3Dキネマティックシミュレーションを活用した先進製造エンジニアリング

2020年9月9日

3Dキネマティック（実世界）シミュレーションを用いた製造エンジニアリング

• 著者：Brian McMorris
• abb
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Futura Automationのミッションは、かつてから現在も：「IIOTとロボットソリューションを実装することで、北米メーカーにIndustry 4.0のメリットについて助言し支援する」です。Futura Automationコンサルティングチームは多様なバックグラウンドと経験を持ちます。チームとして、化学、電気、製造、機械、制御工学、物理学、数学、コンピューターサイエンスの学位保持者（一部は高度な学位）を擁します。多くのメンバーがロボティクスプログラミングとアプリケーション経験に加え、IT、ERP、MES、電子モータードライブ、モーション、プログラマブルコントロールの経験を持ちます。クライアントの先進製造設計要件を支援する万全の体制です。

クライアントの目標：

Futura Automationのクライアントは、企業目標達成のために製造オペレーションの品質と生産性向上を求めています。現在および近未来の労働力不足により、自動化とロボティクスがコスト削減と生産性向上の答えとしてますます見なされています。しかし、ロボットがすべての人間労働を直接置き換えられるわけではありません。多くの場合、知性、判断力、革新性、器用さに欠けるロボットのためにタスクを単純化する必要があります。Futura Automationは、クライアントのKPI（重要業績評価指標）と連携し、それらのKPIを満たすソリューションに向けて取り組みます。

ソリューション：

Futura Automationが製造プロセス設計の早期段階で支援し、プロセスをより効率的で効果的なものに再考するのを助けるのがクライアントにとって最善です。製造プラクティス改善の鍵は実世界シミュレーションであり、さまざまなソリューションを仮想世界でテストして有効性を検証できます。Futura Automationは、パートナーのOCTOPUZシミュレーションソフトウェアとともに、機械とロボットプログラミングレベルまで、あらゆるタイプの製造装置についてキネマティック（実世界）シミュレーションを提供できます。各製造プロセス間の関係を維持するソリューションを特定できます。ソリューションは、装置と製品の質量と物理の実世界の制約を考慮した「キネマティックに」正確な方法で、システム内の能力とボトルネックを正確にシミュレートする必要があります。また、各製造サブシステムへの変更が全体的な製造オペレーションにどう影響するかを示す必要があります。

実装

製造最適化には、現在の製造プロセス全体の完全な分析と、製造プロセス、ワークフロー、プラントレイアウト、機械の変更、IIOT、自動化、ロボティクスの実装によるプロセス改善の再考が必要です。堅牢なソリューションに必要な主要な側面は以下の通り：

製造最適化ソリューションが提供すべきもの：

• ロジスティクス：コンポーネントが生産者から製造施設へ、完成品が外部へどう流れるか？
• 倉庫管理：コンポーネントを施設内でどう保管し、ハンドリングと輸送時間を最小化するか？
• マテリアルハンドリング：材料を倉庫から生産エリアへ、床上または天井コンベア、リフトトラック、自律走行車でどう搬送するか？
• コンポーネント組立：最小限の労働でコンポーネントをどう組立・検査し、生産性と品質の設計製造要件を満たすか？
• コンポーネント仕上げ：組立品を塗装、研磨、仕上げするか（組立前でない場合）？
• ライン末端包装：完成品をケース、カートン、パレットでどう包装し、ストラッピングやラッピングを行うか？
• HR：ソリューション実行に必要な人員レベル、資格、トレーニング、装置技術？
• 在庫：履歴とリアルタイムデータからの最適化在庫分析で、製品変更やカスタマイズのサポートを失わずに在庫削減？
• 受注管理：セットアップと切り替え時間を最小化するため、製造ソリューションのスケジューリングとシーケンシングを最適化？
• シミュレーションをどう可視化し、すべてのステークホルダーに伝達するか？
• プロセスワークフローの変更をどう評価し、実装するか？
• 製造プロセスと各サブプロセスをフロントオフィス（ERP）システムに結びつける情報技術（IT）システムは何か？

製造プロセス最適化のためのKPI

全体的な製造オペレーション内で複数の潜在的かつ競合する目標がある中、各個別のKPIや目標が全体的な製造効率に貢献することを保証する必要があります。キネマティックシミュレーションソリューションが提供できる潜在的な製造改善機会は以下の通り：

• 在庫活用分析
• OEEまたはリソース配分
• 労働配分または生産性分析
• マテリアルフローと制約
• 設備稼働率とメンテナンススケジューリング
• プラント能力分析と拡張計画
• 品質管理目標；すなわち「6シグマ」
• 工場パフォーマンス可視化；すなわちダッシュボード
• 製造アップグレードと設備取得ROIシミュレーション
• HR労働パフォーマンス追跡トレーニング
• スケジューリングと生産バランシング

運用改善に向けて作業する際、一つの代替案と別の代替案、または一連の他の代替案との間のトレードオフを測定することが重要です。これはスプレッドシートなどの静的分析ツールで実現でき、実現されてきました。しかし、こうした「単一状態」ツールは、ほとんどの製造オペレーションに存在する、典型的に相互に関連する製造プロセス、人、材料、装置、システムのダイナミクスを考慮できません。

ソリューション ― キネマティックシミュレーション

キネマティックシミュレーションは、さまざまな生産シナリオと装置タイプを分析し、装置の取得とセットアップ前に最適なパフォーマンスをテストできるだけでなく、数ヶ月または数年かかる静的エンジニアリング、装置評価と購入、導入、トレーニングの代わりに、数日または数週間で幅広いシナリオを開発・テストできます。これによりユーザーは仮想環境と対話し、「オンザフライ」でレイアウト、プロセス、人、装置、自動化実装、スケジュール、在庫オプション、シーケンシングパターン、およびオペレーションにプラスの影響を与える可能性のあるほぼすべての変更を、ライブ環境でのテストのリスクとコストなしでテストできます。キネマティックシミュレーションは、ユーザーにリアルタイムで変更を表示する柔軟性を提供し、時間とコストを節約します。将来イベントのプロアクティブな予測により、ユーザーはさまざまなシナリオで実験し、プロアクティブで経済的に有利な意思決定を促進できます。

OCTOPUZは、あらゆるパスセンシティブなアプリケーションに最適なインテリジェントなオフラインロボットプログラミングと#キネマティックシミュレーションソフトウェアです。キネマティックシミュレーションを超えて、OCTOPUZはロボットのオフラインプログラミングと製造プロセスシミュレーションを組み合わせることで、ロボットプログラミングに革命的なアプローチを取りました。OCTOPUZは、あらゆるロボットまたは製造シミュレーション課題に対する主流で汎用的、強力、効果的なソリューションを提供します。

シミュレーションモデル構築：

通常、任意の数のCAD開発ツールからの2Dまたは3DのCADレイアウトがモデルにインポートされ、労働とワークフローの可視化に使用されます。次に、プロセス、接続/コンベア、移動パス、その他の定義済みデータがモデルに入力されます。モデルはグラフィカルに構築され、コードを書く必要がありません。これは従来型とキネマティックシミュレーション環境の重要な違いです。スケジュール、シーケンス、プロセスなどの定義は歴史的に手動で行われてきました。テクノロジーの進歩とグローバルな競争労働コストの高まりにより、ERP受注入力（需要）システムとリアルタイムで対話し、製品ミックス、ルーティング、その他の関連データを生産モデルに入力してプロセスを微調整する目標で、ますます重要になっています。シミュレーションにより、「モンテカルロ」予測が可能になり、装置の追加、削除、移設など複数の生産ソリューションをテストできます。このプロアクティブな予測により、ユーザーは実際の収集入力データと予測データの両方に基づく予測シナリオを見ることができます。ユーザーはシミュレーションモデルが実行中でもそれに対話でき、時間を節約し即座にフィードバックを得られます。ユーザーはこの情報を活用して、可能な結果、変更の利点と欠点をよりよく理解し、最終的に最も論理的、効率的、実行可能、経済的に有利な行動を選択できます。統合最適化分析、2Dと3Dの可視化により、キネマティックシミュレーションソリューションはクライアントの製造最適化ニーズに最適です。

メリット：

キネマティックシミュレーションは、統合レポートとシナリオ分析を通じて、攻撃ポイントでの効率向上だけでなく、変更がシステム全体にどう伝播するかを即座にフィードバックします。Simcadにより、ユーザーは需要変化に基づくオペレーションのラップアップ/ダウン、計画的および非計画的なサプライ中断への対応、製品ミックス変更がオペレーション全体に与える影響を戦略的に検討できます。さらに、キネマティックシミュレーションは、ユーザーが試行錯誤やExcelシートなどの長い時間がかかるプロセスに伴う膨大なコストなしで、仮想環境でシステムへの多数の変更を可能にすることでユーザーにメリットをもたらします。キネマティックシミュレーションは、最適なスケジュールのチェックと設定、生産性向上のためのライブアップデートによる制御強化、「what-if」シナリオの実行によるリソース、装置、スケジュール、生産の最適化の機会をユーザーに提供します。キネマティックシミュレーションは、製造全体を通じて関係性を維持し、異なる変更がシステム全体にどう影響するかをよりよく理解できるようにします。ユーザーはまた、自動化と手作業の効率の違いを分析できます。生産性を向上させ、非付加価値時間を削減する最良の生産パスを確立できます。Futura AutomationとOCTOPUZのキネマティックシミュレーション環境を通じて、これらすべてをFutura Automationのガイダンスで実現できます。

結論

キネマティックシミュレーションは、現在の製造制約の理解、機械とプロセス変更の効果特定、現在から未来の製造環境への移行の影響の可視化と伝達に使用される実行可能で正確なツールです。

キネマティックシミュレーション環境の利点とメリット

• Futura Automationは、製造プロセスシミュレーションの詳細を開発するのを支援する、高度に経験豊富で資格のあるエンジニアリング専門家チームを提供
• Futura Automationは、財務と運用の意思決定を支援する多様なリソースを提供
• Futura Automationは、Tulip Interfacesを通じてIOTと統合MESシステムを実装し、自動化製造環境を補完
• OCTOPUZには、ロボット、機械、工具モデルの200万以上のコンポーネントを含むCADライブラリがあり、キネマティクス有効でプロセスシミュレーションに迅速にインポート可能
• OCTOPUZは以下を提供：
  • 外部データソースとのリアルタイム接続で正確な計算を保証
  • 製造装置とシステムフローへのインタラクティブな「オンザフライ」変更
  • ネイティブメーカー言語（主要ブランドのほとんど）でのロボットプログラミング、実世界のロボットにダウンロード可能
  • 仮想エンジニアリングレビュー会議のためのインターネットへのライブアップデート
  • 生産予測のための動的リーン分析

製造モデリングのためのキネマティックシミュレーションは未来です。Futura Automationは、プロセスのコストと財務リターンの側面を含め、製造環境のすべての側面でこの未来への道を示す、訓練され高度に能力のあるエンジニアリングパートナーです。