O que OEMs e engenheiros de projeto precisam saber sobre motores, acionamentos e controladores.

Quer os designers estejam aprimorando uma máquina centrada em movimento ou construindo uma nova, é essencial que comecem com o controle de movimento em mente. A partir daí, poderão desenvolver o projeto em torno da melhor maneira de obter uma automação eficaz e eficiente.

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 em suporte às funções principais.

Isso parece o básico da Engenharia de Projetos, mas com as pressões de tempo de lançamento no mercado e equipes tradicionalmente divididas 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 design de máquina para reduzir ineficiências, erros e custos, ao mesmo tempo em que possibilitam que os OEMs resolvam os problemas dos clientes em menos tempo.

【O Processo de Design】

Como e para onde as peças são movidas é normalmente onde os engenheiros dedicam a maior parte de seus esforços de engenharia, especialmente no desenvolvimento de máquinas inovadoras. Embora construções inovadoras sejam de longe as mais demoradas, elas costumam oferecer o maior ROI, especialmente se as equipes utilizarem o que há de mais moderno em 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 fornecerá 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 centrada em movimento que possa ajudar a definir os detalhes críticos e determinar a abordagem correta.

Então pergunte: Quais são as funções padrão da máquina? Continuando com o exemplo anterior da máquina de impressão, os controles de tensão e sensor usados ​​para desenrolar o material a ser impresso são bastante padronizados. De fato, cerca de 80% das tarefas de uma máquina nova são variações das tarefas de máquinas anteriores.

O uso de hardware modular e programação de código para atender aos requisitos de engenharia de funções padrão reduz significativamente a quantidade de recursos de design necessários para concluir o projeto. Além disso, utiliza funções comprovadas, aumentando assim a confiabilidade e permitindo que você se concentre em partes mais complexas do design.

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

Em um projeto de design típico, engenheiros mecânicos constroem a estrutura da máquina e seus componentes mecânicos; engenheiros elétricos adicionam a eletrônica, incluindo acionamentos, fios e controles; e, em seguida, 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 no processo de design são gastos refazendo o design com base em alterações ou erros. Felizmente, projetar mecanismos com software CAD e planejamento e design isolados são quase 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 engenheiros testem rapidamente vários projetos para uma máquina, bem como suas tecnologias. Por exemplo, talvez um processo exija que o material seja alimentado na alimentação da máquina até que a quantidade desejada seja coletada e, em seguida, o material seja cortado; isso significa que você precisa descobrir 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. Experimentar diferentes soluções ou realocar componentes para ver como isso afeta as operações é simples com um gêmeo digital e leva a uma prototipagem mais eficiente (e menos).

A engenharia virtual permite que todas as equipes de design vejam como toda a máquina e seus conceitos sobrepostos trabalham juntos para atingir um ou mais objetivos específicos.

【Selecionando a Topologia】

Projetos complexos com diversas funções, mais de um eixo de movimento e movimento multidimensional, além de saída e rendimento mais rápidos, tornam a topologia do sistema igualmente complexa. A escolha entre automação centralizada, baseada em controlador, ou automação descentralizada, baseada em acionamento, depende da máquina que está sendo projetada. O que a máquina faz, tanto suas funções gerais quanto locais, afeta a escolha entre uma topologia centralizada ou descentralizada. O espaço do gabinete, o tamanho da máquina, as condições ambientais e até mesmo o tempo de instalação também influenciam essa decisão.

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

Com a automação baseada em controlador, vários eixos de movimento podem ser coordenados para executar uma tarefa complexa. A topologia ideal é aquela em que o movimento é o cerne da máquina e todas as peças precisam ser sincronizadas. Por exemplo, se for crucial que cada eixo de movimento esteja em um local específico para posicionar corretamente um braço robótico, você provavelmente escolherá a automação baseada em controlador.

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

A automação descentralizada é ideal quando uma parte da máquina pode assumir a responsabilidade pela conclusão de uma tarefa e não precisa se reportar constantemente ao controle central. Em vez disso, cada parte da máquina executa de forma rápida e independente, reportando somente após a conclusão da tarefa. Como cada dispositivo lida com sua própria carga nesse arranjo, a máquina como um todo pode se beneficiar de um poder de processamento mais distribuído.

Controle centralizado e descentralizado. Embora a automação centralizada proporcione coordenação e a descentralizada proporcione um poder de processamento distribuído mais eficiente, uma combinação de ambas às vezes é a melhor escolha. A decisão final depende de requisitos abrangentes, incluindo metas relacionadas a: Custo/valor, Taxa de transferência, Eficiência, Confiabilidade ao longo do tempo e Especificações de segurança.

Quanto mais complexo o projeto, mais importante é ter um parceiro de engenharia de controle de movimento que possa aconselhar sobre os diferentes aspectos. Quando o fabricante da máquina traz a visão e o parceiro de automação traz as ferramentas, é aí que você obtém a melhor solução.

【Rede de Máquinas】

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

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

Concentre-se em construir um bom design interno do gabinete desde o início. Por exemplo, não coloque fontes de alimentação perto de componentes eletrônicos que possam ser afetados por interferência magnética. Componentes com altas correntes ou frequências podem gerar ruído elétrico nos fios. Portanto, mantenha componentes de alta tensão longe de componentes de baixa tensão para um melhor funcionamento. Além disso, verifique se sua rede possui classificação de segurança. Caso contrário, você provavelmente precisará de conexões de segurança redundantes com fiação para que, se uma parte falhar, ela detecte sua própria falha e reaja.

À medida que a Internet Industrial das Coisas (IIoT) se consolida, considere adicionar funções avançadas que você ou seus clientes talvez não estejam prontos para usar. Incorporar esses recursos à máquina facilitará a atualização posterior.

【Software】

Segundo estimativas do setor, em breve os OEMs precisarão dedicar de 50% a 60% do seu tempo de desenvolvimento de 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, digamos que você esteja projetando uma máquina e queira adicionar uma etapa extra entre duas fases. Se estiver usando um software modular, você pode simplesmente adicionar um componente sem reprogramar ou recodificar. E, se você tiver seis seções fazendo a mesma coisa, você pode escrever o código uma vez e usá-lo em todas as seis seções.

Projetar com software modular não só é mais eficiente, como também permite que os engenheiros ofereçam a flexibilidade que os clientes desejam. Por exemplo, digamos que o cliente deseja uma máquina que processe produtos de diferentes tamanhos, e o tamanho maior exige uma mudança no funcionamento de uma seção. Com o software modular, os projetistas podem simplesmente trocar a seção sem afetar as demais funções da máquina. Essa mudança pode ser automatizada para permitir que o fabricante, ou mesmo o cliente, alterne rapidamente entre as funções da máquina. Não há nada para reprogramar, pois o módulo já está na máquina.

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

Para obter a máxima eficiência do software modular, no entanto, é essencial seguir os padrões do setor, especialmente se você estiver usando mais de um fornecedor. Se o fornecedor do inversor e do sensor não seguir os padrões do setor, esses componentes não conseguirão se comunicar entre si e toda a eficiência da modularidade será perdida ao descobrir como conectar as peças.

Além disso, se o seu cliente planeja conectar o fluxo de dados a uma rede em nuvem, é essencial que todo software seja criado usando protocolos padrões 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 o mais próximo de uma infraestrutura de comunicação holística que se pode obter. O MQTT é um protocolo de mensagens IIoT mais leve que permite que duas aplicações se comuniquem. É frequentemente usado em um único produto — permitindo, por exemplo, que um sensor ou um driver extraia informações de um produto e as envie para a nuvem.

【Conectividade em Nuvem】

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

Plantas conectadas em nuvem analisam dados de diferentes processos, diferentes linhas de produção e muito mais para criar representações mais completas do processo de produção. Isso permite comparar a eficácia geral do equipamento (OEE) de diferentes instalações de produção. OEMs de ponta trabalham com parceiros de automação confiáveis ​​para oferecer máquinas prontas 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 e de processo total para tornar as fábricas ou empresas dos clientes mais eficientes certamente conquistará mais negócios.