Moniteknisen tuotteen virtuaalisuunnittelun konsepti. Työkoneiden tuotetiedonhallinta -seminaari Jari M Ahola, VTT

Transkriptio

1 Moniteknisen tuotteen virtuaalisuunnittelun konsepti Työkoneiden tuotetiedonhallinta -seminaari Jari M Ahola, VTT

2 2 Sisältö Johdanto Mitä on virtuaalisuunnittelu? Moniteknisyyden haasteet Simulointiin perustuva tuotekehitysprosessi Moniteknisen tuotteen virtuaalisuunnittelun konsepti Konseptin todentaminen tuotepiloteissa Yhteenveto

3 3 Mitä on virtuaalisuunnittelu? Suunnittelua, joka perustuu fysikaalisten ilmiöiden ja teknisten järjestelmien mallintamiseen ja simulointiin tietokoneohjelmistoilla Simulointeja toistetaan ja mallissa havaittuja puutteita korjataan, kunnes virtuaalinen laite / järjestelmä täyttää sille asetetut vaatimukset Ratkaistava ongelma määrää mallinnuksen tason ja vain olennainen mallinnetaan Yksityiskohtainen suunnittelu Luonnostelu Rakenneanalyysi ( Reaaliaikasimulointi ( 3D-CAD Tuotekonseptin kehittäminen Ohjauksen ja säädön suunnittelu Mallin monimutkaisuus ja virtuaalisuunnittelun kustannukset

4 4 Virtuaalisuunnittelu valmistuksessa ja tuotannossa Valmistuksen ja kokoonpanon suunnittelu Tuotantosolujen, -linjojen ja materiaalivirtojen suunnittelu ja optimointi Suunnittelun tavoitteena on mahdollisimman kustannustehokas valmistus ja tuotanto Kokoonpanon simulointi ( Työstöratojen suunnittelu ( Tuotantolinjojen ja materiaalivirtojen suunnittelu ja optimointi ( 3D -CAD Tuotantosolun suunnittelu (

5 5 Moniteknisen tuotteen suunnittelun haasteet Suunnittelu vaatii osaamista usealta tekniikan osa-alueelta: mekaniikka, tietotekniikka, elektroniikka, hydrauliikka, pneumatiikka, jne. Työkoneiden tapauksessa on lisäksi tunnettava työprosessi, käyttöolosuhteet ja turvallisuusmääräykset Yleensä suunnittelu hajautetaan eri tiimeihin: Tiimit ratkaisevat osaongelmia ja suunnittelevat osajärjestelmiä Tiedonkulku tiimien välillä vaikuttaa merkittävästi tuotekehityksen laatuun ja nopeuteen Moniteknisten tuotteiden prototypointi on työlästä ja kallista Prototyyppi vaatii toimiakseen lukuisia yhteensopivia komponentteja: rakenneosia, antureita, toimilaitteita, I/O - kortteja, laskenta-alustoja, ohjelmiston, käyttöliittymän, jne. Komponenttien valinta, hankinta, valmistus ja kokoonpano kuluttavat aikaa ja rahaa lisäten tuotekehityksen kustannuksia

6 6 Virtuaalisuunnittelun tavoitteet 1. Nopeuttaa tuotekehitystä Virtuaalimallit ovat muunneltavissa nopeasti ja joustavasti Karkeat suunnitteluvirheet korjataan heti luonnosteluvaiheessa 2. Pienentää tuotekehityksen kustannuksia ja riskejä Tuotteen perusratkaisut ja -toiminnot todennetaan virtuaalimalleilla Simuloidaan tuotetta kokonaisuutena Minimoidaan tarve rakentaa todellisia prototyyppejä 3. Parantaa suunnittelun laatua Suunnittelutiimien työtä yhtenäistetään virtuaaliprototyypin avulla Rakennetaan entistä laadukkaampia prototyyppejä

7 7 Simulointiin perustuva tuotekehitysprosessi Asiakastarve- ja markkinaselvityksien perusteella määritellään alustava tuotekonsepti Vaatimusmäärittelyssä tuotteen vaatimukset listataan ja analysoidaan systemaattisesti Virtuaalisuunnittelu: Alustavasta tuotekonseptista työstetään vaiheittain lopputuotetta vastaava virtuaaliprototyyppi vuorovaikutuksessa asiakkaan / loppukäyttäjän kanssa Vaatimukset ja mallit tarkentuvat iteratiivisesti suunnittelun edetessä Turvallisuusprosessissa analysoidaan tuotteen turvallisuusriskit ja vaadittavat turvatoiminnot (perustuen KOTOTU referenssimalliin) Lopullinen testaus ja verifiointi tapahtuvat todellisilla prototyypeillä Prosessien hallinta PLM -järjestelmässä Esim. ENOVIA: Requirements Central, Engineering Central, Designer Central and Program Central

8 8 Tuotekonseptin kehittäminen Esimerkkejä ympäristömallien hyödyntämisestä Henkilönostimen virtuaalinen ulottuvuustarkastelu laserskannatun kerrostalomallin avulla Ahola, J.M., Hovila, J., Karhunen E., Nevala, K. Schäfer T. Bittejä ja rautaa. Monitekninen tuote digitaaliseksi. Prosessori. Maaliskuu 3/2011. Panostuspuomin liikeratojen simulointi osittain laserskannatussa tunnelimallissa

9 9 Turvallisuusprosessin malli mukailtu KOTOTU - projektista (Hietikko, Malm, Alanen 2009) MoniDigi -projektissa pilot -laitteille toteutettiin tuotekonseptin kehittämisvaihe DTP:ssä korostuu mallinnuksen ja simuloinnin hyödyntäminen turvatoimintojen suunnittelussa ja testauksessa Esim. nosturien stabiilisuustarkastelut, anturien vikaantuminen jne. Turvallisuusprosessin hallinta periaatteessa mahdollista PLM -järjestelmässä (muutoshistorian ja dokumenttien hallinta, katselmoinnit ja hyväksyntäketjut) Esim. ENOVIAssa Issue management and Engineering change management

10 10 Virtuaalisuunnitteluprosessi Modulaarinen mallinnus ja rinnakkainen suunnittelu Virtuaalimallin alustus on luonteeltaan ohjelmistokehitystä Simulointituloksien perusteella korjataan suunnittelua ja tarkennetaan malleja Asiakas/loppukäyttäjä osallistuu virtuaalisuunnitteluun mahdollisimman paljon Lopputuloksena saadaan määrittelyt todellisten komponenttien valintaa ja prototyyppien valmistusta varten Virtuaalisuunnittelun hallinta onnistuu PLM:n työkaluilla tiettyyn rajaan asti Tuotteen monimutkaisuus, organisaation/ verkoston koko, mallinnuksen taso, jne. Esim. MoniDigi: ENOVIA Workspace Tulossa: Simulaatiomallien elinkaaren hallinta (SLM) Simulointimallien ja -datan on oltava jäljitettävissä kuten tuotetietokin Ongelmana virtuaalimallien versionhallinta ja linkitys tuoterakenteeseen

11 11 Simulointiympäristöt ja ohjelmistotyökalut MoniDigi -projektissa Tuotteen virtuaalimalli ENVISION TR -ohjelmassa ja ohjausohjelmisto toteutettu erillisenä c-ohjelmana Tuotteen virtuaalimalli ADAMS -ohjelmassa ja ohjausohjelmisto toteutettu MATLAB Simulinkissä

12 12 Simulointi hydrauliikan esisuunnittelussa Toimilaitteiden painetasot Kääntö Yläpuomin nosto teleskooppi Jibin taitto Alapuomin nosto teleskooppi Väliosan taitto Vakaaja Korin kääntö pa pb Kokonaisöljyvirtaus l/min

13 13 Esimerkki verkottuneesta tuotekehityksestä Yritys / tiimi vastaa osaamisensa mukaisesta suunnittelun osa-alueesta. Esimerkiksi: Tiimi 1: Mallinnus ja simulointi Tiimi 2: Mekaniikkasuunnittelu ja lujuusanalyysit Tiimi 3: Ympäristömallinnus Tiimi 5: Ohjausjärjestelmän (reaali)suunnittelu Tiimi 6: Muotoilu, ergonomia, käytettävyys Simulointitulokset ohjaavat reaalisuunnittelua, joka edelleen verifioidaan mallinnuksella ja simuloinnilla Tiimien välinen suunnittelutietojen siirto tapahtuu PLM -järjestelmän kautta

14 14 Virtuaalisuunnittelun käytännön ongelmia Mallinnus: Koko tuotteen mallinnus ja simulointi vaatii useita ohjelmistoja: CAD, MBS sekä numeerisen ja symbolisen laskennan ohjelmistot Dynaamisen mallin parametrisointi ja simulointiohjelmistojen synkronointi Luotettavuus: Virtuaalimalli on aina yksinkertaistus todellisuudesta ja mallin rajoitukset on tunnistettava ja dokumentoitava Tarkkuuden ja luotettavuuden arviointi vaatii kokemusta tuotteiden reaalisuunnittelusta ja toteutuksesta

15 15 Yhteenveto Moniteknisyys on haaste tuotekehitykselle ja suunnittelulle Vaatii laaja-alaista asiantuntemusta Koko tuotteen mallinnus ei yleensä onnistu yhdellä ohjelmistolla Virtuaalisuunnittelusta saadaan suurin hyöty, kun sitä hyödynnetään jo luonnostelussa ja tuotekonseptin kehittämisessä Virtuaalisuunnittelulla voidaan parantaa viestintää suunnittelijoiden kesken, yrityksen sisällä sekä asiakkaiden suuntaan PLM -järjestelmä helpottaa simulointipohjaisen tuotekehitysprojektin hallintaa

16 16 Kiitos! Lisätietoja MoniDigi -projektin nettisivuilta: Yhteyshenkilöt VTT:llä: Jari M Ahola (jari.m.ahola@vtt.fi) Kalervo Nevala (kalervo.nevala@vtt.fi)

17 17 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa