OEM および設計エンジニアがモー​​ター、ドライブ、およびコントローラーについて知っておくべきこと。

設計者がモーションセントリックな機械を改良する場合でも、新しい機械を開発する場合でも、まずモーション制御を念頭に置くことが不可欠です。そうすることで、効果的かつ効率的な自動化を実現するための最適な方法を中心に設計を進めることができます。

モーションベースの機械は、コア機能を中心に設計・構築する必要があります。例えば、特定の巻き取りアプリケーションに依存する印刷機の場合、設計者は重要な部品に注力し、残りの部分はコア機能をサポートするように開発することになります。

これは設計エンジニアリングの基本のように聞こえますが、市場投入までの時間的なプレッシャーと、従来は機械、電気、ソフトウェアの各部門にサイロ化されたチーム構造のため、設計は線形プロセスに逆戻りしがちです。しかし、モーション制御を念頭に置いた設計には、初期コンセプトの開発、システムトポロジーとマシンアプローチの決定、接続インターフェースとソフトウェアアーキテクチャの選択など、メカトロニクス的なアプローチが必要です。

ここでは、モーター、ドライブ、コントローラー、ソフトウェアの重要な側面をいくつか紹介します。エンジニアは、これらの側面をあらゆる機械設計プロジェクトの開始時点から考慮する必要があります。これにより、非効率性、エラー、コストが削減され、OEM が顧客の問題をより短時間で解決できるようになります。

【デザインプロセス】

部品がどのように、どこで動くかは、エンジニアがエンジニアリングの労力の大部分を費やす領域であり、特に革新的な機械を開発する際には顕著です。革新的な構築は最も時間がかかりますが、特にチームが最新のバーチャルエンジニアリングやモジュール設計を活用する場合、最も高いROI（投資収益率）が得られる場合が多くあります。

機械をゼロから開発する際の最初のステップは、「この機械の重要な機能は何か？」と自問することです。例えば、清掃が容易、メンテナンスの手間が少ない、あるいは高精度な機械を作ることなどが挙げられます。必要な機能、性能、あるいはメンテナンスレベルを実現する技術を特定しましょう。

解決すべき問題が複雑になるほど、最も重要な機能を特定することが難しくなります。重要な詳細を定義し、適切なアプローチを決定するのに役立つ、モーション中心のオートメーションサプライヤーとの連携を検討してください。

次に、「機械の標準機能は何ですか？」と自問します。先ほどの印刷機の例で言えば、印刷対象の材料を巻き出すためのテンション制御とセンサー制御は、かなり標準的なものです。実際、新しい機械のタスクの約80%は、以前の機械のタスクのバリエーションです。

モジュール式ハードウェアとコードプログラミングを用いて標準機能のエンジニアリング要件を処理することで、プロジェクト完了に必要な設計リソースの量を大幅に削減できます。また、実績のある機能を使用することで信頼性が向上し、設計のより複雑な部分に集中できるようになります。

モジュラーハードウェアとソフトウェアを使用して標準機能を提供できるモーション コントロール パートナーと連携することで、競合他社の製品と差別化する付加価値機能に集中できます。

典型的な設計プロジェクトでは、機械エンジニアが機械の構造と機械部品を構築し、電気エンジニアが駆動装置、配線、制御装置などの電子部品を追加し、ソフトウェアエンジニアがコードを作成します。ミスや問題が発生するたびに、プロジェクトチームは設計を遡って修正しなければなりません。設計プロセスにおいて、変更やミスに基づく設計のやり直しに多くの時間と労力が費やされます。幸いなことに、CADソフトウェアを用いた機械設計や、サイロ化された計画・設計はほぼ過去のものとなりました。

今日、バーチャルエンジニアリングは、複数の並列パスを用いて機械の動作を設計できるチームを可能にし、開発サイクルと市場投入までの時間を大幅に短縮します。デジタルツイン（機械の仮想表現）を作成することで、各部門は独立して作業を進め、チームの他のメンバーと並行して部品や制御を開発できます。

デジタルツインを活用することで、エンジニアは機械の様々な設計や技術を迅速にテストできます。例えば、ある工程で材料を機械のフィードに供給し、所定の量に達したら材料を切断する必要がある場合、材料を切断する必要があるときはいつでもフィードを停止する方法を考え出す必要があります。この課題に対処する方法は複数あり、いずれも機械全体の動作に影響を与える可能性があります。デジタルツインがあれば、様々な解決策を試したり、コンポーネントの位置を変更したりして動作への影響を確認することが簡単になり、より効率的な（そしてより少ない）プロトタイピングにつながります。

仮想エンジニアリングにより、設計チーム全員が、特定の目標に到達するために、マシン全体とその重複するコンセプトがどのように連携するかを確認できます。

【トポロジの選択】

複数の機能、複数の動作軸と多次元動作、そしてより高速な出力とスループットを備えた複雑な設計は、システムトポロジーも同様に複雑化させます。集中型のコントローラベースの自動化と分散型のドライブベースの自動化のどちらを選択するかは、設計する機械によって異なります。機械の全体的な機能とローカルな機能の両方が、集中型トポロジと分散型トポロジのどちらを選択するかに影響します。キャビネットのスペース、機械のサイズ、周囲の環境、さらには設置時間も、この決定に影響します。

集中型オートメーション。複雑な機械の協調動作制御を実現する最良の方法は、コントローラベースのオートメーションです。モーション制御コマンドは通常、EtherCATなどの標準化されたリアルタイムバスを介して特定のサーボインバータに転送され、インバータがすべてのモーターを駆動します。

コントローラベースの自動化では、複数の動作軸を調整して複雑なタスクを実行できます。動作が機械の中核を成し、すべての部品を同期させる必要がある場合に最適なトポロジーです。例えば、ロボットアームを適切に配置するために、各動作軸が特定の位置にあることが不可欠な場合は、コントローラベースの自動化を選択する可能性が高いでしょう。

分散型オートメーション。より小型の機械や機械モジュールでは、分散型モーション制御によって機械制御の負荷が軽減または解消されます。代わりに、小型のインバータドライブが分散制御の役割を担い、I/Oシステムが制御信号を評価し、EtherCATなどの通信バスがエンドツーエンドのネットワークを形成します。

分散型オートメーションは、機械の各部がタスクの完了を担い、常に中央制御に報告する必要がない場合に理想的です。機械の各部は迅速かつ独立して動作し、それぞれのタスクが完了した時点でのみ報告を行います。このような構成では、各デバイスがそれぞれの負荷を処理するため、機械全体でより分散化された処理能力を活用できます。

集中型制御と分散型制御。集中型自動化は調整機能を提供し、分散型はより効率的な分散処理能力を提供しますが、両者を組み合わせることが最善の選択肢となる場合もあります。最終的な決定は、コスト／価値、スループット、効率性、長期にわたる信頼性、安全性仕様など、包括的な要件に基づいて行われます。

プロジェクトが複雑になるほど、様々な側面についてアドバイスできるモーションコントロールエンジニアリングパートナーの存在が重要になります。機械メーカーがビジョンを持ち込み、オートメーションパートナーがツールを提供することで、最適なソリューションが実現します。

【マシンネットワーク】

モーションコントロールを念頭に置いた設計においては、クリーンで将来を見据えた相互接続性を確立することも重要なステップです。通信プロトコルは、モーターやドライブの配置場所と同じくらい重要です。なぜなら、コンポーネントの動作だけでなく、それらすべてをどのように接続するかも重要だからです。

優れた設計は、配線数と配線距離を削減します。例えば、リモート端末に接続する10～15本の配線を、EtherCATなどの産業用通信プロトコルを使用したイーサネットケーブルに置き換えることができます。イーサネットが唯一の選択肢ではありませんが、どのプロトコルを使用する場合でも、共通のプロトコルを使用できるように、適切な通信ツールまたはバスを用意するようにしてください。適切な通信バスを選択し、すべてのレイアウト計画を立てておくことで、将来の拡張がはるかに容易になります。

最初からキャビネット内部の設計に重点を置きましょう。例えば、磁気干渉の影響を受ける可能性のある電子部品の近くに電源を配置しないでください。高電流または高周波数の部品は、配線に電気ノイズを発生させる可能性があります。したがって、最適な動作を得るには、高電圧部品を低電圧部品から離してください。さらに、ネットワークが安全規格に適合しているかどうかを確認してください。適合していない場合は、いずれかの部品に障害が発生した場合に、その部品自体が自身の障害を検知して反応するように、ハードワイヤードの冗長安全接続が必要になる可能性があります。

産業用IoT（IIoT）が普及するにつれ、貴社や顧客がまだ活用できていない可能性のある高度な機能の追加を検討してください。これらの機能を機械に組み込むことで、後々の機械のアップグレードが容易になります。

【ソフトウェア】

業界の推計によると、OEMは近い将来、機械開発時間の50～60%をソフトウェア要件の策定に費やす必要に迫られるでしょう。機械構造重視からインターフェース重視への移行は、小規模な機械メーカーにとって競争上の不利に働く一方で、モジュール型ソフトウェアと標準化されたオープンプロトコルの導入に意欲的な企業にとっては、競争環境の均衡化につながる可能性があります。

ソフトウェアの構成によって、機械が現在そして将来的に実行できる機能が拡張されるか制限されるかが決まります。モジュール式ハードウェアと同様に、モジュール式ソフトウェアは機械製造のスピードと効率を向上させます。

例えば、機械を設計していて、2つのフェーズの間にステップを追加したいとします。モジュール型のソフトウェアを使用すれば、再プログラミングや再コーディングをすることなく、コンポーネントを追加するだけで済みます。また、6つのセクションがすべて同じ処理を実行する場合、一度コードを記述すれば、6つのセクションすべてで同じコードを使用できます。

モジュール型ソフトウェアは設計効率を向上させるだけでなく、顧客が求める柔軟性もエンジニアに提供します。例えば、顧客が様々なサイズの製品を扱う機械を希望し、最大サイズの製品を扱う際に、あるセクションの機能変更が必要になるとします。モジュール型ソフトウェアを使用すれば、設計者は機械の他の機能に影響を与えることなく、そのセクションのみを変更することができます。この変更は自動化できるため、OEMメーカーや顧客自身が機械の機能を迅速に切り替えることができます。モジュールは既に機械に組み込まれているため、再プログラミングは不要です。

機械メーカーは、各顧客の固有の要件を満たすオプション機能を備えた標準ベースマシンを提供できます。機械、電気、ソフトウェアのモジュールポートフォリオを開発することで、構成可能な機械を迅速に組み立てることが容易になります。

しかし、モジュール型ソフトウェアの効率を最大限に引き出すには、特に複数のサプライヤーを利用する場合は、業界標準に準拠することが不可欠です。ドライブとセンサーのサプライヤーが業界標準に準拠していない場合、これらのコンポーネントは相互に通信できず、部品の接続方法を考えることでモジュール化の効率性がすべて失われてしまいます。

さらに、顧客がデータ ストリームをクラウド ネットワークに接続する予定の場合は、マシンが他のマシンと連携し、クラウド サービスとインターフェイスできるように、ソフトウェアを業界標準のプロトコルを使用して作成することが不可欠です。

OPC UAとMQTTは、最も一般的な標準ソフトウェアアーキテクチャです。OPC UAは、機械、コントローラー、クラウド、その他のITデバイス間の準リアルタイム通信を可能にし、おそらく包括的な通信インフラストラクチャに最も近いものです。MQTTは、より軽量なIIoTメッセージングプロトコルで、2つのアプリケーション間の通信を可能にします。多くの場合、単一の製品で使用され、例えばセンサーやドライブが製品から情報を取得してクラウドに送信することができます。

【クラウド接続】

相互接続されたクローズドループ型の機械が依然として主流ですが、クラウドに完全に接続された工場の人気が高まっています。この傾向は、予知保全とデータ駆動型生産のレベルを向上させる可能性があり、工場ソフトウェアにおける次なる大きな変化をもたらします。その第一歩は、リモート接続です。

クラウドネットワーク化された工場では、様々なプロセス、様々な生産ラインなどからのデータを分析し、生産プロセスのより包括的な表現を作成します。これにより、様々な生産設備の総合設備効率（OEE）を比較することが可能になります。最先端のOEMは、信頼できるオートメーションパートナーと連携し、エンドユーザーが必要とするデータを送信できるモジュール式のインダストリー4.0機能を備えたクラウド対応マシンを提供しています。

機械メーカーにとって、モーション制御の自動化を活用し、総合的なトータルプロセスアプローチを採用して顧客の工場や企業の効率を高めることは、確実により多くのビジネスを獲得することにつながります。