OEM と設計エンジニアがモー​​ター、ドライブ、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中心のマシンを改良する場合でも、新しいマシンを構築する場合でも、モーション制御を念頭に置くことが重要です。その後、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開発できます。

モーションベースのマシンは、そのコア機能を中心に設計および構築される必要があります。たとえば、特定の一連の巻線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焦点を当て、コア機能をサポートする機械の残りの部分を開発します。

これは設計エンジニアリング 101 のように聞こえますが、市場投入までの時間のプレッシャーとチームが伝統的に機械、電気、ソフトウェアの各部門にサイロ化されているため、設計がほぼ直線的なプロセスに戻るのは簡単です。ただし、モーション コントロールを念頭に置いて設計するには、初期コンセプトの開発、システム トポロジとマシン アプローチの決定、接続インターフェイスとソフトウェア アーキテクチャの選択を含むメカトロニクス アプローチが必要です。

ここでは、非効率、エラー、コストを削減し、OEM が顧客の問題をより短時間で解決できるようにするために、エンジニアがすべての機械設計プロジェクトの最初から考慮すべきモーター、ドライブ、コントローラー、およびソフトウェアの重要な側面をいくつか紹介します。

【デザインのプロセス】

部品がどこでどのように動くかは、通常、特に革新的な機械を開発する場合、エンジニアがエンジニアリングの労力のほとんどを費やす場所です。革新的なビルドはこれまでで最も時間がかかりますが、特にチームが最新の仮想エンジニアリングとモジュール設計を利用している場合には、最大の ROI が得られることがよくあります。

マシンをゼロから開発する場合の最初のステップは、「このマシンの重要な機能は何ですか?」と考えることです。それは、掃除が簡単で、メンテナンスの手間がかからず、または高精度の機械を作ることかもしれません。必要な機能、パフォーマンス、またはメンテナンス レベルを実現するテクノロジーを特定します。

解決する必要がある問題が複雑になればなるほど、最も重要な機能を決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できるモーション中心の自動化サプライヤーと協力することを検討してください。

次に、マシンの標準機能は何ですか?と尋ねます。前述の印刷機の例に戻ると、印刷される素材を巻き戻すために使用される張力とセンサーの制御はかなり標準的です。実際、新しいマシンのタスクの約 80% は、過去のマシン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 プログラミングを使用して標準機能のエンジニアリング要件を処理すると、プロジェクトを完了するために必要な設計リソースの量が大幅に削減されます。また、実績のある機能を使用するため、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。

モジュール式のハードウェアとソフトウェアで標準機能を提供できるモーション コントロール パートナーと協力することは、自社の製品を競合製品と区別する付加価値機能に集中できることを意味します。

一般的な設計プロジェクトでは、機械エンジニアは機械の構造とその機械コンポーネントを構築します。電気エンジニアは、ドライブ、ワイヤー、制御などの電子機器を追加します。そしてソフトウェアエンジニアがコードを書きます。間違いや問題が発生するたびに、プロジェクト チームは後戻りして修正する必要があります。設計プロセスでは、変更や間違いに基づいて設計をやり直すことに非常に多くの時間とエネルギーが費やされます。幸いなことに、CAD ソフトウェアを使用した機構の設計やサイロ化された計画と設計は、ほぼ過去のものになりました。

現在、仮想エンジニアリングにより、チームは複数の並列パスを使用してマシンがどのように動作するかを設計できるため、開発サイクルと市場投入までの時間が大幅に短縮されます。デジタル ツイン (マシンの仮想表現) を作成することで、各部門が独自に作業し、チームの他のメンバーと同時に部品や制御を開発できます。

デジタル ツインを使用すると、エンジニアはマシンのさまざまな設計やマシン テクノロジを迅速にテストできます。たとえば、プロセスでは、必要な量が収集されるまで材料を機械フィードに供給し、その後材料を切断する必要があるとします。つまり、材料を切断する必要があるときはいつでも送り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にはいくつかの方法があり、それらはすべてマシン全体の動作に影響を与える可能性があります。さまざまな改善策を試したりコンポーネントを再配置したりして、それが運用にどのような影響を与えるかを確認することは、デジタル ツインを使用すると簡単であり、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を使用すると、設計チーム全員が、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して特定の目標を達成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、および高速な出力とスループットを備えた複雑な設計により、システム トポロジも同様に複雑になります。集中型のコントローラーベースの自動化か、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。マシンが行うこと (全体的な機能とローカルな機能の両方) は、集中トポロジを選択するか分散トポロジ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、周囲条件、さらには設置時間もこの決定に影響します。

一元化された自動化。複雑な機械の調整されたモーション制御を実現する最良の方法は、コントローラーベースの自動化を使用することです。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を駆動します。

コントローラー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。動きが機械の中心であり、すべての部品が同期する必要がある場合、これは理想的なトポロジです。たとえば、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場所にあることが重要な場合は、コントローラー ベースの自動化を選択する可能性があります。

分散型自動化。よりコンパクトな機械と機械モジュールにより、分散モーション制御により機械制御の負荷が軽減または排除されます。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、マシンの一部がタスクの完了を担当でき、中央制御に常に報告する必要がない場合に理想的です。代わりに、マシンの各部分は迅速かつ独立して実行され、タスクが完了した場合にのみ報告されます。このような構成では各デバイスが独自の負荷を処理するため、マシン全体がより多くの分散処理能力を活用できます。

集中管理と分散管理。集中型オートメーションは調整を提供し、分散型オートメーションはより効率的な分散処理能力を提供しますが、場合によっては両方の組み合わせが最良の選択となります。最終的な決定は、コスト/価値、スループット、効率、長期にわたる信頼性、安全仕様に関連する目標を含む包括的な要件によって決まります。

プロジェクトが複雑になるほど、さまざまな側面についてアドバイスを提供できるモーション コントロール エンジニアリング パートナーを持つことがより重要になります。機械メーカーがビジョンを持ち、自動化パートナーがツールを持ち込むとき、それが最適なソリューションを導き出すことになります。

【マシンネットワーク】

クリーンで将来性のある相互接続を確立することも、モーション コントロールを念頭に置いた設計における重要なステップです。通信プロトコルは、コンポーネントが何を行うかだけでなく、すべてを接続する方法でもあるため、モーターやドライブの配置場所と同じくらい重要です。

適切な設計では、ワイヤの数が減り、ワイヤを配線する必要がある距離も減少します。たとえば、リモート端末に接続されている 10 ～ 15 本のワイヤのセットを、EtherCAT などの産業用通信プロトコルを使用した Ethernet 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、どちら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があることを確認してください。適切な通信バスを選択し、すべてをどのように配置するかを計画しておくと、将来の拡張がはるかに簡単になります。

最初からキャビネット内部に優れたデザインを構築することに集中してください。たとえば、磁気干渉の影響を受ける可能性のある電子コンポーネントの近くに電源を置かないでください。高電流または高周波数のコンポーネントは、ワイヤ内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、高電圧コンポーネントを低電圧コンポーネントから遠ざけてください。さらに、ネットワークが安全性評価されているかどうかを確認してください。そうでない場合は、一部の部品に障害が発生した場合に、その部品自体の障害を検出して対応できるように、配線による冗長安全接続が必要になる可能性があります。

産業用モノのインターネット (IIoT) が定着するにつれて、貴社または貴社の顧客がまだ使用する準備ができていない高度な機能を追加することを検討してください。マシンに機能を組み込むということは、後でそのマシンをアップグレードするのが簡単になることを意味します。

【ソフトウェア】

業界の推計によると、OEM がマシン開発時間の 50 ～ 60% をソフトウェア要件に重点的に費やす必要が生じるまで、そう長くはかからないでしょう。機構重視からインターフェイス重視への進化により、小規模な機械メーカーは競争上不利な立場に置かれますが、モジュール式ソフトウェアや標準化されたオープン プロトコルを積極的に採用する企業にとって競争の場を平等にすることもできます。

ソフトウェアがどのように編成されているかによって、現在および将来にわたってマシンが実行できることが拡張または制限される可能性があります。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も機械構築の速度と効率を向上させます。

たとえば、機械を設計していて、2 つのフェーズの間に追加のステップを追加したいとします。モジュール型ソフトウェアを使用している場合は、再プログラミングや再コーディングを行わなくても、コンポーネントを追加するだけで済みます。また、同じことを行う 6 つのセクションがある場合、コードを 1 回作成すれば、そのコードを 6 つのセクションすべてで使用できます。

モジュール式ソフトウェアを使用すると、設計が効率化されるだけでなく、エンジニアが顧客が求める柔軟性を提供できるようになります。たとえば、顧客がさまざまなサイズの製品を実行するマシンを望んでおり、最大のサイズでは 1 つのセクションの機能を変更する必要があるとします。モジュール式ソフトウェアを使用すると、設計者はマシンの他の機能に影響を与えることなくセクションを変更するだけで済みます。この変更は自動化され、OEM や顧客さえも機械の機能を素早く切り替えることができるようになります。モジュールはすでにマシンに組み込まれているため、再プログラムする必要はありません。

機械製造業者は、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、およびソフトウェア モジュールのポートフォリオを開発すると、構成可能なマシンを迅速に組み立てることが容易になります。

ただし、モジュール型ソフトウェアの効率を最大限に高めるには、特に複数のサプライヤーを使用している場合は、業界標準に従うことが不可欠です。ドライブとセンサーのサプライヤーが業界標準に従っていない場合、そ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際にすべてのモジュール効率が失われます。

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ことを計画している場合は、マシンが他のマシンと連携してクラウド サービスと連携できるように、ソフトウェアが業界標準のプロトコルを使用して作成されていることが重要です。

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、マシン、コントローラー、クラウド、その他の IT デバイス間のほぼリアルタイムの通信を可能にし、おそらく入手できる総合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、2 つのアプリケーションが相互に通信できるようにする、より軽量な IIoT メッセージング プロトコルです。多くの場合、単一の製品で使用され、たと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できるようになります。

【クラウド接続】

相互接続された閉ループのマシンが依然として多数派ですが、クラウドに完全にネットワーク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高める可能性があり、工場ソフトウェアにおける次の大きな変化となります。それはリモート接続から始まります。

クラウドネットワーク化されたプラントは、さまざまなプロセス、さまざまな生産ラインなどからのデータを分析して、生産プロセスのより完全な表現を作成します。これにより、さまざまな生産施設の全体的な設備効率 (OEE) を比較できます。最先端の OEM は、信頼できるオートメーション パートナーと協力して、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。

機械製造業者にとって、モーション コントロールの自動化を使用し、総合的でトータル プロセスの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、より多くのビジネスを確実に獲得することになります。