Orijinal ekipman üreticilerinin ve tasarım mühendislerinin motorlar, sürücüler ve kontrol üniteleri hakkında bilmesi gerekenler.

Tasarımcılar ister hareket odaklı bir makineyi geliştiriyor olsunlar ister yeni bir makine tasarlıyor olsunlar, öncelikle hareket kontrolünü göz önünde bulundurmaları şarttır. Ardından, etkili ve verimli otomasyon elde etmenin en iyi yolunu belirleyerek tasarımı geliştirebilirler.

Hareket tabanlı makineler, temel işlevleri etrafında tasarlanmalı ve üretilmelidir. Örneğin, belirli bir dizi sarma uygulamasına dayanan bir baskı makinesi için tasarımcılar kritik parçalara odaklanmalı ve makinenin geri kalanını temel işlevleri destekleyecek şekilde geliştirmelidir.

Bu, Tasarım Mühendisliği 101 gibi geliyor, ancak pazara sunma süresi baskıları ve ekiplerin geleneksel olarak mekanik, elektrik ve yazılım departmanlarına ayrılması nedeniyle, tasarımın büyük ölçüde doğrusal bir sürece geri dönmesi kolaydır. Bununla birlikte, hareket kontrolünü göz önünde bulundurarak tasarım yapmak, ilk kavramların geliştirilmesini, sistem topolojisinin ve makine yaklaşımının belirlenmesini ve bağlantı arayüzünün ve yazılım mimarisinin seçilmesini içeren bir mekatronik yaklaşım gerektirir.

Mühendislerin her makine tasarım projesinin başından itibaren dikkate alması gereken motorlar, sürücüler, kontrolcüler ve yazılımların bazı temel yönleri şunlardır: Bu sayede verimsizlikler, hatalar ve maliyetler azaltılırken, orijinal ekipman üreticilerinin (OEM'ler) müşteri sorunlarını daha kısa sürede çözmeleri mümkün olur.

【Tasarım Süreci】

Parçaların nasıl ve nereye hareket ettirildiği, özellikle yenilikçi makineler geliştirirken, mühendislerin mühendislik çalışmalarının büyük bir bölümünü harcadığı noktadır. Yenilikçi tasarımlar en çok zaman alan tasarımlar olsa da, özellikle ekipler en son sanal mühendislik ve modüler tasarımlardan yararlanırsa, genellikle en büyük yatırım getirisini sunarlar.

Sıfırdan bir makine geliştirirken atılacak ilk adım şu soruyu sormaktır: Bu makinenin kritik işlevleri nelerdir? Bu, temizlenmesi kolay, az bakım gerektiren veya yüksek hassasiyete sahip bir makine yapmak olabilir. Gerekli işlevi, performansı veya bakım seviyesini sağlayacak teknolojiyi belirleyin.

Çözülmesi gereken sorun ne kadar karmaşık olursa, en hayati fonksiyonları belirlemek de o kadar zor olacaktır. Kritik detayları tanımlamaya ve doğru yaklaşımı belirlemeye yardımcı olabilecek hareket odaklı otomasyon tedarikçisiyle çalışmayı düşünün.

Ardından şu soruyu sorun: Makinenin standart fonksiyonları nelerdir? Daha önceki baskı makinesi örneğine dönecek olursak, baskı yapılacak malzemenin açılması için kullanılan gerilim ve sensör kontrolleri oldukça standarttır. Aslında, yeni bir makinenin görevlerinin yaklaşık %80'i, geçmiş makinelerin görevlerinin varyasyonlarıdır.

Modüler donanım ve kod programlaması kullanarak standart işlevler için mühendislik gereksinimlerini karşılamak, projenin tamamlanması için gereken tasarım kaynaklarının miktarını önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, zaman içinde kendini kanıtlamış işlevleri kullandığı için güvenilirliği artırır ve tasarımın daha karmaşık kısımlarına odaklanmanızı sağlar.

Modüler donanım ve yazılımla standart işlevler sunabilen bir hareket kontrol ortağıyla çalışmak, ürününüzü rakiplerinden ayıran katma değerli özelliklere odaklanmanızı sağlar.

Tipik bir tasarım projesinde, makine mühendisleri makinenin yapısını ve mekanik bileşenlerini oluşturur; elektrik mühendisleri sürücüler, kablolar ve kontroller de dahil olmak üzere elektronik bileşenleri ekler; ve ardından yazılım mühendisleri kodu yazar. Herhangi bir hata veya sorun olduğunda, proje ekibi geri dönüp düzeltmek zorunda kalır. Tasarım sürecinde, değişikliklere veya hatalara bağlı olarak tasarımı yeniden yapmak için çok fazla zaman ve enerji harcanır. Neyse ki, CAD yazılımıyla mekanik tasarım yapmak ve birbirinden bağımsız planlama ve tasarım neredeyse geçmişte kaldı.

Günümüzde sanal mühendislik, ekiplerin makinelerin nasıl çalışacağını birden fazla paralel yol kullanarak tasarlamasına olanak tanıyarak geliştirme döngüsünü ve pazara sunma süresini önemli ölçüde kısaltmaktadır. Dijital ikiz (makinenin sanal bir temsili) oluşturarak, her departman kendi başına çalışabilir ve parçaları ve kontrolleri ekibin geri kalanıyla eş zamanlı olarak geliştirebilir.

Dijital ikiz, mühendislerin bir makine için çeşitli tasarımları ve makine teknolojilerini hızlı bir şekilde test etmelerini sağlar. Örneğin, bir işlemde, istenen miktar toplanana kadar malzemenin makine beslemesine verilmesi ve ardından malzemenin kesilmesi gerekebilir; bu da malzemenin kesilmesi gerektiğinde beslemeyi durdurmanın bir yolunu bulmanız gerektiği anlamına gelir. Bu zorluğun üstesinden gelmenin birkaç yolu vardır ve bunların hepsi makinenin genel çalışma şeklini etkileyebilir. Farklı çözümler denemek veya bileşenleri yeniden konumlandırarak işlemleri nasıl etkilediğini görmek, dijital ikiz ile basittir ve daha verimli (ve daha az) prototiplemeye yol açar.

Sanal mühendislik, tasarım ekiplerinin tüm makinenin ve onunla örtüşen kavramların belirli bir hedefe veya hedeflere ulaşmak için nasıl birlikte çalıştığını görmelerini sağlar.

【Topolojinin Seçimi】

Birden fazla fonksiyona, birden fazla hareket eksenine ve çok boyutlu harekete sahip karmaşık tasarımlar ile daha hızlı çıktı ve verim, sistem topolojisini de aynı derecede karmaşık hale getirir. Merkezi, kontrolör tabanlı otomasyon veya merkezi olmayan, sürücü tabanlı otomasyon arasında seçim yapmak, tasarlanan makineye bağlıdır. Makinenin hem genel hem de yerel işlevleri, merkezi veya merkezi olmayan topolojiyi tercih edip etmeyeceğinizi etkiler. Kabin alanı, makine boyutu, ortam koşulları ve hatta kurulum süresi de bu kararı etkiler.

Merkezi otomasyon. Karmaşık makineler için koordineli hareket kontrolü sağlamanın en iyi yolu, kontrolör tabanlı otomasyondur. Hareket kontrol komutları genellikle EtherCAT gibi standartlaştırılmış gerçek zamanlı bir veri yolu üzerinden belirli servo invertörlere iletilir ve invertörler tüm motorları çalıştırır.

Kontrolör tabanlı otomasyon ile, karmaşık bir görevi gerçekleştirmek için birden fazla hareket ekseni koordine edilebilir. Hareketin makinenin merkezinde olduğu ve tüm parçaların senkronize edilmesi gerektiği durumlarda ideal bir topolojidir. Örneğin, bir robot kolunu doğru konumlandırmak için her hareket ekseninin belirli bir yerde olması kritik önem taşıyorsa, büyük olasılıkla kontrolör tabanlı otomasyonu tercih edersiniz.

Merkezi olmayan otomasyon. Daha kompakt makineler ve makine modülleriyle, merkezi olmayan hareket kontrolü, makine kontrolleri üzerindeki yükü azaltır veya ortadan kaldırır. Bunun yerine, daha küçük invertör sürücüler merkezi olmayan kontrol sorumluluklarını üstlenir, bir G/Ç sistemi kontrol sinyallerini değerlendirir ve EtherCAT gibi bir iletişim veri yolu uçtan uca bir ağ oluşturur.

Merkezi olmayan otomasyon, makinenin bir bölümünün bir görevi tamamlamaktan sorumlu olduğu ve sürekli olarak merkezi kontrole rapor vermesi gerekmediği durumlarda idealdir. Bunun yerine, makinenin her bölümü hızlı ve bağımsız olarak çalışır ve yalnızca görevi tamamlandığında rapor verir. Bu tür bir düzenlemede her cihaz kendi yükünü üstlendiği için, genel makine daha fazla dağıtılmış işlem gücünden yararlanabilir.

Merkezi ve merkezi olmayan kontrol. Merkezi otomasyon koordinasyon sağlarken, merkezi olmayan otomasyon daha verimli dağıtılmış işlem gücü sağlar; ancak bazen ikisinin birleşimi en iyi seçimdir. Nihai karar, maliyet/değer, verim, verimlilik, zaman içindeki güvenilirlik ve güvenlik özellikleri gibi genel gereksinimlere bağlıdır.

Proje ne kadar karmaşık olursa, farklı yönler hakkında tavsiye verebilecek bir hareket kontrol mühendisliği ortağına sahip olmak o kadar önemlidir. Makine üreticisi vizyonunu, otomasyon ortağı ise araçlarını getirdiğinde, en iyi çözüm elde edilir.

【Makine Ağları】

Hareket kontrolünü göz önünde bulundurarak tasarım yaparken, temiz ve geleceğe dönük bir bağlantı ağı kurmak da önemli bir adımdır. İletişim protokolü, motorların ve sürücülerin nerede konumlandırıldığı kadar önemlidir, çünkü mesele sadece bileşenlerin ne yaptığı değil, aynı zamanda hepsinin nasıl bağlandığıdır.

İyi bir tasarım, kablo sayısını ve kat etmeleri gereken mesafeyi azaltır. Örneğin, uzak bir terminale giden 10 ila 15 kablo, EtherCAT gibi endüstriyel bir iletişim protokolü kullanan bir Ethernet kablosuyla değiştirilebilir. Ethernet tek seçenek değildir, ancak hangisini kullanırsanız kullanın, yaygın protokolleri kullanabilmek için doğru iletişim araçlarına veya veri yollarına sahip olduğunuzdan emin olun. İyi bir iletişim veri yolu seçmek ve her şeyin nasıl yerleştirileceğine dair bir plana sahip olmak, gelecekteki genişlemeleri çok daha kolaylaştırır.

Kabinin iç tasarımına baştan itibaren odaklanın. Örneğin, manyetik girişimden etkilenebilecek elektronik bileşenlerin yakınına güç kaynakları koymayın. Yüksek akım veya frekanslı bileşenler, kablolarda elektriksel gürültü oluşturabilir. Bu nedenle, en iyi çalışma için yüksek voltajlı bileşenleri düşük voltajlı bileşenlerden uzak tutun. Ayrıca, ağınızın güvenlik derecelendirmesine sahip olup olmadığını öğrenin. Değilse, bir parça arızalandığında kendi arızasını algılayıp tepki verecek şekilde kablolu yedek güvenlik bağlantılarına ihtiyacınız olacaktır.

Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIoT) yaygınlaştıkça, sizin veya müşterilerinizin henüz kullanmaya hazır olmadığı gelişmiş işlevleri eklemeyi düşünün. Bu yetenekleri makineye entegre etmek, daha sonra makineyi yükseltmeyi kolaylaştıracaktır.

【Yazılım】

Sektör tahminlerine göre, OEM'lerin makine geliştirme sürelerinin %50-60'ını yazılım gereksinimlerine odaklanarak geçirmeleri çok yakında gerçekleşecek. Mekanik odaklı yaklaşımdan arayüz odaklı yaklaşıma geçiş, küçük makine üreticilerini rekabet açısından dezavantajlı duruma düşürürken, modüler yazılımları ve standartlaştırılmış, açık protokolleri benimsemeye istekli şirketler için de eşit bir rekabet ortamı yaratabilir.

Yazılımın nasıl organize edildiği, bir makinenin şu anda ve gelecekte yapabileceklerini genişletebilir veya sınırlayabilir. Modüler donanım gibi, modüler yazılım da makine yapımının hızını ve verimliliğini artırır.

Örneğin, bir makine tasarladığınızı ve iki aşama arasına fazladan bir adım eklemek istediğinizi varsayalım. Modüler bir yazılım kullanıyorsanız, yeniden programlama veya yeniden kodlama yapmadan bir bileşen ekleyebilirsiniz. Ve aynı işi yapan altı bölümünüz varsa, kodu bir kez yazıp altı bölümün tamamında kullanabilirsiniz.

Modüler yazılımlarla tasarım yapmak daha verimli olmakla kalmaz, aynı zamanda mühendislerin müşterilerin arzuladığı esnekliği sunmalarına da olanak tanır. Örneğin, müşteri farklı boyutlarda ürünler işleyen bir makine istiyor ve en büyük boyut, bir bölümün çalışma şeklinde bir değişiklik gerektiriyor. Modüler yazılım sayesinde tasarımcılar, makinenin geri kalan işlevlerini etkilemeden ilgili bölümü kolayca değiştirebilirler. Bu değişiklik otomatikleştirilebilir ve böylece OEM veya hatta müşteri, makine işlevleri arasında hızlıca geçiş yapabilir. Modül zaten makinede olduğu için yeniden programlanacak bir şey yoktur.

Makine üreticileri, her müşterinin benzersiz gereksinimlerini karşılamak için isteğe bağlı özelliklere sahip standart bir temel makine sunabilirler. Mekanik, elektrik ve yazılım modüllerinden oluşan bir portföy geliştirmek, yapılandırılabilir makinelerin hızlı bir şekilde bir araya getirilmesini kolaylaştırır.

Modüler yazılımlardan en yüksek verimliliği elde etmek için, özellikle birden fazla tedarikçi kullanıyorsanız, endüstri standartlarına uymak şarttır. Sürücü ve sensör tedarikçisi endüstri standartlarına uymuyorsa, bu bileşenler birbirleriyle iletişim kuramaz ve parçaların nasıl bağlanacağını çözmeye çalışırken tüm modülerlik verimliliği kaybolur.

Ayrıca, müşteriniz veri akışını bir bulut ağına bağlamayı planlıyorsa, makinenin diğer makinelerle çalışabilmesi ve bulut hizmetleriyle arayüz oluşturabilmesi için yazılımın endüstri standardı protokoller kullanılarak oluşturulması şarttır.

OPC UA ve MQTT, en yaygın standart yazılım mimarileridir. OPC UA, makineler, kontrolcüler, bulut ve diğer BT cihazları arasında neredeyse gerçek zamanlı iletişimi sağlar ve muhtemelen elde edebileceğiniz bütünsel bir iletişim altyapısına en yakın olanıdır. MQTT, iki uygulamanın birbiriyle konuşmasını sağlayan daha hafif bir IIoT mesajlaşma protokolüdür. Genellikle tek bir üründe kullanılır; örneğin, bir sensörün veya sürücünün bir üründen bilgi çekip buluta göndermesine olanak tanır.

【Bulut Bağlantısı】

Birbirine bağlı, kapalı devre makineler hala çoğunluğu oluşturuyor, ancak buluta tamamen ağ bağlantılı fabrikalar giderek popülerleşiyor. Bu trend, öngörücü bakım ve veri odaklı üretim seviyesini yükseltebilir ve fabrika yazılımlarında bir sonraki büyük değişimdir; bu da uzaktan bağlantı ile başlar.

Bulut ağlarına bağlı tesisler, farklı süreçlerden, farklı üretim hatlarından ve daha fazlasından gelen verileri analiz ederek üretim sürecinin daha eksiksiz temsillerini oluşturur. Bu, çeşitli üretim tesislerinin genel ekipman verimliliğini (OEE) karşılaştırmalarına olanak tanır. Son teknolojiye sahip OEM'ler, son kullanıcıların ihtiyaç duyduğu verileri gönderebilen modüler Endüstri 4.0 özelliklerine sahip buluta hazır makineler sunmak için güvenilir otomasyon ortaklarıyla çalışır.

Makine üreticileri için, hareket kontrol otomasyonunu kullanmak ve müşterilerinin tesislerini veya şirketlerini daha verimli hale getirmek için bütüncül, toplam süreç yaklaşımı benimsemek, daha fazla iş kazanmanın kesin bir yoludur.