LABissa hyödynnetään simulointia konetekniikan lisäksi ainakin sosiaali- ja terveysalalla sekä liiketaloudessa. Konetekniikan simulointi poikkeaa merkittävästi muiden alojen simuloinnista: simuloimme koneiden toimintaa kehittyneillä digitaalisilla työkaluilla. Tässä artikkelissa kerrotaan, miten koneiden simulointi tuli LAMKiin ja miten se on kehittynyt vuosien kuluessa.

Kirjoittaja: Teijo Lahtinen

EU:n komissio kutsui Erasmus-hankkeiden tekijöitä Supporting Key Competencies for Lifelong Learning -konferenssiin Brysseliin 12-13.11.2019. LABista kutsuttiin Teijo Lahtinen ja Kristian Rintala Konetekniikasta. Tilaisuudessa valittiin SimLab-projekti yhdeksi parhaista kategoriassa Inspiring Projects in the Area of Digital Competencies.

SimLab-projekti oli kansainvälinen projekti, jossa kehitettiin yhtenäinen alusta erilaisille OnLine-laboratorioille (Viro, Saksa), virtuaalisia mekatronisia koneita ja laitteita (Suomi, Ruotsi, Viro) ja opetussuunnitelma ko. laitteiden käyttöönottoon (Suomi ja Viro). Yhteistyökumppaneita olivat: Kunglika Tekniska Högskolan (Ruotsi), ITTGroup (Viro), ITMatters (Saksa), LAMK (Suomi) ja Viljandi kutse6ppekeskus VIKK (Viro). Projektin projektipäällikkönä toimi Kristian Rintala. Opetussuunnitelmista vastasi Teijo Lahtinen. Projektin vaativimman osan (simulointimallit) koodasi Timo Lahtinen.

Kuva 1. SimLab-projektin tavoitteet. (Kuva: Teijo Lahtinen)

Mitä simulointi on?

Simuloinnin “guru” R. Shannon on todennut, että simulointi on taidetta ja tekniikkaa. (Shannon 1998, 7-14). Simulointi on prosessi, jossa reaalimaailman järjestelmiä kuvataan virtuaalisin keinoin digitaalitekniikan avulla. Nämä digitaaliset kaksoset (”Digital Twin”) ovat verrokkeja reaalimaailmasta, joita käytetään erilaisten järjestelmien testaamiseen ja kehittämiseen. Laajemmin käsitettynä simulaatio voi olla mitä tahansa yksinkertaisesta roolipelistä todella monimutkaisen koneen simulaatiomalliin.

Simulointia voidaan hyödyntää esimerkiksi yritysyhteistyössä, opetuksessa ja markkinoinnissa. Insinöörikoulutuksessa simuloinnin avulla voidaan käytännön Hands-On -harjoituksia toteuttaa turvallisemmin ja tehokkaammin, esimerkiksi robotiikassa. Teollisuudessa voidaan simuloida materiaalivirtoja sekä poistaa pullonkauloja ja nopeuttaa käyttöönottoja, toisin sanoen tehostaa toimintaa.

Kuinka simulointi tuli LAMKiin

1990-luvun lopulla muutama mekatroniikan opiskelija palkattiin Teknillisen korkeakoulun (TKK), nykyisen Aalto-yliopiston Lahden toimipisteeseen. 2000-luvun alussa TKK hankki yhden Suomen ensimmäisistä 3D-tulostimista. Tähän aikaan puhuttiin termistä ”Rapid Prototyping”. Tulostinta käytettiin siis ensisijaisesti prototyyppien pikamallinnukseen. Samoihin aikoihin TKK hankki myös Suomen ensimmäisiin kuuluvan simulointiohjelmiston, jolla tehtiin sekä tutkimusta että palvelutoimintaa: tehdassuunnittelua ja materiaalivirtojen simulointia. Samoihin aikoihin Henri Koukka aloitti LAMKin palveluksessa tuntiopettajana ja toi TKK:lta tulleessaan simuloinnin LAMKiin.

Ensimmäisiä simulointeja tehtiin TKK:n ohjelmistolla. Muutaman vuoden jälkeen LAMKiin hankittiin Visual Componentsin 3D Create -simulointiohjelmisto. 2000-luvun loppupuolella simulointia tehtiin pääasiassa Tehdassuunnittelu-nimisen opintojakson sisällä. Vuosikymmenen vaihtuessa yrityksistä alkoi tulla palautetta, että simuloinnin roolia tulisi lisätä koulutuksessa. Tätä varten pystytimme opiskelijaprojekteina robotiikan ja koneiden simuloinnin oppimisympäristön Ståhlberginkadun kellariin. Järjestelmä sisälsi kolme portaalirobottia ja niiden väliset kuljettimet, Beckhoffin ohjausjärjestelmän ja servokäytöt. Tällä kalustolla tehtiin useita projekteja ja opinnäytteitä. Matti Pitkälä aloitti näihin aikoihin robottisolujen simulointia ABB Robot Studio -ohjelmistolla. Näitä tuotoksia on myös esitelty useammassa konferenssissa.

Kuva 2. Portaalirobotti.  (Kuva: Teijo Lahtinen)

Kuva 3. Portaalirobotin simulointimalli. (Kuva: Teijo Lahtinen)

2010-luvun alussa simulointi sai vauhtia yritysyhteistyön kautta. Kirjoitimme yhteisartikkelin ICEE 2012 -konferenssiin Henri Koukan ja Arttu Salmelan kanssa Raute Oyj:n ja LAMK:n simulointikuvioista (Lahtinen ym. 2012). Yritysyhteistyötä tehtiin ja tehdään edelleen myös Siemensin ja Beckhoffin kanssa.

Kuva 3. Raute Oyj:n simulointikonsepti (2012). (Kuva: Teijo Lahtinen)

Miten ”digitaalinen kaksonen” luodaan?

Päijät-Hämeen alueella on paljon koneenrakennukseen erikoistuneita yrityksiä: Raute, Makron, Orfer, Dieffenbacher, SEW Eurodrive, LSK Electrics, ESYS, Ferroplan, Etteplan ja monet muut. LABin konetekniikka tekee yhteistyötä kaikkien edellä mainittujen kanssa. Tunnemme alueen yritykset varsin hyvin. Simuloinnin hyödyntäminen alan yrityksissä on muuttunut state-off-the-art -teknologiasta standardiksi. Lähes kaikki hyödyntävät sitä.

”Digitaalinen kaksonen” perustuu koneen tai laitteen 3D-malliin. Koneen 3D-malli on hyvin yksityiskohtainen: jokainen koneen toiminto on mallinnettu tarkkaan. Simulointimallissa liian tarkka malli lisää laskentatehon tarvetta huomattavasti ja tästä syystä konemallia pitää yksinkertaistaa: karsitaan simulointimallista turhat ominaisuudet pois.

Teknisesti vaikein ja työllistävin vaihe simulointimallin luomisessa on älyn lisääminen malliin. Koneiden toiminta voidaan mallintaa fysiikan avulla. Esimerkiksi tietokonepeleissä on tätä varten erityiset ”fysiikkamoottorit”. Varsinaiset toiminnot saadaan aikaan koodaamalla jokaiselle toiminnolle oma ohjelmansa. Tähän tarvitaan varsin hyvää matematiikan osaamista.

Vaikeiden asioiden oppiminen vaatii pitkäjänteisyyttä ja systemaattista jatkuvaa kehittämistä: 10 vuotta on näissä hommissa lyhyt aika. Koneiden simuloinnissa riittää haasteita nyt ja tulevaisuudessa. Kiitän kaikkia kollegoja ja pomoja siitä, että ”poika” saatiin kotiin!

Lähteet

Shannon, R. E. 1998. Introduction to the art and science of Simulation. Teoksessa: Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference, Los Alamitos, CA, USA. 7-14.

Lahtinen, A., Salmela, A, & Koukka, H. 2012. Enhancing Engineering Education and University-Industry Collaboration by Simulation Tools. Teoksessa: Björkqvist, J., Laakso, M-J., Roslöf, J. Tuohi, R. & Virtanen, S. International Conference on engineering education 2012 Proceedings. Turku, Finland, July 30 – August 3, 2012. Research Reports from Turku University of Applied Sciences 3. Research Reports 38. 577-583.

Kirjoittaja

Teijo Lahtinen toimii mekatroniikan lehtorina LAMK:ssa. Teijo Lahtinen on toiminut monissa insinöörikoulutuksen kehittämishankkeissa kotimaassa ja kansainvälisesti (Automation in Network, INSSI, SimLab, INSMER, CDIO). Lahtinen on myös projektioppimisen ja PBL:n asiantuntija. Hän on myös kirjoittanut useita kansainvälisiä artikkeleita insinöörikoulutuksen kehittämisestä.

Julkaistu 11.12.2019

Viittausohje

Lahtinen, T. EU:n komissio palkitsi konetekniikan SimLab-projektin! LAMK Pro. [Viitattu ja pvm]. Saatavissa: http://www.lamkpub.fi/2019/12/11/eun-komissio-palkitsi-konetekniikan-simlab-projektin/