Tutto ciò che gli OEM e gli ingegneri progettisti devono sapere su motori, azionamenti e controller.

Che i progettisti stiano migliorando una macchina incentrata sul movimento o costruendone una nuova, è essenziale che partano dal controllo del movimento. In questo modo, possono sviluppare il progetto in base al modo migliore per ottenere un'automazione efficace ed efficiente.

Le macchine basate sul movimento dovrebbero essere progettate e costruite attorno alle loro funzioni principali. Ad esempio, per una macchina da stampa che si basa su una serie specifica di applicazioni di avvolgimento, i progettisti si concentrerebbero sulle parti critiche e svilupperebbero il resto della macchina a supporto delle funzioni principali.

Sembra un corso base di ingegneria progettuale, ma con le pressioni del time-to-market e i team tradizionalmente isolati in reparti meccanici, elettrici e software, è facile che la progettazione torni a un processo prevalentemente lineare. Progettare tenendo conto del controllo del movimento, tuttavia, richiede un approccio meccatronico che includa lo sviluppo dei concept iniziali, la definizione della topologia del sistema e dell'approccio alla macchina, e la selezione dell'interfaccia di connessione e dell'architettura software.

Ecco alcuni aspetti essenziali di motori, azionamenti, controller e software che gli ingegneri dovrebbero prendere in considerazione fin dall'inizio di ogni progetto di progettazione di una macchina, per ridurre inefficienze, errori e costi, consentendo al contempo agli OEM di risolvere i problemi dei clienti in tempi più rapidi.

【Il processo di progettazione】

Come e dove si muovono i componenti è in genere ciò su cui gli ingegneri concentrano la maggior parte del loro lavoro ingegneristico, soprattutto quando sviluppano macchine innovative. Sebbene le costruzioni innovative siano di gran lunga le più dispendiose in termini di tempo, spesso offrono il ROI più elevato, soprattutto se i team si avvalgono delle più recenti tecnologie di ingegneria virtuale e di progettazione modulare.

Il primo passo nello sviluppo di una macchina da zero è chiedersi: quali sono le funzioni critiche di questa macchina? Potrebbe essere realizzare una macchina facile da pulire, che richieda poca manutenzione o che sia estremamente precisa. Identificare la tecnologia che fornirà la funzionalità, le prestazioni o il livello di manutenzione richiesti.

Più complesso è il problema da risolvere, più difficile sarà determinarne le funzioni più vitali. Valutate la possibilità di collaborare con un fornitore di automazione incentrato sul movimento che possa aiutarvi a definire i dettagli critici e a determinare l'approccio più appropriato.

Poi chiediti: quali sono le funzioni standard della macchina? Rimanendo nell'esempio precedente della macchina da stampa, i controlli di tensione e i sensori utilizzati per svolgere il materiale da stampare sono piuttosto standard. Infatti, circa l'80% delle funzioni di una nuova macchina sono varianti di quelle delle macchine precedenti.

L'utilizzo di hardware modulare e di programmazione di codice per gestire i requisiti ingegneristici delle funzioni standard riduce significativamente la quantità di risorse di progettazione necessarie per completare il progetto. Utilizza inoltre funzioni collaudate, aumentando così l'affidabilità e consentendo di concentrarsi sulle parti più complesse del progetto.

Collaborando con un partner di controllo del movimento in grado di fornire funzioni standard con hardware e software modulari, potrai concentrarti sulle funzionalità a valore aggiunto che distinguono il tuo prodotto da quello della concorrenza.

In un tipico progetto di progettazione, gli ingegneri meccanici costruiscono la struttura della macchina e i suoi componenti meccanici; gli ingegneri elettrici aggiungono l'elettronica, inclusi azionamenti, cablaggi e controlli; e infine gli ingegneri del software scrivono il codice. Ogni volta che si verifica un errore o un problema, il team di progetto deve tornare sui propri passi e correggerlo. Moltissimo tempo ed energie nel processo di progettazione vengono spese per rifare il progetto sulla base di modifiche o errori. Fortunatamente, la progettazione meccanica con software CAD e la pianificazione e progettazione isolate appartengono ormai al passato.

Oggi, l'ingegneria virtuale consente ai team di progettare il funzionamento delle macchine utilizzando diversi percorsi paralleli, riducendo così drasticamente il ciclo di sviluppo e il time-to-market. Creando un gemello digitale (una rappresentazione virtuale della macchina), ogni reparto può lavorare in autonomia e sviluppare componenti e controlli contemporaneamente al resto del team.

Un gemello digitale consente agli ingegneri di testare rapidamente diversi progetti di una macchina, nonché le relative tecnologie. Ad esempio, un processo potrebbe richiedere che il materiale venga immesso in un alimentatore fino a quando non viene raccolta la quantità desiderata e poi il materiale viene tagliato; ciò significa che è necessario trovare un modo per interrompere l'alimentazione ogni volta che il materiale deve essere tagliato. Esistono diversi modi per gestire questa sfida, e tutti possono influire sul funzionamento complessivo della macchina. Provare diverse soluzioni o riposizionare i componenti per vedere come ciò influisce sulle operazioni è semplice con un gemello digitale e porta a una prototipazione più efficiente (e meno).

L'ingegneria virtuale consente a tutti i team di progettazione di vedere come l'intera macchina e i suoi concetti sovrapposti interagiscono per raggiungere uno o più obiettivi specifici.

【Selezione della topologia】

Progetti complessi con diverse funzioni, più di un asse di movimento e movimento multidimensionale, nonché output e throughput più rapidi rendono la topologia del sistema altrettanto complessa. La scelta tra un'automazione centralizzata basata su controller o un'automazione decentralizzata basata su azionamenti dipende dalla macchina in fase di progettazione. Le funzioni della macchina, sia generali che locali, influenzano la scelta tra topologia centralizzata o decentralizzata. Anche lo spazio disponibile nel cabinet, le dimensioni della macchina, le condizioni ambientali e persino i tempi di installazione influiscono su questa decisione.

Automazione centralizzata. Il modo migliore per ottenere un controllo del movimento coordinato per macchine complesse è l'automazione basata su controller. I comandi di controllo del movimento vengono solitamente inoltrati a specifici servoinverter tramite un bus standardizzato in tempo reale come EtherCAT, e gli inverter azionano tutti i motori.

Con l'automazione basata su controller, è possibile coordinare diversi assi di movimento per eseguire un'attività complessa. Questa topologia è ideale se il movimento è il cuore della macchina e tutte le parti devono essere sincronizzate. Ad esempio, se è fondamentale che ogni asse di movimento si trovi in ​​una posizione specifica per posizionare correttamente un braccio robotico, è probabile che si scelga l'automazione basata su controller.

Automazione decentralizzata. Con macchine e moduli macchina più compatti, il controllo del movimento decentralizzato riduce o elimina il carico sui controlli macchina. Invece, inverter più piccoli assumono responsabilità di controllo decentralizzato, un sistema I/O valuta i segnali di controllo e un bus di comunicazione come EtherCAT forma una rete end-to-end.

L'automazione decentralizzata è ideale quando una parte della macchina può assumersi la responsabilità del completamento di un'attività e non deve costantemente inviare un report al controllo centrale. Al contrario, ogni parte della macchina esegue le operazioni in modo rapido e indipendente, inviando un report solo al completamento della propria attività. Poiché ogni dispositivo gestisce il proprio carico in questa configurazione, l'intera macchina può sfruttare una maggiore potenza di elaborazione distribuita.

Controllo centralizzato e decentralizzato. Sebbene l'automazione centralizzata fornisca coordinamento e quella decentralizzata fornisca una potenza di elaborazione distribuita più efficiente, a volte la scelta migliore è una combinazione di entrambe. La decisione finale dipende dai requisiti generali, inclusi gli obiettivi relativi a: costo/valore, produttività, efficienza, affidabilità nel tempo e specifiche di sicurezza.

Più complesso è il progetto, più importante è avere un partner di ingegneria del motion control in grado di fornire consulenza sui diversi aspetti. Quando il costruttore di macchine porta la visione e il partner di automazione porta gli strumenti, è allora che si ottiene la soluzione migliore.

【Rete di macchine】

Stabilire un'interconnettività pulita e a prova di futuro è un passaggio fondamentale nella progettazione di sistemi di controllo del movimento. Il protocollo di comunicazione è essenziale tanto quanto la posizione di motori e azionamenti, perché non si tratta solo di cosa fanno i componenti, ma anche di come si collegano il tutto.

Una buona progettazione riduce il numero di cavi e la distanza che devono percorrere. Ad esempio, un set di 10-15 cavi che va a un terminale remoto potrebbe essere sostituito con un cavo Ethernet che utilizza un protocollo di comunicazione industriale come EtherCAT. Ethernet non è l'unica scelta, ma qualunque sia la scelta, assicuratevi di disporre degli strumenti o bus di comunicazione adeguati, in modo da poter utilizzare protocolli comuni. Scegliere un buon bus di comunicazione e pianificare la disposizione di tutto semplifica notevolmente le espansioni future.

Concentratevi fin dall'inizio sulla progettazione ottimale dell'interno del cabinet. Ad esempio, non posizionate gli alimentatori vicino a componenti elettronici che potrebbero essere influenzati da interferenze magnetiche. I componenti con correnti o frequenze elevate possono generare disturbi elettrici nei cavi. Pertanto, tenete i componenti ad alta tensione lontani da quelli a bassa tensione per un funzionamento ottimale. Inoltre, verificate che la vostra rete sia classificata come sicura. In caso contrario, probabilmente avrete bisogno di connessioni di sicurezza ridondanti cablate, in modo che, in caso di guasto di un componente, rilevi il proprio guasto e reagisca.

Con l'affermarsi dell'Internet of Things industriale (IIoT), valuta la possibilità di aggiungere funzionalità avanzate che tu o i tuoi clienti potreste non essere ancora pronti a utilizzare. Integrare le funzionalità nella macchina significa che sarà più facile aggiornarla in seguito.

【Software】

Secondo le stime del settore, non passerà molto tempo prima che gli OEM debbano dedicare il 50-60% del tempo di sviluppo delle loro macchine ai requisiti software. L'evoluzione da un focus sulla meccanica a uno sull'interfaccia pone i costruttori di macchine più piccoli in una posizione di svantaggio competitivo, ma può anche livellare il campo di gioco per le aziende disposte ad adottare software modulare e protocolli standardizzati e aperti.

Il modo in cui il software è organizzato può ampliare o limitare le capacità di una macchina, sia ora che in futuro. Come l'hardware modulare, il software modulare migliora la velocità e l'efficienza della costruzione delle macchine.

Ad esempio, supponiamo che tu stia progettando una macchina e voglia aggiungere un passaggio aggiuntivo tra due fasi. Se utilizzi un software modulare, puoi semplicemente aggiungere un componente senza riprogrammarlo o ricodificarlo. E, se hai sei sezioni che svolgono tutte la stessa funzione, puoi scrivere il codice una sola volta e utilizzarlo in tutte e sei le sezioni.

Con il software modulare, la progettazione non solo diventa più efficiente, ma consente anche agli ingegneri di offrire la flessibilità desiderata dai clienti. Ad esempio, supponiamo che il cliente desideri una macchina che gestisca prodotti di dimensioni diverse e che la dimensione maggiore richieda una modifica al funzionamento di una sezione. Con il software modulare, i progettisti possono semplicemente modificare la sezione senza influire sulle altre funzioni della macchina. Questa modifica potrebbe essere automatizzata per consentire all'OEM, o persino al cliente, di passare rapidamente da una funzione all'altra della macchina. Non c'è nulla da riprogrammare perché il modulo è già integrato nella macchina.

I costruttori di macchine possono offrire una macchina base standard con funzionalità opzionali per soddisfare le esigenze specifiche di ciascun cliente. Lo sviluppo di un portfolio di moduli meccanici, elettrici e software semplifica l'assemblaggio rapido di macchine configurabili.

Per ottenere la massima efficienza dal software modulare, tuttavia, è essenziale seguire gli standard di settore, soprattutto se si utilizza più di un fornitore. Se il fornitore di azionamenti e sensori non segue gli standard di settore, i componenti non possono comunicare tra loro e tutte le efficienze di modularità vengono perse nel tentativo di capire come collegare i componenti.

Inoltre, se il cliente prevede di connettere il flusso di dati a una rete cloud, è essenziale che tutto il software venga creato utilizzando protocolli standard del settore, in modo che la macchina possa funzionare con altre macchine e interfacciarsi con i servizi cloud.

OPC UA e MQTT sono le architetture software standard più diffuse. OPC UA consente la comunicazione quasi in tempo reale tra macchine, controller, cloud e altri dispositivi IT, ed è probabilmente il protocollo più vicino a un'infrastruttura di comunicazione olistica. MQTT è un protocollo di messaggistica IIoT più leggero che consente a due applicazioni di comunicare tra loro. Viene spesso utilizzato in un singolo prodotto, consentendo, ad esempio, a un sensore o a un'unità di estrarre informazioni da un prodotto e inviarle al cloud.

【Connettività cloud】

Le macchine interconnesse e a circuito chiuso sono ancora la maggioranza, ma le fabbriche completamente connesse al cloud stanno diventando sempre più popolari. Questa tendenza potrebbe aumentare il livello di manutenzione predittiva e di produzione basata sui dati e rappresenta il prossimo grande cambiamento nel software di fabbrica; a partire dalla connettività remota.

Gli impianti in rete cloud analizzano i dati provenienti da diversi processi, diverse linee di produzione e altro ancora per creare rappresentazioni più complete del processo produttivo. Questo consente loro di confrontare l'efficacia complessiva delle apparecchiature (OEE) di diversi impianti di produzione. Gli OEM all'avanguardia collaborano con partner di automazione affidabili per offrire macchine pronte per il cloud con funzionalità modulari per l'Industria 4.0 in grado di inviare i dati di cui gli utenti finali hanno bisogno.

Per i costruttori di macchine, l'impiego dell'automazione del controllo del movimento e l'adozione di un approccio olistico e di processo complessivo per rendere più efficienti gli stabilimenti o le aziende dei clienti garantiranno sicuramente più commesse.