké společnosti ministr
průmyslu a obchodu Martin Kocourek.
·
·
Hlavní cenu GRAND PRIX na mezinárodním veletrhu TECHNICON INOVACE 2010 v Gdaňsku.
·
Zlatou medaili v rámci IV. Mezinárodní výstavy inovací IWIS 2010 ve Varšavě.
Medaili prezidenta Mezinárodní federace asociací zlepšovatelů "The IFIA Innovation Medal" v rámci IV. Mezinárodní
výstavy inovací IWIS 2010 ve Varšavě.
Obr. 1: Premiéra prototypu robotu Hardy na 52. Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně
Robot Hardy je určen k záchranářským zásahům v prostředí požáru nebo v jeho těsné blízkosti, kdy je člověk, záchranář
v bezprostředním ohrožení života, jak po stránce teplotní, což je především sálavé teplo, tak po stránce mechanické,
tj. možnost zranění padajícími předměty, ohrožení výbuchem apod.
Z těchto důvodů je robot vybaven dálkovým ovládáním a potřebnou vizualizací prostřednictvím kamer umístěných na rámu
a pracovním rameni robotu.
Podvozek robotu má mnoho výhod. Je vybaven šetrnými gumovými pásy, které zajišťují vysokou průchodnost, nízký tlak na
podklad a výborný záběr. Díky svým rozměrům, hmotnosti a robustnosti poskytuje robotu požadovanou stabilitu.
Rameno robotu je z hlediska typů pohonů hybridní. První kloub (točna se svislou osou pohybu) a druhý kloub ramene, který
je zatěžován největším momentem, jsou poháněny hydromotory v kombinaci s vhodnými převodovkami. Ostatní klouby
modulu manipulace využívají servomotory vhodnými převodovkami.
5
Dále je zdroj hydrauliky podvozku využit u potřebných lineárních pohybů pohonů tří uchopovacích kleštin efektoru - hasicí
uchopovací hlavice.
Hasicí uchopovací hlavice představuje unikátní spojení manipulačního efektoru s hasicí hlavicí. Tato skutečnost umožňuje
rychleji a efektivněji vykonávat základní operace (hasící i manipulační úkony) během protipožárního zásahu bez nutnosti
provádět záměnu efektorů. Uchopovací hasicí hlavice bude uchycena na manipulačním rameni robotu pomocí interface,
který výměnu efektorů umožňuje. Uchopovací hlavice je vybavena trojicí nastavitelných uchopovacích kleštin, jejichž
uchopovací síla je vyvozována pomocí hydraulických válců. Hydraulické médium pro manipulační efektor je ze zdrojového
subsystému umístěného v podvozku vedeno vnitřními dutinami modulu manipulace přes interface až k efektoru. Změna
vzájemné konfigurace uchopovacích kleštin efektoru, jejich aretace v pracovních polohách a ovládání rozstřiku proudnice
hasicí hlavice je zajištěno kompaktními elektropohony. Uchopovací hasicí hlavice je speciálně vyvinuta pro přenášení
tlakových lahví (o průměru 80 až 360 mm) a podobných předmětů válcového tvaru (viz obr. 2). Kromě toho její speciální
koncepce umožňuje díky automatickému přeskupení čelistí do kruhu uchopovat i předměty tvaru koule a některé předměty
obecného tvaru. Při hašení jsou čelisti efektoru plně rozevřeny (viz obr. 2).
Hasicí záchranářský robot je vybaven řídicím systémem, který umožňuje jeho dálkové ovládání. Operátorské pracoviště
je řešeno formou kufru (viz obr. 3). Obraz z kamerového systému robotu může být promítán na monitor operátorského
stanoviště nebo do 3D brýlí.
Základní technické parametry robotu jsou uvedeny v tabulce 1.
Obr. 2: Prototyp robotu Hardy při hašení a manipulaci s tlakovou lahví.
Obr. 3: Řídicí systém robotu Hardy
6
Technické parametry robotu
Manipulační rameno
Maximální nosnost ramene
Počet os ramene
Rozsah pohybu v jednotlivých osách
380 kg
5
1: ±120°
2: 0° až 125°
3: 0° až 155°
4: neomezeně
5: ±100°
60°/s
elektrický, hydraulický
vnitřní chlazení vodou
Maximální rychlost pohybu osy
Pohon os ramene
Způsob chlazení
Maximální dosah ramene (měřeno od
osy točny po interface)
2200 mm
Efektor
Maximální nosnost efektoru
Počet čelistí
Pracovní polohy čelistí
Pohon čelistí
Typ proudnice
Typ hasicího média
Maximální průtok hasicího média
Jmenovitý/maximální pracovní tlak
300 kg
3
v opozici (2 proti 1), do kruhu (po 120°)
hydraulický
univerzální proudnice pro vytváření kompaktního a roztříštěného vodního
proudu s elektricky řízenou plynulou regulací
voda
400 l/min.
0,6/1,2 MPa
Robot
Maximální rozměry v přepravní poloze
(d/š/v)
Pohon robotu
Výkon spalovacího motoru
Pohon pojezdu
Maximální rychlost pojezdu
Celková hmotnost
Způsob chlazení robotu
3100/2060/2910 mm (hodnoty platí při nasazené radlici)
dieselový motor s hydraulickým agregátem a elektrickým generátorem
58 kW
hydraulický
10,6 km/h
4500 kg
ostřik vodní mlhou
Tab. 1: Technické parametry robotu
Vývoj hasicího a záchranářského robotu Hardy probíhal s podporou metod a postupů metodiky konstruování. Počáteční
strohé zadání bylo na základě analýzy krizových situací a z toho vyplývajících potřeb podrobněji rozpracováno. Následoval návrh koncepcí a kinematických struktur modulu manipulace ve variantách. Vybraná varianta pak byla podrobně
konstrukčně rozpracována pomocí CAD systémů Pro/ENGINEER Wildfire 5 a CATIA. V průběhu celého procesu vývoje
byl tvořen a aktualizován scénář návrhu robotu.
Při návrhu pohonů modulu manipulace na základě zvolené kinematické struktury a požadovaných parametrů zadání
(zejména nosnosti) byl několikrát realizován výpočet statických a dynamických zatěžujících momentů pro jednotlivé klouby.
Na základě realizovaného provedení pak byly na základě stejné metodiky upraveny reálné parametry nosnosti.
Všechny mechanismy hasicího a záchranářského robotu byly rozpohybovány v modulu Mechanism CAD systému Pro/ENGINEER Wildfire 5 a byly vyšetřeny na kolizní stavy. V rámci vývoje řídicího systému a jeho programového kódu pak byla
řešena kolize efektoru s modulu manipulace a ostatními prvky robotu, zejména podvozkem (viz obr. 4).
7
Obr. 4: Anti-kolizní obálka řídicího systém robotu Hardy
3. VÍCEÚČELOVÝ ROBOTICKÝ TRANSPORTÉR
Víceúčelový robotický transportér pro záchranu osob a zásahy v krizových situacích, ve zvláště obtížných terénních a/nebo
klimatických podmínkách byl vyvinut v rámci projektu TIP č. FR-TI1/572. Projekt byl zakončen prototypem s optimalizací
pro sériovou výrobu (viz obr. 5 a 6).
Transportér je využitelný jako průzkumné a zásahové robotické vozidlo s dálkovým řízením operátorem - možnost záchrany bez posádky i s možností jeho ovládání řidičem. Transportér je mechatronickým systémem robotického typu, tedy
zařízením založeném na integraci špičkových robotických i zásahových technologií. Alternativy provedení transportéru jsou
dány speciální výbavou a v provedení s parametry s orientací na využití ve specifických krizových situacích.
Tento projekt byl prezentován v roce 2012 na pražském workshopu „Robots underpinning future NATO operations“, kde
bylo nastíněno potenciální využití víceúčelového robotického transportéru pro oblast misí NATO.
Obr. 5 a 6: Prototyp víceúčelového robotického transportéru
Víceúčelový robotický transportér je určen pro zásah při krizových situacích, které se odehrávají v náročném terénu. Osmikolový, diferenčně řízený, podvozek víceúčelového robotického transportéru vykázal velmi dobrou průchodnost náročným
terénem. Pro jízdu v extrémních terénních podmínkách je vhodné použít nasazovací pásy, které zásadně zlepšují trakční
schopnosti vozidla. Při jízdě po silnici nebo v lehkém terénu však s nasazenými pásy mírně klesá maximální rychlost.
8
Víceúčelový robotický transportér má lehkou a zároveň robustní konstrukci. Jeho základní technické parametry jsou
uvedeny v tabulce 2.
Víceúčelový robotický transportér – technické parametry
Parametr
Hodnota
Rozměry (délka/šířka/výška)
3415/1800/2010 mm
(výška je uvedena včetně ochranného rámu posádky v případě převrácení vozidla)
Diferenčně řízený osmikolový, čtyři tuhé nápravy s možností nasazení pásů
Na vozidle nebo dálkové z operátorského pultu
cca 1000 m
Přední a zadní kamera s IR přísvitem
Monitoring náklonu v příčné a podélné ose vozidla
Vícelamelová elektromagnetická
25“/12“
12 a 24 VDC
Kohler Aegis LH 775, kapalinou chlazený dvouválcový čtyřtaktní zážehový motor
Výkon motoru 23 kW/31 HP
Škoda 1,2 HTP, kapalinou chlazený, řadový, tříválcový zážehový motor
Výkon motoru 51 kW/ 69 HP
40 km/h
3,5 l/h
– cca 17 l/100 km (při jízdě po silnici prům. rychlostí 20 km/h)
– cca 35 l/100 km (při jízdě terénem prům. rychlostí 10 km/h)
550 kg
625 kg
45°/45°
Typ podvozku
Typ řízení
Dosah dálkového řízení
Kamerový systém
Stabilizační systém
Brzda
Průměr/šířka pneumatiky kola
Napětí elektrického obvodu
Typ motoru – varianta 1
Typ motoru – varianta 2
Maximální rychlost
Spotřeba paliva
Nosnost
Suchá hmotnost
Přední/zadní nájezdový úhel
Tab. 2: Tabulka základních technických parametrů víceúčelového robotického transportéru
Základním prvkem zdrojového subsystému je pohonná jednotka podvozku víceúčelového robotického transportéru. Jako
vhodná pohonná jednotka pro víceúčelový robotický transportér byl zvolen spalovací motor KOHLER AEGIS LH775. Svými
parametry, rozměry i zaručenou návazností na další komponenty trakčního systému zvoleného podvozku představoval
optimální řešení základního prvku zdrojového subsystému. Jako alternativu je možno využít motor Škoda 1,2 HTP.
Součástí transportéru je záchranářské lehátko (viz obr. 7), které je určeno pro přepravu raněných osob při krizových situacích z místa zásahu do zdravotnického zařízení (nemocnice) za účelem poskytnutí potřebné lékařské péče. Lehátko bylo
proto vyvinuto nejen pro poskytnutí požadovaných funkcí, ale také s ohledem na možnost univerzálního využití. Pro uchycení lehátka bylo nutné vyvinout interface a ten pak vhodným způsobem umístit na transportní vozidlo.
Obr. 7: Interface s lehátkem
9
Systém řízení transportéru byl vyvíjen tak, aby umožňoval převzetí manuálního řízení v případě zranění řidiče využití zařízení
jako průzkumného vozidla bez posádky a pro dálkové řízení s částečnou autonomností vybraných funkcí.
Víceúčelový robotický transportér nabízí možnost dálkového ovládání operátorem. Nedílnou součástí řídicího systému
dálkově ovládaného transportéru je proto vizuální subsystém zajišťující přenos obrazových informací z transportéru do
operátorského stanoviště. Tyto obrazové informace pak slouží jako podklad pro jeho dálkové ovládání.
V rámci jednoduchosti a spolehlivosti ovládání transportéru byl použit elektronický modul s jednočipovým mikroprocesorem. Tento modul je určen pro příjem dat, jejich interpretaci a distribuci povelů k jednotlivým akčním členům, které
se podílejí na řízení jízdy transportéru. Řídicí systém obsažený v ovládacím panelu operátora (viz obr. 8) byl vyvinut jako
kompaktní řídicí systém umožňující ovládání transportéru pomocí joysticku a jeho základní monitorování prostřednictvím
přenosu obrazu do vestavěného monitoru.
Prototyp víceúčelového robotického transportéru byl důkladně otestován při různých klimatických podmínkách a v různě
obtížném terénu (viz obr. 9).
Obr. 8: Panel dálkového ovládání včetně elektronických prvků
Obr. 9: Prototyp víceúčelového robotického transportéru při jízdě terénem
10
4. UNIVERZÁLNÍ ROBOTICKÝ STRETCHER SE VŠESMĚROVÝMI KOLY
Univerzální robotický stretcher se všesměrovými koly byl vyvinut v rámci projektu TIP č. FR-TI1/552 „Výzkum a vývoj systému pro záchranu a přepravu osob v traumatickém a/nebo kontaminovaném stavu“. Projekt byl zakončen prototypem
(ROBOSTRETCHER) s optimalizací pro sériovou výrobu (viz obr. 10).
Obr. 10: Prototyp univerzálního robotického stretcheru se všesměrovými koly
Robostretcher byl poprvé představen na největším evropském veletrhu zdravotnické techniky a farmacie MEDICA
v německém Düsseldorfu (2011).
V rámci uživatelské soutěže AV ENGINEERING AWARDS 2012 získal projekt „Výzkum a vývoj systému pro záchranu
a přepravu osob v traumatickém a/nebo kontaminovaném stavu“ první místo v kategorii Vývoj výrobku s podporou
software Creo (dříve Pro/ENGINEER) a aplikace Mathcad.
Robotický dálkově řízený stretcher je své podstatě motorovou pojízdnou miniresuscitační jednotkou, určenou pro rychlý
a bezpečný transport pacientů, zejména v traumatickém stavu, se současným zajištěním jejich základních životních funkcí.
Stretcher je opatřený všesměrovými koly se samostatnými elektropohony a centrálním softwarovým řízením. Jeho technické parametry jsou uvedeny v tabulce 3.
Hlavní výhodou stretcheru je unikátní podvozek, který umožňuje jízdu bokem a všemi směry otáčení na místě – tzv. krabí
pohyb, včetně schopnosti kombinovaného směrování různými směry v jeden a tentýž okamžik, což je užitečné právě při
urgentních stavech. Manipulace s ním je velmi snadná, proto není problém přesně umístit lůžko při rentgenování či rychle
a pohodlně transportovat pacienta k operačnímu stolu.
Další výhodou pohyblivého lůžka je univerzální aretační mechanismus Rolfin F102, který umožňuje využít různá nosítka
běžně používaná v ambulancích či v záchranářských helikoptérách. ROBOSTRETCHER je osazen odnímatelnou ložnou
plochou, jejíž fixační mechanismus je plně kompatibilní s převážnou většinou ložných ploch stretcherů pro ambulance
a helikoptéry. Díky tomu je ROBOSTRETCHER tím nejlepším řešením pro akutní příjem pacientů.
11
Technické parametry ROBOSTRETCHERu
Parametr
Hodnota
Délka
Šířka
Hmotnost bez nástavby a příslušenství
Nosnost (bezpečné pracovní zatížení)
Výška ložné plochy
Rozměry ložné plochy
Doporučený rozměr matrace
Výška postranic nad ložnou plochou
Bezpečné pracovní zatížení ložné plochy
Boční posun ložné plochy
Polohování části zad (délka 70 cm)
Polohování části nohou (délka 180 cm)
Trendelenburg / Antitrendelenburg
Interface
2300 mm (v přepravní poloze), 2460 mm
990 mm
392 kg
360 kg
660 – 1060 mm
1920 x 680 mm
1920 x 680 mm
320 mm
285 kg
± 160 mm
90°
0°
16°
ROLFIX F102
Všesměrová kola
Pohon kol
Možnost připojení izolačního boxu pro transport kontaminovaných
pacientů
Ostatní
Tab. 3: Tabulka základních technických parametrů univerzálního robotického stretcheru
Dotykový ovládací panel poskytuje nejvyšší možný komfort ovládání (viz obr. 11). Bezpečnostní tlačítko STOP na řídicím
panelu chrání uživatele během přepravy proti neúmyslným pohybům.
Obr. 11: Dotykový displej ovládání ROBOSTRETCHERu
Řízení podvozku se čtyřmi všesměrovými koly v podstatě znamená současné přesné řízení jednotlivých čtyř všesměrových
kol. Jednotlivé pohony jsou umístěny uvnitř všesměrových kol, jejich elektro kabeláž je vyvedena otvorem v hřídeli nápravy
a dále směrována k jednotlivým servozesilovačům. Náprava je uchycena na rám pomocí několika silenbloků, které mají také
funkci odpružení nápravy.
Baterie s extrémně vysokou kapacitou jsou řízeny řídící jednotkou, která zajišťuje jejich optimální nabíjení a přesnou indikaci
jejich aktuálního stavu na dotykovém LCD displeji.
Teleskopický sloup umožňuje výškové nastavení ovládacího panelu a dále umožňuje sklopení ovládacího panelu do
požadované ergonomické pozice.
Plně elektricky ovládaná ložná plocha s odnímatelnou nástavbou umožňuje polohování do speciálních pozic Trendelenburg
a Antitrendelenburg. Boční posun ložné plochy o 16 cm významně usnadňuje přesun pacienta z ROBOSTRETCHERu.
12
Další velmi důležitou předností je vysoká nosnost. Na ROBOSTRETCHER lze připevnit celou řadu nosítek a multifunkčních
nástaveb, jejichž příkladem může být například speciální kontejner pro kontaminované pacienty, kteří jsou závislí na samostatném systému vzduchové filtrace.
Prototyp ROBOSTRETCHERu byl testován na oddělení Fakultní nemocnice Ostrava, kde byly prověřeny všechny požadované
funkce (viz obr. 12).
Obr. 12: Testování prototypu v prostředí Fakultní nemocnice Ostrava
5. ZÁVĚRY K POSTUPŮM NÁVRHU
Obecně lze říci, že u všech realizovaných projektů byl použit standardní postup návrhu (vývoje), který vychází ze segmentů
teorie TRIZ a algoritmu řešení ARIZ tak jak jsou v současné době součástí Goldfire Innovator, tj. zejména: tvorbu kompletního zadání, analýzy současného stavu, návrh koncepcí ve variantách, návrh kinematických struktur mechanizmů, výběr
vhodné varianty řešení a její postupné detailní rozpracování do finální podoby. Podle typu projektu a konkrétního zařízení
jsou v průběhu vývoje konstrukčního řešení využívány pevnostní analýzy a optimalizace a metoda TOP-DOWN designu
(skeletony). V prvních fázích vývoje jsou velmi důležitým prvkem analýzy současného stavu a dle potřeby využití nástrojů
a postupů metodiky konstruování.
V průběhu vývoje všech dosud realizovaných projektů jsme se potýkali s problematikou dostupnosti vhodných pohonů,
jejich velikosti, hmotnosti, výkonem, hmotností a velikostí dostupných akumulátorů a s efektivním využitím (hlavně z ekonomického hlediska) moderních technologií obecně. Výzvou do budoucna je právě zvyšování využití moderních technologií výroby a materiálů při výrobě prototypu a jeho následné optimalizaci pro kusovou a malosériovou výrobu.
Ing. Daniel Polák, Slezská mechatronika a.s., Havlíčkovo nábřeží 2728/38,
702 00 Ostrava - Moravská Ostrava,tel.: (+420) 608 551 113, e-mail: [email protected]
13
MOŽNOSTI A PRAXE VYUŽITÍ ANALÝZY A SYNTÉZY
NAVRHOVANÝCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ S PODPOROU SOFTWARE
GOLDFIRE INNOVATOR (INVENTION MACHINE, USA)
Ing. Petr Kopec
1. ÚVOD
První metodiky pro návrh složitých technických systémů vznikly v Německu ve 30. letech minulého století, v souvislosti
s rychlým vývojem jednotlivých oborů průmyslu – motorů, automobilů, letadel, zbraní, lodí, aj. Od té doby se vývoj techniky jen zrychluje a klade větší nároky na invenci tvůrců, čímž pochopitelně otázky spojené s konstituováním a využíváním
vhodných metod návrhu jsou podstatně naléhavější. Velmi podstatnou roli hrají především pro zvýšení konkurenceschopnosti firem, regionů, států i EU, a to především podstatným zvětšením rozsahu inovací i vyšší úspěšností a účinností inovací
produktů i technologií.
Vývoj v této oblasti je dostatečně pojednán a analyzován v literatuře. Zde se zaměříme na v současné době dobře zavedenou a ověřenou podporu návrhu dotyčných systémů – Goldfire Innovator (společnosti Invention Machine, USA). Její
účelnost i praktičnost byla dlouhodobě testována i při výuce studentů a doktorandů oboru robototechniky, Fakulty strojní,
VŠB TU Ostrava.
Inovace jako základ konkurenceschopnosti jsou zakotveny v materiálech EU, národních i regionálních v mnoha analýzách
i závěrech. Z aspektu vlastního návrhu inovace jako tvůrčí činnosti se v nich ale nic konkrétního neobjevuje. Bohužel ani
vzdělání a informovanost manažerů nejsou v tomto směru dostačující, aby mohl být nastartován proces intenzifikace inovací, což vyžaduje z jejich strany organizační opatření a finanční dotace.
Týká se to samozřejmě inovací ve všech úrovních technologického procesu nebo struktury inovovaného produktu, včetně
zde pojednávaných složitých (komplexních) strojních a energetických systémů.
Významnou pomocí a hybatelem, urychlujícím přenos nových metodických postupů do praxe by se mohla stát regionální
centra inovací v rámci jednotlivých klastrů a ve vazbě na lepší organizaci základního vzdělání v tomto směru na vysokých
školách.
V rámci MSK je takové Regionální centrum inovací budováno – dále RCI (pilotní projekt) pod neziskovou společností
Českomoravský energetický a bezpečnostní výzkum (ČMEB), která usiluje o její konstituování prostřednictvím přípravy
personální, projektové, finanční i organizační. Zatímco pilotní část probíhá ve firmě Slezská mechatronika a.s. úspěšně z hlediska personálního a také přímým testováním nových metod podpory tvůrčí práce na vývoji několika složitých technických
systémů, podpora finanční je zatím nedostatečná. Ocenit je nutno pochopení ze strany klastrů SMK, zatímco očekávaná
podpora regionu se zatím nerealizovala i když právě region SMK si v novém období klade za cíl průlom v inovační úspěšnosti
regionálních firem ( zřejmě jde o nepochopení podstaty podaného projektu ze strany jeho hodnotitelů).
Schéma působení RCI jako pilotního projektu je zřejmé z obr. 1
!
"
#$%&)*#
!
#$%$'
Obr. 1 Pilotní projekt RCI – Regionálního centra inovací
14
2. MOŽNOSTI SOFTWARE GOLDFIRE INNOVATOR (GFI)
Současná počítačová podpora inovací systémem GFI je vyspělý nástroj pro špičkové designéry uplatňovaný v takových
firmách jako je Boening nebo Mercedes a mnoho jiných. Vynikl na půdorysu původní teorie řešení inovačních zadání (TRIZ)
a konkrétních postupů podpory inovací (ARIZ) – algoritmů řešení inovačních zadání, které byly následně ve společnosti
Invention Machine (USA), podstatně doplněny do aktuální verze GFI.
Nyní je tento systém podpory inovačních řešení schopen poskytnout inovačním firmám:
1. posílení inovačních procesů
2. snadný přístup k transdisciplinárním vědeckotechnickým znalostem databázím firmy i z Internetu
3. zkrácení doby vstupu inovace na trh
4. umožňuje vyhodnocení znalostí o konkurenci
Řešení inovací trpí nejasnostmi při definování problémů, psychologickou setrvačností, tendencí hledat kompromisy
(optimalizovat) a tím blokovat vznik originálních řešení, zahlcením technickými informacemi i nedostatkem relevantních
znalostí.
Tradiční techniky metodiky konstruování a obecně tvůrčích procesů neposkytovaly strategii vedoucí k silným řešením, ani
jistotu návratnosti vložených prostředků a opakovatelnosti postupu. Základní kroky postupu návrhu inovace jsou charakterizovány níže.
2.1. Analýza a definice problému
Analýza problémové situace a definování problému k řešení má vést ke zjištění kořenové příčiny a jejímu odlišení od
pouhého příznaku problému. GFI automaticky extrahuje popis jednotlivých kořenových příčin (Root Cause Analysis) a tyto
formuluje jako otázky, které lze vyslat do uživatelsky definovaných znalostních bází (Knowledge Bases).
2.2. Modelování funkčnosti pro pochopení problému
Podstata postupu je založena na hodnotové analýze a byla zpracována a doložena do GFI jako funkčně nákladová analýza,
která navádí konstruktéra na problémové situace řešeného technického systému (TS).
Postup poskytuje přehlednost a jistotu, že řešitel pracuje na řešení správného problému a že jeho úsilí je zaměřeno podle
priorit. Model abstrahuje od nepodstatných komponent systému.
2.3. Generování myšlenek a bezbariérové myšlení
Definování problémové situace a zaměření úsilí na kořen problému nebo bod s nejvyšší prioritou je prvním krokem, který
urychluje inovace. Myšlenkové operace se stávají návykem, tím spíše jestli je řešena stále stejná problematika. Z modelování
a analýzy funkcí lze získat podněty k radikálním změnám designu řešeného systému.
Tyto podněty jsou pak propojovány se třemi databázemi – knihovnami:
·
·
·
invenčních principů
standardních modifikací charakteristik systémů
vědeckotechnických efektů.
Ty byly zabudovány již v metodice TRIZ postavené na principech:
·
·
evoluce technických systémů není náhodný proces, ale podrobuje se určitým zákonitostem
·
základní technické úkoly byly již většinou vyřešeny, i když často v jiné disciplině nebo kontextu a takové známé řešení lze
modifikovat pro inovaci řešením problému s vyššími nároky.
inovace obvykle vznikají, když vývoj technického systému dospěl k nutnosti překonat rozpor, a to použitím minimálních
zdrojů
15
3. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ SOFTWARE GFI PRO NÁVRH KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
Goldfire Innovator byl navržen jako nástroj podpory metodického vývoje a ověřování efektivnosti
a kvality řešení v následujících oblastech:
·
·
·
·
·
Vývoj nových produktů
Zlepšování stávajících produktů nebo procesů
Oprava a předcházení chybám
Strategický vývoj produktů a technologií
Pomoc při eliminaci styku s překážkami na trhu a zabránění ztrátám intelektuálního majetku
Aplikací GFI do procesu inovace tedy můžeme docílit následujících výhod:
·
·
·
·
Zvýšení efektivity a produktivity
Originální přístup k různým řešením inovací
Schopnost vytvářet a prověřit více návrhů
Další…
Postupně pro velký rozsah pracovních funkcí GFI představíme stručně jen vybrané nejdůležitější dílčí činnosti realizovatelné
systémem.
3.1. Innovator workbench (pracovní stůl Inovátoru)
Tento příkaz otevírá okno Inovátoru. Zde je možno založit nový předdefinovaný workflow (pracovní postup), nebo dále
upravovat svůj již dříve vytvořený vlastní workflow. Použitím workflow je možné strukturovat problém, provést jeho analýzu
a pomoci při přístupu k řešení a dosažení cíle.
V Inovátoru jsou předdefinované čtyři workflow:
3.1.1. Improve Existing Systém (zlepšení stávajícího systému)
Používá se k diagnóze a řešení problémů na již existujících zařízeních a procesech. Výsledkem může být například vylepšení
jen malé části zařízení nebo i celková změna designu/procesu.
Tento workflow zahrnuje Root Cause Analysis (tzv. kořenovou analýzu), dále Device analysis (analýzu zařízení) nebo
Process analysis (analýzu procesu - technologie).
Na základě vložených parametrů jsou postupně identifikovány klíčové problémy zařízení nebo systému. Pomocí
integrovaného Researcher (výzkumníka) lze najít a ověřit řešení těchto problémů.
3.1.2. Design new systém (návrh nového systému)
Tento workflow se používá ke generování koncepčních návrhů a požadavků nových zařízení.
Zahrnuje Researcher Knowledge Search (průzkum známých vědomostí), Root Cause Analysis (kořenovou analýzu)
a Device analysis (analýzu zařízení).
Uživatel je postupně veden sérií úkolů, které mu pomáhají vytvořit jeho návrh. Začíná průzkumem již existujících možných
řešení, vztahujících se k zařízení nebo procesu. Dále se tvoří model nového systému, zhodnotí se navržené komponenty
nebo operace a nakonec se rozhoduje, které z nich by mohly být ještě zjednodušeny nebo vylepšeny. Nakonec se hodnotí
různé konfigurace řešení a vybírá se to, které nejlépe odpovídá požadovanému cíli.
Protože tento postup pro nalezení inovací je nejtypičtější popíšeme jeho strukturu podrobněji.
Analýza zařízení pomůže identifikovat problémy při návrhu zařízení. Způsobem usnadnění a zrychlením tvorby řešení
návrhu. Vstupním prvkem pro device analysis je function model (funkční model), který reprezentuje systém.
Postupně se specifikují tzv. diagnostic kriteria (diagnostická kritéria), která se používají k nalezení nejslabších komponent
v systému. Jakmile je model hotový, GI provede kvantitativní analýzu těchto kritérií.
16
GFI pro zpracování aplikuje své diagnostické algoritmy, a jako výsledek generuje:
·
·
Komponenty - jsou na základě kritérií hodnoceny od nejméně k nejvíce hodnotným komponentám.
Na základě neoptimálních funkcí jsou automaticky vygenerovány problémové zprávy. Pro jejich následující řešení poté
se použije Solution Manager. Problémová hlášení mohou nabídnout hodnotné náhledy do problému a proniknutí do
podstaty věci a pochopení souvislostí, které třeba nemusely být dříve vůbec vzaty v úvahu.
Podle stupně inovace lze proces rozdělit na následující dva postupy:
·
·
Incremental improvements (přírůstkové zlepšení), použitím Solution Manager
Radical innovative redesign (zásadní přepracování návrhu), zjednodušením původního návrhu a vytvořením nového
scénáře návrhu. Zhodnocením významností komponent a eliminací těch nejméně významných.
Function model popisuje vztahy mezi prvky systému ve smyslu funkcí (nebo úkolů), které provádějí. Pokud function model
reprezentuje zařízení, zachycuje to, co každá komponenta provádí, stejně tak, jak dobře to provádí, pro zviditelnění celkového smyslu zařízení. Kromě toho function model zachycuje zbytečné a škodlivé funkce, které jsou prováděny, nebo
funkce které sice žádané jsou, ale jsou prováděny nedostatečně.
Device model je abstraktní reprezentací zařízení ve smyslu jeho komponent a vnějších elementů, stejně tak jako funkce
prováděné těmito elementy.
Úkol Device analysis zahrnuje následující čtyři kroky:
·
·
·
·
Model Description (Popis modelu)
Build Device Model (Sestavení modelu zařízení)
Simplify Design (Zjednodušení návrhu - volitelný)
Solve in Solution Manager (Řešení v manažeru řešení)
Model zařízení je sestaven z následujících prvků:
·
Target (cíl), který je objektem hlavní funkce zařízení. Target není komponentou zařízení. Existuje vně zařízení, a reprezen-
·
Component (komponenta), který je součástí analyzovaného zařízení. Je možno vytvořit model složitého zařízení jako
·
Supersystem (supersystém), který je částí okolí zařízení, se kterým je zařízení ve styku, ale není součástí zařízení samot-
·
Action link (akční spojení), které specifikuje akci, která je jednou z částí modelu.
tuje hlavní důvod proč bylo zařízení navrženo.
hierarchii navzájem působících komponent. Například, jako nejvyšší úroveň, by se vymodelovalo zařízení v rámci highlevel komponent. V případě auta, by takovéto high-level komponenty mohly být karoserie, hlavní konstrukce, motor,
převodovka, kola a pneumatiky. Každá z těchto komponent může být reprezentována jako device model, potenciálně
obsahující všechny prvky modelu zařízení, včetně Target a Supersystem.
ného.
Než se zahájí stavba modelu je třeba identifikovat Targets, Components a Supersystems.
Target (cíl) zařízení, je hlavním důvodem navržení daného zařízení. Jako Target je uváděna hlavní funkce zařízení. Target
je elementem, který existuje mimo zařízení, které se analyzuje. Target je příjemcem, nebo předmětem, hlavní funkce
systému.
Identifikace main function zařízení pomůže identifikovat Target. Main function zařízení, je primární činností, která byla
navržena za účelem dosažení cíle.
17
Například, co je hlavní funkcí medical ampule (lékařské ampule)? Ampule je naplněná a uzavřená za účelem, aby mohla
doručit na trh obsažený lék. Ampule není izolovaným objektem, který by musel být uzavřený jen proto, aby byl zapečetěný.
Hlavní funkcí ampule je tedy to contain medicíně (pojmout lék). Předmětem této funkce je lék. Tedy, lék je Target (cílem)
systému (obr. 2).
Obr. 2 Zavedení hlavní funkce a cíle
Dalším příkladem by mohl být větrák. Co je hlavní funkcí větráku ? Jelikož je větrák určen k pohybu vzduchu, jeho hlavní
funkcí je tedy to move air (pohyb vzduchu). To že se osoba při použití větráku může cítit chladněji je pouze “vedlejší výhodou“ hlavní funkce, nikoli hlavní funkcí. Jsou jiné způsoby, jak ochladit osobu, a není nutné k tomu použít pohyb vzduchu.
Tipy, pro identifikaci Device components (komponent zařízení)
Komponenty systému jsou elementy analyzovaného systému. Příkladem je rozdělení auta na komponenty: karoserie, hlavní
konstrukce, motor, převodovka, kola a pneumatiky.
Pro porovnání komponent auta s elementy cílů a elementy supersystémů, uvažte následující:
·
·
Cílem auta jsou passengers (cestující), jelikož hlavní funkcí auta je to transport passengers (přepravit pasažéry).
Dva elementy supersystémů auta mohou být - the road (cesta) a the air (obr. 3).
Obr. 3 Zavedení supersystému
Každá z komponent auta může být postupně modelována jako minidevice (minizařízení). Každé z těchto minizařízení může
také obsahovat komponenty modelu. V GFI jsou komponenty zařízení, které jsou reprezentovány modelem, nazývány
component model (model komponenty). Zařízení může mít až 10 hierarchických úrovní modelů komponent. Každá
z komponent může obsahovat elementy cílů a elementy supersystémů.
Komponenta, která není reprezentována modelem, je nazývána a simple component.
Tipy, pro identifikaci Device sypersystems (supersystémů zařízení)
Supersystém je částí okolí zařízení, se kterým zařízení je ve styku, ale není součástí zařízení samotného. Elementy supersystému nemohou být eliminovány nebo zjednodušeny protože jsou, podle definice, nad a za rozsahem systému.
Následující otázky a doporučení pomohou k rozhodnutí, zda element je supersystémem:
·
Mohu tento element změnit ? Mohu kontrolovat stav tohoto elementu? Pokud je odpověď záporná je tento element
supersystémem.
·
Mohu tento element odebrat z návrhu systému ? Pokud odpověď záporná je tento element supersystémem.
Elementy supersystému mohou sloužit jako volné zdroje, kterým lze během zjednodušování systému přiřadit některé funkce
zařízení. Jelikož elementy supersystému nejsou částí systému, je možné tímto způsobem snížit náklady.
18
Příklad: Uvažujme motorovou loď na jezeře. Zde je jedním ze supersystémů pro systém lodě vítr. V případě, že bude
navržena vhodná plachta, je možno vítr takto zapřáhnout, a použít jako velmi levný zdroj energie pro pohyb lodě (obr.4).
Vítr bude tedy sloužit jako zdroj, a provádět některé funkce, které byly dříve navrženy pro systém.
Obr. 4 Supersystém jako zdroj energie
Definování funkcí
Funkce, prováděná určitým elementem, je akcí kterou element generuje na druhý (přijímající) element. Akce mění nebo
ovládá jeden nebo více pozorovatelných parametrů přijímajícího elementu. Funkce je sestavena ze slovesa a podstatného
jména. Sloveso je akcí, prováděnou na přijímajícím elementu (podstatné jméno).
Příklad: Předpokládejme, že spolu přímo navzájem působí v systému magnet a elektronový paprsek. Magnet provádí
funkci na elektronovém paprsku: it deflects the electron beam (odklání elektronový paprsek). Parametr elektronového
paprsku, který je touto funkcí ovlivňován, je jeho pozice.
V některých případech může vyjádření o funkci elementu vypadat přinejmenším rozdílně (netradičně) od zažitého
myšlení.
Dva důležité body pro definici funkce:
1. Funkce je vždy sestavena ze slovesa (akce) a podstatného jména (objekt který přijímá akci). Celkové vyjádření o funkci
je formulováno ve smyslu subject-action-object (předmět-akce-objekt), kde předmětem je element provádějící funkci.
Například, ve funkčním vyjádření magnet deflects electron beam, je předmětem magnet, a jeho funkcí je deflects electron beam.
2. Akční element musí přímo ovlivňovat nebo udržovat jeden nebo více parametrů přijímajícího elementu. Pokud
nedokážeme ve funkci identifikovat takový parametr, neobdržíme použitelné hlášení o problému.
Distinguishing useful and harmful functions (Rozlišování užitečných a škodlivých funkcí)
Poté, co definujeme ve svém modelu funkce, klasifikujeme každou funkci buď jako užitečnou nebo škodlivou.
Useful function: definice
Useful functions jsou vyžadovány, aby mohl být splněn hlavní účel, pro který je systém navržen.
Příklad: Funkční vyjádření burner generates flame (hořák generuje plamen) reprezentuje v procesu užitečnou funkci
burner (hořáku). Hořák ovlivňuje teplotu i hustotu plasmy plamene.
Jakmile do prostředí GFI vložíme užitečnou funkci, specifikujeme také její úroveň na relativním měřítku:
·
·
·
Insufficient (nedostatečná) – výstup funkce je pod zamýšlenou úrovní (funkce je prováděna nedostatečně)
Optima (optimální) – funkce je prováděna tak jak je zamýšleno
Excessive (nadbytečná) – výstup funkce je nad zamýšlenou úrovní
Harmful function: definice
Harmful function reprezentuje okolnosti reálného světa, které nebyly v původním návrhu zamýšleny nebo předpokládány.
Takováto funkce je na překážku zamýšlenému účelu zařízení a způsobuje kompromisy v jeho provedení. Eliminací nebo
zmírněním škodlivých funkcí může být provedení nebo výkon zařízení optimalizován.
Příklad: Funkční vyjádření fan vibrates computer parts (obr. 5) v systému počítače. Účelem větráku je zajištění pohybu
vzduchu a tím ochlazení komponent v počítači, nikoli způsobit v zařízení vibrace a generovat hluk.
19
Obr. 5 Zavedení škodlivé funkce
Jakmile do prostředí GFI vložíme škodlivou funkci, můžeme specifikovat její úroveň v relativním měřítku - v měřítku od
Lest (nejmíň) do Most (nejvíc). Čím škodlivější funkce bude, tím bude méně ohodnocena komponenta, která tuto funkci
produkuje.
Způsoby jak model sestavit
GFI poskytuje tři prostředí pro pomoc se sestavením modelu zařízení:
·
·
·
Device Model wizard
Graph Editor
Interaction Matrix
Popíšeme blíže Graph Editor (obr. 6), který obsahuje následující sekce:
·
·
·
Edit Bar, kde lze editovat jméno právě vyznačeného modelu elementu v Graph Editor.
Connection Panel, který se používá k definování interakcí mezi komponentami v různých úrovních hierarchie modelu.
Graph Editor, kde lze tvořit a editovat elementy modelu.
Obr. 6 Grafický editor produktu zabudovaný v GFI
Simplify Design (Zjednodušení návrhu)
Je dalším (volitelným) krokem Device analysis.
V tomto kroku je možno vytvořit jeden či více návrhových scénářů pro vylepšení systému a dosáhnout následujícího:
·
·
Zjednodušit funkčnost specifických komponent a převést je na jiné elementy v modelu.
Vyloučit specifické komponenty a převést celou jejich funkčnost na jiné elementy v modelu
20
Zjednodušený návrh je hodnotnější, protože provádí stejné funkce jako originál, ale za použití méně komponent.
Zjednodušení může navíc přinést tyto výhody:
·
·
·
·
Vyloučení (eliminace) zbytečných komponent
Nižší cenu
Zlepšení výkonu/zlepšení provedení
Stimulace průlomových návrhů
Solution Manager (Manažer řešení)
Solution Manager (manažer řešení) pomáhá ve vývoji a postupné validaci projektu. Umožňuje také hodnotit a členit
návrhy.
Solution Manager obsahuje následující tři sekce pro navigaci a ovládání problémů a řešení:
• Problems & Solutions tree (Strom problémů a řešení), kde se naviguje a vybírá specifický problém či řešení
• Problem Description panel (Tabulka popisu problému), která zobrazuje popis vyznačeného problému či řešení
• Solutions panel (Tabulka řešení), která zobrazuje řešení problémů
Během práce v GFI ve workflow, jako vylepšování nebo návrh nového systému, jsou automaticky během analýzy formulovány problémy a ukládány v projektu.
Při řešení používá Solution Manager integrovaný Researcher interface k přístupu do těchto pěti možností vyhledávání:
·
·
·
·
·
Knowledge Search (vědomostní databáze)
Patent Collections (sbírky patentů)
IMC Scientific Effects (IMC vědecké efekty)
Inventive Principles (invenční principy)
System Modification Patterns (systém modifikačních schémat)
3.1.3. Synthetize Hybrid Systém (syntéza hybridního systému)
Tento workflow se používá k systematickému porovnání dvou nebo více soupeřících systémů, a poté se kombinací jejich
nejlepších parametrů či charakteristik vytvoří jeden hybridní systém.
3.1.4. Failure Mode & Effect analysis – FMEA (mód poruch & analýza efektů)
Tento workflow se používá k omezení a prevenci chyb zařízení nebo procesu
Postup je strukturován následovně:
·
·
·
·
Identifikace potenciálních poruchových režimů zařízení nebo procesu
Formulace potenciálních efektů, potenciálních příčin chyb, kontrola běhu
Upřednostnění potenciálních poruchových režimů
Identifikace akcí pro zabránění vybraných poruchových režimů
3.1.5. Researcher (výzkumník)
3.1.6. Innovation trend analysis (analýza inovačních trendů)
21
4. PŘÍNOS SOFTWARE GFI PRO NÁVRH A HLEDÁNÍ ŘEŠENÍ VÝRAZNÝCH INOVACÍ
KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
Každé z výše uvedených hesel pokrývá mnoho konkrétních postupů, podporujících vznik inovace konkrétního technického
systému, subsystému, agregátu nebo prvku. Výše uvedené databáze byly zpracovány na základě analýzy milionů patentů
a tím podchytily nejvyšší možnou úroveň znalostí a zkušeností lidstva. Na základě analýzy inovovaného produktu se
dostaneme prostřednictvím řešiče k podnětům na řešení identifikovaných problémů, pomocí údajů z databází, na základě
podobných dřívějších řešení.
Jde o činnosti velmi systematické, ať již v oblasti dohledávání světových inovačních trendů produktů či technologií,
podle firem, států, geografického rozložení, tak také při provádění analýz a hodnocení na bázi metod hodnotové analýzy
a konečně řešení identifikovaných problémů využitím databází.
Je prokázáno, že ve firmách, které disponují sw Goldfire Innovator jsou inovace dosažitelné za výrazně menší počet
člověkohodin než je tomu bez jeho užití a také lze dosáhnout inovací vyššího řádu, překonáváním myšlenkové setrvačnosti.
Je třeba ovšem počítat s tím, že vývojoví pracovníci musí projít mimořádně náročnýn zaškolením a ne každému se zvládnutí
činností při využívání GFI podaří na potřebné úrovni.
Ing. Petr Kopec, Katedra robototechniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17 listopadu 15,
708 33 Ostrava - Poruba, tel.: (+420) 597 329 364, e-mail: [email protected]
22
SYNTÉZA 3D MODELŮ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
S PODPOROU SOFTWARE CREO, OVĚŘOVÁNÍ,
TESTOVÁNÍ A PRAXE NÁVRHOVÝCH POSTUPŮ
Ing. Marek Studénka
1. ÚVOD
Při vývoji komplexních složitých systémů je propracovaný 3D systém v podstatě nutností. V našem kolektivu a úzce spolupracujících firmách jsou využívány produkty PTC, konkrétně Pro/ENGINEER od verze Wildfire 3.0 a novější. V současné
době úspěšně využíváme Creo Parametric 2.0 společně s Mathcad Prime 2.0 Essentials pro technické výpočty.
Výše prezentované projekty robotů a mechatronickýh systémů byly vyvíjeny zcela nebo částečně pomocí software Pro/
ENGINEER / Creo (některé části byly vyvinuty v CATII). Na následujících stranách budou znázorněny vizualizace koncepcí,
celkové modely i modely dílčích částí zachycené v průběhu jejich vývoje včetně použitých nástrojů.
2. PŘÍKLADY MODELŮ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
2.1. Hasicí a záchranářský robot Hardy
Nejprve byly vizualizovány koncepce hasicího záchranářského robotu Hardy (viz obr. 1). Naše práce spočívala zejména ve
vývoji manipulačního ramene a efektoru. Postup prací je znázorněn na obrázcích 2 až 7.
Obr. 1: Vizualizace koncepcí hasicího a záchranářského robotu Hardy
Obr. 2: Vizualizace koncepce hasicí uchopovací hlavice
23
Obr. 3: Průběh vývoje hasicí uchopovací hlavice
Obr. 4: Příklad prvního kola návrhového výpočtu požadovaných momentů
pro pohony jednotlivých kloubů modulu manipulace
24
Obr. 5: Vývoj orientačního ústrojí modulu manipulace
Obr. 6: Vývoj pohonu třetího kloubu modulu manipulace
Obr. 7: Kompletní model hasicího a záchranářského robotu Hardy
25
2.2. Víceúčelový robotický transportér
Proces vývoje Víceúčelového robotického transportéru je znázorněn na obrázcích 8 až 14. Tento projekt byl charakteristický tím, že základem transportéru byl podvozek, u kterého bylo nutné nahradit stávající mechanické vazby ovládacich
prvků vazbami elektronickymi. Značně komplikujícím faktorem jsou v tomto případě vždy přítomné odchylky 3D modelu
od reálné konstrukce.
Obr. 8: Koncepce víceúčelového robotického transportéru
Obr. 9: Koncepce víceúčelového robotického transportéru
Obr. 10: Popracovaný model víceúčelového robotického transportéru
26
Obr. XX: Pevnostní analýza ochranného rámu
Obr. 11: Rozstřel základního rámu, pohonu a převodů podvozku
Obr. 12: Využití funkce skeletonu při modelování svařence nosných prvků rámu
v oblasti výklopné zádě víceúčelového robotického transportéru
27
Obr. 13: Design krytu řidítek
Obr. XX: Finální model víceúčelového robotického transportéru před zahájením výroby
Obr. 14: Výkresová dokumentace víceúčelového robotického transprtéru
28
Specifický přístup k procesu vývoje robotického zařízení dle požadavků potenciálního zákazníka s sebou nese i zcela
výjimečné nároky na tvorbu výkresové dokumentace. Z toho důvodu byly vytvořeny firemní šablony standardních i nestandardních (prodloužených) výkresových formátů. Všechny tyto skutečnosti se v případě velkých sestav promítají do vysokých
nároků na výkon pracovních stanic konstruktérů a vývojových pracovníků.
2.3. Univerzální robotický stretcher se všesměrovými koly
Vývoj robotického stretcheru se všesměrovými koly byl výrazně orientován na vývoj všesměrového kola. Vývoj celého
zařízení pak vycházel ze zkušeností v dané problematice i z dřívějších konstrukčních řešení (viz obr. 15 až 22).
Při vývoji všesměrového kola byly významným způsobem využity funkce skeletonu a relací modelu. Nejprve byla vytvořena
modifikovatelná šablona, která byla následně rozpracována do všech konstrukčních detailů.
Obr. 15: Koncepce podvozku se všesměrovými koly
Obr. 16: Designová studie
Obr. 17: Návrh uspořádání základních komponentů
29
Obr. 18: Návrh designového krytu
Obr. 19: Šablona pro vývoj všesměrového kola
Obr. 20: Studie ergonomie ovládání
Obr. 21: Finální model podvozku
Obr. 22: Finální model celého Robostretcheru
30
3. PROBLÉMY A DOPORUČENÍ PŘI VYUŽITÍ SYSTÉMU CREO
K ŘEŠENÍ KOMPLEXNÍCH TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ
Creo Parametric 2.0 (nebo obecně všechny produkty řady Creo 2.0) představuje velmi silný a propracovaný soubor nástrojů
pro vývoj nových komplexních systémů. Využívání zejména pokročilých funkcí a práce v týmu klade nároky na konstrukční
a vývojové pracovníky a na kvalitu zpracování CAD dat. Creo 2.0 staví na plné parametričnosti, která umožňuje zpracovat
a předávat zásadní informace jako součást 3D CAD dat a následně je efektivně promítat např. do výkresové dokumentace.
Práce na komplexních zařízeních s sebou nese nutnost zapojení více vývojových pracovníků najednou. Je tedy potřeba
striktně dodržovat distribuci jednotlivých konstrukčních uzlů mezi jednotlivé členy týmu, dohodnuté standardy tvorby kvalitních CAD dat a respektovat správce celkové sestavy projektu. Ideálním řešením je v tomto případě nasazení PDM systému
Windchill aspoň ve verzi Essentials.
Závažnou nepříjemností, která doprovází vývoj komplexních celků a zařízení je objem dat, velikost sestav a z toho plynoucí
nároky na hardware pracovních stanic. Praxe jasně ukazuje, že čím vyšší je kvalita (čistota) zpracování CAD dat, tím menší
jsou problémy při práci s velkými sestavami.
Na základě dosavadních zkušeností doporučujeme následující zásady postupu:
·
Vytvořit kvalitní startovací párty a šablony pro tvorbu výkresové dokumentace tak, aby se maximálním možným způsobem
využívaly parametry případně relace a tvorba výkresové dokumentace pak mohla proběhnout v co nejkratším čase.
·
Pracovat tak, aby 3D model byl nositelem všech informací (využití parametrů, 3D poznámek, uvádět tolerance ke kótám
vzájemného uložení prvků apod. – při předávání dat mezi členy týmu pak nedochází k opomenutí těchto důležitých
faktů).
·
Maximálně využívat metodu Top-Down modelování a další pokročilé funkce nástavbových modulů (např. konfigurace
sestav).
·
Při tvorbě výkresové dokumentace ctít zásadu, že pokud je to možné, bude pro tvorbu všech pohledů výkresu využita
pouze jedna sestava (díl) modelu – nutno maximálně využívat zjednodušených reprezentací, funkce snap shots pro
polohy mechanizmů apod.
·
Striktně dodržovat dohodnutá pravidla tvorby a správy dat. Nepoužívat jednoslovné názvy modelů ani neidentifikovatelné
zkratky. V ideálním případě implementovat PDM Windchill.
Ing. Marek Studénka, Katedra robototechniky, Fakulta strojní, VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17 listopadu 15,
708 33 Ostrava - Poruba, tel.: (+420) 597 329 364, e-mail: [email protected]
31
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
BUŠOV, B., JIRMAN, P., DOSTÁL, V. Tvorba a řešení inovačních zadání (HA + ARIZ). 1. vyd. Brno: IndusTRIZ
International, Ltd. Brno, 1996. 160 s.
DEVOJNO, I. G., BUŠOV, B., ŠVEJDA, P. Tvorba a řešení inovačních zadání (TRIZ). 1. vyd. Brno: Asociace inovačního
podnikání ČR, 1997. 214 s.
DEVOJNO, I. G. Zdokonalování technických systémů metodikou Tvorby a řešení inovačních zadání (TRIZ). 3. vyd.
Jablonec nad Nisou: JIM design, 2002. 210 s.
EDER, E. W., HOSNEDL, S. Design Engineering (A Maual for Enhanced Creativity). 1. vyd. London: CRC Press, 2007.
587 s. ISBN 1-4200-4765-5.
HUBKA, V. Konstrukční nauka (Obecný model postupu při konstruování). 2. přepracované a doplněné vyd. Zürich:
Heurista, 1995. 118 s. ISBN 80-90 1135-0-8.
SALAMATOV, J. P. Zákonitosti rozvoje techniky (část metody TRIZ). 2. upravené a doplněné vyd. Jablonec nad Nisou:
JIM design, 2001. 135 s.
SKAŘUPA, J. Kreativita a inovační myšlení v konstruování. 1. vyd. Ostrava: VŠB Ostrava, 2007. 228 s. ISBN 978-80-2481717-0.
SKAŘUPA, J. Metodika konstruování. 1. vyd. Ostrava: VŠB Ostrava, 1993. 158 s. ISBN 80-7078-167-X.
SKAŘUPA, J., MOSTÝN, V. Metody a prostředky návrhu průmyslových a servisních robotů. 1. vyd. Košice: Vienala
Košice, 2002. 190 s. ISBN 80 - 88922-55-0.
VOTRUBA, L. Rozvíjení tvořivosti techniků. 1. vyd. Praha: Academia, 2000. 181 s. ISBN 80-200-0785-7.
TechOptimizer 3.0, Software Manual, Invention Machine Corporation, Boston, 1998
TechOptimizer 4.0, User Guide, Invention Machine Corporation, Boston, 2002
Goldfire Innovator 4.0, User Guide, Invention Machine Corporation, Boston, 2007
Text a vyobrazení technických systémů zpracovány na základě technické dokumentace firmy Slezská mechatronika
a.s. a partnerských firem působících v holdingu Reacont (Reacontholding) Horní Suchá.
32
Název projektu:
Partnerství v oblasti energetiky
Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080
Realizátor projektu:
Moravskoslezský energetický klastr, občanské sdružení
Studentská 6202/17
708 33 Ostrava-Poruba
IČ: 26580845
Tel.: +420 558 272 429
www.msek.cz
Partneři projektu:
Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava,
Fakulta strojní, Fakulta elektrotechniky, Fakulta stavební
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství
SLEZSKÁ MECHATRONIKA a.s.
ISBN 978-80-905392-4-2
IVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ