|
โดย: +=FIRST=+
|
|
ปัจจุบันการออกแบบรถยนต์ มีความซับซ้อนมากขึ้น อีกทั้งการแข่งขันทางเทคโนโลยีมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว รถยนต์มีการเปลี่ยนรุ่นเร็วและบ่อยมากขึ้น ขั้นตอนในการออกแบบและการทำรถยนต์ต้นแบบเป็นอุปสรรคอย่างมาก เพราะการทำรถยนต์ต้นแบบแต่ละคันกว่าจะสร้างชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาประกอบกัน แล้วยังต้องนำมาทดสอบและปรับปรุงแบบครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งกินเวลายาวนานกว่าจะได้เป็นรถแต่ละรุ่น จากปัญหาคอขวดของการพัฒนารถยนต์ตรงจุดนี้ ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกต่างมีความรู้สึกกดดันจากการแข่งขันที่มากขึ้น
แนวคิดในการจำลองแบบด้วยคอมพิวเตอร์และการสร้างต้นแบบเสมือน (Virtual Prototype) ถูกคิดค้นและนำมาใช้ในการออกแบบและพัฒนาต้นแบบของรถยนต์ เพื่อเป้าหมายคือ ประสิทธิภาพ, สมรรถนะของรถยนต์และในขณะเดียวกันใช้เวลาและต้นทุนต่ำที่สุด โดยจะทดแทนการสร้างและทดสอบแบบเดิม ๆ เทคโนโลยีต้นแบบเสมือนสามารถที่จะรองรับปัญหาดังกล่าวได้แต่ปัญหาคือ บริษัทต่าง ๆ จะมั่นใจได้อย่างไรกับการสร้างและทดสอบต้นแบบเสมือนในคอมพิวเตอร์ว่าจะให้ผลลัพธ์ถูกต้องในระดับที่ต้องการ
รถยนต์ BMW Series 3 ใหม่นี้ เปิดตัวขึ้นมาพร้อมกับความสำเร็จอย่างสูง "ความสมบูรณ์แบบเกิดขึ้นจนรายละเอียดสุดท้าย" ถูกใช้เป็นปรัชญาในการออกแบบทุกขั้นตอน ซึ่งทดแทนคำพูดเดิมที่ว่า "สุดยอดแห่งจักรกลขับเคลื่อน" (The Ultimate Driving Machine) จากข้อมูลในหนังสือ BMW Magazine การออกแบบจะใช้เวลาประมาณ 5 ปีครึ่ง หรือ 2.6 ล้านชั่วโมงทำงาน 130 ระบบถูกสร้างขึ้นด้วยต้นทุนประมาณ $ 360,000 ต่อ 1 ต้นแบบ ซึ่งมีชิ้นส่วนประกอบ 2,400 ชิ้น ระบบเบรค ABS ระบบ Traction-control รวมถึงระบบ Advance-multi-link System ไปจนระบบความปลอดภัยสูงสุด และระบบช่วงล่างอื่น ๆ อีกมาก
บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงในอุตสาหกรรมรถยนต์ อาจพูดได้ว่ามาตรฐานที่เยี่ยมยอดได้บรรจุอยู่ใน BMW 3-Series ใหม่นี้จะถูกถ่ายทอดไปสู่รถรุ่นอื่น ๆ ในอนาคตอันใกล้นี้ เทคโนโลยีที่ล้ำหน้านี้จะทำให้ยานพาหนะรุ่นใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นมีสมรรถนะที่ดีเยี่ยม ขับขี่ได้อย่างนุ่มนวลราบเรียบ มีการตอบสนองอย่างฉับไว ภายในห้องโดยสารเงียบ มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ในขณะที่การบำรุงรักษาง่ายขึ้น รวมไปถึงความปลอดภัยระดับสูงสุดซึ่งที่ลูกค้าจะได้รับประโยชน์นี้สูงสุด ที่มากกว่านั้นก็คือ BMW 3-Series นี้ ใช้เวลาในการพัฒนาเพียงครึ่งเดียวเมื่อเทียบกับรุ่นก่อน ต้นทุนในเรื่องของการผลิตชิ้นส่วนเพื่อทำต้นแบบอาจจะไม่แตกต่างมากนัก แต่เมื่อดูภาพรวมของการพัฒนา ก็สามารถลดต้นทุนจากการประหยัดเวลาได้มาก สิ่งนี้ BMW เขาสามารถทำได้อย่างไร และอะไรคือสิ่งที่ทำให้การพัฒนาก้าวกระโดดได้อย่างรวดเร็ว คำตอบก็คือ "ต้นแบบเสมือนจริง (Virtual Prototype)"
การออกแบบโดยใช้การจำลองเหตุการณ์ต่าง ๆ บนคอมพิวเตอร์ ช่วยให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์ วิศวกร และนักวิเคราะห์สามารถสร้างรูปแบบ, การประกอบ, หน้าที่การทำงานของสิ่งที่ตัวเองกำลังทำได้อย่างรวดเร็ว โดยสามารถใช้คอมพิวเตอร์ทำตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบแนวคิด, ลงรายละเอียด จนกระทั่งเป็นผลิตภัณฑ์ นอกจากในส่วนของการออกแบบผลิตภัณฑ์แล้ว คอมพิวเตอร์ยังสามารถจำลองกระบวนการผลิตของส่วนประกอบแต่ละชิ้น เพื่อดูปัญหาและแก้ไขในส่วนของการผลิตอีกด้วย ด้วยความสามารถของระบบคอมพิวเตอร์นี้ เราไม่จำเป็นที่จะต้องรอเป็นเดือน ๆ เพื่อที่จะผลิตชิ้นส่วนทีละชิ้นแล้วถึงประกอบกันเป็นต้นแบบและทดสอบ นี้ยังไม่รวมถึงเวลาที่เราจะต้องเปลี่ยนแปลงหรือดัดแปลงหลังจากต้นแบบที่เราทดสอบให้ผลลัพธ์ที่ไม่น่าพอใจ การจำลองต้นแบบบนคอมพิวเตอร์สามารถให้เราสร้างชิ้นส่วน, ประกอบ, และทดสอบได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ นอกจากนั้นเราสามารถดัดแปลงรูปแบบของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นส่วน, ทดสอบเพื่อดูผลได้อีกนับครั้งไม่ถ้วน จนกระทั่งเราได้ต้นแบบที่ดีที่สุด ทั้งรูปแบบ, หน้าที่การทำงานไปจนถึงกระบวนการผลิตที่เหมาะสมที่สุด
อะไรคือองค์ประกอบที่ทำให้การนำเอาต้นแบบเสมือนจริงมาใช้จนประสบความสำเร็จ ทำไมก่อนหน้านี้ไม่ใช้ต้นแบบเสมือนจริงตั้งแต่แรกถ้ามันดีจริง และอะไรคือจุดสำคัญที่ตัดสินว่า ระบบต้นแบบเสมือนจริงสามารถนำมาใช้ได้จริง
ระบบ CAD/CAM/CAE แบบเดิมกับ System-Level Virtual Prototype
CAD/CAM/CAE มีเป้าหมายแนวคิดว่า "art-to part" หรือจากศิลปสู่ชิ้นงานซึ่งใกล้เคียงกับแนวโน้มที่วิศวกรจะต้องมีการพัฒนาการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์จนถึงการการผลิตเพื่อคุณภาพของงานที่สูงขึ้น ระบบ CAD โดยเฉพาะระบบของ Solid Modeling จะทำให้ท่านสามารถสร้างและออกแบบชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว ระบบ Finite Element Software สามารถวิเคราะห์ผลกระทบต่าง ๆ ทางโครงสร้าง, การแลกเปลี่ยน, ความร้อน, แรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานที่เราออกแบบ และระบบที่มีเป้าหมายจะปรับปรุงความสามารถในการผลิตก็คือ CAM ซึ่งสามารถทำให้เราควบคุมเครื่องจักรประเภท CNC, หุ่นยนต์อุตสาหกรรม อีกทั้งยังควบคุมการสร้างแม่พิมพ์กระบวนการ Stamping หรือการ Forging (ตีขึ้นรูป) ได้สมบูรณ์แบบยิ่งขึ้
CAD/CAM/CAE ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมที่เป็นหัวใจหลัก ๆ เช่น อุตสาหกรรมรถยนต์และชิ้นส่วน, อากาศยาน, เครื่องจักรกล และ อิเล็กทรอแมคานิค ซึ่งสามารถยกระดับในการออกแบบและการผลิตในแทบจะทุกชิ้นส่วน อย่างในอุตสาหกรรมทางด้านยานยนต์ เช่น มีการรายงานว่า ผู้ผลิตชิ้นส่วนสามารถลดของเสียได้ถึง 40% ภายใน 5 ปีที่นำเทคโนโลยีนี้มาพัฒนา จุดสำคัญหลังจากที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบด้วย CAD/CAM/CAE คือ ต้นทุนในการพัฒนาผลิตภัณฑ์และการผลิตนั้นลดลง แต่โชคไม่ดีที่ในระหว่างที่ผู้ผลิตชิ้นส่วนประสบความสำเร็จในการลดของเสียถึง 40% ภายใน 5 ปี บริษัทที่เป็นผู้ผลิตระบบย่อย เช่นระบบเกียร์, คอนโซลภายใน อื่น ๆ ผู้ซึ่งนำชิ้นส่วนจากผู้ผลิตมาประกอบกันอีกครั้งเป็นระบบย่อย สามารถลดต้นทุนจากการรับประกันเพียง 20% เท่านั้น ซึ่งเป็นที่แปลกใจของบริษัทผู้ผลิตระบบย่อยที่หวังว่า เมื่อเปอร์เซ็นต์ของเสียลดลงในการผลิตสามารถลดลงได้ถึง 40% ต้นทุนของการรับประกันชิ้นส่วนก็น่าจะลดลงในระดับที่ใกล้เคียงกัน
ชิ้นส่วนต่างๆที่ออกแบบอย่างเหมาะสม ไม่ได้นำไปสู่การออกแบบระบบย่อยที่ดีเสมอไป เมื่อเรานำระบบเบรคที่ดีมารวมกับช่วงล่างที่เยี่ยมยอดแล้วนำไปติดตั้งบนแชสซี ผลที่ได้อาจจะไม่เป็นระบบช่วงล่างที่ดีเลิศเสมอไป ที่เป็นเช่นนี้เพราะสิ่งที่สำคัญของคุณภาพโดยรวมของระบบที่ออกแบบมาจากรูปแบบของชิ้นส่วนในแต่ละชิ้นด้วยว่าทำงานได้ตามหน้าที่ที่ผู้ออกแบบตั้งใจให้เป็นหรือไม่ นั่นก็คือ ถ้าเราสามารถกำหนดขนาด ณ จุดสำคัญของการออกแบบที่ใช้ CAD/CAM/CAE กำหนดในส่วนของการออกแบบชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาเป็นการออกแบบในระดับของการออกแบบระบบรวมได้ ก็น่าจะสามารถที่พัฒนาประสิทธิภาพของภาพรวมในการออกแบบเพื่อลดต้นทุนได้มากขึ้น หรือเรียกสั้น ๆ ว่า System Level และที่ยิ่งไปกว่านั้นผลตอบแทนจากการลงทุนเป็นที่ประจักษ์ชัดจากประสิทธิผลของการใช้คอมพิวเตอร์จำลอง(Simulation-base) ในขั้นตอนการออกแบบและใช้ต้นแบบเสมือนกับการออกแบบระบบรวม(System-level Design)
ผู้ผลิตในปัจจุบันพยายามพัฒนาต้นแบบของผลิตภัณฑ์ (Digital Make-Up) ให้สามารถสร้างได้รวดเร็วขึ้น อีกทั้งยังพัฒนาไปถึงการทดสอบหน้าที่การทำงานของระบบรวมที่ประกอบขึ้นสำเร็จ ไม่ใช่แต่ชิ้นงานเดี่ยว ๆ เท่านั้น บรรดาผู้ผลิตต่าง ๆ เริ่มที่จะตระหนักเมื่อ 2-3 ปีที่ผ่านมาในสิ่งต่าง ๆ ที่กล่าวไปแล้วนั้น เป็นเรื่องปกติที่บริษัทเหล่านี้เริ่มที่จะมองเทคโนโลยีที่มากกว่า CAD/CAM/CAE ที่ตนมีอยู่แต่การพัฒนาจากการออกแบบชิ้นส่วนย่อย ๆ ไปสู่การออกแบบระบบรวมโดยใช้ระบบ CAD/CAM/CAE เดิม ๆ นั้นอาจนำไปสู่ปัญหาหลายอย่าง เช่น วิศวกรพยายามเขียน CAD ของระบบที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนจำนวนมาก แถมด้วยการทำ Photo Rendering (ภาพเสมือนจริง) อีกต่างหาก สิ่งที่เกิดขึ้นคือ ระบบคอมพิวเตอร์จะช้าจนกระทั่งรับไม่ได้ ในทำนองเดียวกัน ถ้าวิศวกรหรือนักออกแบบพยายามที่จะใช้ FEA (Finite Element Analysis) มาวิเคราะห์ระบบที่มีชิ้นส่วนมาก ๆ แถมยังต้องใช้ Solver แบบ Non Linear ในการจำลองการทำงานด้วยแล้วอาจจะต้องใช้เวลาเป็นสัปดาห์ เพื่อที่จะวิเคราะห์เหตุการที่เกิดขึ้นจริงเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น
วิธีการใหม่ ๆ ที่พัฒนาขึ้นต่างมุ่งเป้าไปที่ความสามารถในการสร้างระบบรวมให้ได้รวดเร็วที่สุด การเจริญเติบโตของการใช้แบบจำลองเสมือนจริงนั้นเป็นการพัฒนาจากระบบ CAD/CAM/CAE เดิมเป็นหลักโดยจะมี 2 ลักษณะคือ
สิ่งแรก คือ ต้นแบบเสมือนจริง (Function Virtual Prototype) ได้ถูกนำไปใช้ในการออกแบบ ตรวจสอบการทำงาน และประสิทธิภาพรวมของระบบ
สิ่งที่สอง คือ ระบบการผลิตจำลอง (Virtual Factory Simulation) ได้ถูกนำไปใช้ในการวิเคราห์ความเป็นไปได้ในการผลิต, ประกอบของระบบหรือชิ้นส่วน, ระบบการจัดการฐานข้อมูลผลิตภัณฑ์ (Product Database Management : PDM) คือสิ่งที่จะช่วยให้ การออกแบบโดยรวมประสบความสำเร็จได้ โดยคุณสมบัติของ PDM เองนั้นจะสามารถช่วยให้ข้อมูลของชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ออกแบบนั้นไม่ซ้ำซ้อน และมีการปรับปรุงฐานข้อมูลให้มีความทันสมัยอยู่เสมอ ที่สำคัญที่สุดเราสามารถเรียกใช้ข้อมูลชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่เราออกแบบได้อย่างถูกต้องและสามารถควบคุมได้
จากส่วนต่าง ๆ ที่พัฒนาขึ้นมาของระบบ Digital Mock Up (การสร้างต้นแบบในคอมพิวเตอร์), Functional Virtual Prototyping, Virtual Factory Simulation ได้ถูกนำมารวมกันเป็นระบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการออกแบบโดยรวม โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงจากต้นแบบที่จะต้องสร้างขึ้นมาจริง ๆ มาเป็นต้นจำลองในคอมพิวเตอร์ซึ่งจากนี้ผมก็จะกล่าวถึงต้นแบบเสมือน "Function Virtual Prototyping" เป็นหลัก
กลับด้านบน
ต้นแบบเสมือนจริง (Functional Virtual Prototyping : FVP)
องค์ประกอบที่สำคัญของระบบ FVP จะมีพื้นฐานอยู่ 5 ประการ คือ การสร้างต้นแบบ (Build), การทดสอบ (Test), การตรวจสอบ (Validate), ปรับแต่ง (Refine) และสุดท้าย ก็คือ นำเข้าสู่ระบบที่สามารถเรียกใช้ได้ทันที (Automate)
การสร้าง Model
ในส่วนของการสร้าง Model นั้น ต้นแบบเสมือนจริง (FVP) จะเกี่ยวพันทั้งผลิตภัณฑ์ใหม่และผลิตภัณฑ์ที่อาจจะมีอยู่แล้วในท้องตลาด ตามปกติในเบื้องต้น FVP จะนำมาพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่เป็นหลัก ที่อาจจะมีหลักการพื้นฐานแบบง่าย ๆ หรืออาจจะมาจากความต้องการขั้นพื้นฐานของการออกแบบ เช่น กราฟหรือข้อมูลดิบที่ตั้งสมมติฐานมากกว่าใช้ FVP ในการพัฒนารูปร่างหน้าตาของผลิตภัณฑ์
กราฟหรือข้อมูลดิบที่อ้างอิงในข้างต้นนี้อาจจะมาจากความต้องการของลูกค้า ซึ่งต้องถูกศึกษา (Quality Function Deployment (QFD)) และนำไปใช้เป็นข้อมูลในการออกแบบให้ได้ประสิทธิภาพของการใช้งานต่อไป อย่างเช่นในการเริ่มต้นออกแบบช่วงล่างของรถ ต้นแบบจำลองที่สร้างขึ้นมาจะเน้นเฉพาะส่วนของช่วงล่างในส่วนอื่น ๆ ของรถก็จะทำเป็น Model ลักษณะของภาพรวมและที่สำคัญ จะต้องมีชุดของข้อมูลที่บ่งบอกลักษณะของช่วงล่าง ซึ่งสอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของล้อรถในลักษณะต่าง ๆ ซึ่งอาจจะแสดงเป็นกราฟอย่างใน Software ที่ชื่อ ADAMS/Car สามารถเลือกชุดช่วงล่างที่เป็นระบบสำเร็จรูปที่บรรจุใน Software อย่างเช่น McPherson Strut มาทั้งชุดและติดตั้งเข้ากับตัวรถ หลังจากนั้นจึงให้ตัว Software หาขนาดที่เหมาะสม โดยใช้ข้อมูลกราฟ (เช่น กราฟของมุม Toe, หรือมุม Camber) ที่บ่งบอกถึงคุณลักษณะของช่วงล่างที่ต้องการด้วยวิธีนี้ เราจะได้ต้นแบบของระบบช่วงล่างได้รวดเร็วมาก ระบบที่บรรจุในโปรแกรมมีหลากหลายระบบ เช่น เครื่องยนต์, ส่งกำลัง และอื่นๆ มีข้อมูลให้เราเลือกนำมาดัดแปลงข้อมูลและใช้ได้โดยจะเป็นลักษณะ Modular System
ข้อดีของระบบนี้ก็คือ มีความรวดเร็วในการสร้างต้นแบบ (เพราะไม่ต้องสร้างตั้งแต่เริ่มต้น) และมีความชัดเจนในการส่ง Input หรือรับ Output ระหว่าง Module ที่เชื่อมต่อกันอยู่ในระบบย่อย ๆ แต่ละระบบที่เป็นต้นแบบเสมือนจริงนี้สามารถอธิบายคุณลักษณะต่าง ๆ ของตัวมันเองได้จากการเชื่อมโยงหรือประกอบกันของชิ้นส่วนย่อย ๆ ซึ่งใช้หลักการทางคณิตศาสตร์เป็นสิ่งกำหนดรูปทรงและมวลสารของชิ้นส่วนสร้างจากระบบ CAD ที่เป็น Solid Modeling ขณะที่โครงสร้าง, คุณสมบัติทางกายภาพ, การนำความร้อน สามารถใช้ FEA หรือการทดสอบจริงเป็นตัวกำหนด จุดสำคัญที่จะนำเอา FVP มาใช้ให้ประสบผลสำเร็จจริง ๆ ก็จะเริ่มจากการสร้างที่จะต้องได้รับความร่วมมือจากทั้งนักวิเคราะห์และวิศวกรผู้ทดสอบในด้านต่าง ๆ เพราะ การสร้างต้นแบบในที่นี้ก็คือ การสร้างรูปทรง (Solid Modeling) ซึ่งอธิบายหน้าตาของระบบและที่สำคัญยังจะต้องสร้างคุณลักษณะ (ข้อมูล,กราฟ ต่าง ๆ ) ของระบบย่อย FVP ด้วย
การทดสอบ
อาจจะเป็นเพียงเหตุผลเดียวจริง ๆ ที่จะทำให้ FVP ประสบผลสำเร็จได้นั้นก็คือ "การทำสอบแบบจำลองให้ผลลัพธ์สอดคล้องกับผลที่คุณทดสอบจริง" การทดสอบจริง ๆ โดยปกติจะทำในห้องทดลองหรือไม่ก็ในสนามทดสอบ ในสภาวะที่ต่าง ๆ กันออกไป แต่ในคอมพิวเตอร์เราต้องพยามทำให้แบบจำลองมีความสอดคล้องใกล้เคียงกับในห้องทดลองหรือสนามทดสอบให้มากที่สุด ง่ายที่สุดก็คือ การสร้างเครื่องทดสอบซึ่งใช้ในห้องทดลองจริง ๆ บนระบบ FVP หรือสร้างสนามทดสอบจำลองขึ้นใน FVP ข้อสำคัญเครื่องทดสอบหรือสนามทดสอบที่สร้างขึ้นจะต้องสอดคล้องกับของจริง
การทดสอบมีความหลากหลายในแต่ละสถานการณ์ที่กำหนดขึ้นเพื่อการออกแบบ ในการทดสอบเพื่อที่จะออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่ ซึ่งใช้ได้ทั้ง FVP และการทดสอบจริง มีลักษณะของการทดสอบแตกต่างกันไป คือ
สิ่งแรก คือ การทดสอบของชิ้นส่วน มีเป้าหมายก็คือหาประสิทธิภาพของระบบ เมื่อเราเปลี่ยนรูปแบบของชิ้นส่วนย่อย ในแบบต่าง ๆ วิธีนี้จะทำให้เราได้ระบบย่อย ๆ ที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุด
สิ่งที่สอง คือ การทดสอบของจริงจะเป็นการทดสอบระบบรวมทั้งหมดอีกครั้ง และเป็นการเปรียบเทียบข้อมูลกับ แบบจำลองในคอมพิวเตอร์ที่เราทดสอบมาแล้ว ซึ่งจะช่วยตรวจสอบความผิดพลาด และใช้ในการปรับแต่งระบบ ต้นแบบเสมือนให้มีความแม่นยำเที่ยงตรงยิ่งขึ้น ซึ่งผลสุดท้ายก็จะทำให้การออกแบบมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
สำหรับบริษัทที่เพิ่งเริ่มจะใช้ FVP ในกระบวนการออกแบบนั้นมีความจำเป็นที่จะต้องสร้างต้นแบบจริง ๆ ขึ้นมาด้วยเพื่อใช้ทดสอบและนำข้อมูลไปเปรียบเทียบแต่งต้นแบบเสมือนเราจึงสามารถใช้ต้นแบบเสมือนได้อย่างมั่นใจ และเมื่อการออกแบบได้ผ่านขั้นตอนนี้ไประยะหนึ่งจนมีความมั่นใจในข้อมูลของ FVP ที่ปรับแต่งและตรวจสอบแล้วนั้นการทำต้นแบบของจริงอาจจะไม่มีความจำเป็น ที่จะสร้างเพื่อทดสอบเปรียบเทียบอีกต่อไป
เมื่อต้นแบบเสมือนที่สร้างขึ้นมาเป็นที่เชื่อถือได้ก็ถึงเวลาที่เราจะต้องใช้ประโยชน์จากต้นแบบที่สร้างและทดสอบปรับแต่งขึ้นมา เราสามารถทดสอบต้นแบบได้นับพัน ๆ ครั้ง พัน ๆ เหตุการณ์ของการทดสอบ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้ก็จะมีความเที่ยงตรง พอที่จะทำให้เราตัดสินใจว่ารูปแบบใดที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ใหม่ของเรา ซึ่งในส่วนนี้จะกล่าวอีกครั้งในขั้นตอนปรับแต่ง (Refine)
สำหรับการทดสอบ เป็นขั้นตอนที่สำคัญมาก ๆ ในการใช้งานต้นแบบเสมือนจริง ซึ่งต้นแบบจำลองนี้จะนำไปใช้ได้ อย่างมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใด ก็ขึ้นอยู่กับขั้นตอนนี้เป็นสำคัญ
ตรวจสอบผล
ความสำคัญของต้นแบบที่มีความเที่ยงตรงและสมมุติฐานต่าง ๆ ที่เรากำหนดให้ต้นแบบเป็นสิ่งที่ต้องให้ความสำคัญมาก ระบบ FVP อาจจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่บ้างแต่สำคัญที่จะต้องอยู่ในระดับที่ยอมรับได้หรือสามารถนำไปใช้ในการตัดสินใจได้ จุดที่ใช้ตัดสินใจในการยอมรับ FVP ที่จะสร้างขึ้นก็คือ ข้อมูลที่สะท้อนมาจากการทดสอบต้นแบบจริง ๆ ในการเริ่มต้นพัฒนาระบบในขั้นตอนการตรวจสอบผลนี้ไม่ได้ยากจนเกินความสามารถแต่ก็บ่อยครั้งที่ผลที่ได้ไม่ตรงกับมันควรจะเป็นบริษัทที่ประสบความสำเร็จในการใช้ FVP พบว่าเป็นบริษัทที่ทุ่มเทเวลาให้กับการตรวจสอบและมีการจัดการข้อมูลของการตรวจสอบเป็นอย่างดี ซึ่งข้อมูลที่ได้จะสามารถนำไปใช้ในการสร้างต้นแบบต่อไป
ปกติในกระบวนการของการตรวจสอบ ทั้งต้นแบบจำลอง (FVP) และต้นแบบจริงๆ จะถูกสร้างขึ้นและทดสอบ ผลลัพธ์จะถูกบันทึกเอาไว้เป็นฐานข้อมูล และฐานข้อมูลนี้ก็จะใช้กำหนดบรรทัดฐานในการสร้างต้นแบบขึ้นเพื่อทดสอบในอนาคต
เครื่องมือที่ใช้จำลองการทำงานของต้นแบบที่ดีสามารถช่วยกระบวนการตรวจสอบของต้นแบบได้อย่างมาก อย่างเช่นโปรแกรมทางด้าน Simulation ที่มีข้อมูลที่ช่วยในการออกแบบ อีกทั้งสามารถเปลี่ยน Parameter ที่จะช่วยให้การติดตามผลเพื่อปรับปรุงการจำลองและการทดสอบผล เป็นต้น
ในอดีตกระบวนการในการตรวจสอบผลจะใช้ในรถแข่งประเภท รถสูตร 1 หรือ Formula 1 อย่างเช่นในอิตาลี ที่สนาม Lmola Race Caurse ใช้ระบบรถแข่งเสมือนจริงในการพฤติกรรมของนักขับและรถแข่งก่อนการลงสนามจริง เวลาต่อรอบ (Lap Time) ถูกนำมาเปรียบเทียบระหว่างการขับจริงและระบบเสมือนจริงในคอมพิวเตอร์ โดยใช้นักขับระดับมืออาชีพ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้มีความเที่ยงตรง เกินคาดโดยมีความผิดพลาดเพียง 0.1 วินาที ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อมีการเปรียบเทียบระดับของอัตราเร่งในจุดต่าง ๆ ปรากฏว่ามีความสอดคล้องกันของกราฟอย่างเด่นชัด (ดูรูปกราฟเปรียบเทียบ) สีแดง คือกราฟที่บันทึกจากรถแข่งจริงและสีน้ำเงินคือกราฟที่ได้จากระบบเสมือนจริงโดยใช้ซอฟท์แวร์ ADAMS จาก Mechanical Dynamic Inc. อย่างไรก็ดี ระบบเสมือนจริงที่ผ่านการตรวจสอบ ทดสอบจนมีความมั่นใจในการนำไปใช้ในกระบวนการออกแบบขนาดใดก็ตาม สุดท้ายต้นแบบจริงที่ต้องผลิตขึ้นมาทั้งคันก็ยังมีความจำเป็น ในการทดสอบรถก่อนการผลิตจริงอยู่ดี
การปรับแต่งละเอียด
ในการปรับแต่งของระบบ FVP นั้นจะกระทำใน 2 ลักษณะ คือ การปรับแต่งเพื่อเพิ่มความแม่นยำของระบบ FVP ที่จะนำไปใช้งานได้อย่างถูกต้อง และการปรับแต่งเพื่อการออกแบบจริง ๆ นั่นเอง
ความก้าวหน้าของการออกแบบนั้นมีส่วนทำให้งานออกแบบที่ได้นั้นมีความสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้นอีกทั้งยังมีฟังก์ชั่นการทำงานที่มากขึ้นอีกด้วย ในการออกแบบรถยนต์สักคัน เริ่มต้นสิ่งที่อยู่ในสมองเราก็อาจจะเป็นเรื่องของความเร็ว,วิธีการทำงานของระบบต่าง ๆ หรือไม่ก็เนื้อที่ใช้สอยซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถรับรู้ได้ในเบื้องต้น สิ่งที่เป็นหัวข้อถัดมาคือ เรื่องของความสะดวกสบายอย่างเช่น เสียงรบกวน,ความสั่นสะเทือน หรือความนุ่มนวล ซึ่งระบบ FVP สามารถช่วยปรับปรุง สิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ได้ สิ่งสำคัญคือ FVP จะต้องสามารถรองรับความซับซ้อนของระบบย่อย ๆ ต่าง ๆ และความแม่นยำของต้นแบบเพื่อที่จะรองรับปรากฎการณ์ที่จะเกิดขึ้นอย่างซับซ้อนได้ เช่น ต้นแบบที่มีระบบไฮดรอลิกที่ทำงานร่วมกับระบบกลไกและระบบไฟฟ้าจะต้องอธิบายร่วมกันได้ในระบบเดียวกัน นี่คือเรื่องปกติที่จะเกิดขึ้นเมื่อเราต้องการทำระบบ FVP ขึ้นมา
ในหลายกรณีการใช้ชิ้นส่วนที่สามารถยืดหยุ่นได้ในระบบ FVP (ปกติชิ้นส่วนที่ประกอบเป็นระบบ FVP หรือต้นแบบเสมือนจริงจะกำหนดให้เป็นวัตถุแข็งแรง) จะช่วยเพิ่มความแม่นยำของระบบได้แต่การใช้ชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่น (Flexible Parts) จะเพิ่มสมการการคำนวณให้กับระบบมากขึ้นด้วยเช่นกัน การปรับแต่งของระบบที่เราออกแบบจะสำฤทธ์ผลก็ต่อเมื่อระบบที่เราสร้างขึ้นในเบื้องต้นต้องมีความถูกต้องแม่นยำ หมายถึง กระบวนการตรวจทดสอบต้นแบบ จะต้องทำอย่างจริงจัง มีการทดสอบต้นแบบในระบบย่อยทุกระบบกระบวนการปรับแต่งจึงจะสามารถประสบความสำเร็จได้
กลับด้านบน
สรุป
การปรับแต่งที่ต้องการจะต้องสามารถแสดงการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของต้นแบบที่เราออกแบบในคอมพิวเตอร์เหมือนกับการปรับแต่งรถยนต์จริง ๆ ที่ส่งผลกับการเกาะถนน,การทรงตัว,ความสะดวกสบายอย่างรูปตัวอย่างที่แสดงถึงพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่เราปรับแต่งมุม Toe ของรถยนต์ในระบบต้นแบบเสมือนจริง
เอกสารอ้างอิง
Functional Virtual Prototyping Realization of "The Digital Car"
Robert R. Ryan, Ph.D. President and Chief Operating Officer , Mechanical Dynamics, Inc.)
--------------------------------------------------------------------------------
กลับด้านบน
ซีเอ็ดบุ๊คเซ็นเตอร์
อันดับหนังสือขายดี
เว็บบอร์ด
--------------------------------------------------------------------------------
The Digital Car ต้น แบบเสมือนจริงแห่งอนาคต
Mechanical Technoloqy Magazine 4
ธันวาคม 2544 - มกราคม 2545
www.cadthai.com
ระบบ CAD/CAM/CAE แบบเดิมกับ System-Level Virtual Prototype / ต้นแบบเสมือนจริง (Functional Virtual Prototyping : FVP) / สรุป
ปัจจุบันการออกแบบรถยนต์ มีความซับซ้อนมากขึ้น อีกทั้งการแข่งขันทางเทคโนโลยีมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว รถยนต์มีการเปลี่ยนรุ่นเร็วและบ่อยมากขึ้น ขั้นตอนในการออกแบบและการทำรถยนต์ต้นแบบเป็นอุปสรรคอย่างมาก เพราะการทำรถยนต์ต้นแบบแต่ละคันกว่าจะสร้างชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาประกอบกัน แล้วยังต้องนำมาทดสอบและปรับปรุงแบบครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งกินเวลายาวนานกว่าจะได้เป็นรถแต่ละรุ่น จากปัญหาคอขวดของการพัฒนารถยนต์ตรงจุดนี้ ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกต่างมีความรู้สึกกดดันจากการแข่งขันที่มากขึ้น
แนวคิดในการจำลองแบบด้วยคอมพิวเตอร์และการสร้างต้นแบบเสมือน (Virtual Prototype) ถูกคิดค้นและนำมาใช้ในการออกแบบและพัฒนาต้นแบบของรถยนต์ เพื่อเป้าหมายคือ ประสิทธิภาพ, สมรรถนะของรถยนต์และในขณะเดียวกันใช้เวลาและต้นทุนต่ำที่สุด โดยจะทดแทนการสร้างและทดสอบแบบเดิม ๆ เทคโนโลยีต้นแบบเสมือนสามารถที่จะรองรับปัญหาดังกล่าวได้แต่ปัญหาคือ บริษัทต่าง ๆ จะมั่นใจได้อย่างไรกับการสร้างและทดสอบต้นแบบเสมือนในคอมพิวเตอร์ว่าจะให้ผลลัพธ์ถูกต้องในระดับที่ต้องการ
รถยนต์ BMW Series 3 ใหม่นี้ เปิดตัวขึ้นมาพร้อมกับความสำเร็จอย่างสูง "ความสมบูรณ์แบบเกิดขึ้นจนรายละเอียดสุดท้าย" ถูกใช้เป็นปรัชญาในการออกแบบทุกขั้นตอน ซึ่งทดแทนคำพูดเดิมที่ว่า "สุดยอดแห่งจักรกลขับเคลื่อน" (The Ultimate Driving Machine) จากข้อมูลในหนังสือ BMW Magazine การออกแบบจะใช้เวลาประมาณ 5 ปีครึ่ง หรือ 2.6 ล้านชั่วโมงทำงาน 130 ระบบถูกสร้างขึ้นด้วยต้นทุนประมาณ $ 360,000 ต่อ 1 ต้นแบบ ซึ่งมีชิ้นส่วนประกอบ 2,400 ชิ้น ระบบเบรค ABS ระบบ Traction-control รวมถึงระบบ Advance-multi-link System ไปจนระบบความปลอดภัยสูงสุด และระบบช่วงล่างอื่น ๆ อีกมาก
บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงในอุตสาหกรรมรถยนต์ อาจพูดได้ว่ามาตรฐานที่เยี่ยมยอดได้บรรจุอยู่ใน BMW 3-Series ใหม่นี้จะถูกถ่ายทอดไปสู่รถรุ่นอื่น ๆ ในอนาคตอันใกล้นี้ เทคโนโลยีที่ล้ำหน้านี้จะทำให้ยานพาหนะรุ่นใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นมีสมรรถนะที่ดีเยี่ยม ขับขี่ได้อย่างนุ่มนวลราบเรียบ มีการตอบสนองอย่างฉับไว ภายในห้องโดยสารเงียบ มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ในขณะที่การบำรุงรักษาง่ายขึ้น รวมไปถึงความปลอดภัยระดับสูงสุดซึ่งที่ลูกค้าจะได้รับประโยชน์นี้สูงสุด ที่มากกว่านั้นก็คือ BMW 3-Series นี้ ใช้เวลาในการพัฒนาเพียงครึ่งเดียวเมื่อเทียบกับรุ่นก่อน ต้นทุนในเรื่องของการผลิตชิ้นส่วนเพื่อทำต้นแบบอาจจะไม่แตกต่างมากนัก แต่เมื่อดูภาพรวมของการพัฒนา ก็สามารถลดต้นทุนจากการประหยัดเวลาได้มาก สิ่งนี้ BMW เขาสามารถทำได้อย่างไร และอะไรคือสิ่งที่ทำให้การพัฒนาก้าวกระโดดได้อย่างรวดเร็ว คำตอบก็คือ "ต้นแบบเสมือนจริง (Virtual Prototype)"
การออกแบบโดยใช้การจำลองเหตุการณ์ต่าง ๆ บนคอมพิวเตอร์ ช่วยให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์ วิศวกร และนักวิเคราะห์สามารถสร้างรูปแบบ, การประกอบ, หน้าที่การทำงานของสิ่งที่ตัวเองกำลังทำได้อย่างรวดเร็ว โดยสามารถใช้คอมพิวเตอร์ทำตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบแนวคิด, ลงรายละเอียด จนกระทั่งเป็นผลิตภัณฑ์ นอกจากในส่วนของการออกแบบผลิตภัณฑ์แล้ว คอมพิวเตอร์ยังสามารถจำลองกระบวนการผลิตของส่วนประกอบแต่ละชิ้น เพื่อดูปัญหาและแก้ไขในส่วนของการผลิตอีกด้วย ด้วยความสามารถของระบบคอมพิวเตอร์นี้ เราไม่จำเป็นที่จะต้องรอเป็นเดือน ๆ เพื่อที่จะผลิตชิ้นส่วนทีละชิ้นแล้วถึงประกอบกันเป็นต้นแบบและทดสอบ นี้ยังไม่รวมถึงเวลาที่เราจะต้องเปลี่ยนแปลงหรือดัดแปลงหลังจากต้นแบบที่เราทดสอบให้ผลลัพธ์ที่ไม่น่าพอใจ การจำลองต้นแบบบนคอมพิวเตอร์สามารถให้เราสร้างชิ้นส่วน, ประกอบ, และทดสอบได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ นอกจากนั้นเราสามารถดัดแปลงรูปแบบของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นส่วน, ทดสอบเพื่อดูผลได้อีกนับครั้งไม่ถ้วน จนกระทั่งเราได้ต้นแบบที่ดีที่สุด ทั้งรูปแบบ, หน้าที่การทำงานไปจนถึงกระบวนการผลิตที่เหมาะสมที่สุด
อะไรคือองค์ประกอบที่ทำให้การนำเอาต้นแบบเสมือนจริงมาใช้จนประสบความสำเร็จ ทำไมก่อนหน้านี้ไม่ใช้ต้นแบบเสมือนจริงตั้งแต่แรกถ้ามันดีจริง และอะไรคือจุดสำคัญที่ตัดสินว่า ระบบต้นแบบเสมือนจริงสามารถนำมาใช้ได้จริง
ระบบ CAD/CAM/CAE แบบเดิมกับ System-Level Virtual Prototype
CAD/CAM/CAE มีเป้าหมายแนวคิดว่า "art-to part" หรือจากศิลปสู่ชิ้นงานซึ่งใกล้เคียงกับแนวโน้มที่วิศวกรจะต้องมีการพัฒนาการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์จนถึงการการผลิตเพื่อคุณภาพของงานที่สูงขึ้น ระบบ CAD โดยเฉพาะระบบของ Solid Modeling จะทำให้ท่านสามารถสร้างและออกแบบชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว ระบบ Finite Element Software สามารถวิเคราะห์ผลกระทบต่าง ๆ ทางโครงสร้าง, การแลกเปลี่ยน, ความร้อน, แรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานที่เราออกแบบ และระบบที่มีเป้าหมายจะปรับปรุงความสามารถในการผลิตก็คือ CAM ซึ่งสามารถทำให้เราควบคุมเครื่องจักรประเภท CNC, หุ่นยนต์อุตสาหกรรม อีกทั้งยังควบคุมการสร้างแม่พิมพ์กระบวนการ Stamping หรือการ Forging (ตีขึ้นรูป) ได้สมบูรณ์แบบยิ่งขึ้
CAD/CAM/CAE ได้ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมที่เป็นหัวใจหลัก ๆ เช่น อุตสาหกรรมรถยนต์และชิ้นส่วน, อากาศยาน, เครื่องจักรกล และ อิเล็กทรอแมคานิค ซึ่งสามารถยกระดับในการออกแบบและการผลิตในแทบจะทุกชิ้นส่วน อย่างในอุตสาหกรรมทางด้านยานยนต์ เช่น มีการรายงานว่า ผู้ผลิตชิ้นส่วนสามารถลดของเสียได้ถึง 40% ภายใน 5 ปีที่นำเทคโนโลยีนี้มาพัฒนา จุดสำคัญหลังจากที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบด้วย CAD/CAM/CAE คือ ต้นทุนในการพัฒนาผลิตภัณฑ์และการผลิตนั้นลดลง แต่โชคไม่ดีที่ในระหว่างที่ผู้ผลิตชิ้นส่วนประสบความสำเร็จในการลดของเสียถึง 40% ภายใน 5 ปี บริษัทที่เป็นผู้ผลิตระบบย่อย เช่นระบบเกียร์, คอนโซลภายใน อื่น ๆ ผู้ซึ่งนำชิ้นส่วนจากผู้ผลิตมาประกอบกันอีกครั้งเป็นระบบย่อย สามารถลดต้นทุนจากการรับประกันเพียง 20% เท่านั้น ซึ่งเป็นที่แปลกใจของบริษัทผู้ผลิตระบบย่อยที่หวังว่า เมื่อเปอร์เซ็นต์ของเสียลดลงในการผลิตสามารถลดลงได้ถึง 40% ต้นทุนของการรับประกันชิ้นส่วนก็น่าจะลดลงในระดับที่ใกล้เคียงกัน
ชิ้นส่วนต่างๆที่ออกแบบอย่างเหมาะสม ไม่ได้นำไปสู่การออกแบบระบบย่อยที่ดีเสมอไป เมื่อเรานำระบบเบรคที่ดีมารวมกับช่วงล่างที่เยี่ยมยอดแล้วนำไปติดตั้งบนแชสซี ผลที่ได้อาจจะไม่เป็นระบบช่วงล่างที่ดีเลิศเสมอไป ที่เป็นเช่นนี้เพราะสิ่งที่สำคัญของคุณภาพโดยรวมของระบบที่ออกแบบมาจากรูปแบบของชิ้นส่วนในแต่ละชิ้นด้วยว่าทำงานได้ตามหน้าที่ที่ผู้ออกแบบตั้งใจให้เป็นหรือไม่ นั่นก็คือ ถ้าเราสามารถกำหนดขนาด ณ จุดสำคัญของการออกแบบที่ใช้ CAD/CAM/CAE กำหนดในส่วนของการออกแบบชิ้นส่วนแต่ละชิ้นมาเป็นการออกแบบในระดับของการออกแบบระบบรวมได้ ก็น่าจะสามารถที่พัฒนาประสิทธิภาพของภาพรวมในการออกแบบเพื่อลดต้นทุนได้มากขึ้น หรือเรียกสั้น ๆ ว่า System Level และที่ยิ่งไปกว่านั้นผลตอบแทนจากการลงทุนเป็นที่ประจักษ์ชัดจากประสิทธิผลของการใช้คอมพิวเตอร์จำลอง(Simulation-base) ในขั้นตอนการออกแบบและใช้ต้นแบบเสมือนกับการออกแบบระบบรวม(System-level Design)
ผู้ผลิตในปัจจุบันพยายามพัฒนาต้นแบบของผลิตภัณฑ์ (Digital Make-Up) ให้สามารถสร้างได้รวดเร็วขึ้น อีกทั้งยังพัฒนาไปถึงการทดสอบหน้าที่การทำงานของระบบรวมที่ประกอบขึ้นสำเร็จ ไม่ใช่แต่ชิ้นงานเดี่ยว ๆ เท่านั้น บรรดาผู้ผลิตต่าง ๆ เริ่มที่จะตระหนักเมื่อ 2-3 ปีที่ผ่านมาในสิ่งต่าง ๆ ที่กล่าวไปแล้วนั้น เป็นเรื่องปกติที่บริษัทเหล่านี้เริ่มที่จะมองเทคโนโลยีที่มากกว่า CAD/CAM/CAE ที่ตนมีอยู่แต่การพัฒนาจากการออกแบบชิ้นส่วนย่อย ๆ ไปสู่การออกแบบระบบรวมโดยใช้ระบบ CAD/CAM/CAE เดิม ๆ นั้นอาจนำไปสู่ปัญหาหลายอย่าง เช่น วิศวกรพยายามเขียน CAD ของระบบที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนจำนวนมาก แถมด้วยการทำ Photo Rendering (ภาพเสมือนจริง) อีกต่างหาก สิ่งที่เกิดขึ้นคือ ระบบคอมพิวเตอร์จะช้าจนกระทั่งรับไม่ได้ ในทำนองเดียวกัน ถ้าวิศวกรหรือนักออกแบบพยายามที่จะใช้ FEA (Finite Element Analysis) มาวิเคราะห์ระบบที่มีชิ้นส่วนมาก ๆ แถมยังต้องใช้ Solver แบบ Non Linear ในการจำลองการทำงานด้วยแล้วอาจจะต้องใช้เวลาเป็นสัปดาห์ เพื่อที่จะวิเคราะห์เหตุการที่เกิดขึ้นจริงเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น
วิธีการใหม่ ๆ ที่พัฒนาขึ้นต่างมุ่งเป้าไปที่ความสามารถในการสร้างระบบรวมให้ได้รวดเร็วที่สุด การเจริญเติบโตของการใช้แบบจำลองเสมือนจริงนั้นเป็นการพัฒนาจากระบบ CAD/CAM/CAE เดิมเป็นหลักโดยจะมี 2 ลักษณะคือ
สิ่งแรก คือ ต้นแบบเสมือนจริง (Function Virtual Prototype) ได้ถูกนำไปใช้ในการออกแบบ ตรวจสอบการทำงาน และประสิทธิภาพรวมของระบบ
สิ่งที่สอง คือ ระบบการผลิตจำลอง (Virtual Factory Simulation) ได้ถูกนำไปใช้ในการวิเคราห์ความเป็นไปได้ในการผลิต, ประกอบของระบบหรือชิ้นส่วน, ระบบการจัดการฐานข้อมูลผลิตภัณฑ์ (Product Database Management : PDM) คือสิ่งที่จะช่วยให้ การออกแบบโดยรวมประสบความสำเร็จได้ โดยคุณสมบัติของ PDM เองนั้นจะสามารถช่วยให้ข้อมูลของชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ออกแบบนั้นไม่ซ้ำซ้อน และมีการปรับปรุงฐานข้อมูลให้มีความทันสมัยอยู่เสมอ ที่สำคัญที่สุดเราสามารถเรียกใช้ข้อมูลชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่เราออกแบบได้อย่างถูกต้องและสามารถควบคุมได้
จากส่วนต่าง ๆ ที่พัฒนาขึ้นมาของระบบ Digital Mock Up (การสร้างต้นแบบในคอมพิวเตอร์), Functional Virtual Prototyping, Virtual Factory Simulation ได้ถูกนำมารวมกันเป็นระบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการออกแบบโดยรวม โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงจากต้นแบบที่จะต้องสร้างขึ้นมาจริง ๆ มาเป็นต้นจำลองในคอมพิวเตอร์ซึ่งจากนี้ผมก็จะกล่าวถึงต้นแบบเสมือน "Function Virtual Prototyping" เป็นหลัก
กลับด้านบน
ต้นแบบเสมือนจริง (Functional Virtual Prototyping : FVP)
องค์ประกอบที่สำคัญของระบบ FVP จะมีพื้นฐานอยู่ 5 ประการ คือ การสร้างต้นแบบ (Build), การทดสอบ (Test), การตรวจสอบ (Validate), ปรับแต่ง (Refine) และสุดท้าย ก็คือ นำเข้าสู่ระบบที่สามารถเรียกใช้ได้ทันที (Automate)
การสร้าง Model
ในส่วนของการสร้าง Model นั้น ต้นแบบเสมือนจริง (FVP) จะเกี่ยวพันทั้งผลิตภัณฑ์ใหม่และผลิตภัณฑ์ที่อาจจะมีอยู่แล้วในท้องตลาด ตามปกติในเบื้องต้น FVP จะนำมาพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่เป็นหลัก ที่อาจจะมีหลักการพื้นฐานแบบง่าย ๆ หรืออาจจะมาจากความต้องการขั้นพื้นฐานของการออกแบบ เช่น กราฟหรือข้อมูลดิบที่ตั้งสมมติฐานมากกว่าใช้ FVP ในการพัฒนารูปร่างหน้าตาของผลิตภัณฑ์
กราฟหรือข้อมูลดิบที่อ้างอิงในข้างต้นนี้อาจจะมาจากความต้องการของลูกค้า ซึ่งต้องถูกศึกษา (Quality Function Deployment (QFD)) และนำไปใช้เป็นข้อมูลในการออกแบบให้ได้ประสิทธิภาพของการใช้งานต่อไป อย่างเช่นในการเริ่มต้นออกแบบช่วงล่างของรถ ต้นแบบจำลองที่สร้างขึ้นมาจะเน้นเฉพาะส่วนของช่วงล่างในส่วนอื่น ๆ ของรถก็จะทำเป็น Model ลักษณะของภาพรวมและที่สำคัญ จะต้องมีชุดของข้อมูลที่บ่งบอกลักษณะของช่วงล่าง ซึ่งสอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของล้อรถในลักษณะต่าง ๆ ซึ่งอาจจะแสดงเป็นกราฟอย่างใน Software ที่ชื่อ ADAMS/Car สามารถเลือกชุดช่วงล่างที่เป็นระบบสำเร็จรูปที่บรรจุใน Software อย่างเช่น McPherson Strut มาทั้งชุดและติดตั้งเข้ากับตัวรถ หลังจากนั้นจึงให้ตัว Software หาขนาดที่เหมาะสม โดยใช้ข้อมูลกราฟ (เช่น กราฟของมุม Toe, หรือมุม Camber) ที่บ่งบอกถึงคุณลักษณะของช่วงล่างที่ต้องการด้วยวิธีนี้ เราจะได้ต้นแบบของระบบช่วงล่างได้รวดเร็วมาก ระบบที่บรรจุในโปรแกรมมีหลากหลายระบบ เช่น เครื่องยนต์, ส่งกำลัง และอื่นๆ มีข้อมูลให้เราเลือกนำมาดัดแปลงข้อมูลและใช้ได้โดยจะเป็นลักษณะ Modular System
ข้อดีของระบบนี้ก็คือ มีความรวดเร็วในการสร้างต้นแบบ (เพราะไม่ต้องสร้างตั้งแต่เริ่มต้น) และมีความชัดเจนในการส่ง Input หรือรับ Output ระหว่าง Module ที่เชื่อมต่อกันอยู่ในระบบย่อย ๆ แต่ละระบบที่เป็นต้นแบบเสมือนจริงนี้สามารถอธิบายคุณลักษณะต่าง ๆ ของตัวมันเองได้จากการเชื่อมโยงหรือประกอบกันของชิ้นส่วนย่อย ๆ ซึ่งใช้หลักการทางคณิตศาสตร์เป็นสิ่งกำหนดรูปทรงและมวลสารของชิ้นส่วนสร้างจากระบบ CAD ที่เป็น Solid Modeling ขณะที่โครงสร้าง, คุณสมบัติทางกายภาพ, การนำความร้อน สามารถใช้ FEA หรือการทดสอบจริงเป็นตัวกำหนด จุดสำคัญที่จะนำเอา FVP มาใช้ให้ประสบผลสำเร็จจริง ๆ ก็จะเริ่มจากการสร้างที่จะต้องได้รับความร่วมมือจากทั้งนักวิเคราะห์และวิศวกรผู้ทดสอบในด้านต่าง ๆ เพราะ การสร้างต้นแบบในที่นี้ก็คือ การสร้างรูปทรง (Solid Modeling) ซึ่งอธิบายหน้าตาของระบบและที่สำคัญยังจะต้องสร้างคุณลักษณะ (ข้อมูล,กราฟ ต่าง ๆ ) ของระบบย่อย FVP ด้วย
การทดสอบ
อาจจะเป็นเพียงเหตุผลเดียวจริง ๆ ที่จะทำให้ FVP ประสบผลสำเร็จได้นั้นก็คือ "การทำสอบแบบจำลองให้ผลลัพธ์สอดคล้องกับผลที่คุณทดสอบจริง" การทดสอบจริง ๆ โดยปกติจะทำในห้องทดลองหรือไม่ก็ในสนามทดสอบ ในสภาวะที่ต่าง ๆ กันออกไป แต่ในคอมพิวเตอร์เราต้องพยามทำให้แบบจำลองมีความสอดคล้องใกล้เคียงกับในห้องทดลองหรือสนามทดสอบให้มากที่สุด ง่ายที่สุดก็คือ การสร้างเครื่องทดสอบซึ่งใช้ในห้องทดลองจริง ๆ บนระบบ FVP หรือสร้างสนามทดสอบจำลองขึ้นใน FVP ข้อสำคัญเครื่องทดสอบหรือสนามทดสอบที่สร้างขึ้นจะต้องสอดคล้องกับของจริง
การทดสอบมีความหลากหลายในแต่ละสถานการณ์ที่กำหนดขึ้นเพื่อการออกแบบ ในการทดสอบเพื่อที่จะออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่ ซึ่งใช้ได้ทั้ง FVP และการทดสอบจริง มีลักษณะของการทดสอบแตกต่างกันไป คือ
สิ่งแรก คือ การทดสอบของชิ้นส่วน มีเป้าหมายก็คือหาประสิทธิภาพของระบบ เมื่อเราเปลี่ยนรูปแบบของชิ้นส่วนย่อย ในแบบต่าง ๆ วิธีนี้จะทำให้เราได้ระบบย่อย ๆ ที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุด
สิ่งที่สอง คือ การทดสอบของจริงจะเป็นการทดสอบระบบรวมทั้งหมดอีกครั้ง และเป็นการเปรียบเทียบข้อมูลกับ แบบจำลองในคอมพิวเตอร์ที่เราทดสอบมาแล้ว ซึ่งจะช่วยตรวจสอบความผิดพลาด และใช้ในการปรับแต่งระบบ ต้นแบบเสมือนให้มีความแม่นยำเที่ยงตรงยิ่งขึ้น ซึ่งผลสุดท้ายก็จะทำให้การออกแบบมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
สำหรับบริษัทที่เพิ่งเริ่มจะใช้ FVP ในกระบวนการออกแบบนั้นมีความจำเป็นที่จะต้องสร้างต้นแบบจริง ๆ ขึ้นมาด้วยเพื่อใช้ทดสอบและนำข้อมูลไปเปรียบเทียบแต่งต้นแบบเสมือนเราจึงสามารถใช้ต้นแบบเสมือนได้อย่างมั่นใจ และเมื่อการออกแบบได้ผ่านขั้นตอนนี้ไประยะหนึ่งจนมีความมั่นใจในข้อมูลของ FVP ที่ปรับแต่งและตรวจสอบแล้วนั้นการทำต้นแบบของจริงอาจจะไม่มีความจำเป็น ที่จะสร้างเพื่อทดสอบเปรียบเทียบอีกต่อไป
เมื่อต้นแบบเสมือนที่สร้างขึ้นมาเป็นที่เชื่อถือได้ก็ถึงเวลาที่เราจะต้องใช้ประโยชน์จากต้นแบบที่สร้างและทดสอบปรับแต่งขึ้นมา เราสามารถทดสอบต้นแบบได้นับพัน ๆ ครั้ง พัน ๆ เหตุการณ์ของการทดสอบ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้ก็จะมีความเที่ยงตรง พอที่จะทำให้เราตัดสินใจว่ารูปแบบใดที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ใหม่ของเรา ซึ่งในส่วนนี้จะกล่าวอีกครั้งในขั้นตอนปรับแต่ง (Refine)
สำหรับการทดสอบ เป็นขั้นตอนที่สำคัญมาก ๆ ในการใช้งานต้นแบบเสมือนจริง ซึ่งต้นแบบจำลองนี้จะนำไปใช้ได้ อย่างมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใด ก็ขึ้นอยู่กับขั้นตอนนี้เป็นสำคัญ
ตรวจสอบผล
ความสำคัญของต้นแบบที่มีความเที่ยงตรงและสมมุติฐานต่าง ๆ ที่เรากำหนดให้ต้นแบบเป็นสิ่งที่ต้องให้ความสำคัญมาก ระบบ FVP อาจจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่บ้างแต่สำคัญที่จะต้องอยู่ในระดับที่ยอมรับได้หรือสามารถนำไปใช้ในการตัดสินใจได้ จุดที่ใช้ตัดสินใจในการยอมรับ FVP ที่จะสร้างขึ้นก็คือ ข้อมูลที่สะท้อนมาจากการทดสอบต้นแบบจริง ๆ ในการเริ่มต้นพัฒนาระบบในขั้นตอนการตรวจสอบผลนี้ไม่ได้ยากจนเกินความสามารถแต่ก็บ่อยครั้งที่ผลที่ได้ไม่ตรงกับมันควรจะเป็นบริษัทที่ประสบความสำเร็จในการใช้ FVP พบว่าเป็นบริษัทที่ทุ่มเทเวลาให้กับการตรวจสอบและมีการจัดการข้อมูลของการตรวจสอบเป็นอย่างดี ซึ่งข้อมูลที่ได้จะสามารถนำไปใช้ในการสร้างต้นแบบต่อไป
ปกติในกระบวนการของการตรวจสอบ ทั้งต้นแบบจำลอง (FVP) และต้นแบบจริงๆ จะถูกสร้างขึ้นและทดสอบ ผลลัพธ์จะถูกบันทึกเอาไว้เป็นฐานข้อมูล และฐานข้อมูลนี้ก็จะใช้กำหนดบรรทัดฐานในการสร้างต้นแบบขึ้นเพื่อทดสอบในอนาคต
เครื่องมือที่ใช้จำลองการทำงานของต้นแบบที่ดีสามารถช่วยกระบวนการตรวจสอบของต้นแบบได้อย่างมาก อย่างเช่นโปรแกรมทางด้าน Simulation ที่มีข้อมูลที่ช่วยในการออกแบบ อีกทั้งสามารถเปลี่ยน Parameter ที่จะช่วยให้การติดตามผลเพื่อปรับปรุงการจำลองและการทดสอบผล เป็นต้น
ในอดีตกระบวนการในการตรวจสอบผลจะใช้ในรถแข่งประเภท รถสูตร 1 หรือ Formula 1 อย่างเช่นในอิตาลี ที่สนาม Lmola Race Caurse ใช้ระบบรถแข่งเสมือนจริงในการพฤติกรรมของนักขับและรถแข่งก่อนการลงสนามจริง เวลาต่อรอบ (Lap Time) ถูกนำมาเปรียบเทียบระหว่างการขับจริงและระบบเสมือนจริงในคอมพิวเตอร์ โดยใช้นักขับระดับมืออาชีพ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้มีความเที่ยงตรง เกินคาดโดยมีความผิดพลาดเพียง 0.1 วินาที ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อมีการเปรียบเทียบระดับของอัตราเร่งในจุดต่าง ๆ ปรากฏว่ามีความสอดคล้องกันของกราฟอย่างเด่นชัด (ดูรูปกราฟเปรียบเทียบ) สีแดง คือกราฟที่บันทึกจากรถแข่งจริงและสีน้ำเงินคือกราฟที่ได้จากระบบเสมือนจริงโดยใช้ซอฟท์แวร์ ADAMS จาก Mechanical Dynamic Inc. อย่างไรก็ดี ระบบเสมือนจริงที่ผ่านการตรวจสอบ ทดสอบจนมีความมั่นใจในการนำไปใช้ในกระบวนการออกแบบขนาดใดก็ตาม สุดท้ายต้นแบบจริงที่ต้องผลิตขึ้นมาทั้งคันก็ยังมีความจำเป็น ในการทดสอบรถก่อนการผลิตจริงอยู่ดี
การปรับแต่งละเอียด
ในการปรับแต่งของระบบ FVP นั้นจะกระทำใน 2 ลักษณะ คือ การปรับแต่งเพื่อเพิ่มความแม่นยำของระบบ FVP ที่จะนำไปใช้งานได้อย่างถูกต้อง และการปรับแต่งเพื่อการออกแบบจริง ๆ นั่นเอง
ความก้าวหน้าของการออกแบบนั้นมีส่วนทำให้งานออกแบบที่ได้นั้นมีความสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้นอีกทั้งยังมีฟังก์ชั่นการทำงานที่มากขึ้นอีกด้วย ในการออกแบบรถยนต์สักคัน เริ่มต้นสิ่งที่อยู่ในสมองเราก็อาจจะเป็นเรื่องของความเร็ว,วิธีการทำงานของระบบต่าง ๆ หรือไม่ก็เนื้อที่ใช้สอยซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถรับรู้ได้ในเบื้องต้น สิ่งที่เป็นหัวข้อถัดมาคือ เรื่องของความสะดวกสบายอย่างเช่น เสียงรบกวน,ความสั่นสะเทือน หรือความนุ่มนวล ซึ่งระบบ FVP สามารถช่วยปรับปรุง สิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ได้ สิ่งสำคัญคือ FVP จะต้องสามารถรองรับความซับซ้อนของระบบย่อย ๆ ต่าง ๆ และความแม่นยำของต้นแบบเพื่อที่จะรองรับปรากฎการณ์ที่จะเกิดขึ้นอย่างซับซ้อนได้ เช่น ต้นแบบที่มีระบบไฮดรอลิกที่ทำงานร่วมกับระบบกลไกและระบบไฟฟ้าจะต้องอธิบายร่วมกันได้ในระบบเดียวกัน นี่คือเรื่องปกติที่จะเกิดขึ้นเมื่อเราต้องการทำระบบ FVP ขึ้นมา
ในหลายกรณีการใช้ชิ้นส่วนที่สามารถยืดหยุ่นได้ในระบบ FVP (ปกติชิ้นส่วนที่ประกอบเป็นระบบ FVP หรือต้นแบบเสมือนจริงจะกำหนดให้เป็นวัตถุแข็งแรง) จะช่วยเพิ่มความแม่นยำของระบบได้แต่การใช้ชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่น (Flexible Parts) จะเพิ่มสมการการคำนวณให้กับระบบมากขึ้นด้วยเช่นกัน การปรับแต่งของระบบที่เราออกแบบจะสำฤทธ์ผลก็ต่อเมื่อระบบที่เราสร้างขึ้นในเบื้องต้นต้องมีความถูกต้องแม่นยำ หมายถึง กระบวนการตรวจทดสอบต้นแบบ จะต้องทำอย่างจริงจัง มีการทดสอบต้นแบบในระบบย่อยทุกระบบกระบวนการปรับแต่งจึงจะสามารถประสบความสำเร็จได้
กลับด้านบน
สรุป
การปรับแต่งที่ต้องการจะต้องสามารถแสดงการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของต้นแบบที่เราออกแบบในคอมพิวเตอร์เหมือนกับการปรับแต่งรถยนต์จริง ๆ ที่ส่งผลกับการเกาะถนน,การทรงตัว,ความสะดวกสบายอย่างรูปตัวอย่างที่แสดงถึงพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่เราปรับแต่งมุม Toe ของรถยนต์ในระบบต้นแบบเสมือนจริง
เอกสารอ้างอิง
Functional Virtual Prototyping Realization of "The Digital Car"
Robert R. Ryan, Ph.D. President and Chief Operating Officer , Mechanical Dynamics, Inc.)
|
ถ้าย้อนเวลาได้ ผมต้องเรียนอะไรถึงจะได้ทำงาน design รถ
