Ciò che gli OEM e i progettisti devono sapere su motori, azionamenti e controller.

Sia che i progettisti stiano migliorando una macchina incentrata sul movimento o costruendone una nuova, è essenziale che inizino tenendo presente il controllo del movimento. Quindi possono sviluppare la progettazione sul modo migliore per ottenere un'automazione efficace ed efficiente.

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

Sembra Design Engineering 101, ma con le pressioni del time-to-market e i team tradizionalmente isolati nei reparti meccanici, elettrici e software, è facile che la progettazione ritorni a un processo ampiamente lineare. Progettare tenendo presente il controllo del movimento, tuttavia, richiede un approccio meccatronico che includa lo sviluppo dei concetti iniziali, la determinazione della topologia del sistema e dell'approccio della macchina, nonché la selezione dell'interfaccia di connessione e dell'architettura software.

Ecco alcuni aspetti essenziali di motori, azionamenti, controller e software che gli ingegneri dovrebbero considerare fin dall'inizio di ogni progetto di progettazione di macchine per ridurre inefficienze, errori e costi consentendo al tempo stesso agli OEM di risolvere i problemi dei clienti in meno tempo.

【Il processo di progettazione】

Il modo e il luogo in cui si muovono le parti è in genere il luogo in cui gli ingegneri dedicano la maggior parte del loro impegno ingegneristico, soprattutto quando sviluppano macchine innovative. Sebbene le build innovative richiedano di gran lunga più tempo, spesso offrono il ROI maggiore, soprattutto se i team utilizzano le ultime novità in termini di ingegneria virtuale e progettazione modulare.

Il primo passo quando si sviluppa una macchina da zero è chiedersi: quali sono le funzioni critiche di questa macchina? Potrebbe essere quello di realizzare una macchina facile da pulire, che richieda poca manutenzione o altamente precisa. Identificare la tecnologia che fornirà la funzione, le prestazioni o il livello di manutenzione richiesti.

Quanto più complesso è il problema da risolvere, tanto più difficile sarà determinare le funzioni più vitali. Valuta la possibilità di collaborare con un fornitore di automazione incentrato sul movimento che possa aiutarti a definire i dettagli critici e determinare l'approccio giusto.

Poi chiediti: quali sono le funzioni standard della macchina? Restando con l’esempio precedente della macchina da stampa, i controlli della tensione e dei sensori utilizzati per svolgere il materiale su cui stampare sono abbastanza standard. Infatti, circa l'80% dei compiti di una nuova macchina sono variazioni dei compiti delle macchine precedenti.

L'utilizzo di hardware modulare e programmazione del codice per gestire i requisiti tecnici per le funzioni standard riduce significativamente la quantità di risorse di progettazione necessarie per completare il progetto. Utilizza inoltre funzioni collaudate nel tempo, aumentando così l'affidabilità e consentendoti di concentrarti su parti più complesse del progetto.

Lavorare con un partner per il controllo del movimento in grado di fornire funzioni standard con hardware e software modulari significa che puoi concentrarti sulle caratteristiche 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, cavi e controlli; e poi 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. Nel processo di progettazione vengono spesi così tanto tempo ed energia per rifare il progetto in base a modifiche o errori. Fortunatamente, la progettazione meccanica con software CAD e la pianificazione e progettazione a compartimenti stagni appartengono quasi 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 modo autonomo e sviluppare parti e controlli contemporaneamente al resto del team.

Un gemello digitale consente agli ingegneri di testare rapidamente vari progetti per una macchina e le tecnologie della macchina. Ad esempio, forse un processo richiede che il materiale venga alimentato in una macchina fino a quando non viene raccolta la quantità desiderata e quindi il materiale viene tagliato; ciò significa che devi trovare un modo per arrestare l'avanzamento ogni volta che il materiale deve essere tagliato. Esistono diversi modi per gestire questa sfida e tutti possono influenzare il funzionamento della macchina nel suo complesso. Provare diversi rimedi o riposizionare i componenti per vedere come 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 lavorano insieme per raggiungere uno o più obiettivi particolari.

【Selezione della topologia】

Progetti complessi con diverse funzioni, più di un asse di movimento e movimento multidimensionale e output e throughput più rapidi rendono la topologia del sistema altrettanto complicata. La scelta tra automazione centralizzata, basata su controller o automazione decentralizzata, basata su azionamenti dipende dalla macchina progettata. Ciò che fa la macchina, sia le sue funzioni generali che quelle locali, influisce sulla scelta della topologia centralizzata o decentralizzata. Anche lo spazio nell'armadio, le dimensioni della macchina, le condizioni ambientali e persino il tempo di installazione influiscono su questa decisione.

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

Con l'automazione basata su controller, è possibile coordinare diversi assi di movimento per eseguire un compito complesso. È una topologia ideale se il movimento è il cuore della macchina e tutte le parti devono essere sincronizzate. Ad esempio, se è fondamentale che ciascun asse di movimento si trovi in ​​un luogo specifico per posizionare correttamente un braccio robotico, probabilmente sceglierai 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 della macchina. Invece, gli azionamenti inverter più piccoli assumono responsabilità di controllo decentralizzate, 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 riferire costantemente al controllo centrale. Invece, ciascuna parte della macchina funziona in modo rapido e indipendente, segnalando solo una volta completata la sua attività. Poiché ogni dispositivo gestisce il proprio carico in tale disposizione, la macchina nel suo complesso può trarre vantaggio da una potenza di elaborazione più distribuita.

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

Quanto più complesso è il progetto, tanto più importante è avere un partner di ingegneria del controllo del movimento che possa fornire consulenza sui diversi aspetti. Quando il costruttore di macchine porta la visione e il partner per l'automazione porta gli strumenti, è allora che ottieni la soluzione migliore.

【Rete di macchine】

Stabilire un’interconnettività pulita e a prova di futuro è anche un passo fondamentale nella progettazione tenendo presente il controllo del movimento. Il protocollo di comunicazione è essenziale quanto la posizione dei motori e degli azionamenti perché non conta solo ciò che fanno i componenti, ma anche il modo in cui li colleghi.

Una buona progettazione riduce il numero di cavi e la distanza che devono percorrere. Ad esempio, un set di 10-15 fili diretti a un terminale remoto potrebbe essere sostituito con un cavo Ethernet utilizzando un protocollo di comunicazione industriale come EtherCAT. Ethernet non è l'unica scelta, ma qualunque sia quella che usi, assicurati di avere gli strumenti o i bus di comunicazione giusti, in modo da poter utilizzare protocolli comuni. Scegliere un buon bus di comunicazione e avere un piano su come sarà strutturato tutto rende le espansioni future molto più semplici.

Concentrati sulla costruzione di un buon design all'interno del mobile fin dall'inizio. Ad esempio, non posizionare 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, per un funzionamento ottimale, tenere i componenti ad alta tensione lontani dai componenti a bassa tensione. Inoltre, scopri se la tua rete è classificata come sicura. In caso contrario, probabilmente avrai bisogno di connessioni di sicurezza ridondanti cablate, quindi se una parte si guasta, rileva il proprio guasto e reagisce.

Con l'avvento dell'Industrial Internet of Things (IIoT), prendi in considerazione l'aggiunta di funzioni avanzate che tu o i tuoi clienti potreste non essere pronti a utilizzare. Integrare le funzionalità nella macchina significa che sarà più semplice aggiornarla in un secondo momento.

【Software】

Secondo le stime del settore, non passerà molto tempo prima che gli OEM debbano dedicare il 50-60% del tempo di sviluppo delle macchine ai requisiti software. L’evoluzione da un focus sulla meccanica a un focus 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 aperti e standardizzati.

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

Ad esempio, supponiamo che tu stia progettando una macchina e desideri aggiungere un passaggio aggiuntivo tra due fasi. Se utilizzi un software modulare, puoi semplicemente aggiungere un componente senza riprogrammare o ricodificare. E, se hai sei sezioni che fanno tutte la stessa cosa, puoi scrivere il codice una volta e usarlo in tutte e sei le sezioni.

Non solo la progettazione è più efficiente con il software modulare, ma consente anche agli ingegneri di offrire la flessibilità tanto desiderata dai clienti. Ad esempio, supponiamo che il cliente desideri una macchina che esegua prodotti di dimensioni diverse e che la dimensione più grande richieda un cambiamento nel funzionamento di una sezione. Con il software modulare, i progettisti possono semplicemente modificare la sezione senza influenzare il resto delle funzioni della macchina. Questo cambiamento potrebbe essere automatizzato per consentire all'OEM, o anche al cliente, di passare rapidamente da una funzione all'altra della macchina. Non c'è niente da riprogrammare perché il modulo è già 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 portafoglio di moduli meccanici, elettrici e software semplifica il rapido assemblaggio di macchine configurabili.

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

Inoltre, se il tuo cliente prevede di connettere il flusso di dati a una rete cloud, è essenziale che qualsiasi 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 comuni. OPC UA consente la comunicazione quasi in tempo reale tra macchine, controller, cloud e altri dispositivi IT ed è probabilmente la soluzione più vicina a un'infrastruttura di comunicazione olistica che si possa ottenere. 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 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 collegate in rete nel 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; si inizia con la connettività remota.

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

Per i costruttori di macchine, l'utilizzo dell'automazione del controllo del movimento e l'adozione di un approccio olistico al processo totale per rendere più efficienti gli impianti o le aziende dei clienti garantiranno sicuramente più affari.