Transcript Iter di Progettazione, Proprietà esterne e requisiti di qualità

Principi e Metodologie della
Progettazione Meccanica
Corso del II anno della laurea magistrale
in ingegneria meccanica
ing. F. Campana
a.a. 10-11
•Iter di progetto (secondo il modello di Pighini – Design for Quality)
•Lista dei requisiti (o capitolato di progetto)
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Iter di progettazione
Progettare un prodotto significa definire la struttura e la modalità di realizzazione
di un sistema in modo tale che esso possa assolvere a delle specifiche
richieste.
Questo avviene attraverso un iter che, nel caso più generale (ovvero definizione
di prodotti innovativi), è composto dalle seguenti fasi:
1. Indagini di mercato per definire le specifiche del cliente e valutare la concorrenza
2. Progettazione concettuale (avamprogetto e definizione dei concept)
3. Progettazione di massima
3. Progettazione esecutiva
Esigenza
Progetto
concettuale
Progetto di
massima
Prodotto
finito
Progetto esecutivo
Pianificazione del processo di
produzione
Produzione
N.B. La necessità di modellare l’iter di progettazione (sorta nella seconda metà del ‘900) ha
rappresentato un punto chiave per la messa a punto delle procedure informatiche di supporto
allo sviluppo prodotto (PLM/PDM) e per la definizione di strategie industriali ottimizzate
(progettazione per la qualità, total quality management).
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
1.
La progettazione concettuale: in cui si definisce il principio di funzionamento ed
un primo schema di massima (arrangiamento) del sistema
2. La progettazione di massima: in cui si procede al dimensionamento ed
all’ottimizzazione dell’arrangiamento dei componenti
3. La progettazione esecutiva: in cui si indicano e risolvono tutte le problematiche di
assemblabilità e funzionalità del sistema
4. La progettazione della fabbricazione del sistema: in cui si risolvono tutti i problemi
legati a come produrre il sistema
La progettazione concettuale ha il compito di definire i principi di funzionamento del sistema dando un
prototipo di avamprogetto che successivamente verrà dimensionato ed ottimizzato nella fase di
progettazione di massima e poi esecutiva. Il livello di dettaglio nella definizione delle singole parti
cresce esponenzialmente man mano che si procede dalla fase concettuale a quella esecutiva. Il
prodotto finale della fase esecutiva è il progetto della fabbricazione del sistema in cui, oltre alla
sua forma e dimensione, si fissano i requisiti di fabbricazione, le tolleranze e le rugosità
Ogni singola fase presuppone specifici documenti che attestano il lavoro e lo stato del
progetto, i disegni (o tavole) di progetto sono senza dubbio i documenti più importanti. In
funzione della fase di progetto si distinguono:
•
disegni di avamprogetto (schizzi a mano, rappresentazioni concettuali)
•
•
•
disegni costruttivi (tavole di complessivi, di sottogruppi, di componenti)
componenti)
disegni di fabbricazione (indicazioni tolleranze, rugosità
rugosità, sovrametalli, …)
disegni “come costruito”
costruito”
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
(progetto di massima)
(progetto esecutivo)
(per chi deve produrre)
(per l’l’archiviazione)
La lista dei requisiti
Il capitolato o lista dei requisiti è il primo documento ufficiale di sviluppo prodotto e
rappresenta il punto di partenza per l’impostazione del design for quality.
Metodi concorrenti sono il Quality Function Deployment (QFD) e l’Axiomatic Design (di cui si
daranno cenni successivamente).
La soddisfazione del cliente si traduce in requisiti di qualità (o proprietà) da formalizzare in
opportuni elenchi in grado di qualificare e quantificare la richiesta.
Poiché il progetto oltre ai requisiti di qualità dovrà avere dei requisiti tecnici di funzionalità e
performance distinguiamo due classi di proprietà: le proprietà interne e le proprietà
esterne.
Le p. interne sono tutte le prerogative fisiche del sistema, ovvero tutti gli aspetti di pertinenza
specifica dell’ingegnere:
resistenza (statica, a fatica, a frattura, …), rigidezza, rivestimento, resistenza alla corrosione, durezza,
formabilità, resilienza, … (comportamento dei materiali)
controllo delle traiettorie, comportamento dinamico, rapporti di trasmissione, scelta degli elementi e degli
organi funzionali, … (meccanica e dinamica delle strutture, costruzione di macchine, turbomacchine,
elettrotecnica, oleodinamica, … )
tolleranze di forma e costruttive, modalità di fabbricazione ed assemblaggio (tecnologia)
Le p. esterne sono gli aspetti del sistema percepiti dal cliente o da operatori diversi dal progettista
che vengono a contatto con il sistema durante il suo ciclo di vita. La qualità è quindi la
realizzazione come da specifica delle proprietà esterne interessanti per il cliente.
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Le proprietà esterne
Proprietà esterna
Proprietà funzionali
Scopo della progettazione orientata
N.B. Realizzare le funzioni richieste è l'obiettivo minimo
della progettazione!
Prestazioni del S.M.
Ottimizzare i valori di targa del sistema garantendone la
robustezza (Robust Design)
direttamente percepita da
cliente azienda ambiente
x
Sicurezza
Definire e garantire la probabilità che il sistema compia la
sua missione con successo per la durata di tempo
prestabilita
Ridurre/eliminare il rischio di danno per l'operatore e/o
l'ambiente circostante
x
Ergonomia
Ottimizzare l'interfaccia uomo-macchina nel rispetto della
fisiologia umana
x
Estetica
Ottimizzare l'aspetto e la percezione del sistema
x
Rispetto degli standard/norme
Applicare quanto previsto dalle norme legislative/tecniche
x
Attitudine alla manutenzione
Semplificare/ridurre le operazioni di manutenzione
x
Attitudine al trasporto
Semplificare le operazioni di trasporto del sistema
x
Affidabiltà
Attitudine all'assemblaggio
fabbricazione
Attitudine alla fabbricabilità
Riciclabilità
Ottimizzare le procedure di assemblaggio in produzione
e/o esercizio
Ottimizzare la scelta del processo produttivo e la sua
sequenza
Rendere possibile in maniera agevole la riciclabilità del
sistema
Sostenibilità ambientale
Eliminare/minimizzare le consegue dannose per
l'ambiente (uomo, natura, società) a seguito della
realizzazione, dell'uso e dello smaltimento del sistema
Costo
Minimizzazione dei costi del sistema (costi di sviluppo,
produzione, gestione)
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
• Le modalità di
realizzazione di
queste proprietà e
quindi il loro grado
di eccellenza sono
funzione delle
proprietà interne
del sistema
x
x
x
x
• le tecniche di
progettazione
orientata(#) sono
finalizzate ad
ottimizzare
proprietà
specifiche
x
x
x
(#) progettazione
orientata o design for X
Le proprietà esterne
•Alcune proprietà sono tra loro interconnesse. Ad es. la fabbricazione e
l’assemblaggio influenzano fortemente il costo del sistema. La sicurezza implica
affidabilità ma non il viceversa. Le prestazioni risentono dell’affidabilità e del rispetto
degli standard.
9
x
x
x
x
10 11 12 13 14
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
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x
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x
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x
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x
x
x
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x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
x
x
x
Costo
8
x
x
x
Sostenibilità ambientale
7
Riciclabilità
6
Att. alla fabbricazione
Att. all'assemblaggio
x
Attitudine al trasporto
5
x
Att. alla manutenzione
4
x
Rispetto degli standard
Ergonomia
3
x
x
Estetica
x
x
Sicurezza
2
x
Affidabiltà
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Proprietà esterna
1
Proprietà funzionali
Prestazioni del S.M.
Affidabiltà
Sicurezza
Ergonomia
Estetica
Rispetto degli standard
Attitudine alla manutenzione
Attitudine al trasporto
Attitudine all'assemblaggio
Attitudine alla fabbricazione
Riciclabilità
Sostenibilità ambientale
Costo
Prestazioni del S.M.
Prop. Funzionali
•Alcuni legami sono più o meno forti a seconda del Sistema da progettare. Il
progettista è libero di scegliere le priorità sulla base delle considerazioni fatte nella
fase di chiarimento del compito.
Il processo di progettazione
• Lo scopo della progettazione è quello di definire come realizzare un sistema
in grado di compiere le operazioni richieste secondo quanto indicato dal
committente (= cliente)
• La progettazione è un processo di concretizzazione che porta dall’idea di
partenza (=l’esigenza di compiere un dato processo in un dato modo) alla
stesura del disegno esecutivo (= formalizzazione del sistema per rendere
possibile la sua produzione).
• Questo processo può essere distinto in due fasi:
– la progettazione concettuale o funzionale
– la progettazione esecutiva
• Ciascuna di questi fasi è a sua volta un insieme di fasi e loop di verifica e
correzione.
• A monte c’è la fase di chiarimento del compito che impone:
– la definizione e la quantificazione dei requisiti di progetto (sia interni che esterni,
sia attesi che inattesi dal cliente);
– la valutazione dello stato dell’arte e delle problematiche funzionali legate alla
scelta dei diversi principi fisici (detti anche principi tecnologici) con cui può
operare il sistema in via di progettazione.
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
richieste del cliente, vincoli aziendali
Chiarimento del compito
lista dei requisiti
Scelta del principio tecnologico*
Studio della funzione
Concept Design
Analisi degli attuatori
tabella morfologica
Schemi concettuali e scelta
dello schema ottimale
Progetto di massima (o preliminare)
disegni di massima
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
* N.B. in alcuni casi lo stato
dell’arte ed i vincoli aziendali
fanno anticipare la scelta del
principio tecnologico alla fase di
chiarimento del compito.
Il processo di progettazione:
il chiarimento del compito
• Il primo passo necessario alla corretta impostazione del
progetto consiste nel chiarimento del compito ovvero
nella collezione ed organizzazione dei requisiti del
sistema.
• In questa fase occorre focalizzare:
– cosa deve realizzare il sistema e come deve farlo
– che tipo di operando (= input primario) deve trasformare
– In quale ambiente e circostanze
Sistema da
progettare
operatore
Output primari
Input primari
processo
Input secondari
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Output secondari
Il processo di progettazione:
il chiarimento del compito
• L’analisi del processo che dovrà compiere il sistema serve a mettere
in luce:
– su quale principio fisico si baserà il sistema
– un insieme di requisiti interni su cui basare la fattibilità tecnologica del
sistema stando allo stato dell’arte attuale.
• Il documento che formalizza questa fase è la lista dei requisiti (o
capitolato/specifica di progetto). Il suo scopo consiste nel riepilogare
le proprietà (= i requisiti) che dovrà avere il sistema. Può essere
realizzata come una tabella suddivisa per proprietà. Le proprietà
devono essere:
– dettagliate nelle eventuali proprietà interne che le realizzano,
– quantificate dove possibile con valori di targa od intervalli plausibili,
– ordinate in base a priorità messe in luce proprio dal chiarimento del
compito.
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Il processo di progettazione:
il chiarimento del compito
A titolo di esempio si illustrano due casi studio. Il primo riguarda il progetto di
un tavolino ribaltabile per sedili di treno, il secondo una cioccolatiera. Si noti
come l’assegnazione iniziale sia più scarna rispetto all’elenco della lista dei
requisiti.
Esempio 1:
max 30°
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Sviluppare il progetto (funzionale
ed esecutivo) di un tavolino
ribaltabile per sedili di treno.
Si consideri un ingombro
massimo di 400 x 350 mm ed
un’altezza da terra di circa 800
mm.
Il sistema deve essere
ergonomico, di facile
assemblaggio e fabbricazione,
non deve prevedere
manutenzione ed il suo utilizzo
deve essere sicuro.
PROPRIETA’
ESTERNE
Lista dei requisiti
1
Requisiti
funzionali/
Prestazioni del
sistema
DETTAGLI
SM ribaltabile per il sostegno di oggetti utili durante un viaggio
in treno (libri, bicchieri, PC…).
Ingombri del SM
x
700 mm
Larghezza
400 mm
Profondità
350 mm
Altezza da terra
800 mm
Ingombro minimo se inutilizzato
100 N
Carico massimo di progetto
200 N
Freccia massima
5 mm
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
x
x
x
Carico massimo di esercizio (in condizioni di massimo sbalzo)
Possibilità di regolare la posizione
(leggio)
*D/A
x
Descrizione dell’ancoraggio:
il SM si ancora al sedile anteriore. L’inclinazione dello
schienale (max 30°) può essere regolata mediante scorrimento in
avanti della seduta; un guscio solidale a terra, cui sono fissati i
braccioli, contiene il sedile fino a 1100 mm di altezza.
Distanza da terra dei braccioli
Lista estratta dall’elaborato a.a. 06-07 di
Flavia Campanelli, Francesco Morè
e Luciana Rutilo
*R
x
x
x
x
2
Ergonomia
DETTAGLI
*R
Modalità di utilizzo intuitiva e senza
sforzi
Semplicità di azionamento
Presenza
vano
portabibite
portaoggetti
x
x
e
x
Sistema di facile pulizia
Sistema in grado di garantire una
corretta postura
3
Sicurezza
Evitare aperture inattese
Evitare usi impropri del sistema
Assenza spigoli vivi
Assenza di parti meccaniche scoperte
Evitare che gli oggetti scivolino
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
*D/A
x
x
x
x
x
x
x
Lista estratta dall’elaborato a.a. 06-07 di
Flavia Campanelli, Francesco Morè
e Luciana Rutilo
PROPRIETA’
ESTERNE
PROPRIETA’ ESTERNE
4
Fabbricabilità e
assemblabilità
DETTAGLI
*R
*D/A
Impiego del minor numero di componenti
x
Impiego di componenti standard
x
5
Affidabilità e manutenibilità
assemblaggio
in
fase
Durata prevista
di
x
Illimitata
x
Manutenzione dei meccanismi
6
Estetica
Assente
x
Impiego di materiali e finiture appropriati
x
7
Costo
Costo di fabbricazione massimo
40 €
x
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Lista estratta dall’elaborato a.a. 06-07 di
Flavia Campanelli, Francesco Morè
e Luciana Rutilo
Facilità di
montaggio
Esempio 2
Specifica del cliente
S i r e a liz z i il p r o g e tto d i u n a c io c c o la tie r a c h e c o n s e n ta d i p r e p a r a r e (a p a r tir e d a p o lv e r e e
liq u id o ) la b e v a n d a , m a n te n e r la c a ld a e m e s c e r la .
S i r e n d a p o s s ib ile la p r o d u z io n e d i a lm e n o 5 litr i d i b e v a n d a , la te m p e r a tu r a d i p r e p a r a z io n e s ia
a l m a s s im o 7 0 ° C , m e n tr e q u e lla d i r e g im e s ia in c lu s a tr a 4 0 ° C e d i 5 0 ° C .
T e m p o d i p r e p a r a z io n e d e l c o m p o s to : c ir c a 3 0 m in u ti.
La
-
m a c c h in a d e v e e s s e r e in g r a d o d i:
in d ic a r e la q u a n tità d i liq u id o in s e r ita /la q u a n tità d i c io c c o la to r e s ta n te
p r e im p o s ta r e la d u r a ta d i p r e p a r a z io n e
r e g o la r e a u to m a tic a m e n te la t e m p e r a tu r a u n a v o lta f is s a to il v a lo r e (n o n s i r ic h ie d e u n a
a c c u r a te z z a e s tr e m a )
m is c e la r e c o n c o n tin u ità il c o m p o s to u n a v o lta p r o n to e v ita n d o g r u m i
c o n s e n tir e la m e s c ita
I n g o m b r i d i m a s s im a : 2 5 0 x 3 0 0 x 5 0 0 m m . P e s o d i m a s s im a ≤ 1 0 k g
P o t e n z a m a x r ic h ie s ta : 1 K W , a lim e n ta z io n e d o m e s tic a .
S i c u r i l’e r g o n o m ia d e ll’a z io n a m e n to /u tiliz z o e d e ll’e v e n tu a le tr a s p o r to (s a ltu a r io )
C a r a tt e r is tic h e d i m a n u te n z io n e : f a c ile p u liz ia d e lle p a r ti a c o n ta tto c o n il c io c c o la to
C a r a tt e r is tic h e d i s ic u r e z z a : s e c o n d o g li s ta n d a r d o v v e r o c e r tif ic a z io n e C E
I l p r e z z o d i f a b b r ic a z io n e s ia in f e r io r e a i 3 0 0 e u r o
Principi e Metodologie della progettazione meccanica
Lista dei requisiti
R=richiesto
D=desiderato
O=omesso
Entro la soglia di ?
Coincide con requisiti di Sicurezza
Principi e Metodologie della progettazione meccanica