OEMメーカーや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。

設計者が動作中心の機械を改良する場合でも、新しい機械を設計する場合でも、動作制御を念頭に置いて設計を開始することが不可欠です。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。

動作制御型の機械は、その中核となる機能を中心に設計・製造されるべきである。例えば、特定の巻取り動作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、残りの部分は中核機能をサポートするように開発するだろう。

これは設計工学の基礎知識のように聞こえるかもしれませんが、市場投入までの時間的プレッシャーや、従来から機械、電気、ソフトウェアの各部門に分かれているチーム構成では、設計プロセスが直線的なものに陥りがちです。しかし、モーションコントロール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機械構成の決定、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を含むメカトロニクス的なアプローチが必要です。

モーター、ドライブ、コントローラー、ソフトウェアに関して、エンジニアが機械設計プロジェクトの開始時から考慮すべき重要な側面をいくつか紹介します。これらは、非効率性、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です。

【デザインプロセス】

部品がどのように、そしてどこで動くかは、特に革新的な機械を開発する際に、エンジニアが最も多くの労力を費やす部分です。革新的な設計は圧倒的に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やモジュール設計を活用すれば、最大の投資対効果（ROI）が得られることがよくあります。

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だろうか？」と自問することです。例えば、清掃が容易な機械、メンテナンスの手間が少ない機械、あるいは高精度な機械などが挙げられます。必要な機能、性能、またはメンテナンスレベルを実現できる技術を特定しましょう。

解決すべき問題が複雑になればなるほど、最も重要な機能を特定することは難しくなります。重要な詳細を明確にし、適切なアプローチを決定するのに役立つ、モーション制御に特化した自動化ソリューションのサプライヤーと協力することを検討してください。

次に、「この機械の標準機能は何ですか？」と尋ねてみましょう。先ほどの印刷機の例に戻ると、印刷対象物を巻き戻すための張力制御やセンサー制御は、かなり標準的な機能です。実際、新しい機械の作業の約80%は、過去の機械の作業のバリエーションと言えるでしょう。

モジュール式の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を大幅に削減できます。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で、競合他社製品との差別化を図る付加価値の高い機能に集中することができます。

一般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設計し、電気エンジニアが駆動装置、配線、制御装置などの電子機器を追加し、最後に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。設計プロセスでは、変更やミスに基づいて設計をやり直すこと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械設計や、部門ごとに分断された計画と設計は、ほぼ過去のものになりつつあります。

今日、バーチャルエンジニアリングによって、チームは複数の並行した経路を用いて機械の動作方法を設計できるようになり、開発サイクルと市場投入までの時間を劇的に短縮することが可能になりました。デジタルツイン（機械の仮想的な表現）を作成することで、各部門は独立して作業を進めながら、他のチームと並行して部品や制御システムを開発できます。

デジタルツインを使えば、エンジニアは機械の設計や技術を迅速にテストできます。例えば、ある工程では、必要な量の材料が機械の供給口に供給され、その後材料が切断されるとします。つまり、材料を切断する必要があるときに供給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いくつかあり、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。デジタルツインを使えば、さまざまな解決策を試したり、コンポーネントの位置を変更して動作への影響を確認したりすることが容易になり、より効率的な（そしてより少ない）プロトタイプ作成につながります。

バーチャルエンジニアリングを用いることで、設計チーム全員が、機械全体とその構成要素がどのように連携して特定の目標を達成するのかを視覚的に把握できる。

【トポロジーの選択】

複数の機能、複数の動作軸、多次元的な動き、そして高速な出力とスループットを備えた複雑な設計では、システムトポロジーも同様に複雑になります。集中型コントローラベースの自動化と分散型ドライブベースの自動化のどちらを選択するかは、設計対象の機械によって異なります。機械の全体的な機能と局所的な機能の両方が、集中型トポロジーと分散型トポロジー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、周囲環境、さらには設置時間も、この決定に影響を与えます。

集中型自動化。複雑な機械の協調的な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自動化です。動作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送信され、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、複数の動作軸を協調させて複雑なタスクを実行できます。機械の中核に動作があり、すべての部品を同期させる必要がある場合、これは理想的な構成です。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、コントローラーベースの自動化を選択することになるでしょう。

分散型自動化。より小型の機械や機械モジュールを用いることで、分散型モーション制御は機械制御への負荷を軽減または排除します。代わりに、小型のインバータ駆動装置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。

分散型自動化は、機械の一部がタスクの完了を担い、中央制御に常に報告する必要がない場合に理想的です。各部分は迅速かつ独立して動作し、タスクが完了した時点で初めて報告を行います。このような構成では各デバイスが自身の負荷を処理するため、機械全体として分散処理能力をより有効活用できます。

集中制御と分散制御。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するが、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る。最終的な決定は、コスト対価値、スループット、効率性、長期的な信頼性、安全仕様など、包括的な要件に基づいて行われる。

プロジェクトが複雑になればなるほど、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のパートナーを持つことが重要になります。機械メーカーがビジョンを提供し、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、最高の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、クリーンで将来性のある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、重要なのはコンポーネントの機能だけでなく、それらすべてをどのように接続するかだからです。

優れた設計は、配線の本数と配線距離を削減します。例えば、遠隔端末まで伸びる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。イーサネットだけが選択肢ではありませんが、いずれの方式を採用するにしても、共通プロトコルを使用できる適切な通信ツールやバスを用意することが重要です。適切な通信バスを選択し、配線のレイアウトを計画しておくことで、将来の拡張が格段に容易になります。

キャビネット内部の設計は、最初からしっかりと行うことが重要です。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装置を設置しないでください。高電流や高周波の部品は、配線に電気ノイズを発生させる可能性があります。そのため、最適な動作を確保するには、高電圧部品と低電圧部品を離して配置してください。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、いずれかの部品が故障した場合に、その故障を検知して対応できるよう、冗長構成の安全接続をハードワイヤリングで接続する必要があるでしょう。

産業用IoT（IIoT）が普及するにつれ、自社や顧客がまだ十分に活用できる段階ではない高度な機能を追加することを検討すべきです。これらの機能を機械に組み込んでおけば、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】

業界の予測によると、OEMメーカーは間もなく、機械開発時間の50～60%をソフトウェア要件に費やす必要が出てくるだろう。機械設計からインターフェース重視への変化は、小規模な機械メーカーにとって競争上の不利となるが、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を採用する企業にとっては、競争条件を均等化する効果も期待できる。

ソフトウェアの構成方法によって、機械が現在および将来的にできることが拡大したり制限されたりする可能性がある。モジュール式のハードウェアと同様に、モジュール式のソフトウェアは機械構築の速度と効率を向上させる。

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。モジュール式のソフトウェアを使用していれば、再プログラミングやコードの再記述なしに、コンポーネントを簡単に追加できます。また、同じ処理を行うセクションが6つある場合、コードを一度書けば、6つのセクションすべてで使用できます。

モジュール型ソフトウェアは設計効率を高めるだけでなく、顧客が求める柔軟性を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処理できる機械を求めており、最大サイズの製品を処理するには、あるセクションの動作方法を変更する必要があるとします。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、該当セクションを簡単に交換できます。この変更を自動化することで、OEMや顧客自身が機械の機能を迅速に切り替えることが可能になります。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、各顧客固有の要件を満たすために、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、ソフトウェアの各モジュールのポートフォリオを開発することで、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。

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、業界標準に従うことが不可欠です。ドライブや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、部品の接続方法を検討するだけで、モジュール化による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がある場合は、ソフトウェアが業界標準プロトコルを使用して作成されていることが不可欠です。そうすることで、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ースできるようになります。

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、クラウド、その他のITデバイス間でほぼリアルタイムの通信を可能にし、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と言えるでしょう。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、単一の製品内で使用され、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といった用途に用いられます。

【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が人気を集めています。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るでしょう。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は、さまざまなプロセス、生産ラインなどから得られるデータを分析し、生産プロセスのより包括的な全体像を作成します。これにより、さまざまな生産施設の総合設備効率（OEE）を比較することが可能になります。最先端のOEMメーカーは、信頼できる自動化パートナーと協力し、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、モーションコントロールによる自動化を活用し、顧客の工場や企業をより効率的にするために、包括的なプロセス全体のアプローチを採用することは、間違いなくより多くのビジネスを獲得することにつながるだろう。