O que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e os engenheiros de projeto precisam saber sobre motores, acionamentos e controladores.

Seja para aprimorar uma máquina centrada em movimento ou para construir uma nova, é essencial que os projetistas comecem considerando o controle de movimento. Dessa forma, podem desenvolver o projeto em torno da melhor maneira de obter uma automação eficaz e eficiente.

As máquinas baseadas em movimento devem ser projetadas e construídas em torno de suas funções principais. Para uma máquina de impressão que depende de um conjunto específico de aplicações de enrolamento, por exemplo, os projetistas se concentrariam nas partes críticas e desenvolveriam o restante da máquina para dar suporte às funções principais.

Isso soa como Engenharia de Projeto 101, mas com a pressão dos prazos de lançamento no mercado e as equipes tradicionalmente compartimentadas em departamentos de mecânica, elétrica e software, é fácil para o projeto voltar a um processo amplamente linear. Projetar com controle de movimento em mente, no entanto, requer uma abordagem mecatrônica que inclui o desenvolvimento dos conceitos iniciais, a determinação da topologia do sistema e da abordagem da máquina, e a seleção da interface de conexão e da arquitetura de software.

Aqui estão alguns aspectos essenciais de motores, acionamentos, controladores e software que os engenheiros devem considerar desde o início de cada projeto de máquina para reduzir ineficiências, erros e custos, permitindo que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) resolvam os problemas dos clientes em menos tempo.

【O Processo de Design】

Normalmente, os engenheiros concentram a maior parte de seus esforços em como e onde as peças se movem, especialmente no desenvolvimento de máquinas inovadoras. Embora as construções inovadoras sejam, de longe, as que consomem mais tempo, elas costumam oferecer o maior retorno sobre o investimento, principalmente se as equipes utilizarem as mais recentes tecnologias de engenharia virtual e projetos modulares.

O primeiro passo ao desenvolver uma máquina do zero é perguntar: Quais são as funções críticas desta máquina? Pode ser criar uma máquina fácil de limpar, de baixa manutenção ou altamente precisa. Identifique a tecnologia que proporcionará a função, o desempenho ou o nível de manutenção necessários.

Quanto mais complexo for o problema a ser resolvido, mais difícil será determinar as funções mais vitais. Considere trabalhar com um fornecedor de automação focado em movimento que possa ajudar a definir os detalhes críticos e determinar a abordagem correta.

Em seguida, pergunte: Quais são as funções padrão da máquina? Mantendo o exemplo da máquina de impressão anterior, os controles de tensão e sensores usados ​​para desenrolar o material a ser impresso são bastante padronizados. Na verdade, cerca de 80% das tarefas de uma máquina nova são variações das tarefas de máquinas anteriores.

A utilização de hardware modular e programação de código para lidar com os requisitos de engenharia de funções padrão reduz significativamente a quantidade de recursos de projeto necessários para concluir o projeto. Além disso, utiliza funções comprovadas pelo tempo, aumentando assim a confiabilidade e permitindo que você se concentre em partes mais complexas do projeto.

Trabalhar com um parceiro de controle de movimento que possa fornecer funções padrão com hardware e software modulares significa que você pode se concentrar nos recursos de valor agregado que diferenciam seu produto da concorrência.

Em um projeto de design típico, os engenheiros mecânicos constroem a estrutura da máquina e seus componentes mecânicos; os engenheiros elétricos adicionam a eletrônica, incluindo acionamentos, fios e controles; e, por fim, os engenheiros de software escrevem o código. Sempre que há um erro ou problema, a equipe do projeto precisa voltar atrás e corrigi-lo. Muito tempo e energia são gastos no processo de design refazendo o projeto com base em mudanças ou erros. Felizmente, o design mecânico com software CAD e o planejamento e design isolados são praticamente coisas do passado.

Hoje, a engenharia virtual permite que as equipes projetem o funcionamento das máquinas usando vários caminhos paralelos, reduzindo drasticamente o ciclo de desenvolvimento e o tempo de lançamento no mercado. Ao criar um gêmeo digital (uma representação virtual da máquina), cada departamento pode trabalhar de forma independente e desenvolver peças e controles simultaneamente com o restante da equipe.

Um gêmeo digital permite que os engenheiros testem rapidamente vários projetos para uma máquina, bem como as tecnologias utilizadas. Por exemplo, imagine que um processo exija que o material seja alimentado em uma máquina até que a quantidade desejada seja coletada e, em seguida, o material seja cortado; isso significa que você precisa encontrar uma maneira de interromper a alimentação sempre que o material precisar ser cortado. Existem várias maneiras de lidar com esse desafio, e todas elas podem afetar o funcionamento geral da máquina. Testar diferentes soluções ou realocar componentes para verificar como isso afeta as operações é simples com um gêmeo digital e leva a uma prototipagem mais eficiente (e em menor quantidade).

A engenharia virtual permite que as equipes de projeto vejam como toda a máquina e seus conceitos interligados funcionam em conjunto para atingir um ou mais objetivos específicos.

【Selecionando a Topologia】

Projetos complexos com diversas funções, mais de um eixo de movimento e deslocamento multidimensional, além de maior produtividade e rendimento, tornam a topologia do sistema igualmente complexa. A escolha entre automação centralizada, baseada em controlador, ou automação descentralizada, baseada em inversores de frequência, depende da máquina em questão. As funções da máquina, tanto gerais quanto locais, influenciam a decisão entre uma topologia centralizada e uma descentralizada. Espaço no painel, tamanho da máquina, condições ambientais e até mesmo o tempo de instalação também afetam essa decisão.

Automação centralizada. A melhor maneira de obter controle de movimento coordenado para máquinas complexas é com automação baseada em controladores. Os comandos de controle de movimento são geralmente encaminhados para servoinversores específicos por meio de um barramento padronizado em tempo real, como o EtherCAT, e os inversores acionam todos os motores.

Com a automação baseada em controladores, vários eixos de movimento podem ser coordenados para executar uma tarefa complexa. Essa topologia é ideal se o movimento for essencial para a máquina e todas as partes precisarem estar sincronizadas. Por exemplo, se for crucial que cada eixo de movimento esteja em uma posição específica para posicionar corretamente um braço robótico, provavelmente você optará pela automação baseada em controladores.

Automação descentralizada. Com máquinas e módulos de máquinas mais compactos, o controle de movimento descentralizado reduz ou elimina a carga nos controles da máquina. Em vez disso, inversores de frequência menores assumem as responsabilidades de controle descentralizado, um sistema de E/S avalia os sinais de controle e um barramento de comunicação, como o EtherCAT, forma uma rede de ponta a ponta.

A automação descentralizada é ideal quando uma parte da máquina pode assumir a responsabilidade de concluir uma tarefa e não precisa se reportar constantemente ao controle central. Em vez disso, cada parte da máquina opera de forma rápida e independente, reportando apenas quando sua tarefa estiver concluída. Como cada dispositivo lida com sua própria carga nesse tipo de configuração, a máquina como um todo pode aproveitar melhor o poder de processamento distribuído.

Controle centralizado e descentralizado. Embora a automação centralizada proporcione coordenação e a descentralizada ofereça maior eficiência no processamento distribuído, uma combinação de ambas é, por vezes, a melhor opção. A decisão final depende dos requisitos gerais, incluindo objetivos relacionados a: custo/benefício, produtividade, eficiência, confiabilidade ao longo do tempo e especificações de segurança.

Quanto mais complexo o projeto, mais importante se torna contar com um parceiro de engenharia de controle de movimento que possa oferecer consultoria sobre os diferentes aspectos. Quando o fabricante da máquina traz a visão e o parceiro de automação contribui com as ferramentas, é aí que se obtém a melhor solução.

【Redes de Máquinas】

Estabelecer uma interconectividade limpa e preparada para o futuro também é um passo fundamental no projeto com foco no controle de movimento. O protocolo de comunicação é tão essencial quanto a localização dos motores e acionadores, pois não se trata apenas do que os componentes fazem, mas também de como tudo se conecta.

Um bom projeto reduz o número de fios e a distância que eles precisam percorrer. Por exemplo, um conjunto de 10 a 15 fios conectados a um terminal remoto poderia ser substituído por um cabo Ethernet usando um protocolo de comunicação industrial como o EtherCAT. Ethernet não é a única opção, mas, independentemente da que você escolher, certifique-se de ter as ferramentas ou barramentos de comunicação adequados para poder usar protocolos comuns. Escolher um bom barramento de comunicação e ter um plano de como tudo será organizado facilita muito as expansões futuras.

Desde o início, priorize um bom projeto interno do gabinete. Por exemplo, evite colocar fontes de alimentação próximas a componentes eletrônicos que possam sofrer interferência magnética. Componentes com altas correntes ou frequências podem gerar ruído elétrico na fiação. Portanto, para um melhor funcionamento, mantenha componentes de alta tensão afastados de componentes de baixa tensão. Além disso, verifique se sua rede possui certificação de segurança. Caso contrário, provavelmente será necessário instalar conexões de segurança redundantes com fio, para que, se uma parte falhar, o sistema detecte a própria falha e reaja.

Com a consolidação da Internet Industrial das Coisas (IIoT), considere adicionar funções avançadas que você ou seus clientes talvez ainda não estejam prontos para usar. Incorporar essas funcionalidades à máquina significa que será mais fácil atualizá-la posteriormente.

【Software】

Segundo estimativas da indústria, não demorará muito para que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) precisem dedicar de 50% a 60% do tempo de desenvolvimento de suas máquinas aos requisitos de software. A evolução do foco na mecânica para o foco na interface coloca os fabricantes de máquinas menores em desvantagem competitiva, mas também pode nivelar o campo de atuação para empresas dispostas a adotar software modular e protocolos abertos e padronizados.

A forma como o software é organizado pode expandir ou limitar o que uma máquina pode fazer agora e no futuro. Assim como o hardware modular, o software modular melhora a velocidade e a eficiência da construção de máquinas.

Por exemplo, imagine que você está projetando uma máquina e deseja adicionar uma etapa extra entre duas fases. Se estiver usando um software modular, você pode simplesmente adicionar um componente sem precisar reprogramar ou recodificar. E, se você tiver seis seções que realizam a mesma função, poderá escrever o código uma única vez e utilizá-lo em todas as seis seções.

O software modular não só torna o projeto mais eficiente, como também permite que os engenheiros ofereçam a flexibilidade que os clientes desejam. Por exemplo, imagine que o cliente queira uma máquina capaz de processar produtos de diferentes tamanhos, e o maior tamanho exija uma alteração no funcionamento de uma seção específica. Com o software modular, os projetistas podem simplesmente trocar a seção sem afetar as demais funções da máquina. Essa troca pode ser automatizada, permitindo que o fabricante original (OEM), ou mesmo o próprio cliente, alterne rapidamente entre as funções da máquina. Não há nada para reprogramar, pois o módulo já está integrado à máquina.

Os fabricantes de máquinas podem oferecer uma máquina básica padrão com recursos opcionais para atender às necessidades específicas de cada cliente. O desenvolvimento de um portfólio de módulos mecânicos, elétricos e de software facilita a montagem rápida de máquinas configuráveis.

Para obter a máxima eficiência do software modular, é essencial seguir os padrões da indústria, principalmente se você estiver usando mais de um fornecedor. Se o fornecedor do driver e do sensor não seguir os padrões da indústria, esses componentes não poderão se comunicar entre si e toda a eficiência da modularidade será perdida na busca por soluções para conectar as peças.

Além disso, se o seu cliente planeja conectar o fluxo de dados a uma rede em nuvem, é essencial que qualquer software seja criado usando protocolos padrão do setor, para que a máquina possa funcionar com outras máquinas e interagir com serviços em nuvem.

OPC UA e MQTT são as arquiteturas de software padrão mais comuns. O OPC UA permite a comunicação quase em tempo real entre máquinas, controladores, a nuvem e outros dispositivos de TI, sendo provavelmente a opção mais próxima de uma infraestrutura de comunicação holística. O MQTT é um protocolo de mensagens IIoT mais leve que permite a comunicação entre duas aplicações. É frequentemente utilizado em um único produto, permitindo, por exemplo, que um sensor ou um inversor de frequência colete informações de um produto e as envie para a nuvem.

【Conectividade em Nuvem】

Máquinas interconectadas e de circuito fechado ainda são maioria, mas fábricas totalmente conectadas à nuvem estão ganhando popularidade. Essa tendência pode elevar o nível de manutenção preditiva e produção orientada por dados, e representa a próxima grande mudança no software de fábrica; tudo começa com a conectividade remota.

As fábricas conectadas em nuvem analisam dados de diferentes processos, linhas de produção e muito mais para criar representações mais completas do processo produtivo. Isso permite comparar a eficiência global do equipamento (OEE) de diversas instalações de produção. Fabricantes de equipamentos originais (OEMs) de ponta trabalham com parceiros de automação confiáveis ​​para oferecer máquinas preparadas para a nuvem com recursos modulares da Indústria 4.0, capazes de enviar os dados que os usuários finais precisam.

Para os fabricantes de máquinas, usar a automação de controle de movimento e adotar uma abordagem holística de processo total para tornar as fábricas ou empresas dos clientes mais eficientes certamente resultará em mais negócios.