KONEMASINA Älykkään koneen tuoteprosessi

Transkriptio

1 KONEMASINA Älykkään koneen tuoteprosessi

2 KONEMASINA Teknologiavisio Monitekniset tuotteet vaativat yhä useampien osajärjestelmien yhtäaikaista hallintaa suunnittelussa Kone tietää tilansa, historiansa ja toimintaympäristönsä sekä osaa ennustaa tulevaisuutensa Koneen tuottama tieto käyttöhistorian ajalta olennaiseksi osaksi tuotesuunnittelua Tuotesuunnittelun tuottama tieto olennaiseksi osaksi koneen käyttöä

3 KONEMASINA Tutkimusosapuolet VTT Tuotteet ja tuotanto Älykkäät koneet ja palvelut Tuotteiden kehitys ja käyttö Tuotantotekniikka Käyttövarmuus ja riskienhallinta Rakenteiden elinikä ja kestävyys VTT Elektroniikka Vuorovaikutteiset järjestelmät VTT Tietotekniikka Tietojärjestelmät LTKK Konetekniikan osasto Mekatroniikka ja virtuaalisuunnittelu Teräsrakenteet Tietotekniikka TTKK Institute of hydraulics and automation, IHA Koneensuunnittelu TKK Konetekniikan osasto Lujuusopin laboratorio Autotekniikan laboratorio

4 KONEMASINA Hankkeen rakenne Yritykset rahoittavat yhtä hanketta. Sisäisesti hanke jakautuu työpaketteihin Hankkeella on yksi johtoryhmä ja kaksi tukiryhmää joihin työpaketit on ryhmitelty Yritykset voivat osallistua tukiryhmiin kiinnostuksensa mukaan Hankkeen yhteyteen pyritään käynnistämään yrityshankkeita

5 KONEMASINA Businesstekijät Asiakas ostaa koneen sijasta tuotantokapasiteettia Asiakas keskittyy perusosaamiseensa Asiakas haluaa luotettavuutta ja käyttövarmuutta Asiakas haluaa hyvää kilpailukykyä verkottuneen ja rinnakkaisen tuoteprosessin avulla

6 KONEMASINA Tavoite Kehittää tuotekehityksen menetelmiä siten, että moniteknisten tuotteiden osajärjestelmien vuorovaikutus huomioidaan suunnittelussa Menetelmiä, joiden avulla kone tietää tilansa, historiansa ja toimintaympäristönsä, osaa ennustaa tulevaisuutensa ja muuttaa tarvittaessa toimintaansa. Koneen tuottama tieto käyttöhistoriansa ajalta tulee olennaiseksi osaksi tuotesuunnittelua ja käyttöä Turvallisuuden ja käyttövarmuuden todennäköisyyspohjaiset suunnittelumenetelmät tuotekehityksen tueksi

7 KONEMASINA Työpaketit Simulointipohjainen tuoteprosessi TP1 Komponenttien dynaamiset mallit Määritys - kokeellinen - laskennallinen Tuotteen- ja järjestelmän simulointi - Ominaisuudet - Värähtely - Kestävyys Ihmisen vaikutus Reaaliaikasimulointi ja virtuaalitekniikat Vaikutus ihmiseen Tulevaisuuden käyttöpaikka - Tekninen suunn. - Ihmiskeskeinen suunnittelu - Laite- ja komponenttitekniikka Koneiden käytön- ja käyttövarmuuden hallinta TP2 TP3 TP4 TP5 TP6 Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnittelussa TP7

8 KONEMASINA Tukiryhmät Kaksi tukiryhmää Yritykset voivat osallistua tukiryhmiin kiinnostuksensa mukaan Tukiryhmien päätehtävänä on työpakettien teknisen toteutuksen tukeminen, ohjaaminen ja valvonta Tukiryhmä hyväksyy työsuunnitelmat Tukiryhmänkokouksiaon3-5vuodessa Simulointipohjainen tuoteprosessi TR1 TP1 Komponenttien dynaamiset mallit Määritys - kokeellinen - laskennallinen TR2 Tuotteen- ja järjestelmän simulointi - Ominaisuudet - Värähtely - Kestävyys Ihmisen vaikutus Reaaliaikasimulointi ja virtuaalitekniikat Vaikutus ihmiseen Tulevaisuuden käyttöpaikka - Tekninen suunn. - Ihmiskeskeinen suunnittelu - Laite- ja komponenttitekniikka Koneiden käytön- ja käyttövarmuuden hallinta TP2 TP3 TP4 TP5 TP6 Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnittelussa TP7

9 Simulointipohjainen tuoteprosessi SIMO TP1 Tavoite Tuoteprosessin kehittäminen yritysverkostossa. Simuloinnin hyödyntäminen tuoteprosessissa

10 Simulointipohjainen tuoteprosessi SIMO TP1 Generate alternative product architectures Define major sub-systems and interfaces Refine industrial design Identify suppliers for key components Perform makebuy analysis Define final assembly scheme Sisältö Geneerisen tuoteprosessin soveltaminen simulointipohjaiselle tuoteprosessille, laajennukset käyttöön, huoltoon, jopa hävittämiseen Verkottuneen tuoteprosessin mahdollistavat työkalut Mallien, simulointitulosten ja dokumenttien esittäminen tuotemallipohjaisesti Define part geometry Choose materials Assign tolerances Complete industrial design Control documentation Reliability testing Performance testing Obtain regulatory approvals Implement design changes

11 Simulointipohjainen tuoteprosessi SIMO TP1 Hyödyntäminen Tuoteprosessin simulointipohjaisen menetelmäosaamisen tehostaminen metalli- ja konepajateollisuudessa Product Model

12 Komponenttien dynaamiset mallit KOMA P2 Mittaus Analysointi Tavoite Prosessi ja valmiudet rakennekomponenttien ja osamallien dynaamisten ominaisuuksien määrittämiselle. Mallinnus Verifiointi Simulointi

13 Komponenttien dynaamiset mallit KOMA P2 Sisältö Teoreettiset, kokeelliset ja laskennalliset valmiudet komponenttien dynaamiset ominaisuudet vuorovaikutusilmiöiden huomiointi Lähtötiedot järjestelmätason simuloinnille Verkottuminen tutkimuksessa ja palveluissa F(t), u(t) c1 c2 c3 c4 k1 k2 k3 k4 K Amplitudi Esikuormitus

14 Komponenttien dynaamiset mallit KOMA P2 Hyödyntäminen Sovellettavissa laajasti dynaamisten om. määrityksessä: eristimet, liitokset, iskuvaimentimet, renkaat uudet materiaalit ja komponentit. koneet, laitteet ja rakennukset painotus osallistujien sovellutuksissa Voimakkaat epälineaarisuudet ja vaimennusmekanismit Tutkimuksellisen ja teollisen tietotaidon lisäys hyvä kv. tason osaaminen

15 Tuotteen ja järjestelmän simulointi JÄSI TP3 Tavoite Osajärjestelmien ja -komponenttien yhdistäminen kokonaisvaltaiseksi järjestelmän simulointimalliksi ja simuloinnin hyödyntäminen tuoteprosessissa kustannustehokkaalla tavalla TYÖ- PROSESSI Voima Asema MEKANISMI Asema, nopeus, kiihtyvyys Asema Voima Ohjaus OHJAUS- JÄRJES- TELMÄ TOIMI- LAITTEET Asema, nopeus, kiihtyvyys KÄYTTÄJÄ Referenssi Kuva: prof. Aki Mikkola, LTKK

16 Tuotteen ja järjestelmän simulointi JÄSI TP3 Sisältö Osajärjestelmien mallinnus osallistujayritysten tarpeiden kartoitus tuotteita läpikäymällä käytettävissä olevat menetelmät ja työkalut osajärjestelmien mallien verifiointi tarkempi tarkastelu: yritysten toiveiden mukaan, esim. hydrauliikkatai säätöjärjestelmät Järjestelmän simulointi osajärjestelmämallien rajapinnat ja liitynnät osajärjestelmien vuorovaikutus osajärjestelmien herkkyysanalyysi kokonaisuuden kannalta tarkempi tarkastelu: osajärjestelmämallien liittäminen järjestelmäsimulointimalliksi Järjestelmämallin hyödyntäminen tuoteprosessissa simuloinnin käyttö turvallisuuden ja käyttövarmuuden suunnittelussa kulumisen ja ikääntymisen vaikutus järjestelmän vasteisiin simuloinnin käyttö kunnonvalvonnan ja diagnostiikan apuna tarkempi tarkastelu: virtuaalitestaus

17 Tuotteen ja järjestelmän simulointi JÄSI TP3 Hyödyntäminen Sovellettavissa koneiden ja kulkuvälineiden tuotekehityksessä Tuotekehitysprosessin tehostuminen Testaus suunnitteluvaiheessa, fyysisen testauksen suunnittelu ja fyysisesti mahdottomien testaustilanteiden simulointi Laadukkaammat tuotteet Järjestelmän optimoinnista saavutettavat hyödyt Todenmukaisemmat simulointitilanteet ihmisen toiminnan huomioimisella Vaimennin Liikkuvat osat Kuormitussylineteri

18 Reaaliaikasimulointi ja virtuaalitekniikat tuotekehityksen tukena RETU TP4 Tavoite F x, v, a ûú û þüû ÿþýýüûýûúýùýüüû û ýüû û û ûùû ûûúþýü ý Projektissa pyritään löytämään laskentamenetelmiä, työkaluja ja simulaattorien toteutustapoja joiden avulla voitaisiin ottaa reaaliaikasimulaattorit ja virtuaalitekniikat osaksi tuotekehitystä, kunnonvalvontaa, realistista käyttäjäkoulutusta ja asiakastarpeen määritystä. Reaaliaikasimuloinnin käyttö tuotekehityksessä Reaaliaikasimuloinnin käyttö käyttäjäkoulutuksessa Reaaliaikasimuloinnin käyttö ohjauksessa ja kunnonvalvonnassa

19 Reaaliaikasimulointi ja virtuaalitekniikat tuotekehityksen tukena RETU TP4 Sisältö Kartoitetaan reaaliaikasimulointimenetelmät, -ympäristöt ja työkalut, numeerisen ratkaisun asettamat vaatimukset, mallinnusmenetelmät Kehitetään eritasoisia toteutusmenetelmiä eri tarpeisiin nopeasti toteutettava, kevyt ja parametrisoitu malli ÿ tuotekehityksen alkuvaihe, asiakastarpeen määrittäminen fysikaalisesti tarkka malli ÿ tuotekehitys, kunnonvalvonta todenmukainen virtuaaliympäristö ja fysikaalisesti tarkka malli ÿ tuotekehitys, koulutus Tutkitaan simulaattorien verifiointimenetelmiä ja tarkkuutta Kehitetään demonstraatiosimulaattoreita ja yleiskäyttöisiä platformeja Hyödyntäminen Reaaliaikasimulaattoreita voidaan hyödyntää kun tutkitaan ihminen-kone vuorovaikutusta esim. tuotekehityksen aikana Ihmisen vaikutus koneeseen esim. koneen toiminnan tutkiminen, rakenteen kokemat rasitukset, käyttäjän takaisinkytkentä koneen toimintaan Koneen vaikutus ihmiseen esim. ergonomia, akustiikka, liiketila, hallintalaitteet jne.

20 Tulevaisuuden käyttöpaikka TUPA TP5 käyttötarpeet, käyttötilanteet käyttöympäristöt koneen vaatimukset käyttäjän vaatimukset Tietoinen ymmärtäminen vuorovaikutussuhteet ihminen-kone rajapinnat konejärjestelmä ja sen osajärjestelmät Käyttäjäkeskeinen lähestymistapa suunnittelu operointi Jatkuva hallinta järjestelmämallit ja simulointi, ihminen-kone järjestelmän adaptoituva työkalu Tulevaisuuden käyttöpaikan suunnittelussa ja koneen operoinnissa on tärkeätä sekä käyttäjän asettamien, että modernille ja monimutkaisille järjestelmille asetettujen vaatimuksien (käyttötarpeet, käyttötilanteet ja käyttöympäristöt) tietoinen ymmärtäminen (ihminen, vuorovaikutussuhteet, ihminen-kone rajapinnat sekä konejärjestelmä ja sen osajärjestelmät), jatkuva hallinta (järjestelmämallin ja simuloinnin menetelmien avulla turvallisuutta, luotettavuutta ja käyttövarmuutta lisäävästi) ja käyttäjäkeskeinen lähestymistapa (ihminen-kone järjestelmään sovitettu ja adaptoituva työkalu) koneen operoinnissa ja sen käytönaikaisessa seurannassa.

21 Tulevaisuuden käyttöpaikka TUPA TP5 Tavoite Työpaketin tavoitteena on simulointipohjainen ihminen-kone - järjestelmämalli, menetelmät ja työkalut tulevaisuuden käyttöpaikan suunnittelua ja koneen operointia varten. Tavoite on ottaa huomioon sekä käyttäjän asettamat, että modernille ja monimutkaisille järjestelmille asetetut vaatimukset tehokkaasti sekä turvallisuutta, luotettavuutta ja käyttövarmuutta lisäävästi. Simulation VIRTUAL PROTOTYPE - Human Machine System (HMS) HUMAN MODEL INTERFACE MACHINE MODEL Internal loads Control F View ( ) ( f ) M f = a( f ) External loads Mechanics Hydraulics Control ENVIRONMENT Analysis Ergonomics Safety Performance FEM etc

22 Mittaus liikealustalla Tulevaisuuden käyttöpaikka TUPA TP5 Sisältö Työpaketissa kehitetään ihminen-kone järjestelmämallia kattamaan eri osajärjestelmien vaikutukset ja sitä sovelletaan tuotekehityksessä. Ihmismallin avulla tapahtuvan ihmisen suorituskyvyn ja mukavuustason sekä terveydellisten tekijöiden simulointiteknistä mittaamista kehitetään tuotekehityksen näkökulmasta ja sovelletaan tutkimustapauksien yhteydessä. kiihtyvyys Y (g) kh8 numerokoe sivulle Time (seconds) Y-penkki

23 Tulevaisuuden käyttöpaikka TUPA TP5 Hyödyntäminen Yritysten suunnitteluosaaminen ja -työkalut kehittyvät ja kustannustehokkuus paranee lisäten yritysten kilpailukykyä ja mahdollistaen palvelumarkkinoiden kasvun Ihminen-kone -järjestelmän toimivuus on arvioitavissa helposti ja tehokkaasti Tuotteiden ja järjestelmien kehittynyt turvallisuus ja käyttökelpoisuus vähentävät tapaturmia, onnettomuuksia ja virhekäytön vaaroja Yhteydet kansainväliseen tutkimukseen.

24 Tavoite Koneiden käytön ja käyttövarmuuden hallinta KÄYVÄ TP6 Tavoitteena on kehittää edullisia koneisiin integroitavia kunnonvalvonnan ja diagnostiikan menetelmiä, siten että niiden suunnittelu sisältyy elimellisesti koneen tuoteprosessiin. Kone hallitsee aktiivisesti kuntoaan ja kykenee kommunikoimaan muiden järjestelmien kanssa. Sisältö Mittausmenetelmät ja tiedonkeruumenetelmät Tietotarveanalyysi ja mittaustulosten analysointi Kunnonvalvonta- ja diagnostiikka Mitoittavat kuormajakautumat Rasitus- ja elinikäennusteet Asiantuntijajärjestelmän kehitys Tiedonsiirto- ja tiedontallennusmenetelmät Hyödyntäminen Tuotekehitykseen tarkempaa tietoa käytönaikaisista kuormista Etävalvontaan ja -ohjaukseen sopivia kevyempiä järjestelmiä. Tiedonkeruujärjestelmien tuottaman tiedon jatkojalostaminen. Riippuvuudet Komponenttien dynaamiset mallit (TP2) Osajärjestelmien simulointi (TP3) Reaaliaikasimulaatiot (TP4)

25 Koneiden eliniän ja diagnostiikan hallinta KÄYVÄ TP6 Kohteet: Case 3 Case 1 Case 2 Moduulit: A Monitorointi B Diagnostiikka C Elinikä mittaus ja simulointi mallit kuormitusjakaumat menetelmät ennuste ennuste Tiedon analysointi, -siirto ja -ohjaus Käyttö: KUNNONVALVONTA TUOTESUUNNITTELU

26 Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnittelussa TURVA TP7 Kuvat: Össur Tavoite Sisältö Kehitetään turvallisuuden ja käyttövarmuuden todennäköisyyspohjaisia suunnittelumenetelmiä tuotekehityksen tueksi erityisesti kitkan ja kulumisen hallintaan Kehitetään uutta osaamista, toimintatapoja ja työkaluja Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnitteluprosessissa Riskien hallintaa tukevat todennäköisyyspohjaiset suunnittelumenetelmät eri alueilla Riskiperustaisten suunnittelutyökalujen kehittäminen

27 Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnittelussa TURVA TP7 Kuva: Tekla Hyödyntäminen Suunnitteluvaiheessa vaikutetaan eniten tulevan tuotteen toimintavarmuuteen ja ratkaistaan n. 70 % tuotteen elinkaarikustannuksista Tuoteprosessissa tarvitaan päätösten tueksi arvioita mm. kulumis-, värähtely- ja väsymisriskeistä sekä niiden todennäköisyyksistä ja kustannuksista suunnittelun aikana Tieto on tärkeää saada sellaiseen muotoon, joka helpottaa suunnitteluprosessia ja mahdollistaa entistä optimoidummat tuotteet Palveluliiketoiminnot kasvavat ja asiakkaat haluavat kokonaisratkaisuja eli ns. hybridituotteita. Ne on suunniteltava alun alkaen liiketoimintamalliin sopiviksi Nopeus on yksi tärkeimmistä menestystekijöistä tuotekehityksen taloudellisten marginaalien pienentyessä Kuva: RBTS

28 Turvallisuus ja käyttövarmuus tuotesuunnittelussa TURVA TP7 XXX Käyttö ja ylläpito Suunnittelu Huolto Verkko Suunnittelu- ja tiedonhallintatyökalu Turvallisuus ja käyttövarmuus Liitännät Tietokanta metatiedolle Suunnittelussa käytettävät järjestelmät Mallinnus Vanhojen tuotetietojen hyöd yntä minen Osavalmistus ja kokoonpano Analyysit (FEM,...) XXX XXX XXX Käyttötiedon käsittely Konseptisuunnittelu Monitorointidata Tapio Salonen