コンフィギュラブル製品向け設計自動化について

By Oscar Strömberg

複雑なカスタマイズソリューションを販売する企業にとって、エンドツーエンドを考慮した製品コンフィグレーションは、品質を向上させながらコストとリードタイムを大幅に削減することができるアプローチです。しかし、複雑な製品の場合、各オーダーに対して事前に準備することが不可能な特別仕様が含まれる可能性があります。その特別仕様とは、特定の仕様パラメータ、特定の技術要件、または形状的な制約に対する調整である可能性があります。このような場合、エンドツーエンドのコンフィギュレーションプロセスが機能するように、ソリューションの一部を特定のオーダー用に設計する必要があります。


デザインオートメーションは、CADシステムを使用して、新しいコンポーネントやアセンブリを自動的に生成します。設計リソースの節約、図面作成時間の短縮、設計の一貫した品質の確保などの目的で使用されます。例えば、カスタマイズされた製品を販売する場合、契約を獲得する前に、CADモデルや正確な価格など、完全な仕様書を作成する必要があります。もし、これらのフルスペックをより早く、リソースのボトルネックを減らし、結果を保証することができれば、RFP/RFQの回答時間を劇的に短縮することができます。

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デザインオートメーションとは?

つまり、設計の自動化とは、設計の特定の要素を測定可能な特性(パラメータ)で駆動するプロセスです。デザインオートメーションの導入により、デザインは一度作成され、新しいデザインバリエーションの必要性が発生した場合、手動でデザインをやり直すのではなく、パラメータの値を変更することができます。

設計の自動化は、設計のあらゆるレベルで適用することができます。ある部品の寸法を管理するために個々の寸法を制御する部品レベルから、製品を構成する部品の 発生と位置決めを制御するために構成ルールをパラメータ化するアセンブリレベルまで、あらゆるレベルで適用できます。このブログでは、さまざまな状況で設計自動化がどのように活用され、どのようなメリットが得られるか、いくつかの例を紹介したいと思います。これらの例は、4つのモジュールを使って下図に記述されている架空の掘削機製品プラットフォームから導き出されたものとなっています。

What is design automation?

部品レベルでの設計自動化

まず、部品レベルでどのように設計自動化を行うかを見ていきます。掘削機の場合、ツールモジュールには、特定の使用用途のニーズに対応するために、幅広いバリエーションがあると思われます。顧客からの要求が、バケット種類の必要性にどのように影響するか、そしてバケットの設計をどのようにパラメータ化するかについて見てみましょう。

製品特性

製品プラットフォームに必要な性能レベルを定義するとき、バケットは製品特性のトン数容量に影響されることが判明しました。これは、ショベルカーが1時間あたりに移動させることができる掘削材の量であり、おそらく製品の性能を測る最も重要な方法です。お客様の要望は用途によって異なるため、トン数容量によって製品レベルのバリエーションが決まるのです。

製品がどのようにトン数を満たすかを制御するために、バケットボリューム(バケットの内部容積)と呼ばれる2つ目の製品プロパティを作成します。このプロパティは、各掘削で処理できる材料の量を定義し、油圧容量、アームの長さなどのプロパティと一緒に、マシンのトン数容量を決定します。

製品の特性を設計の推進に活用するためには、特性に目標値を割り当てる必要があります。製品の分散を分析した結果、200 lと500 lの2つの値を提供する必要があることがわかりました。

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設計パラメータ

製品アーキテクチャの作成時に製品特性とモジュールバリエーションを定義し、モジュールバリエーションの設計を通じて目標値をどのように実現するかを解釈するのは設計者次第となります。

この場合、設計者はバケットの幅を変えることで簡単にボリュームのバリエーションを作ることができることに気づきました。そうすれば、サイドピースやリフティングヒンジなどのデザインは、ボリュームが変わっても変更されません。これは非常に実用的です。デザインの再利用だけでなく、製造時の溶接治具の再利用も可能になります。幅は測定可能な属性であり、ひとつのパラメータで定義されます。今回、バケット幅を設計パラメータとして定義しました。

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設計者は、バケットのCADモデルを制御するためのパラメータを使用することができるようになります。このパラメータに値を割り当てることで、必要なバリアントがすべて作成させることができます。新しいアプリケーションで必要なバケツの容積が変更された場合、バケツ幅のパラメータを設定するだけで、新しいCADモデルが自動的に作成されるのです。

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アセンブリレベルの設計自動化

ここで、視点を完成品のレベルまで上げてみましょう。製品のプラットフォームは、4つのモジュールで構成されていることはすでに説明しました。模式的な組み立てモデルはこのようになります。

Design Automation on Assembly Level

この汎用モデルは、製品のアーキテクチャやモジュール化された部品(BOM)を反映したものです。これを「アーキテクチャモデル」と呼び、CADのアセンブリとして構築します。これを用いて、アーキテクチャモデルのノードの母集団をパラメータ化することで、製品モデルの作成を自動化することができます。

前回は、トン数容量の製品プロパティと、それが部品レベルの自動化にどのように影響するかを見てきました。バケット容量の製品特性の目標値に対応するために、バケットには内部容積の異なる2つのバリエーションがあると結論づけました。

バケット容量だけでなく、トン数容量もアームの長さに影響します。この例では、4mと6mの2種類のバリエーションが必要だとします。

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ることができます。アームの長さは、このパラメータを制御する第3の製品プロパティとなります。

CADの構成アセンブリでは、各パーツノードにパラメータを適用し、パラメータの値を制御することで、ショベルのアセンブリ(製品構成)を構築することが可能となっています。

下表は、各モジュールとそれを制御するパラメータ、および各パラメータの目標値に割り当てられた各モジュールのバリアントです。

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これにより、時間を節約し、お客様が要求する製品を確実に手に入れることができます。下の画像は、パラメータの設定によって、どのような商品構成になるかを示しています。

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部品とアセンブリレベルの設計自動化の融合

設計自動化の主な強みは、同じ製品特性のセットで部品とアセンブリレベルの両方の設計を制御できることです。

前述したように、製品のバリエーションが必要になるきっかけとなる特性はトン数容量ですが、上の表ではバケットとアームの設計はバケット容量とアーム長で規定されています。これらの製品特性のうち、どれが要件と設計を結びつけるべきでしょうか?

答えは両方です。製品管理の観点からは、顧客価値と明確な関係を持つ製品特性を使用することが論理的である。例えば、トン数容量は特定の顧客ニーズに対応するものである。顧客は、ある容量仕様を満たす製品を要求するが、バケットやアームがどのように設計されているかはあまり気にしない。しかし、これまで見てきたように、バケット容量とアームの長さの特性は、部品とアセンブリの両方の設計と非常に論理的な関係があり、設計を推進するために使用されるべきものです。

トン数の目標値とバケット容量やアームの長さの目標値 の組み合わせが連動するように製品構成を設定することで、 部品や製品のアセンブリ設計を自動化することができるようになります。下表は、あるトン数容量の値を選択することが、要求仕様とどのようにリンクしているかを示しています。

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このように,トン数の目標値は3つあり,バケットとアームのモジュー ルバリアントの3つの組み合わせにリンクされています。4つ目の組み合わせ(大きなバケットと短いアーム)は、構成ルールからすると、構成不可能と考えられます。

これで、アセンブリ設計を駆動する設計自動化ルールを設定しました。

部品設計に関しては、バケット容積そのものが製品の特性であり、設計パラメータであるバケット幅を駆動することを述べました。バケット幅はバケットのデザインフィーチャーに直接対応し、部品設計で定義される必要があります(バケットには幅が必要)。これにより、CAD システムで扱うことができるようになります。しかし、バケットボリュームは、設計上の特定のフィーチャーに直接対応するものではありません。その代わりに、いくつかのフィーチャー(長さ、高さ、幅)の結果であるため、プロダクトコンフィギュレーターで扱う必要があります。また、部品全体をよりよく表現し、アセンブリレベルの設計自動化の推進に適しています。

製品プロパティの下に設計パラメータのレイヤーを追加することで、トン数容量を使用して組み立てと部品の両方の設計を推進できるようになりました(下図参照)。矢印は、お客様から入力されたトン数容量が、部品と組み立ての設計をどのように制御するかを示しています。

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製品特性間の関係

下図は、製品の特性を通して、顧客と設計の関係を表したものです。

Relations Between Product Properties

このように、バケットボリュームは、製品の設計特性とお客様の要求特性との間にあるものです。このままでは、バケットボリュームをスキップして、トン数容量でバケット幅を駆動させる方が簡単ではないかと思われるかもしれません。このように設計パラメータを中間層に集めることの利点は、バケットボリュームを利用して、バケット長やバケット高などの追加の設計パラメータを駆動することができることです。

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このミドルレイヤーを作ることで、情報を最適な場所で管理することができます。

  • プロダクトコンフィギュレーターは、顧客の価値観と、顧客の求めるものを実現するために、どのように製品を設計すべきかを高いレベルで扱います。HowよりもWhyが重要なのです。
  • 設計者側は、製品アーキテクチャからの要求を具体的な製品設計に落とし込むことで、「どうやるか」を解決するのですが、「なぜやるか」は気にしていないことがあります。

製品アーキテクチャを作成するチームは、顧客が何を望んでいるかを知っており、それをハイレベルな製品要件に解釈することができます。しかし、これを詳細設計に落とし込む専門知識はありません。そこで、両部門、両機能の理解を結びつけるために、中間ステップを設けます。

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エンドツーエンドの効率的な構成を実現するには、フロントエンドと同様にバックエンドもフレキシブルでなければなりません

このブログ記事では、複雑なコンフィギュラブル製品のカスタマイズを自動的に設計できるようにする概念として、デザインオートメーションについて紹介しました。カスタマイズ製品をフロントエンドで販売する企業にとって、バックエンドのプロセスやシステムでこれらのカスタマイズを効率的に処理することは非常に重要です。バックエンドプロセスが固定BOMでマニュアル作業をしていると、すぐに負荷がかかり、ビジネスの可能性に制限をかけてしまいます。

Succeed with Design Automation

 

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このトピックに興味を持たれた方で、私たちModular Managementがどのようにデザインオートメーションに取り組んでいるか、また、他の企業をどのように支援しているかについてもっと知りたい方は、私に直接ご連絡ください。さらに話を進めるためのミーティングを設定させていただきたいと思います。

 

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Oscar Strömberg

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