Ciò che gli ingegneri OEM e di design devono sapere su motori, unità e controller.

Sia che i progettisti stiano migliorando una macchina incentrata sul movimento o ne costruiscono una nuova, è essenziale che iniziano tenendo conto del controllo del movimento. Quindi possono sviluppare il design attorno al modo migliore per ottenere un'automazione efficace ed efficiente.

Le macchine basate sul movimento dovrebbero essere progettate e costruite attorno alle loro funzioni fondamentali. 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 di base.

Sembra un design ingegneria 101, ma con pressioni e team time-to-market tradizionalmente inclinati nei dipartimenti meccanici, elettrici e software, è facile che il design torni a un processo in gran parte lineare. La progettazione con il controllo del movimento, tuttavia, richiede un approccio mechatronics che include lo sviluppo dei concetti iniziali, la determinazione dell'approccio della topologia e della macchina del sistema e la selezione dell'interfaccia di connessione e dell'architettura del software.

Ecco alcuni aspetti essenziali di motori, unità, controller e software che gli ingegneri dovrebbero prendere in considerazione dall'inizio di ogni progetto di progettazione della macchina per ridurre le inefficienze, gli errori e i costi, consentendo a OEMS di risolvere i problemi dei clienti in meno tempo.

【Il processo di progettazione】

Come e dove le parti si muovono sono in genere dove gli ingegneri spendono la maggior parte dei loro sforzi ingegneristici, soprattutto quando si sviluppano macchine innovative. Sebbene le build innovative siano di gran lunga le richieste più tempo, spesso offrono il ROI più grande, soprattutto se i team utilizzano le ultime ingegneria virtuale e progetti modulari.

Il primo passo nello sviluppo di una macchina da zero è chiedere: quali sono le funzioni critiche di questa macchina? Potrebbe essere quello di creare una macchina facile da pulire, a bassa manutenzione o altamente accurata. Identificare la tecnologia che fornirà la funzione richiesta, le prestazioni o il livello di manutenzione.

Più complesso è il problema che deve essere risolto, più difficile sarà determinare le funzioni più vitali. Considera di lavorare con un fornitore di automazione incentrato sul movimento che può aiutare a definire i dettagli critici e determinare l'approccio giusto.

Quindi chiedi: quali sono le funzioni standard della macchina? Stare con l'esempio precedente della macchina da stampa, i controlli di tensione e sensore utilizzati per rilassarti il ​​materiale da stampare sono abbastanza standard. In effetti, circa l'80% delle attività di una nuova macchina sono variazioni sulle attività delle macchine passate.

L'uso della programmazione di hardware modulare e codice per gestire i requisiti di ingegneria per le funzioni standard riduce significativamente la quantità di risorse di progettazione necessarie per completare il progetto. Utilizza anche funzioni decorate nel tempo, aumentando così l'affidabilità e permettendoti di concentrarti su parti più complesse del design.

Lavorare con un partner di controllo del movimento in grado di offrire funzioni standard con hardware e software modulari significa che puoi concentrarti sulle funzionalità a valore aggiunto che distinguono il tuo prodotto dalle competizioni.

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 unità, fili e controlli; E poi gli ingegneri del software scrivono il codice. Ogni volta che c'è un errore o un problema, il team del progetto deve tornare indietro e correggerlo. Così tanto tempo ed energia nel processo di progettazione sono trascorsi nel design a riferimento in base a cambiamenti o errori. Fortunatamente, la progettazione di meccanici con software CAD e pianificazione e design silenziosi sono quasi cose del passato.

Oggi, l'ingegneria virtuale consente ai team di progettare come le macchine funzionano utilizzando diversi percorsi paralleli, accorciando così drasticamente il ciclo di sviluppo e il time-to-market. Creando un gemello digitale (una rappresentazione virtuale della macchina), ogni dipartimento può lavorare da solo e sviluppare parti e controllare contemporaneamente il resto del team.

Un gemello digitale consente agli ingegneri di testare rapidamente vari design per una macchina e le tecnologie della macchina. Ad esempio, forse un processo richiede materiale essere immesso in un'alimentazione della macchina fino a quando non viene raccolta la quantità desiderata e quindi il materiale viene tagliato; Ciò significa che devi capire un modo per fermare l'alimentazione ogni volta che il materiale deve essere tagliato. Esistono diversi modi per gestire tale sfida e tutti possono influenzare il modo in cui funziona la macchina generale. Provare rimedi diversi o trasferire componenti per vedere come influisce sulle operazioni è semplice con un gemello digitale e porta a prototipi più efficienti (e meno).

L'ingegneria virtuale consente ai team di progettazione di vedere tutti come l'intera macchina e i suoi concetti sovrapposti lavorano insieme per raggiungere un obiettivo o obiettivi particolare.

【Selezione della topologia】

Design complessi con diverse funzioni, più di un asse di movimento e movimento multidimensionale e un'uscita e una velocità più rapida rendono la topologia di sistema altrettanto complicata. La scelta tra automazione centralizzata basata su controller o decentralizzata, l'automazione basata su unità dipende dalla progettazione della macchina. Ciò che la macchina fa, sia le sue funzioni complessive e locali, influisce sul fatto che si opti per la topologia centralizzata o decentralizzata. Anche lo spazio del gabinetto, le dimensioni della macchina, le condizioni ambientali e persino il tempo di installazione influiscono su questa decisione.

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

Con l'automazione basata sul controller, diversi assi di movimento possono essere coordinati per eseguire un'attività complessa. È la topologia ideale se il movimento è al centro della macchina e tutte le parti devono essere sincronizzate. Ad esempio, se è fondamentale che ogni asse di movimento si trovi in ​​un posto specifico per posizionare correttamente un braccio robot, probabilmente sceglierai l'automazione basata sul controller.

Automazione decentralizzata. Con più macchine compatte e moduli macchina, il controllo del movimento decentralizzato ha ridotto o elimina il carico sui controlli della macchina. Invece, le unità di inverter più piccole assumono responsabilità di controllo decentralizzate, un sistema I/O valuta i segnali di controllo e un bus di comunicazione come Ethercat costituisce una rete end-to-end.

L'automazione decentralizzata è l'ideale quando una parte della macchina può assumersi la responsabilità di completare un'attività e non deve essere costantemente riferita al controllo centrale. Invece, ogni parte della macchina funziona in modo rapido e indipendente, riportando solo una volta che la sua attività è completa. Poiché ogni dispositivo gestisce il proprio carico in tale disposizione, la macchina complessiva può sfruttare una maggiore potenza di elaborazione distribuita.

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

Più è complesso il progetto, più è importante avere un partner di ingegneria del controllo del movimento in grado di dare consigli sui diversi aspetti. Quando il costruttore di macchine porta la visione e il partner di automazione porta gli strumenti, è quando ottieni la soluzione migliore.

【Networking macchina】

Stabilire l'interconnettività pulita e a prova di futuro è anche un passo chiave nella progettazione con il controllo del movimento in mente. Il protocollo di comunicazione è essenziale quanto i motori e le unità si trovano perché non si tratta solo di ciò che fanno i componenti, ma è anche come si collega tutto.

Un buon design riduce il numero di fili e la distanza che devono andare. Ad esempio, un set di 10-15 fili che vanno 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 tu utilizzi, assicurati di avere gli strumenti di comunicazione o gli autobus giusti, in modo da poter utilizzare protocolli comuni. Scegliere un buon autobus di comunicazione e avere un piano su come tutto verrà stabilito rende le espansioni future molto più facili.

Concentrati sulla costruzione di un buon design all'interno dell'armadio dall'inizio. Ad esempio, non mettere gli alimentatori vicino ai componenti elettronici che potrebbero essere influenzati dall'interferenza magnetica. Il componente con correnti o frequenze elevate può generare rumore elettrico nei fili. Pertanto, tieni i componenti ad alta tensione lontano dai componenti a bassa tensione per la migliore operazione. Inoltre, scopri se la tua rete è valutata in sicurezza. In caso contrario, avrai probabilmente bisogno di connessioni di sicurezza ridondanti cablate, quindi se una parte fallisce, rileva il proprio fallimento e reagisce.

Mentre l'Internet of Things industriale (IIoT) prende piede, prendi in considerazione l'aggiunta di funzioni avanzate che tu o i tuoi clienti potresti non essere abbastanza pronto per l'uso. Costruire le capacità nella macchina significa che sarà più facile aggiornare quella macchina in seguito.

【Software】

Secondo le stime del settore, non passerà molto tempo prima che gli OEM dovranno spendere il 50-60% dei tempi di sviluppo della macchina incentrati sui requisiti del software. L'evoluzione da un focus sulla meccanica a un focus sull'interfaccia mette in svantaggio più piccoli, ma può anche livellare il campo di gioco per le aziende disposte ad adottare software modulari e protocolli standardizzati e aperti.

Il modo in cui il software è organizzato può espandere o limitare ciò che una macchina può fare ora e nel futuro. Come 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 ulteriore passo tra due fasi. Se stai utilizzando 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 un codice una volta e usarlo in tutte e sei le sezioni.

La progettazione non solo è più efficiente con il software modulare, ma consente anche agli ingegneri di offrire la flessibilità che i clienti bramano. Ad esempio, supponiamo che il cliente desidera una macchina che esegue prodotti di dimensioni diverse e la dimensione più grande richiede una modifica nel funzionamento di una sezione. Con il software modulare, i progettisti possono semplicemente cambiare la sezione senza influire sul resto delle funzioni della macchina. Questa modifica potrebbe essere automatizzata per consentire all'OEM, o persino al cliente, di passare rapidamente tra le funzioni della macchina. Non c'è nulla da riprogrammare perché il modulo è già nella macchina.

I costruttori di macchine possono offrire una macchina di base standard con funzionalità opzionali per soddisfare i requisiti unici di ciascun cliente. Lo sviluppo di un portafoglio di moduli meccanici, elettrici e software rende più semplice assemblare rapidamente le 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 sensore non sta seguendo gli standard del settore, quei componenti non possono parlarsi e tutte le efficienze della modularità si perdono nel capire come collegare le parti.

Inoltre, se il cliente prevede di collegare 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 interfaccia 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 il più vicino a un'infrastruttura di comunicazione olistica che puoi ottenere. MQTT è un protocollo di messaging IIoT più leggero che consente a due applicazioni di parlarsi. Viene spesso utilizzato in un singolo prodotto: legare, ad esempio, un sensore o un'unità trarre informazioni da un prodotto e inviarle al cloud.

【Connettività cloud】

Le macchine interconnesse a circuito chiuso sono ancora la maggioranza, ma le fabbriche completamente in rete sul cloud stanno crescendo in popolarità. Tale tendenza potrebbe aumentare il livello di manutenzione predittiva e produzione basata sui dati ed è il prossimo grande cambiamento nel software di fabbrica; Si inizia con la connettività remota.

Gli impianti di cloud-network analizzano i dati 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 generale delle attrezzature (OEE) di vari impianti di produzione. Gli OEM all'avanguardia lavorano con partner di automazione affidabili per offrire macchine pronte per il cloud con funzionalità di industria modulare 4.0 che possono inviare le necessità degli utenti finali dei dati.

Per i costruttori di macchine, utilizzare l'automazione del controllo del movimento e adottare un approccio olistico e totale per rendere più efficiente gli impianti o le aziende dei clienti sarà sicuro di vincere più affari.