Parametrinen mallintaminen ja Multi-Body-tiedostot selkeyttävät suunnittelua
Opinnäytetyössä, johon tämä artikkeli perustuu, tuotiin esille hyviä mallinnustapoja ja 3D-ohjelmiston toimintoja, jotka ovat helpon myöhemmin tehtävän suunnitteluautomaation perusta. Hyvänä esimerkkinä tällaisista toiminnoista ovat parametrit. Parametrit ovat yleensä mittatietoja tai muita mallissa olevia muuttujia, jotka voivat sisältää haluttuja kaavoja tai funktioita. Parametrien hyödyntäminen 3D-suunnittelussa tuo selkeyttä ja helpottaa myöhemmin tapahtuvaa muutosten tekoa malliin, parametrien käytöstä on esimerkki kuvassa 1.
Matemaattisten kaavojen avulla parametrit voi linkittää toisiinsa helposti, tällöin ei tarvitse kuin yhtä parametria muuttaa tilanteen mukaan. Parametrinen mallinnustapa helpottaa muutosten tekoa ja suunnittelutehtävissä onkin hyvin usein paljon muutoksia tehtävänä ennen valmista mallia. Lähes jopa 90 % tehtävästä mallinnuksesta on parametrista mallinnusta. [1, s.23–25]
3D-mallien luomiseen on olemassa monia eri tapoja ja tyylejä. Yleisin tapa on luoda jokaisesta suunniteltavasta komponentista oma 3D-malli. Luoduista komponenteista voidaan sitten koota kokoonpanoja, joista muodostuu esimerkiksi kokonainen kone tai laite. Aina 3D-mallien avulla luotujen kokonaisuuksien ei tarvitse olla kokoonpanoja sisältääkseen useampia osia. Osatiedosto voi sisältää useamman itsenäisen tilavuusmallin kuten kuvassa 2, tällaisia malleja kutsutaan Multi-Body -tiedostoiksi. Multi-Body-tiedosto mahdollistaa osatiedoston rakentamisen kokoonpanon näköiseksi sisältämättä kuitenkaan yhtään ulkopuolista osaa.
Komponentteja valmistavat yritykset eivät aina tarvitse osaluetteloa valmistaakseen tiettyä osaa, vaan voivat itsenäisesti valita haluamansa osan varastostaan, mikäli muuta ei ole piirustuksessa suunnittelija määrittänyt. Multi-Body-tiedoston etuna on se, että mahdollinen suunnitteluautomaatio ja parametrit ovat yhdessä tiedostossa. Suunnittelijan ei tarvitse useampaa tiedostoa hallita tällaisissa tapauksissa ja tarvittaessa Multi-Bodyn sisältävän tiedoston voi jakaa jälkikäteen omiksi osatiedostoiksi piirustuksia varten.
Tuoterakenne, ohjausmalli ja konfiguraattori helpottavat muutosten tekoa
Opinnäytetyössä tuotiin esille myös tuoterakenteen merkitystä ja mitä etua siitä on. Kaiken suunnittelussa tehtävän muutoksen tulisi tapahtua aina ylhäältä alaspäin ja tästä suunnittelutavasta käytetään nimitystä Top-Down suunnittelu. Tätä tapaa käytetään todella vähän ja yleisin tapa mitä suunnittelussa käytetään, on Middle-Out -menetelmä. Middle-Out on valmis tuoterakenne, johon suunnitellaan osia erikseen tai tuodaan valmiita osia. [2, s.223] Alhaalta osamalleista ylöspäin tapahtuvat muutokset voivat aiheuttaa erilaisia konflikteja mallien välillä ja ei siksi ole suositeltava tapa.
Top-Down tyyliset ohjausmallit varmistavat osien yhteensopivuuden tuoterakenteessa. Tuholan sekä Viitasen mukaan onnistuneen suunnittelun perusvaatimus on, että valmistuneet osat ja kokonaisuudet sopivat sekä toisiinsa että kokoonpanoihin [3, s. 33]. Linkittämällä piirteitä alaspäin kokoonpanon ohjausmallista erillisiin komponentteihin, toteutuu kokoonpanon ohjaus Top-Down suunnittelutavan mukaisesti. Ohjausmallina voi toimia esimerkiksi luurankoluonnos, josta osat ottavat mittatiedot tai piirteet. Parametreja muuttamalla ei tarvitse osatiedostoja avata erikseen muutosten tekoa varten ja muutokset tapahtuvat vain ohjausmallia muuttamalla. Kuvassa 3 on esitetty yksinkertaisen moottorin ohjausmalli, tässä mallissa moottoria saa pyöritettyä muuttamalla parametrin ”Kulma” arvoa. Muutosten tekoa helpottamaan voi luoda myös erillisen käyttöliittymän, jollaisia on saatavilla useissa eri CAD-ohjelmistoissa. Näitä erillisiä käyttöliittymiä kutsutaan CAD-ohjelmistoissa konfiguraattoreiksi.
Konfiguraattorin avulla säästetään paljon aikaa, koska sillä voidaan kasata kaikki halutut parametrit yhteen paikkaan ja suunnittelijan ei tarvitse etsiä niitä mallin piirteistä tai pitkästä muuttujien listasta. Konfiguraattorit voivat sisältää myös ajettavaa koodia ja tuottavuuden kasvu voi olla konfiguraattorien avulla jopa 1000-kertainen [4, s.23]. Konfiguraattorien ei välttämättä tarvitse sisältää kaikkia valintoja muutoksia varten. Jos tietynlaiset variantit malleista esiintyvät vain todella harvoin yrityksen projekteissa, ei niiden sisällyttäminen konfiguraattoriin ole järkevää ylläpidon kannalta.
Inventor-ohjelmiston iLogic-toiminto säästää työaikaa
Artikkelissa aiemmin mainitut toiminnot palvelevat Autodesk Inventorin suunnitteluautomaatio-toimintoa nimeltä iLogic. Opinnäytetyön pääaiheena oli kehitystyön teko iLogicin avulla VEO Oy:n tarpeisiin vuoden 2023 keväästä lähtien. Kehitystyössä oli käytössä mukana Multi-Body, parametrinen mallintaminen ja ohjausmallit konfiguraattorilla varustettuna. Kyseisen toimeksiantajan mekaniikkasuunnittelussa ei aiemmin ole ollut käytössä parametrinen mallintaminen tai suunnitteluautomaatiota hyödyntäviä ohjausmalleja. Opinnäytetyössä esiteltiin useampi koodia sisältävä ohjausmalli, jotka ovat osaltaan nopeuttaneet kokoonpanojen tekoa ja vähentäneet mallien luontia alusta alkaen ”from scratch” toimeksiantajan projekteissa. Ohjausmalleja voi olla jopa lähes tusina yhdessä kokoonpanossa ja kaikkien luonti alusta alkaen on hidasta. Tarve varioitaville malleille oli suuri, koska lähes kaikki yrityksen projektit räätälöidään asiakkaille.
iLogic sisältää kuvan 4 mukaisen alustan luotavalle suunnitteluautomaatiolle ja tässä alustassa voi luoda logiikkaa sisältäviä sääntöjä VB.NET-koodin avulla. iLogic hyödyntää Inventorin omaa ohjelmointirajapintaa ja tarjoaa mittavat mahdollisuudet suunnitteluautomaatiolle. Käytännössä osatiedostojen ja kokoonpanojen hallinta pelkästään koodin avulla mahdollistuu ja kaikki tarvittavat parametrit muuttavat arvoansa luoduilla koodeilla helposti. Parametreja ei välttämättä edes tarvitse aina erilaisissa malleissa tai halutussa koodin tekemässä toimenpiteessä. Koodi voi esimerkiksi luoda automaattisesti piirustuksen mallille.
iLogic on ollut Inventorin toimintona jo vuosia, mutta silti monet käyttäjät eivät ole siitä tietoisia, eivätkä hyödynnä sen mahdollisuuksia. Koodaus itsessään voi olla epämiellyttävä ja liian iso askel monelle, mutta sen tuomat tehostukset huomataan ja otetaan vastaan. Pelkästään yksinkertaisilla ehtolauseilla voi automatisoinnissa päästä erittäin pitkälle. Inventor iLogicin avulla voi myös automatisoida Inventorin ulkopuolisilla sovelluksilla tehtävää toimintaa. Opinnäytetyön kehityksen kohteena olevien kiskosillan kiskoelementtien katkaisu- ja taivutusmittojen laskeminen Excelillä, siirrettiin onnistuneesti iLogicin laskettavaksi ja jatkossa suunnittelijan ei tarvitse käyttää toista manuaalisempaa työvaihetta näiden laskemista varten. Kaiken suunnittelutyön keskittäminen yhteen ohjelmaan on järkevämpää ja selkeämpää työntekijälle.
Opinnäytetyötä varten tehtiin pienimuotoinen kysely toimeksiantajan henkilökunnalle. Kyselyn aiheena oli iLogicin vaikutukset toimeksiantajan mekaniikkasuunnittelun tehostamisessa yleisesti ja sen avulla tehdystä ajansäästöt. Kyselyn tuloksissa oli pääsääntöisesti positiivista palautetta ja iLogic on herättänyt kiinnostusta myös oppimaan sitä toimeksiantajan henkilökunnan riveissä. Saavutettua ajansäästöä voi kyselyn arvioiden perusteella tulkita kertyvän 20–30 h verran kuukaudessa suunnittelijaa kohden. Kun hyviä toimintoja tai mallinnustapoja tuo esille kuten opinnäytetyön kehitystöissä, mielipiteet ja asenteet niiden käyttöönotolle voivat muuttua perusteellisesti. Käyttöönottoa helpottaa, jos toiminnot ja suunnitteluautomaatio on oikeasti avuksi työntekijälle.
Jatkokehityksellä voidaan nopeuttaa 3D-suunnittelijan työtä
Koska kehityksen täytyy olla jatkuvaa ja opinnäytetyön kehitystyössä vain raapaistiin käytännössä pintaa kaikesta mahdollisesta automaatiosta. Jatkokehitys on tämän vuoksi järkevää ja myös tarpeellista. Pelkästään iLogicia hyödyntävät ohjausmallit ovat säästäneet aikaa paljon, mutta 3D-suunnittelussa on vielä silti paljon manuaalista työtä vaativaa tehtävää. Suunnittelijat päivittäin luovat uusia tuotteita, joissa laitetaan samoja osia kiinni toisiinsa eri projektien kokoonpanoissa. Tästä heräsi idea jatkokehitystä varten, voisiko 3D-malleissa olla valmiita rajoitteita, joita suunnittelijat voisivat hyväksyä luodessaan uusia kokonaisuuksia.
Kuten iLogicin tapauksessa, Inventorissa on myös toinen jo ennestään olemassa oleva vähän käytetty ominaisuus nimeltä iMate. iMaten avulla voi luoda valmiita rajoitteita osille ja osia voi sen jälkeen interaktiivisesti liittää toisiinsa. Pelkästään iMate nopeuttaisi suunnittelijan tekemää työtä moninkertaisesti. Kun hyvin luodut iMatet yhdistää iLogic-koodin kanssa, ajansäästö on jo merkittävä ja käytössä olevan tietokoneen nopeus on ainoa hidaste. Artikkelissa olevassa videossa esitetään muutama kuvitteellinen kokoonpanon rakentuminen kyseisillä ominaisuuksilla.
Tämä artikkeli pohjautuu opinnäytetyöhön, jonka toteutti Mikael Koivula ja ohjasi Jani Leppämäki. Opinnäytetyö löytyy osoitteesta: https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202402273526
