今日の製造システムOEMや自動化エンドユーザーは、業務効率化に役立つ技術革新を常に求めています。インダストリー4.0のイノベーションは、デジタルエレクトロニクスと通信インターフェースを組み合わせた、より高度な機能と使いやすさを実現した新たなスマートテクノロジーを生み出しました。

製造業各社がインダストリー4.0対応技術を採用するにつれ、新たなスマートメカトロニクス技術によって機械の知能と汎用性が向上している。これらの先進システムは、従来のシステムに比べて仕様策定、発注、導入が容易であり、OEMメーカーやエンドユーザーにとっての価値を高めている。

スマートメカトロニクスの能力を理解することで、システム設計エンジニアは、これらのメカトロニクスをどのように活用すれば製造ソリューションの競争力を最大限に高められるかを評価するのに役立つ。

現代のメカトロニクスは統合されており、多用途である。

メカトロニクスとは、異なる機械部品と電子部品を組み合わせて、特定のタスクに特化したソリューションを提供するシステムおよびサブアセンブリのことです。モーションの世界では、製品の組み立てや搬送といった用途が、メカトロニクスリニアモーションシステムや直交ロボットによって実現されています。メカトロニクスの核となるのは、電子モーター、制御装置、センサー、リニアコンポーネントの緊密な統合です。メカトロニクスは、インダストリー4.0技術の先駆けと言えるでしょう。

スマートメカトロニクスは、この概念をさらに発展させ、高度なセンサーと操作しやすい制御プラットフォームを組み込んだ包括的なソリューションという形をとります。これらのシステムは以下の利点をもたらします。

・機械性能に関するリアルタイムデータ
・該当する場合の製造品質に関するリアルタイムデータ
・動作シーケンスの精密な制御と実行
・生産データとスループットの自動追跡
・機械レベルおよび工場全体の管理システムとの容易な接続

スマートメカトロニクスのステップ1：オンライン構成

スマートメカトロニクスは、従来のメカトロニクスシステムに比べて、設計と試運転がより迅速かつ容易です。これは、メカトロニクスが本質的に非常に複雑であるため、複数の線形コンポーネント、駆動装置、コントローラ、オペレータインターフェースを同時に検討し、サイズを決定し、それらを慎重に組み合わせる必要があることを考えると、非常に有益です。

スマートメカトロニクスマシンの仕様策定、購入、試運転における最初のステップは、サプライヤーポータルからアクセスできるオンラインツールを活用することです。これらの構成ツールを使用すると、エンジニアは最小限のプログラミングで「すぐに使える」インテリジェントシステムを構築できます。そのため、電気および流体動力によるアクチュエーション（直線運動を含む）とモーションコントロールの基本的な理解しかないエンジニアにとって特に役立ちます。ユーザーは、ストローク、ワークピースの重量、サイクルタイムなどのパラメータを入力すると、オンラインツールのCAD環境で検証できる出力が生成されます。次のサイジングとコンフィギュレータのプロンプトに従って、直交ロボット、プレス機、接合機など、完全なメカトロニクスソリューションのすべてのコンポーネントを一度に指定できます。これは、エンジニアが単一のサプライヤーから完全なソリューションを入手し、事前にプログラムされたモーションシーケンスが組み込まれた統合システムを出荷して、プラグアンドプロダクションで実装できるオプションです。

よりスマートでシンプルな運用管理

スマートメカトロニクスは、通常、リアルタイムの状態監視のためのセンサーを備えた「透明な」生産プロセスによって、生産性と柔軟性を向上させることができる。

こうした監視をサポートするために、一部のメーカーが操作に特化したメカトロニクス機能キットを提供していることを考えてみてください。例えば、プレス機用の機能キットには、プレスおよび接合組立作業をサポートするために、電気機械式シリンダー、サーボドライブ、モーター、コントローラー、センサー、およびオペレーターソフトウェアが含まれている場合があります。このような機能キットを使用して構築された機械は、コンポーネントに操作ソフトウェアがプリインストールされており、サーボドライブ上で実行可能な自動パラメータ設定も用意されているため、簡単に導入できます。そのため、機械をオンラインにするためにモーションコントロールのプログラミング知識は必要ありません。ソフトウェアには、オペレーターが直感的に生産シーケンスを構築できるドラッグアンドドロップ式のグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）が備わっています。例えば、ベアリングをハウジングにプレスするといったシーケンスです。

さらに、この機械には、動作を測定および追跡するための統合型力センサを搭載できます。たとえば、ベアリングプレス用途では、このようなセンサがリニアアクチュエータを追跡し、ボールをベアリングハウジングに挿入するために正確な力が加えられていることを確認できます。一方、システム制御は、アクチュエータが精密に制御されたシーケンスを正しく実行していることを確認することで、品質管理も実行できます。プレス機では、このようなシーケンスが通常1時間に数百回、あるいは数千回繰り返されるため、システムのコントローラは各動作サイクルの測定値を記録し、ストレージに転送します。オペレーターは、コントローラパッケージのツールを使用して、プロセス結果を視覚化できます。これにより、プレス力がプロセスのしきい値を超えたか、満たさなかったかをマッピングしたり、作業ステーションで力-変位曲線をリアルタイムで分析したりできます。このようなデータにより、熟練した機械オペレーターは、専門のソフトウェアエンジニアによる特別なプログラミングや品質分析開発を行うことなく、最高の製造品質と生産性を維持できます。

さらに、システムインターフェースを介して工場全体またはクラウドベースの製造分析システムにデータをエクスポートすることも可能であり、これによりスマートメカトロニクスシステムは企業のインダストリー4.0プラットフォームの不可欠な構成要素となる。

同様の機能は、ピックアンドプレースや搬送作業用の直交座標系ハンドリングロボットなどの直線運動システムを含む、他の工場自動化シナリオにも展開されています。これらのシステムは、同様のオンライン構成ツールを使用して、完全なハンドリングシステムに必要なすべての直線モジュール、アクチュエータ、エンドエフェクタ、ケーブル、センサー、電動ドライブ、およびコントローラのサイズと仕様を決定します。

スマートメカトロニクスの応用例

スマートメカトロニクスは、高度な技術がいかに複雑なエンジニアリング問題をよりシンプルな方法で解決できるかを示しています。一般的な産業分野では、機械メーカーは従来、リニアアクチュエータ、コントローラ、電源、エンドエフェクタなどの個別のコンポーネントを発注・統合することで、独自のメカトロニクスアセンブリを開発しようとしてきました。しかし、このプロセスは煩雑で時間のかかるものになりがちです。

多くの企業やシステムインテグレーターでは、機械工学グループが部品の仕様策定と発注を担当し、電気グループが部品の発注を担当するのが一般的です。このような体制は購買部門にとってより困難な作業となり、エンジニアリングスタッフは、それらを物理的に組み合わせ、仕様どおりに動作するようにプログラミングする役割を担います。

スマートメカトロニクスという概念は、このパラダイムを変革し、エンジニアがより複雑で高度な設計課題に時間とリソースを投入できるようにします。スマートメカトロニクス技術がもたらすメリットと利点は、製造業者がインダストリー4.0の要件をサポートするインテリジェンスとセンサー技術を組み込んだ、より生産準備の整ったシステムを構築する上で役立つことは間違いありません。

スマートメカトロニクスのコンセプトは非常に直感的ですが、高性能なメカトロニクスソリューションを構築するために必要な、リニアモーション製品、コントローラ、サーボドライブ、オペレータソフトウェアなど、あらゆるコンポーネントを網羅した製品ポートフォリオとエンジニアリング専門知識を持つメカトロニクスサプライヤーと協力することが重要です。また、スマートメカトロニクスが約束する使いやすさが最初から最後まで完全に実現されるよう、構成ツールの品質と使いやすさを評価することも重要です。これにより、機械メーカーとエンドユーザーは、スマートメカトロニクスのプラグアンドプレイのメリットを業務で最大限に活用できるようになります。