מה יצרני OEM ומהנדסי עיצוב צריכים לדעת על מנועים, כוננים ובקרים.

בין אם מעצבים משפרים מכונה ממוקדת תנועה או בונים מכונה חדשה, חיוני שהם מתחילים עם בקרת תנועה בראש. אז הם יכולים לפתח את העיצוב סביב הדרך הטובה ביותר להשיג אוטומציה יעילה ויעילה.

מכונות מבוססות תנועה צריכות להיות מתוכננות ולבנות סביב פונקציות הליבה שלהן. עבור מכונת הדפסה המסתמכת על קבוצה ספציפית של יישומי פיתול, למשל, מעצבים יתמקדו בחלקים הקריטיים ויפתחו את שאר המכונה לתמיכה בפונקציות הליבה.

זה נשמע כמו הנדסת עיצוב 101, אבל עם לחצים של זמן יציאה לשוק וצוותים המשולבים באופן מסורתי במחלקות מכאניות, חשמל ותוכנה, קל לתכנון לחזור לתהליך ליניארי ברובו. אולם תכנון מתוך מחשבה על בקרת תנועה מצריך גישת מכטרוניקה הכוללת פיתוח המושגים הראשוניים, קביעת טופולוגיית המערכת וגישת המכונה, ובחירת ממשק החיבור וארכיטקטורת התוכנה.

הנה כמה היבטים חיוניים של מנועים, כוננים, בקרים ותוכנה שעל מהנדסים לשקול מההתחלה של כל פרויקט תכנון מכונות כדי להפחית את חוסר היעילות, השגיאות והעלויות תוך מתן אפשרות ליצרני OEM לפתור בעיות לקוחות בפחות זמן.

【תהליך העיצוב】

איך ואיפה חלקים זזים הוא בדרך כלל המקום שבו מהנדסים מבלים את רוב מאמציהם ההנדסיים, במיוחד בפיתוח מכונות חדשניות. למרות שבנייה חדשנית גוזלת זמן רב ביותר, לעתים קרובות הם מציעים את החזר ה-ROI הגדול ביותר, במיוחד אם צוותים עושים שימוש בגרסה העדכנית ביותר בהנדסה וירטואלית ובעיצובים מודולריים.

הצעד הראשון בעת ​​פיתוח מכונה מאפס הוא לשאול: מהן הפונקציות הקריטיות של מכונה זו? זה יכול להיות ליצור מכונה קלה לניקוי, תחזוקה נמוכה או מדויקת ביותר. זהה את הטכנולוגיה שתספק את התפקוד, הביצועים או רמת התחזוקה הנדרשים.

ככל שהבעיה שצריכה להיפתר מורכבת יותר, כך יהיה קשה יותר לקבוע את התפקודים החיוניים ביותר. שקול לעבוד עם ספק אוטומציה ממוקד תנועה שיכול לעזור להגדיר את הפרטים הקריטיים ולקבוע את הגישה הנכונה.

לאחר מכן שאל: מהן הפונקציות הסטנדרטיות של המכונה? אם נשארים עם הדוגמה הקודמת של מכונת ההדפסה, בקרות המתח והחיישן ששימשו לשחרור החומר שעליו הודפס הם סטנדרטיים למדי. למעשה, כ-80% מהמשימות של מכונה חדשה הן וריאציות על משימות של מכונות קודמות.

שימוש בחומרה ובתכנות קוד מודולרי כדי לטפל בדרישות ההנדסיות עבור פונקציות סטנדרטיות מפחית באופן משמעותי את כמות משאבי התכנון הדרושים להשלמת הפרויקט. הוא גם משתמש בפונקציות שהוכחו בזמן, ובכך מגביר את האמינות ומאפשר לך להתמקד בחלקים מורכבים יותר של העיצוב.

עבודה עם שותף בקרת תנועה שיכול לספק פונקציות סטנדרטיות עם חומרה ותוכנה מודולרית פירושה שאתה יכול להתמקד במאפיינים בעלי הערך המוסף שמבדילים את המוצר שלך מהמתחרים.

בפרויקט תכנון טיפוסי, מהנדסי מכונות בונים את מבנה המכונה ומרכיביה המכניים; מהנדסי חשמל מוסיפים את האלקטרוניקה, כולל כוננים, חוטים ובקרות; ואז מהנדסי תוכנה כותבים את הקוד. בכל פעם שיש טעות או בעיה, צוות הפרויקט צריך לחזור ולתקן אותה. כל כך הרבה זמן ואנרגיה בתהליך העיצוב מושקעים בעיצוב מחדש על סמך שינויים או טעויות. למרבה המזל, תכנון מכניקה עם תוכנת CAD ותכנון ועיצוב מטופחים הם כמעט נחלת העבר.

כיום, הנדסה וירטואלית מאפשרת לצוותים לתכנן כיצד מכונות יעבדו באמצעות מספר נתיבים מקבילים, ובכך לקצר דרמטית את מחזור הפיתוח ואת זמן היציאה לשוק. על ידי יצירת תאום דיגיטלי (ייצוג וירטואלי של המכונה), כל מחלקה יכולה לעבוד בעצמה ולפתח חלקים ובקרות במקביל לשאר הצוות.

תאום דיגיטלי מאפשר למהנדסים לבדוק במהירות עיצובים שונים עבור מכונה כמו גם את טכנולוגיות המכונה שלך. לדוגמה, אולי תהליך דורש הזנת חומר להזנה במכונה עד לאיסוף הכמות הרצויה ואז החומר נחתך; זה אומר שאתה חייב למצוא דרך לעצור את ההזנה בכל פעם שצריך לחתוך את החומר. ישנן מספר דרכים להתמודד עם האתגר הזה, וכולן עשויות להשפיע על אופן פעולת המכונה הכוללת. ניסיון תרופות שונות או העברת רכיבים כדי לראות כיצד זה משפיע על הפעולות הוא פשוט עם תאום דיגיטלי ומוביל ליצירת אב טיפוס יעיל יותר (ופחות).

הנדסה וירטואלית מאפשרת לצוותי עיצוב לראות כיצד כל המכונה והמושגים החופפים שלה פועלים יחד כדי להגיע למטרה או יעדים מסוימים.

【בחירת הטופולוגיה】

עיצובים מורכבים עם מספר פונקציות, יותר מציר אחד של תנועה ותנועה רב-ממדית ותפוקה ותפוקה מהירים יותר הופכים את הטופולוגיה של המערכת למסובכת באותה מידה. הבחירה בין אוטומציה ריכוזית מבוססת בקר או אוטומציה מבוזרת מבוססת כוננים תלויה במכונה המתוכננת. מה שהמכונה עושה, הן הפונקציות הכוללות והן הפונקציות המקומיות שלה, משפיע על האם אתה בוחר בטופולוגיה ריכוזית או מבוזרת. מקום הארון, גודל המכונה, תנאי הסביבה ואפילו זמן ההתקנה משפיעים גם הם על החלטה זו.

אוטומציה מרכזית. הדרך הטובה ביותר להשיג בקרת תנועה מתואמת עבור מכונות מורכבות היא באמצעות אוטומציה מבוססת בקר. פקודות בקרת תנועה מועברות בדרך כלל לממירי סרוו ספציפיים באמצעות אפיק סטנדרטי בזמן אמת כגון EtherCAT, וממירים מניעים את כל המנועים.

עם אוטומציה מבוססת בקר, ניתן לתאם מספר צירי תנועה לביצוע משימה מורכבת. זוהי טופולוגיה אידיאלית אם התנועה נמצאת בלב המכונה וכל החלקים חייבים להיות מסונכרנים. לדוגמה, אם זה קריטי שכל ציר תנועה יהיה במקום ספציפי כדי להגיע למצב נכון של זרוע רובוט, סביר להניח שתבחר באוטומציה מבוססת בקר.

אוטומציה מבוזרת. עם מכונות ומודולי מכונות קומפקטיים יותר, בקרת תנועה מבוזרת הפחיתה או מבטלת את העומס על בקרות המכונה. במקום זאת, כונני מהפך קטנים יותר מקבלים אחריות בקרה מבוזרת, מערכת קלט/פלט מעריכה אותות בקרה, ואפיק תקשורת כגון EtherCAT יוצר רשת מקצה לקצה.

אוטומציה מבוזרת היא אידיאלית כאשר חלק אחד של המכונה יכול לקחת אחריות על השלמת משימה ואינו צריך לדווח כל הזמן לשליטה מרכזית. במקום זאת, כל חלק של המכשיר פועל במהירות ובאופן עצמאי, ומדווח רק לאחר השלמת המשימה. מכיוון שכל מכשיר מטפל בעומס שלו בסידור כזה, המכונה הכוללת יכולה לנצל כוח עיבוד מבוזר יותר.

בקרה מרכזית ומבוזרת. למרות שאוטומציה ריכוזית מספקת תיאום ומבוזרת מספקת כוח עיבוד מבוזר יעיל יותר, שילוב של שניהם הוא לפעמים הבחירה הטובה ביותר. ההחלטה הסופית תלויה בדרישות כוללות כולל יעדים הקשורים ל: עלות/ערך, תפוקה, יעילות, אמינות לאורך זמן, מפרטי בטיחות.

ככל שהפרויקט מורכב יותר, כך חשוב יותר שיהיה שותף להנדסת בקרת תנועה שיוכל לייעץ בהיבטים השונים. כאשר בונה המכונות מביא את החזון והשותף לאוטומציה מביא את הכלים, אז אתה מקבל את הפתרון הטוב ביותר.

【רשת מכונה】

יצירת קישוריות נקייה וחסינת עתיד היא גם שלב מרכזי בתכנון תוך מחשבה על בקרת תנועה. פרוטוקול התקשורת חיוני לא פחות מהמקום שבו ממוקמים מנועים וכוננים מכיוון שזה לא קשור רק למה שהרכיבים עושים - זה גם איך אתה מחבר את הכל.

עיצוב טוב מפחית את מספר החוטים ואת המרחק שהם חייבים לעבור. לדוגמה, סט של 10 עד 15 חוטים העוברים למסוף מרוחק יכול להיות מוחלף בכבל Ethernet באמצעות פרוטוקול תקשורת תעשייתי כגון EtherCAT. Ethernet היא לא הבחירה היחידה, אבל בכל אחד מהם אתה משתמש, ודא שיש לך את כלי התקשורת או האוטובוסים הנכונים, כדי שתוכל להשתמש בפרוטוקולים נפוצים. בחירת אוטובוס תקשורת טוב ותוכנית כיצד הכל יתנהל הופכים את ההרחבות העתידיות להרבה יותר קלות.

התמקד בבניית עיצוב טוב בתוך הארון מההתחלה. לדוגמה, אל תניח ספקי כוח ליד רכיבים אלקטרוניים שעלולים להיות מושפעים מהפרעות מגנטיות. רכיב עם זרמים או תדרים גבוהים יכול ליצור רעש חשמלי בחוטים. לכן, הרחק רכיבי מתח גבוה ממרכיבי מתח נמוך לצורך הפעולה הטובה ביותר. בנוסף, גלה אם הרשת שלך מדורגת בטיחות. אם לא, סביר להניח שתזדקק לחיבורי בטיחות מיותרים עם חוט קשיח, כך שאם חלק אחד נכשל, הוא מזהה את הכשל שלו ומגיב.

ככל שהאינטרנט התעשייתי של הדברים (IIoT) תופס, שקול להוסיף פונקציות מתקדמות שאולי אתה או הלקוחות שלך לא ממש מוכנים לשימוש. בניית היכולות במכונה פירושה שיהיה קל יותר לשדרג אותה מאוחר יותר.

【תוֹכנָה】

על פי הערכות בתעשייה, לא יעבור זמן רב עד שיצרני OEM יצטרכו להשקיע 50-60% מזמן פיתוח המכונות שלהם בהתמקדות בדרישות תוכנה. ההתפתחות מהתמקדות במכניקה להתמקדות בממשק מציבה את בוני המכונות הקטנים יותר בחסרון תחרותי, אך יכולה גם ליישר את מגרש המשחקים עבור חברות המוכנות לאמץ תוכנה מודולרית ופרוטוקולים סטנדרטיים ופתוחים.

אופן ארגון התוכנה יכול להרחיב או להגביל את מה שמכונה יכולה לעשות עכשיו ובעתיד. כמו חומרה מודולרית, תוכנה מודולרית משפרת את המהירות והיעילות של בניית מכונות.

לדוגמה, נניח שאתה מעצב מכונה וברצונך להוסיף שלב נוסף בין שני שלבים. אם אתה משתמש בתוכנה מודולרית, אתה יכול פשוט להוסיף רכיב ללא תכנות מחדש או קידוד מחדש. ואם יש לך שישה חלקים שכולם עושים את אותו הדבר, אתה יכול לכתוב קוד פעם אחת ולהשתמש בו בכל ששת החלקים.

לא רק שהתכנון יעיל יותר עם תוכנה מודולרית, הוא גם מאפשר למהנדסים לספק את הגמישות שהלקוחות חושקים בהם. לדוגמה, נניח שהלקוח רוצה מכונה שמריצה מוצרים בגדלים שונים, והגודל הגדול ביותר מחייב שינוי באופן שבו חלק אחד מתפקד. עם תוכנה מודולרית, מעצבים יכולים פשוט לשנות את הקטע מבלי להשפיע על שאר הפונקציות של המכונה. שינוי זה יכול להיות אוטומטי כדי לאפשר ל-OEM, או אפילו ללקוח, לעבור במהירות בין פונקציות המכונה. אין מה לתכנת מחדש כי המודול כבר נמצא במכונה.

בוני מכונות יכולים להציע מכונת בסיס סטנדרטית עם תכונות אופציונליות כדי לענות על הדרישות הייחודיות של כל לקוח. פיתוח פורטפוליו של מודולים מכניים, חשמליים ותוכנה מקל על הרכבה מהירה של מכונות הניתנות להגדרה.

עם זאת, כדי לקבל את היעילות המקסימלית מתוכנה מודולרית, חיוני לעמוד בסטנדרטים של התעשייה, במיוחד אם אתה משתמש ביותר מספק אחד. אם ספק הכונן והחיישנים אינם עומדים בסטנדרטים של התעשייה, אז הרכיבים האלה לא יכולים לדבר אחד עם השני וכל יעילות המודולריות אובדת בהבנה כיצד לחבר את החלקים.

בנוסף, אם הלקוח שלך מתכנן לחבר את זרם הנתונים לרשת ענן, חיוני שכל תוכנה נוצרת באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים בתעשייה, כך שהמכונה תוכל לעבוד עם מכונות אחרות ולהתממשק עם שירותי ענן.

OPC UA ו-MQTT הן ארכיטקטורות התוכנה הסטנדרטיות הנפוצות ביותר. OPC UA מאפשרת תקשורת כמעט בזמן אמת בין מכונות, בקרים, הענן והתקני IT אחרים, והיא כנראה הקרובה ביותר לתשתית תקשורת הוליסטית שתוכלו להשיג. MQTT הוא פרוטוקול הודעות IIoT קל יותר המאפשר לשני יישומים לדבר אחד עם השני. הוא משמש לעתים קרובות במוצר בודד - מאפשר, למשל, לחיישן או כונן למשוך מידע ממוצר ולשלוח אותו לענן.

【קישוריות לענן】

מכונות מקושרות בלולאה סגורה הן עדיין הרוב, אבל מפעלים המחוברים באופן מלא לענן צוברים פופולריות. מגמה זו עשויה להעלות את רמת התחזוקה החזויה וייצור מונע נתונים והיא השינוי הגדול הבא בתוכנת המפעל; זה מתחיל עם קישוריות מרחוק.

מפעלים ברשת ענן מנתחים נתונים מתהליכים שונים, קווי ייצור שונים ועוד כדי ליצור ייצוגים מלאים יותר של תהליך הייצור. זה מאפשר להם להשוות את יעילות הציוד הכוללת (OEE) של מתקני ייצור שונים. יצרני OEM מתקדמים עובדים עם שותפי אוטומציה מהימנים כדי להציע מכונות מוכנות לענן עם יכולות מודולריות של Industry 4.0 שיכולות לשלוח את הנתונים שמשתמשי הקצה צריכים.

עבור בוני מכונות, שימוש באוטומציה של בקרת תנועה ונקיטת גישה הוליסטית הכוללת תהליכים כדי להפוך את המפעלים או החברות של הלקוחות ליעילים יותר, בטוח ירוויח יותר עסקים.