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

Quer os projetistas estejam melhorando uma máquina centrada no movimento ou construindo uma nova, é essencial que comecem com o controle de movimento em mente. Em seguida, eles podem desenvolver o design em torno da melhor maneira de obter 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 peças críticas e desenvolveriam o restante da máquina para dar suporte às funções principais.

Isso soa como Design Engineering 101, mas com as pressões de tempo de lançamento no mercado e as equipes tradicionalmente isoladas em departamentos mecânicos, elétricos e de software, é fácil para o projeto reverter para um processo amplamente linear. Projetar com o controle de movimento em mente, entretanto, requer uma abordagem mecatrônica que inclui o desenvolvimento dos conceitos iniciais, a determinação da topologia do sistema e a abordagem da máquina, e a seleção da interface de conexão e da arquitetura do software.

Aqui estão alguns aspectos essenciais de motores, drives, controladores e software que os engenheiros devem considerar desde o início de cada projeto de projeto de máquina para reduzir ineficiências, erros e custos, ao mesmo tempo que possibilita que os OEMs resolvam os problemas dos clientes em menos tempo.

【O Processo de Design】

Como e onde as peças se movem é normalmente onde os engenheiros dedicam a maior parte do seu esforço de engenharia, especialmente no desenvolvimento de máquinas inovadoras. Embora construções inovadoras sejam de longe as mais demoradas, elas geralmente oferecem o maior ROI, especialmente se as equipes fizerem uso do 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? Poderia ser a fabricação de uma máquina que seja 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 centrado em movimento que possa ajudar a definir os detalhes críticos e determinar a abordagem correta.

Depois 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 que está sendo impresso são bastante padronizados. Na verdade, cerca de 80% das tarefas de uma nova máquina são variações de tarefas de máquinas anteriores.

O uso de hardware modular e programação de código para lidar com os requisitos de engenharia para funções padrão reduz significativamente a quantidade de recursos de design necessários para concluir o projeto. Ele também usa funções comprovadas, 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 pode fornecer funções padrão com hardware e software modulares significa que você pode se concentrar nos recursos de valor agregado que distinguem seu produto dos da concorrência.

Num projeto típico, os engenheiros mecânicos constroem a estrutura da máquina e seus componentes mecânicos; os engenheiros elétricos adicionam os componentes eletrônicos, incluindo drives, fios e controles; e então os engenheiros de software escrevem o código. Cada vez 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 mecânica com software CAD e planejar e projetar isolados são quase coisas do passado.

Hoje, a engenharia virtual permite que as equipes projetem como as máquinas funcionarão usando vários caminhos paralelos, reduzindo assim 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 por conta própria e desenvolver peças e controles simultaneamente com o restante da equipe.

Um gêmeo digital permite que os engenheiros testem rapidamente vários projetos de uma máquina, bem como as tecnologias de sua máquina. Por exemplo, talvez um processo exija que o material seja alimentado na alimentação de uma máquina até que a quantidade desejada seja coletada e então o material seja cortado; isso significa que você deve descobrir uma maneira de interromper o avanço 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. Tentar soluções diferentes 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 projeto vejam como toda a máquina e seus conceitos sobrepostos funcionam juntos para atingir uma meta ou metas específicas.

【Selecionando a Topologia】

Projetos complexos com diversas funções, mais de um eixo de movimento e movimento multidimensional e saída e rendimento mais rápidos tornam a topologia do sistema igualmente complicada. A escolha entre automação centralizada baseada em controlador ou automação descentralizada baseada em drive depende da máquina que está sendo projetada. O que a máquina faz, tanto suas funções gerais quanto locais, afeta a escolha da topologia centralizada ou descentralizada. O espaço do gabinete, o tamanho da máquina, as condições ambientais e até mesmo o tempo de instalação também afetam esta 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 são geralmente encaminhados para servoinversores específicos através de um barramento padronizado em tempo real, como o 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. É uma topologia ideal se o movimento estiver no centro da máquina e todas as peças precisarem ser sincronizadas. Por exemplo, se for fundamental 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 nos controles da máquina. Em vez disso, inversores menores assumem 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 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 reportar constantemente ao controle central. Em vez disso, cada parte da máquina funciona de forma rápida e independente, informando apenas quando a tarefa é concluída. Como cada dispositivo lida com sua própria carga nesse arranjo, a máquina como um todo pode aproveitar um poder de processamento mais distribuído.

Controle centralizado e descentralizado. Embora a automação centralizada forneça coordenação e a descentralizada forneça 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, Rendimento, Eficiência, Confiabilidade ao longo do tempo, 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 com controle de movimento em mente. O protocolo de comunicação é tão essencial quanto a localização dos motores e inversores, porque não se trata apenas do que os componentes fazem – mas também de como você conecta tudo.

Um bom design 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 poderia ser substituído por um cabo Ethernet usando um protocolo de comunicação industrial como o EtherCAT. Ethernet não é a única opção, mas seja qual for a que 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 organizado facilita muito as futuras expansões.

Concentre-se em construir um bom design dentro 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 ruídos elétricos nos fios. Portanto, mantenha os componentes de alta tensão longe dos componentes de baixa tensão para melhor operação. Além disso, descubra se sua rede tem classificação de segurança. Caso contrário, você provavelmente precisará de conexões de segurança redundantes com fio para que, se uma peça 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 os recursos na máquina significa que será mais fácil atualizá-la posteriormente.

【Software】

De acordo com estimativas da indústria, não demorará muito para que os OEMs precisem gastar 50-60% do seu tempo de desenvolvimento de máquinas focados em 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 software modular, você pode simplesmente adicionar um componente sem reprogramar ou recodificar. E, se você tiver seis seções fazendo a mesma coisa, poderá escrever o código uma vez e usá-lo em todas as seis seções.

O design 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 queira uma máquina que opere produtos de tamanhos diferentes e que o tamanho maior exija uma mudança no funcionamento de uma seção. Com o software modular, os projetistas podem simplesmente alterar a seção sem afetar o restante das funções da máquina. Essa mudança poderia ser automatizada para permitir que o OEM, ou mesmo o cliente, alternasse rapidamente entre as funções da máquina. Não há nada para reprogramar porque o módulo já está na máquina.

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

No entanto, para obter o máximo de eficiência do software modular, 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 da indústria, esses componentes não poderão se comunicar entre si e todas as eficiências de modularidade serão perdidas 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 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. OPC UA permite a comunicação quase em tempo real entre máquinas, controladores, a nuvem e outros dispositivos de TI e é provavelmente o mais próximo que você pode chegar de uma infraestrutura de comunicação holística. MQTT é um protocolo de mensagens IIoT mais leve que permite que dois aplicativos se comuniquem. Geralmente é usado em um único produto – permitindo, por exemplo, que um sensor ou unidade extraia informações de um produto e as envie para a nuvem.

【Conectividade em nuvem】

As máquinas interconectadas e de circuito fechado ainda são a maioria, mas as fábricas totalmente conectadas à nuvem estão crescendo em popularidade. Essa tendência poderá aumentar o nível de manutenção preditiva e produção orientada por dados e é a próxima grande mudança no software de fábrica; tudo começa com conectividade remota.

As fábricas em rede na 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 diversas instalações de produção. OEMs de ponta trabalham com parceiros de automação confiáveis ​​para oferecer máquinas prontas para nuvem com recursos modulares da Indústria 4.0 que podem enviar os dados de 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 gerará mais negócios.