Manipulaattorisolun 3D-mallin simulointi ja virtuaalinen käyttöönotto

Abstract

Opinnäytetyössä tutkittiin virtuaalisen suunnittelun vaikutusta automaatiolaitteiston käyttöönoton avuksi. Tavoitteena oli saada tehtyä virtuaalinen käyttöönotto manipulaattorisolulle, joka toimi pullojen pakkaussoluna. Pulloja ja kennoja pakattiin päällekkäin kerroksittain lavojen päälle. Virtuaalinen käyttöönotto toteutettiin, koska manipulaattorin sijoituskohde oli kriittinen tuotannon kannalta ja pitkää tuotantokatkosta ei haluttu syntyvän. Tästä syystä haluttiin mahdollisimman tarkasti tietää jo suunnitteluvaiheessa, kuinka manipulaattori toimisi.

Manipulaattorisolua ohjattiin Siemensin ohjelmoitavan logiikan avulla. Manipulaattori itsessään sisälsi neljä servomoottoria, paineilmasylintereitä sekä anturointeja. Muita solussa olevia koneita olivat lavojen purkausasema, kennojen syöttökuljetinlaitteisto, pullojen syöttöpöytä, lavojen siirtovaunu sekä pakkausaseman kuljetinlaitteisto. Opinnäytetyöhön kuuluivat logiikan ohjelman suunnittelu sekä manipulaattorin 3D-mallinnus virtuaaliseksi malliksi. Virtuaaliseen malliin luotiin fysikaalisia ilmiötä, joiden avulla selvitettiin manipulaattorisolun toimintaa. 3D-mallin suunnittelusta vastasi 3D-suunnittelutoimisto. Mallinnuksessa ja virtuaalisessa käyttöönotossa käytettiin Siemensin NX-ohjelmistoa, SIMIT-simulointityökalua sekä TIA Portal-suunnittelutyökalua. NX-ohjelmistosta hyödynsin Mechatronics Consept Desinger -sovellusta. Ohjelmoitavaksi logiikaksi valikoitui Siemensin 1500-sarjan logiikkayksikkö. Logiikan simulointi toteutettiin Siemensin PLCSIM Advanced-simulaattorilla ja rajapinta simulaattorin sekä 3D-mallinnuksen välille luotiin SIMIT-ohjelmalla.

Työssä oli tarkoitus selvittää, kuinka hyödyllistä virtuaalinen käyttöönotto on ja millaisiin tuloksiin sillä päästään. Opinnäytetyössä kartoitettiin resurssien tarvetta suunnittelutyössä, eli suunnittelutyön mahdollista kasvua ennen koneen käyttöönottoa sekä simuloinnin vaikutusta todelliseen käyttöönottoaikaan. Näiden avulla selvitettiin, paljonko projektin suunnittelun vaatii aikaa, mitä etuja virtuaalisella käyttöönotolla saavutetaan sekä miten virtuaalista käyttöönottoa saataisiin hyödynnettyä tulevaisuudessa mahdollisimman hyvin.

This thesis work researched the benefits of virtual planning in the commissioning of automation machines. The aim of the research was to implement virtual commissioning to a manipulator cell which packed bottles and package cells on the pallets. The bottles and cells were packed in layers on the pallet. The reason to made virtual commissioning to this manipulator cell was that the cell was very critical point of the production flow of this factory and long break of material flow would have caused a dramatic cost to the factory. To avoid the long break possible fail situations were identified by simulating the process before the actual commissioning.

The manipulator cell was controlled by Siemens logic controller. The manipulator itself had four servo axis, pressure cylinders and sensors. Other machines of the cell were pallets unloading station, packing cells feeding station, bottles feeding desk, pallets transport machine and packing stations conveyor equipment. The thesis included programming of the machines and virtual commissioning of the cell. Virtual commissioning included linking physical attributes to the 3D model to create virtual model. The 3D model was created by 3D designing office.

We used Siemens NX software platform and Mechatronics Concept Designer application was used to model the physical phenomena of the digital twin. Siemens 1500 series logic unit was selected for the logical unit. The simulation of the logic was handled by Siemens PLCSIM Advanced simulator. The interface between NX software and PLC simulator was created by SIMIT which is a simulation platform tool, created by Siemens.

The purpose of the thesis was to discover how useful virtual commissioning is and what kind of results it will bring. This thesis also examined the need of resources to make a digital twin and the possible increase of designing work to create the simulation environment. Also, it was investigated how virtual commissioning will ease the real commissioning situation. With these results it would be possible to utilize virtual commissioning in the future.