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

سواءً كان المصممون يُحسّنون آلةً مُركّزة على الحركة أو يُطوّرون آلةً جديدة، فمن الضروري أن يبدأوا بالتفكير في التحكّم في الحركة. بعد ذلك، يُمكنهم تطوير التصميم بما يُناسب أفضل السبل لتحقيق أتمتة فعّالة وكفؤة.

ينبغي تصميم وبناء الآلات القائمة على الحركة بناءً على وظائفها الأساسية. على سبيل المثال، بالنسبة لآلة طباعة تعتمد على مجموعة محددة من تطبيقات اللف، يُركز المصممون على الأجزاء الأساسية، ويُطورون بقية الآلة لدعم وظائفها الأساسية.

يبدو هذا أشبه بأساسيات هندسة التصميم، ولكن مع ضغوط الوقت اللازم لطرح المنتج في السوق، وانعزال الفرق تقليديًا إلى أقسام الميكانيكا والكهرباء والبرمجيات، من السهل أن يعود التصميم إلى عملية خطية إلى حد كبير. مع ذلك، يتطلب التصميم مع مراعاة التحكم في الحركة نهجًا ميكاترونيًا يشمل تطوير المفاهيم الأولية، وتحديد طوبولوجيا النظام ونهج الآلة، واختيار واجهة الاتصال وبنية البرمجيات.

فيما يلي بعض الجوانب الأساسية للمحركات ومحركات الأقراص وأجهزة التحكم والبرمجيات التي يجب على المهندسين مراعاتها منذ بداية كل مشروع تصميم آلة لتقليل عدم الكفاءة والأخطاء والتكلفة مع تمكين الشركات المصنعة للمعدات الأصلية من حل مشاكل العملاء في وقت أقل.

【عملية التصميم】

عادةً ما يُركز المهندسون على كيفية نقل الأجزاء ومكانها، خاصةً عند تطوير الآلات المبتكرة. ورغم أن عمليات البناء المبتكرة تستهلك وقتًا أطول بكثير، إلا أنها غالبًا ما تُحقق أعلى عائد استثمار، خاصةً إذا استفادت الفرق من أحدث ما توصلت إليه الهندسة الافتراضية والتصميمات المعيارية.

الخطوة الأولى عند تطوير آلة من الصفر هي السؤال: ما هي الوظائف الأساسية لهذه الآلة؟ قد تكون صنع آلة سهلة التنظيف، أو قليلة الصيانة، أو عالية الدقة. حدد التقنية التي ستوفر الوظيفة أو الأداء أو مستوى الصيانة المطلوب.

كلما زادت تعقيدات المشكلة المطلوب حلها، زادت صعوبة تحديد الوظائف الأكثر أهمية. فكّر في التعاون مع مورد أتمتة مُركّز على الحركة، والذي يُمكنه المساعدة في تحديد التفاصيل المهمة وتحديد النهج المُناسب.

ثم اسأل: ما هي الوظائف القياسية للآلة؟ بالاستمرار على مثال آلة الطباعة السابق، فإن أدوات التحكم في الشد والمستشعر المستخدمة لفكّ المادة المطبوعة قياسية إلى حدٍّ ما. في الواقع، حوالي 80% من مهام الآلة الجديدة هي تنويعات على مهام الآلات القديمة.

إن استخدام الأجهزة المعيارية وبرمجة الكود لتلبية المتطلبات الهندسية للوظائف القياسية يُقلل بشكل كبير من موارد التصميم اللازمة لإنجاز المشروع. كما أنه يستخدم وظائف مُجرّبة مع مرور الوقت، مما يزيد من الموثوقية ويُتيح لك التركيز على أجزاء أكثر تعقيدًا من التصميم.

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

في أي مشروع تصميم نموذجي، يُنشئ مهندسو الميكانيكا هيكل الآلة ومكوناتها الميكانيكية؛ ويُضيف مهندسو الكهرباء المكونات الإلكترونية، بما في ذلك المحركات والأسلاك وأجهزة التحكم؛ ثم يُكتب مهندسو البرمجيات الكود. في كل مرة يُكتشف فيها خطأ أو مشكلة، يتعين على فريق المشروع الرجوع إلى المسار الصحيح وتصحيحها. يُهدر الكثير من الوقت والجهد في عملية التصميم لإعادة تصميمها بناءً على التغييرات أو الأخطاء. لحسن الحظ، أصبح تصميم الميكانيكا باستخدام برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) والتخطيط والتصميم المنفصلين شيئًا من الماضي تقريبًا.

اليوم، تتيح الهندسة الافتراضية للفرق تصميم آلية عمل الآلات باستخدام مسارات متوازية متعددة، مما يُختصر بشكل كبير دورة التطوير ووقت طرح المنتج في السوق. من خلال إنشاء توأم رقمي (تمثيل افتراضي للآلة)، يمكن لكل قسم العمل بشكل مستقل وتطوير الأجزاء وعناصر التحكم بالتزامن مع بقية الفريق.

يتيح التوأم الرقمي للمهندسين اختبار تصاميم مختلفة للآلة وتقنياتها بسرعة. على سبيل المثال، قد تتطلب إحدى العمليات تغذية المواد في وحدة تغذية الآلة حتى يتم جمع الكمية المطلوبة، ثم يتم قطع المادة؛ هذا يعني ضرورة إيجاد طريقة لإيقاف التغذية عند الحاجة إلى قطع المادة. هناك عدة طرق للتعامل مع هذا التحدي، وقد تؤثر جميعها على كيفية تشغيل الآلة ككل. يُعدّ تجربة حلول مختلفة أو نقل المكونات لمعرفة تأثيرها على العمليات أمرًا بسيطًا مع التوأم الرقمي، ويؤدي إلى إنشاء نماذج أولية أكثر كفاءة (وأقل استهلاكًا).

تتيح الهندسة الافتراضية لجميع فرق التصميم رؤية كيفية عمل الآلة بأكملها ومفاهيمها المتداخلة معًا للوصول إلى هدف أو أهداف معينة.

【اختيار الطوبولوجيا】

التصاميم المعقدة ذات الوظائف المتعددة، وأكثر من محور حركة، وحركة متعددة الأبعاد، وسرعة الإنتاج والإنتاجية، تجعل طوبولوجيا النظام معقدة بنفس القدر. يعتمد الاختيار بين الأتمتة المركزية القائمة على وحدة التحكم أو الأتمتة اللامركزية القائمة على محرك الأقراص على الآلة المُصممة. يؤثر أداء الآلة، سواءً وظائفها الكلية أو المحلية، على اختيارك للطوبولوجيا المركزية أو اللامركزية. كما تؤثر مساحة الخزانة، وحجم الآلة، والظروف المحيطة، وحتى مدة التركيب، على هذا القرار.

الأتمتة المركزية. أفضل طريقة للتحكم المنسق في حركة الآلات المعقدة هي الأتمتة القائمة على وحدات التحكم. عادةً ما تُرسَل أوامر التحكم في الحركة إلى محولات سيرفو محددة عبر ناقل حركة آني قياسي مثل EtherCAT، وتُشغّل المحولات جميع المحركات.

باستخدام الأتمتة القائمة على وحدة تحكم، يمكن تنسيق عدة محاور حركة لأداء مهمة معقدة. يُفضّل أن تكون الحركة محور الآلة، وأن تكون جميع أجزائها متزامنة. على سبيل المثال، إذا كان من الضروري أن يكون كل محور حركة في مكان محدد لوضع ذراع الروبوت في موضعه الصحيح، فمن المرجح أن تختار الأتمتة القائمة على وحدة تحكم.

الأتمتة اللامركزية. مع الآلات ووحداتها المدمجة، يُقلل التحكم اللامركزي في الحركة أو يُلغي الحمل على أدوات التحكم. بدلاً من ذلك، تتولى محركات العاكس الأصغر مسؤوليات التحكم اللامركزي، ويُقيّم نظام الإدخال/الإخراج إشارات التحكم، ويُشكّل ناقل اتصالات مثل EtherCAT شبكة متكاملة.

تُعد الأتمتة اللامركزية مثالية عندما يتولى جزء من الآلة مسؤولية إنجاز مهمة ما دون الحاجة إلى إرسال تقارير دورية إلى وحدة التحكم المركزية. بل يعمل كل جزء من الآلة بسرعة وبشكل مستقل، ولا يُرسل تقاريره إلا بعد إتمام مهمته. ولأن كل جهاز يتعامل مع حمله الخاص في هذا الترتيب، يمكن للآلة بأكملها الاستفادة من قوة معالجة موزعة بشكل أكبر.

التحكم المركزي واللامركزي. على الرغم من أن الأتمتة المركزية توفر التنسيق، بينما توفر اللامركزية قوة معالجة موزعة أكثر كفاءة، إلا أن الجمع بينهما يكون أحيانًا الخيار الأمثل. يعتمد القرار النهائي على المتطلبات الشاملة، بما في ذلك الأهداف المتعلقة بـ: التكلفة/القيمة، والإنتاجية، والكفاءة، والموثوقية بمرور الوقت، ومواصفات السلامة.

كلما كان المشروع أكثر تعقيدًا، زادت أهمية وجود شريك هندسي متخصص في التحكم بالحركة لتقديم المشورة بشأن مختلف جوانبه. عندما يقدم مُصنّع الآلات الرؤية، ويقدم شريك الأتمتة الأدوات اللازمة، عندها ستحصل على أفضل الحلول.

【شبكات الآلات】

يُعدّ إنشاء اتصال متبادل سلس ومُستدام خطوةً أساسيةً في التصميم مع مراعاة التحكم في الحركة. يُعدّ بروتوكول الاتصال بنفس أهمية مواقع المحركات ومحركات الأقراص، إذ لا يقتصر الأمر على وظيفة المكونات فحسب، بل يتعلق أيضًا بكيفية ربطها.

يُقلل التصميم الجيد عدد الأسلاك والمسافة التي يجب أن تقطعها. على سبيل المثال، يُمكن استبدال مجموعة من 10 إلى 15 سلكًا مُتصلة بجهاز طرفي بعيد بكابل إيثرنت باستخدام بروتوكول اتصال صناعي مثل EtherCAT. ليس الإيثرنت الخيار الوحيد، ولكن أيًا كان الخيار الذي تستخدمه، تأكد من امتلاكك لأدوات أو ناقلات الاتصال المناسبة، لتتمكن من استخدام البروتوكولات الشائعة. اختيار ناقل اتصال جيد ووضع خطة لكيفية توزيع كل شيء يُسهّلان عمليات التوسع المستقبلية بشكل كبير.

ركّز على بناء تصميم جيد داخل الخزانة منذ البداية. على سبيل المثال، لا تضع مصادر الطاقة بالقرب من المكونات الإلكترونية التي قد تتأثر بالتداخل المغناطيسي. فالمكونات ذات التيارات أو الترددات العالية قد تُولّد ضوضاء كهربائية في الأسلاك. لذا، أبقِ المكونات عالية الجهد بعيدًا عن المكونات منخفضة الجهد لضمان أفضل أداء. بالإضافة إلى ذلك، تأكد من أن شبكتك تتمتع بتصنيف أمان. إذا لم يكن كذلك، فستحتاج على الأرجح إلى توصيلات أمان احتياطية سلكية ثابتة، بحيث إذا تعطل أحد المكونات، فإنه يكتشف عطله ويستجيب تلقائيًا.

مع تزايد انتشار إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، فكّر في إضافة وظائف متقدمة قد لا تكون أنت أو عملاؤك جاهزين لاستخدامها. فدمج هذه الإمكانيات في الجهاز يُسهّل ترقيته لاحقًا.

【برمجة】

وفقًا لتقديرات القطاع، لن يمر وقت طويل قبل أن يُضطر مُصنّعو المعدات الأصلية (OEMs) إلى تخصيص 50-60% من وقت تطوير أجهزتهم للتركيز على متطلبات البرمجيات. إن التحول من التركيز على الميكانيكا إلى التركيز على الواجهة يضع مُصنّعي الآلات الأصغر حجمًا في وضع تنافسي غير مُواتٍ، ولكنه قد يُتيح أيضًا تكافؤ الفرص للشركات الراغبة في اعتماد برمجيات معيارية وبروتوكولات مفتوحة وموحدة.

يمكن لكيفية تنظيم البرمجيات أن تُوسّع أو تُحدّ من قدرات الآلة الآن وفي المستقبل. وكما هو الحال مع الأجهزة المعيارية، تُحسّن البرمجيات المعيارية سرعة وكفاءة بناء الآلات.

على سبيل المثال، لنفترض أنك تُصمّم جهازًا وتريد إضافة خطوة إضافية بين مرحلتين. إذا كنت تستخدم برنامجًا معياريًا، يمكنك ببساطة إضافة مُكوّن دون الحاجة إلى إعادة برمجة أو ترميز. وإذا كان لديك ستة أقسام تؤدي جميعها نفس الوظيفة، فيمكنك كتابة الكود مرة واحدة واستخدامه في جميع الأقسام الستة.

لا يقتصر الأمر على زيادة كفاءة التصميم باستخدام البرامج المعيارية، بل يتيح أيضًا للمهندسين توفير المرونة التي يتطلع إليها العملاء. على سبيل المثال، لنفترض أن العميل يرغب في آلة تُشغّل منتجات بأحجام مختلفة، ويتطلب الحجم الأكبر تغييرًا في كيفية عمل أحد أقسامها. باستخدام البرامج المعيارية، يمكن للمصممين ببساطة تغيير القسم دون التأثير على بقية وظائف الآلة. يمكن أتمتة هذا التغيير لتمكين مُصنّع المعدات الأصلية، أو حتى العميل، من التبديل بسرعة بين وظائف الآلة. لا حاجة لإعادة برمجة أي شيء لأن الوحدة موجودة بالفعل في الآلة.

يمكن لمُصنّعي الآلات توفير آلة أساسية قياسية بميزات اختيارية لتلبية المتطلبات الفريدة لكل عميل. يُسهّل تطوير مجموعة من الوحدات الميكانيكية والكهربائية والبرمجية تجميع الآلات القابلة للتخصيص بسرعة.

لتحقيق أقصى كفاءة من البرامج المعيارية، من الضروري اتباع معايير الصناعة، خاصةً إذا كنت تستخدم أكثر من مورد. إذا لم يلتزم مورد محركات الأقراص وأجهزة الاستشعار بمعايير الصناعة، فلن تتمكن هذه المكونات من التواصل مع بعضها البعض، وستضيع جميع فوائد الوحدات المعيارية في محاولة إيجاد طريقة لتوصيل الأجزاء.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان عميلك يخطط لتوصيل تدفق البيانات بشبكة سحابية، فمن الضروري إنشاء أي برنامج باستخدام بروتوكولات قياسية في الصناعة، حتى يتمكن الجهاز من العمل مع أجهزة أخرى والتفاعل مع الخدمات السحابية.

يُعدّ OPC UA وMQTT أكثر بنيات البرمجيات القياسية شيوعًا. يُتيح OPC UA اتصالًا شبه فوري بين الأجهزة ووحدات التحكم والسحابة الإلكترونية وأجهزة تكنولوجيا المعلومات الأخرى، وهو على الأرجح أقرب ما يُمكنك الحصول عليه إلى بنية تحتية شاملة للاتصالات. أما MQTT فهو بروتوكول مراسلة إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) أخف وزنًا، يُمكّن تطبيقين من التواصل مع بعضهما البعض. ويُستخدم غالبًا في منتج واحد، حيث يسمح، على سبيل المثال، لجهاز استشعار أو محرك أقراص بسحب المعلومات من المنتج وإرسالها إلى السحابة.

【الاتصال السحابي】

لا تزال الآلات المترابطة ذات الحلقة المغلقة هي السائدة، إلا أن المصانع المتصلة بالكامل بشبكة السحابة تشهد شعبية متزايدة. قد يرفع هذا التوجه مستوى الصيانة التنبؤية والإنتاج القائم على البيانات، وهو التغيير الرئيسي التالي في برمجيات المصانع؛ يبدأ بالاتصال عن بُعد.

تُحلل المصانع المُتصلة بشبكات سحابية البيانات من عمليات وخطوط إنتاج مُختلفة وغيرها لإنشاء تمثيلات أكثر شمولاً لعملية الإنتاج. يُتيح ذلك مُقارنة الكفاءة الإجمالية للمعدات (OEE) لمختلف منشآت الإنتاج. تتعاون شركات تصنيع المعدات الأصلية (OEM) المتطورة مع شركاء أتمتة موثوقين لتوفير آلات مُجهزة للسحابة مُزودة بإمكانيات صناعية معيارية 4.0، تُمكّنها من إرسال البيانات التي يحتاجها المستخدمون النهائيون.

بالنسبة لمصنعي الآلات، فإن استخدام أتمتة التحكم في الحركة واتباع نهج شامل للعملية الكاملة لجعل مصانع العملاء أو شركاتهم أكثر كفاءة من شأنه بالتأكيد أن يؤدي إلى الفوز بمزيد من الأعمال.