ما يحتاج مصنعو المعدات الأصلية ومهندسو التصميم إلى معرفته حول المحركات ومحركات الأقراص وأجهزة التحكم.

سواء كان المصممون يقومون بتحسين آلة تتمحور حول الحركة أو بناء آلة جديدة، فمن الضروري أن يبدأوا مع وضع التحكم في الحركة في الاعتبار. ومن ثم يمكنهم تطوير التصميم حول أفضل طريقة للحصول على أتمتة فعالة وفعالة.

ينبغي تصميم الآلات القائمة على الحركة وبنائها حول وظائفها الأساسية. بالنسبة لآلة الطباعة التي تعتمد على مجموعة محددة من تطبيقات اللف، على سبيل المثال، سيركز المصممون على الأجزاء المهمة ويطورون بقية الآلة لدعم الوظائف الأساسية.

يبدو هذا مثل Design Engineering 101، ولكن مع ضغوط الوقت للسوق وفرق العمل المنعزلة تقليديًا في الأقسام الميكانيكية والكهربائية والبرمجيات، فمن السهل على التصميم أن يعود إلى عملية خطية إلى حد كبير. ومع ذلك، فإن التصميم مع وضع التحكم في الحركة في الاعتبار يتطلب اتباع نهج الميكاترونكس الذي يتضمن تطوير المفاهيم الأولية، وتحديد طوبولوجيا النظام ونهج الآلة، واختيار واجهة الاتصال وبنية البرنامج.

فيما يلي بعض الجوانب الأساسية للمحركات ومحركات الأقراص ووحدات التحكم والبرامج التي يجب على المهندسين مراعاتها منذ بداية كل مشروع لتصميم الماكينة لتقليل أوجه القصور والأخطاء والتكلفة مع تمكين مصنعي المعدات الأصلية من حل مشكلات العملاء في وقت أقل.

【عملية التصميم】

إن كيفية ومكان تحرك الأجزاء هو المكان الذي ينفق فيه المهندسون معظم جهودهم الهندسية، خاصة عند تطوير آلات مبتكرة. على الرغم من أن التصميمات المبتكرة هي الأكثر استهلاكًا للوقت إلى حد كبير، إلا أنها غالبًا ما تقدم أكبر عائد على الاستثمار، خاصة إذا استفادت الفرق من أحدث التصميمات الهندسية الافتراضية والتصميمات المعيارية.

الخطوة الأولى عند تطوير الآلة من الصفر هي طرح السؤال التالي: ما هي الوظائف الحاسمة لهذه الآلة؟ يمكن أن يكون صنع آلة سهلة التنظيف، أو قليلة الصيانة، أو دقيقة للغاية. تحديد التكنولوجيا التي ستوفر الوظيفة أو الأداء أو مستوى الصيانة المطلوب.

كلما كانت المشكلة التي تحتاج إلى حل أكثر تعقيدًا، كلما زادت صعوبة تحديد الوظائف الأكثر حيوية. فكر في العمل مع مورد أتمتة يركز على الحركة والذي يمكنه المساعدة في تحديد التفاصيل المهمة وتحديد النهج الصحيح.

ثم اسأل: ما هي الوظائف القياسية للجهاز؟ وبالبقاء على مثال آلة الطباعة السابقة، فإن أدوات التحكم في التوتر وأجهزة الاستشعار المستخدمة لتفكيك المواد التي تتم الطباعة عليها تعتبر قياسية إلى حد ما. وفي الواقع، فإن حوالي 80% من مهام الآلة الجديدة عبارة عن اختلافات عن مهام الأجهزة السابقة.

إن استخدام الأجهزة المعيارية وبرمجة التعليمات البرمجية للتعامل مع المتطلبات الهندسية للوظائف القياسية يقلل بشكل كبير من مقدار موارد التصميم اللازمة لإكمال المشروع. كما أنه يستخدم وظائف أثبتت جدواها بمرور الوقت، وبالتالي يزيد من الموثوقية ويتيح لك التركيز على الأجزاء الأكثر تعقيدًا من التصميم.

إن العمل مع شريك للتحكم في الحركة يمكنه تقديم وظائف قياسية باستخدام أجهزة وبرامج معيارية يعني أنه يمكنك التركيز على ميزات القيمة المضافة التي تميز منتجك عن المنتجات المنافسة.

في مشروع التصميم النموذجي، يقوم المهندسون الميكانيكيون ببناء هيكل الآلة ومكوناتها الميكانيكية؛ يضيف مهندسو الكهرباء الإلكترونيات، بما في ذلك محركات الأقراص والأسلاك وأدوات التحكم؛ ثم يقوم مهندسو البرمجيات بكتابة الكود. في كل مرة يكون هناك خطأ أو مشكلة، يتعين على فريق المشروع التراجع وتصحيحه. يتم إنفاق الكثير من الوقت والطاقة في عملية التصميم في إعادة التصميم بناءً على التغييرات أو الأخطاء. لحسن الحظ، تصميم الميكانيكا باستخدام برنامج CAD والتخطيط والتصميم المنعزل أصبحا تقريبًا أشياء من الماضي.

اليوم، تتيح الهندسة الافتراضية للفرق تصميم كيفية عمل الآلات باستخدام عدة مسارات متوازية، وبالتالي تقصير دورة التطوير ووقت طرحها في السوق بشكل كبير. ومن خلال إنشاء توأم رقمي (تمثيل افتراضي للآلة)، يمكن لكل قسم العمل بمفرده وتطوير الأجزاء وعناصر التحكم بالتزامن مع بقية الفريق.

يتيح التوأم الرقمي للمهندسين اختبار التصميمات المختلفة للآلة بسرعة بالإضافة إلى تقنيات الماكينة الخاصة بك. على سبيل المثال، ربما تتطلب العملية إدخال مادة في وحدة تغذية الآلة حتى يتم جمع الكمية المطلوبة ثم يتم قطع المادة؛ هذا يعني أنه يجب عليك اكتشاف طريقة لإيقاف التغذية عند الحاجة إلى قطع المادة. هناك عدة طرق للتعامل مع هذا التحدي، وقد تؤثر جميعها على كيفية عمل الجهاز بشكل عام. إن تجربة علاجات مختلفة أو نقل المكونات لمعرفة مدى تأثيرها على العمليات أمر بسيط مع التوأم الرقمي ويؤدي إلى نماذج أولية أكثر كفاءة (وأقل).

تتيح الهندسة الافتراضية لفرق التصميم رؤية كيف تعمل الآلة بأكملها ومفاهيمها المتداخلة معًا للوصول إلى هدف أو غايات معينة.

【اختيار الطوبولوجيا】

إن التصميمات المعقدة ذات الوظائف المتعددة، وأكثر من محور واحد للحركة وحركة متعددة الأبعاد، وإخراج وإنتاجية أسرع تجعل طوبولوجيا النظام معقدة بنفس القدر. يعتمد الاختيار بين الأتمتة المركزية القائمة على وحدة التحكم أو الأتمتة اللامركزية القائمة على محرك الأقراص على الماكينة التي يتم تصميمها. ما تفعله الآلة، سواء وظائفها العامة أو المحلية، يؤثر على ما إذا كنت تختار الهيكل المركزي أو اللامركزي. تؤثر أيضًا مساحة الخزانة وحجم الماكينة والظروف المحيطة وحتى وقت التثبيت على هذا القرار.

الأتمتة المركزية. أفضل طريقة للحصول على تحكم منسق في الحركة للآلات المعقدة هي من خلال الأتمتة القائمة على وحدة التحكم. عادةً ما يتم توجيه أوامر التحكم في الحركة إلى محولات مؤازرة محددة عبر ناقل قياسي في الوقت الفعلي مثل EtherCAT، وتقوم المحولات بتشغيل جميع المحركات.

باستخدام الأتمتة القائمة على وحدة التحكم، يمكن تنسيق عدة محاور حركة لتنفيذ مهمة معقدة. إنها طوبولوجيا مثالية إذا كانت الحركة في قلب الآلة ويجب مزامنة جميع الأجزاء. على سبيل المثال، إذا كان من الضروري أن يكون كل محور حركة في مكان محدد حتى تتمكن من وضع ذراع الروبوت بشكل صحيح، فمن المرجح أن تختار الأتمتة القائمة على وحدة التحكم.

الأتمتة اللامركزية. بفضل الآلات ووحدات الماكينة الأكثر إحكاما، أدى التحكم اللامركزي في الحركة إلى تقليل أو إزالة الحمل على أدوات التحكم في الماكينة. وبدلاً من ذلك، تتولى محركات الأقراص العاكسة الأصغر مسؤوليات التحكم اللامركزية، ويقوم نظام الإدخال/الإخراج بتقييم إشارات التحكم، ويشكل ناقل الاتصالات مثل EtherCAT شبكة شاملة.

تعتبر الأتمتة اللامركزية مثالية عندما يتمكن جزء واحد من الجهاز من تحمل مسؤولية إكمال المهمة ولا يتعين عليه تقديم تقارير مستمرة إلى التحكم المركزي. وبدلاً من ذلك، يعمل كل جزء من الجهاز بسرعة وبشكل مستقل، ولا يقدم التقارير إلا بعد اكتمال مهمته. ونظرًا لأن كل جهاز يتعامل مع حمله الخاص بهذا الترتيب، فيمكن للجهاز ككل الاستفادة من قوة المعالجة الموزعة بشكل أكبر.

السيطرة المركزية واللامركزية. على الرغم من أن الأتمتة المركزية توفر التنسيق وتوفر اللامركزية قوة معالجة موزعة أكثر كفاءة، إلا أن الجمع بين الاثنين هو الخيار الأفضل في بعض الأحيان. يعتمد القرار النهائي على المتطلبات الشاملة بما في ذلك الأهداف المتعلقة بما يلي: التكلفة/القيمة، والإنتاجية، والكفاءة، والموثوقية مع مرور الوقت، ومواصفات السلامة.

كلما كان المشروع أكثر تعقيدًا، كلما زادت أهمية وجود شريك هندسي للتحكم في الحركة يمكنه تقديم المشورة بشأن الجوانب المختلفة. عندما يقدم منشئ الآلة الرؤية، ويقدم شريك التشغيل الآلي الأدوات، عندها تحصل على الحل الأفضل.

【شبكات الآلة】

يعد إنشاء اتصال بيني نظيف ومقاوم للمستقبل أيضًا خطوة أساسية في التصميم مع وضع التحكم في الحركة في الاعتبار. يعد بروتوكول الاتصال ضروريًا تمامًا مثل مكان وجود المحركات ومحركات الأقراص، لأن الأمر لا يتعلق فقط بما تفعله المكونات، بل يتعلق أيضًا بكيفية توصيلها جميعًا.

التصميم الجيد يقلل من عدد الأسلاك والمسافة التي يجب أن تقطعها. على سبيل المثال، يمكن استبدال مجموعة مكونة من 10 إلى 15 سلكًا متجهة إلى محطة طرفية بعيدة بكابل Ethernet باستخدام بروتوكول اتصالات صناعي مثل EtherCAT. لا يعد Ethernet هو الخيار الوحيد، ولكن أيًا كان الخيار الذي تستخدمه، تأكد من أن لديك أدوات الاتصال أو الناقلات المناسبة، حتى تتمكن من استخدام البروتوكولات الشائعة. إن اختيار حافلة اتصالات جيدة ووضع خطة لكيفية وضع كل شيء يجعل التوسعات المستقبلية أسهل بكثير.

ركز على بناء تصميم جيد داخل الخزانة منذ البداية. على سبيل المثال، لا تضع مصادر الطاقة بالقرب من المكونات الإلكترونية التي قد تتأثر بالتداخل المغناطيسي. يمكن للمكونات ذات التيارات أو الترددات العالية أن تولد ضوضاء كهربائية في الأسلاك. لذلك، احتفظ بالمكونات ذات الجهد العالي بعيدًا عن المكونات ذات الجهد المنخفض للحصول على أفضل تشغيل. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف ما إذا كانت شبكتك مصنفة حسب الأمان. إذا لم يكن الأمر كذلك، فمن المحتمل أنك ستحتاج إلى وصلات أمان زائدة عن الحاجة، لذلك إذا فشل أحد الأجزاء، فإنه يكتشف فشله ويتفاعل.

مع انتشار إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، فكر في إضافة وظائف متقدمة قد لا تكون أنت أو عملاؤك جاهزين للاستخدام تمامًا. إن بناء القدرات في الجهاز يعني أنه سيكون من الأسهل ترقية هذا الجهاز لاحقًا.

【برمجة】

وفقًا لتقديرات الصناعة، لن يمر وقت طويل قبل أن يحتاج مصنعو المعدات الأصلية إلى قضاء 50-60% من وقت تطوير أجهزتهم في التركيز على متطلبات البرامج. إن التطور من التركيز على الميكانيكا إلى التركيز على الواجهة يضع صانعي الآلات الأصغر حجمًا في وضع تنافسي غير مؤات، ولكنه يمكن أيضًا أن يؤدي إلى تكافؤ الفرص أمام الشركات الراغبة في اعتماد برمجيات معيارية وبروتوكولات موحدة ومفتوحة.

إن كيفية تنظيم البرامج يمكن أن توسع أو تحد من ما يمكن للآلة القيام به الآن وفي المستقبل. مثل الأجهزة المعيارية، تعمل البرامج المعيارية على تحسين سرعة وكفاءة بناء الآلة.

على سبيل المثال، لنفترض أنك تقوم بتصميم جهاز وتريد إضافة خطوة إضافية بين مرحلتين. إذا كنت تستخدم برنامجًا معياريًا، فيمكنك ببساطة إضافة مكون دون إعادة البرمجة أو إعادة الترميز. وإذا كان لديك ستة أقسام تفعل نفس الشيء، فيمكنك كتابة التعليمات البرمجية مرة واحدة واستخدامها عبر الأقسام الستة جميعها.

لا يقتصر الأمر على أن التصميم أكثر كفاءة باستخدام البرامج المعيارية، بل إنه يتيح أيضًا للمهندسين تقديم المرونة التي يتوق إليها العملاء. على سبيل المثال، لنفترض أن العميل يريد جهازًا يقوم بتشغيل منتجات بأحجام مختلفة، ويتطلب الحجم الأكبر تغييرًا في كيفية عمل قسم واحد. باستخدام البرامج المعيارية، يمكن للمصممين ببساطة تغيير القسم دون التأثير على بقية وظائف الجهاز. يمكن إجراء هذا التغيير تلقائيًا للسماح لمصنعي المعدات الأصلية، أو حتى العميل، بالتبديل بسرعة بين وظائف الجهاز. لا يوجد شيء لإعادة برمجته لأن الوحدة موجودة بالفعل في الجهاز.

يمكن لمصنعي الآلات تقديم آلة أساسية قياسية بميزات اختيارية لتلبية المتطلبات الفريدة لكل عميل. إن تطوير مجموعة من الوحدات الميكانيكية والكهربائية والبرمجية يجعل من السهل تجميع الآلات القابلة للتكوين بسرعة.

ومع ذلك، للحصول على أقصى قدر من الكفاءة من البرامج المعيارية، فمن الضروري اتباع معايير الصناعة، خاصة إذا كنت تستخدم أكثر من مورد واحد. إذا كان محرك الأقراص ومورد المستشعر لا يتبعان معايير الصناعة، فلن تتمكن هذه المكونات من التحدث مع بعضها البعض وسيتم فقدان جميع كفاءات الوحدات عند معرفة كيفية توصيل الأجزاء.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان عميلك يخطط لتوصيل دفق البيانات بشبكة سحابية، فمن الضروري إنشاء أي برنامج باستخدام بروتوكولات الصناعة القياسية، حتى يتمكن الجهاز من العمل مع الأجهزة الأخرى والتفاعل مع الخدمات السحابية.

تعد OPC UA وMQTT أكثر بنيات البرامج القياسية شيوعًا. يتيح OPC UA الاتصال في الوقت الفعلي تقريبًا بين الأجهزة ووحدات التحكم والسحابة وأجهزة تكنولوجيا المعلومات الأخرى، وربما يكون هو الأقرب إلى البنية التحتية الشاملة للاتصالات التي يمكنك الحصول عليها. MQTT هو بروتوكول مراسلة خفيف الوزن لـ IIoT يمكّن تطبيقين من التحدث مع بعضهما البعض. وغالبًا ما يتم استخدامه في منتج واحد، على سبيل المثال، للسماح لجهاز الاستشعار أو محرك الأقراص بسحب المعلومات من المنتج وإرسالها إلى السحابة.

【الاتصال السحابي】

لا تزال الآلات المترابطة ذات الحلقة المغلقة هي الأغلبية، لكن شعبية المصانع المرتبطة بالكامل بالسحابة تزداد. يمكن لهذا الاتجاه أن يرفع مستوى الصيانة التنبؤية والإنتاج المعتمد على البيانات، وهو التغيير الرئيسي التالي في برامج المصنع؛ يبدأ بالاتصال عن بعد.

تقوم المصانع المتصلة بالشبكة السحابية بتحليل البيانات من عمليات مختلفة وخطوط إنتاج مختلفة والمزيد لإنشاء تمثيلات أكثر اكتمالاً لعملية الإنتاج. يتيح لهم ذلك مقارنة فعالية المعدات الإجمالية (OEE) لمرافق الإنتاج المختلفة. تعمل شركات تصنيع المعدات الأصلية المتطورة مع شركاء أتمتة موثوقين لتقديم أجهزة جاهزة للسحابة مع إمكانات Industry 4.0 المعيارية التي يمكنها إرسال البيانات التي يحتاجها المستخدمون النهائيون.

بالنسبة لمصنعي الآلات، فإن استخدام أتمتة التحكم في الحركة واتباع نهج شامل للعملية الشاملة لجعل مصانع العملاء أو الشركات أكثر كفاءة سيؤدي بالتأكيد إلى كسب المزيد من الأعمال.