Automatizovaná analýzy vibrací plošného spoje snižuje množství chyb a urychluje proces až 100x

Inženýři pomáhající inženýrům

Společnost Design Automation Associates Inc. (DAA) založená v roce 1995 třemi inženýry ze společnosti United Technologies nabízí širokou skálu konzultačních služeb, které pomáhají společnostem automatizovat jejich vývojové a konfigurační postupy. Tato společnost, která má nyní 20 zaměstnanců, působí v celé řadě odvětví, například v oblasti točivých strojů, obalů elektroniky, průmyslových strojů, letectví, vojenství a v automobilovém průmyslu.

Společnost DAA má dlouholeté zkušenosti s tím, které činnosti jsou vhodné k automatizaci. Jednou z nejslibnějších oblastí je návrh a analýzy výrobků navrhovaných na objednávku (ETO) nebo konfigurovaných dle objednávky (CTO). „Iterativní problémy se vyskytují v celé řadě oblastí návrhu a analýzy, ale obzvláště viditelné to je u společností, které provádí návrh výrobků na objednávku nebo konfiguraci výrobků dle objednávky, kde se stále opakuje návrh některých součástí a automatizace tak může ušetřit spoustu času,“ říká John Lambert, prezident a CEO společnosti DAA.

Jako typický příklad uvádí Lambert provádění analýzy metodou konečných prvků (FEA), kterou je nutné provádět u plošných spojů navrhovaných na objednávku. „S každou novou objednávkou musí tyto společnosti plošné spoje navrhovat znovu. I když tyto společnosti využívají dobré analytické technologie, stále musí spoustu práce dělat ručně,“ vysvětluje Lambert. V řadě případů jsou ručně prováděné výpočty třeba například k určení zatížení a vyhodnocení výsledků analýzy. „Řada těchto výpočtů, například ty využité k interpretaci výsledků, vyžaduje specializované postupy, které jsou součástí duševního vlastnictví podniku a jsou jeho konkurenční výhodou,“ pokračuje Lambert. „Existuje celá řada logiky a výpočtů, které se nikdy nepřidají jako vestavěné funkce do analytického softwaru, protože jsou specifické jen pro daný podnik.“

V DAA jsme se setkali se situacemi, kde analýza jednoho ETO výrobku trvala až 40 hodin. „A takovou analýzu může podnik provádět 100krát i 200krát ročně,“ popisuje Lambert. „Kromě toho, že je to značně nákladné, zvyšuje taková závislost na ručních výpočtech pravděpodobnost chyby.“ Kdykoliv společnost DAA narazila na pokusy o automatizaci, jednalo se zpravidla o makra, která jsou, jak říká Lambert, už „dvacet let starou technologií“.

Více než makra

Inženýři ze společnosti DAA využívají při své práci celou řadu pokročilých řešení pro návrh a analýzu, ale když přijde automatizace komplexních iterativních analýz a smyček návrh-analýza, spoléhají se vždy na software Simcenter a NX od společnosti Siemens Digital Industries Software. Společnost DAA využívá Simcenter 3D a Simcenter Nastran, přičemž oba tyto programy jsou součástí portfolia Simcenter společnosti Siemens pro pokročilou analýzu. „Simcenter a sada nástrojů NX jsou celosvětovou špičkou v oboru,“ říká Lambert. „Simcenter 3D a NX nám nabízí integrované funkce pro modelování a analýzu a navíc NX Open.“ NX Open je rozhraní pro programování aplikací (API) , které je součástí Simcenteru 3D a NX. Společnost DAA využívá pro složitější automatizace NX Open a vlastní kód. „Problémy, na které se zde zaměřujeme, vyžadují složitou automatizaci přesahující vestavěné možnosti softwaru,“ říká Lambert. „Pro tyto účely využíváme NX Open.“

Jako příklad automatizace provedené společností DAA Lambert popisuje analýzu plošného spoje určeného pro využití v letectví metodou konečných prvků. „Je to krásný příklad úlohy, kterou je nutné provádět iterativně. Částečně kvůli tomu, že existuje příliš mnoho proměnných návrhu (komponenty na desce a její uchycení), které lze měnit,“ vysvětluje Lambert. „U těchto desek také dochází k problémům s náhodnými vibracemi a v závislosti na spektru může existovat jedna nebo více nevhodných zón. Frekvence je nutné iterativně posouvat tak, aby nebyly v těchto zónách a byly v oblastech s menšími vibracemi, což však není snadné, protože tím můžete zvýšit zatížení a napětí. Při posunu frekvencí musíte zatížení znovu vyhodnotit. U pouzder elektroniky navíc často platí, že frekvence jednotlivých komponent leží blízko sebe, takže se vzájemně zesilují. Najít rovnováhu mezi správným umístěním frekvencí a pevnostní integritou desky je vyčerpávající iterativní hra.“

Automatizovaná verze tohoto postupu vyvinutá společností DAA, která se pro uživatele jeví jako přirozená funkce softwaru NX, zahrnuje geometrické modelování, zpracování metodou FEA, postprocesing a analýzu pomocí Simcenteru 3D a Simcenteru Nastran®. Program začne s geometrickým modelem desky ze softwaru NX, automaticky vytvoří síť konečných prvků a následně použije příslušné vlastnosti materiálu. Potom iterativně pouští analýzu extrakce frekvencí (Simcenter Nastran Solution 103). Vlastní kód napsaný společností DAA využívá NX Open k porovnání výsledků se spektrem náhodných vibrací a poté pokračuje v iteracích a úpravách geometrie desky, dokud se vibrační frekvence desky nenachází mimo nevhodné zóny křivky náhodných vibrací. Poté se provedou vlastní výpočty k určení zatížení a následně analýza napětí a ohybů (Simcenter Nastran Solution 101). Další vlastní kód tyto výsledky spojí s oborovými znalostmi a vytvoří predikci životnosti, provede srovnání s povolenými hodnotami daného materiálu a nakonec určí, zda je návrh přijatelný. Pokud ne, začne celý proces znovu a iterace pokračují, dokud návrh nedosáhne požadované pevnosti.

Lambert poznamenává, že v tomto případě není využita tepelná analýza, i když by mohla být: „Obecně je zde nutné provést tepelnou analýzu a následně ji lze také zapojit do automatizace.“

Velká úspora času a méně chyb

Jednou ze zřejmých výhod automatizace (jak je patrné z příkladu s deskou plošných spojů) je úspora času. Lambert již narazil i na případy, kdy je analýza, která dříve trvala 40 hodin, nyní prováděna automaticky během 15 minut.

Tvorba automatizace samozřejmě také vyžaduje čas a společnost DAA má jednoduché pravidlo pro odhad tohoto času. „Vytvořit poměrně robustní automatizaci trvá přibližně 10x déle, než provést jednu iteraci,“ popisuje Lambert. „Ne všechny problémy jsou tedy pro automatizaci vhodné. Pokud se jedná o analýzu, kterou podnik pustí jen několikrát, tak se to pravděpodobně nevyplatí. Pokud se však provádí 25x, 100x nebo 200x za rok, už to má smysl.“ Jaké znalosti člověk potřebuje k tvorbě zákaznické automatizace? „Potřebujete někoho, kdo umí programovat přibližně na střední úrovni,“ vysvětluje Lambert. „Žurnálovací funkce za vás vygeneruje spoustu NX Open kódu, ale musíte vědět, jak ten kód otevřít, upravit jej a vylepšit jej tak, aby byl obecnější a neopakoval jen záznam stisků kláves.“

Automatizace iterativních procesů v Simcenteru 3D má celou řadu dalších výhod. Automatizace vypadá jako součást NX, takže uživatelé zvyklí používat NX CAD nepotřebují k jejich použití téměř žádné školení. Navíc, jakmile odborník na analýzu daný proces automatizuje, mohou jej spouštět i méně zkušení uživatelé a specialista se může věnovat zajímavějším úkolům. V rámci automatizace se proces také standardizuje, což jej činí méně náchylným na lidské chyby, například chyby při ručně prováděných výpočtech.

Společnost DAA dosáhla s automatizací pomocí NX Open tolika úspěchů, že Lamberta překvapuje, že tuto funkčnost nevyužívá více společností. „V NX a Simcenteru tedy existuje velmi užitečná funkce, kterou ale vidíme využitou jen zřídka, i když naši zákazníci tento způsob automatizace velmi potřebují,“ dodává. „Pokud se automatizace simulačních procesů v prostředí NX CAD využije ve vhodných situacích, investice se rozhodně vrátí.“