Innowacyjne sterowanie ruchem a projektowanie maszyn

Konstruktorzy poszukują obecnie coraz mniejszych gabarytowo rozwiązań, które są bardziej wydajne i łatwe do przechowywania, jak ma to miejsce w przypadku miniaturowych gwintów tocznych i sprzężonych z silnikiem liniowych siłowników. Źródło: Thomson Industries

 

Innowacje w zakresie sterowania ruchem mają ogromne znaczenie dla projektantów maszyn, którzy chcą sprostać coraz bardziej restrykcyjnym wyzwaniom.

Inżynierowie sterowania ruchem maszyn muszą coraz częściej sięgać po różnorodne technologie, rozwiązania i narzędzia, aby sprostać rosnącemu zróżnicowaniu aplikacji, takich jak automatyka laboratoryjna, obróbka materiałów w fabryce oraz ciężkie maszyny przemysłowe. Wielu producentów maszyn zwraca się do dostawców sprzętu sterującego ruchem o pomoc, poszukując produktu oferującego lepszą wydajność i zajmującego mniej miejsca. Producenci oczekują również krótszego czasu dostarczenia prototypów i finalnych produktów, lepszych możliwości w zakresie sterowania, dobrej ceny, bezproblemowej integracji i poprawnego działania.

Dlatego też branża sterowania ruchem ewoluowała znacząco w ostatnich latach, korzystając z najnowszych zdobyczy technologicznych, które przyniosły wiele wymiernych korzyści. Innowacje w tej branży zmieniają podejście do organizacji aplikacji przemysłowych, w odpowiedzi na stojące przed nimi najważniejsze wyzwania. Pięć z nich omówiono w niniejszym artykule.

1. Mniejsze produkty

Konstruktorzy niewielkich systemów dla produkcji dążą do dalszej ich miniaturyzacji, tak aby ich systemy były bardziej kompaktowe, łatwiejsze do przenoszenia i przechowywania. Wielu klientów chce mieć możliwość przeniesienia sprzętu do analizy i monitorowania bliżej punktu ich użycia, aby np. ułatwić życie pacjentom i pracownikom opieki medycznej. Takie urządzenia są doskonałym przykładem możliwości aplikacyjnych np. dla niewielkich i bardzo małych silników liniowych.

Z kolei konstruktorzy systemów dla fabryk chcą pomóc klientom w jak najlepszym wykorzystaniu przestrzeni w fabryce i stworzeniu mniej zabudowanej i otwartej przestrzeni roboczej. Producenci jeszcze większego sprzętu, takiego jak kombajny rolnicze, również dążą do lepszego wykorzystania przestrzeni w produkowanych przez nich maszynach w celu implementacji technologii umożliwiających zwiększenie wydajności i poprawę bezpieczeństwa lub oferującej inne korzyści na zróżnicowanym rynku produktów.

By sprostać wymaganiom ograniczonej przestrzeni, osiągnięcia technologii wytwarzania umożliwiły produkcję mniejszych komponentów w sposób bardziej wydajny, pozwalając konstruktorom na tworzenie bardziej funkcjonalnych produktów w mniejszej formie. Przykładowo miniaturowe gwinty toczne czy wyposażone w silnik liniowe siłowniki i łożyska liniowe są coraz częściej wybierane do aplikacji o niewielkich rozmiarach. Elektromechaniczne siłowniki coraz częściej wspomagają pompy, sprężarki, systemy doprowadzające i inne wielkogabarytowe technologie, niezbędne w układach sterowania hydrauliką i pneumatyką.

Elektronika wbudowana w inteligentne liniowe siłowniki i inne produkty sterujące ruchem pozwala na budowanie i oferowanie produktów ze wsparciem sieciowym, monitorowaniem pozycji i innymi funkcjami, które wcześniej zwykle realizowane były przez dodatkowe moduły zewnętrzne. Elektronika znajdująca się wewnątrz urządzenia to również mniejsza liczba nieestetycznych i nieporęcznych wiązek przewodów. Najnowsze rodzaje siłowników łączą się ze źródłem napięcia i portami komunikacyjnymi za pomocą zaledwie kilku przewodów.

2. Szybsze prototypowanie

Wraz z rozwojem konkurencji na rynku wzrasta również zapotrzebowanie na szybszą dostawę bardziej spersonalizowanego sprzętu. Efektywne prototypowanie jest ważne w przypadku wielu aplikacji, ponieważ zwykle konstruktorzy muszą próbować różnych komponentów przed wyborem tego jednego, który najlepiej odpowiada ich aplikacji. Zaawansowane technologie modelowania, takie jak drukarki 3D drukujące detale z metalu i oprogramowanie do symulacji, dają konstruktorom większą swobodę działania i przyspieszają ich pracę. Lepsze możliwości modelowania również mocno wpływają na branżę urządzeń sterowania ruchem. W przeszłości konstruktorzy zmuszeni byli do oczekiwania od 6 do 8 tygodni na zamówiony komponent. Obecnie mogą go otrzymać już po kilku dniach.

Potrzeba szybkich dostaw napędza zmiany w sektorze wytwarzania produktów. Niektórzy z dostawców zmienili swoje procesy po to, by oferować jednodniowy czas oczekiwania na produkcję jednostkowych części na użytek prototypowy. Niektórzy rozszerzają inwentarz produktów, coraz częściej niezbędnych do budowy prototypów. Również kanały dystrybucyjne wspierają ten model rynku przez zwiększenie u siebie zasobów komponentów zwykle używanych do prototypów.

3. Holistyczne spojrzenie na dobór elementów i ich integrację

Krytycznym czynnikiem wpływającym na wykonanie maszyny na czas jest prawidłowy dobór komponentów oraz ich optymalna integracja w celu uzyskania maksymalnej dokładności, precyzji działania, prostoty konstrukcji, wymaganego niskiego poziomu emitowanego hałasu i innych parametrów pracy. Dlatego też wyzwanie optymalizacji sterowania ruchem jest tak złożone. Mimo że wielu konstruktorów systemów posiada odpowiednie doświadczenie, niezbędne do doboru komponentów, wielu z nich bliżej jest już do emerytury niż do czasów studenckich. Ich zastąpienie nie będzie łatwe.

Mniej doświadczeni konstruktorzy mogą wiedzieć, jaka prędkość lub prostoliniowość układu są potrzebne, ale mogą nie mieć wiedzy, jak parametry podzespołów sterujących ruchem wpływają na spełnienie założeń konstrukcyjnych. Ktoś, kto zajmuje się konstruowaniem stołu operacyjnego dla pacjentów, może np. wiedzieć, jaki poziom hałasu jest zgodny ze standardami przemysłu medycznego, lecz nie mieć pojęcia o tym, w jaki sposób gwint toczny wpłynie na emisję hałasu lub jego ton. Inżynier elektryk podszedłby do problemu od strony elektrycznej, a mechanik od strony fizycznej, jednak oboje mogą nie posiadać odpowiedniego doświadczenia, aby ocenić współzależności komponentów. Aby skompensować ową niewiedzę, konstruktorzy mogą „przekonstruować” produkt, stosując przy jego budowie komponenty o wyższych możliwościach, niż jest to wymagane, i optymalizując działanie gotowej maszyny. Od tego momentu zmiany konstrukcyjne mogą niepotrzebnie wydłużać czas dostarczenia produktu na rynek i zwiększać koszty jego wyprodukowania.

Rosnące znaczenie holistycznego spojrzenia na konstrukcję układu, w połączeniu z brakiem ekspertów od sterowania ruchem, to dobry argument, aby wykorzystywać udział dostawców sprzętu sterującego ruchem już od początkowego stadium projektu. Mają oni więcej doświadczenia i wiedzy na temat wielu możliwości i zastosowań, dlatego, jeżeli skonsultujemy z nimi coś odpowiednio wcześnie, pomoże to zaoszczędzić nasz czas i pieniądze.

Dla inżynierów, którzy zdecydują się na samodzielny dobór komponentów, niektórzy dostawcy oferują internetowe narzędzia konfiguracji. Zwykle pozwalają one zmniejszyć czas doboru optymalnego rozwiązania dla danej aplikacji z godzin do kilkunastu minut. Konstruktorzy mogą wykorzystywać oprogramowanie, aby pomóc w doborze liniowych siłowników, gwintów tocznych czy przekładni.

4. Koszt komponentu a jego trwałość

Pomimo tego, że konstruktorzy zwykle dążą do wykorzystania w swoich systemach komponentów jak najwyższej jakości, niekoniecznie potrzebują części, które będą trwalsze niż cała maszyna. Instalacja komponentu sterującego ruchem, zaprojektowanego do pracy przez 20 lat w systemie, który może się okazać przestarzały już po pięciu latach, nie jest ani rentowna, ani poprawna z inżynierskiego punktu widzenia.

Wraz z dojrzewaniem rynku konstruktorzy, którzy poświęcają czas na poszukiwanie nowych rozwiązań, mogą znaleźć produkt, który odpowiada ich potrzebom i mieści się w ich budżecie, lecz dokonanie odpowiedniej oceny użyteczności takiego komponentu nie wymaga niczego więcej, jak dobrego rozumienia systemów ruchu, ich specyfiki aplikacyjnej i technologii.

Konstruktor, dla którego najważniejszym czynnikiem jest koszt, może dokonać nieprawidłowego wyboru komponentu pod względem trwałości. Mimo że testy wykażą, czy konstrukcja spełnia założone wymagania, zwykle nie jest możliwe przeprowadzenie testów na pełną żywotność wszystkich komponentów, w związku z czym zostaje wdrożona skrócona procedura testowa. Takie badanie nie zawsze dostarcza wystarczająco dużej ilości danych, aby możliwe było rozróżnienie wysokiej jakości komponentu od produktu niskiej jakości lub gorzej zaprojektowanego, czego nikt nie odkryje, dopóki nie nastąpią problemy podczas pracy.

W przypadku wielu zastosowań to całkowity koszt użytkowania maszyny może być czynnikiem decydującym. Producent sprzętu, który sprzedaje wiele produktów na rynku, może np. bardziej doceniać długofalowy koszt użytkowanego sprzętu. Jeżeli cena zakupu byłaby głównym czynnikiem, mógłby on zdecydować się na hydrauliczne lub pneumatyczne siłowniki, zamiast inteligentnych elektromechanicznych komponentów. Kiedy jednak weźmiemy pod uwagę inne czynniki, takie jak niezawodność, czas działania, zajmowana przestrzeń oraz czynności utrzymania i konserwacji w trakcie eksploatacji, okaże się, że opcja elektromechaniczna ma o wiele więcej zalet.

5. Wartość dodana produktu

Prawdopodobnie największe komercyjne wyzwanie stojące przed producentami maszyn dzielą oni z producentami podzespołów. Tym wyzwaniem jest zrozumienie, na jakie rozwiązania i technologie jest największe zapotrzebowanie na rynku i w jaki sposób dostarczyć odpowiednie produkty i technologie. Nowe podejście do organizacji pracy maszyn – połączone produkty wymieniające się danymi w chmurze – to obiecująca szansa dla zróżnicowania strategii ofert rynkowych.

Na przykład jeden z większych producentów sprzętu medycznego uznał wdrożenie technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy za centralny element swojej strategii. System zapisuje dane na temat osiągów maszyny, stanu jej komponentów i wykrytych błędów. W przypadku systemu konwencjonalnego wykorzystanie tych danych wymagałoby przeszkolonego technika, który, uzyskując dostęp do maszyny, przeczytałby zapisane logi danych i manualnie zaplanował czynności naprawcze dla części, które wymagają zamówienia. W przypadku maszyn połączonych w sieci dane tego typu (logi) są bezpiecznie przesyłane kanałami transmisji do analizy i planowania z dowolnej lokalizacji.

Przemysł sterowania ruchem również podąża tą ścieżką, przygotowując się na pomoc firmom w integracji technologii odpowiedzialnej za ruch za pomocą rozwiązań komunikacji i transmisji danych. Dostawcy podzespołów sterowania ruchem dodają oraz ciągle udoskonalają inteligentne funkcje do swoich komponentów, oferując możliwości obliczeniowe i komunikacje niezbędne w przypadku wdrażania strategii maszyn połączonych w sieci systemów automatyki.

Niezależnie od tego, czy są to systemy połączone, czy też inne rozwiązania, przemysł sterowania ruchem wspiera innowacje producentów maszyn, oferując nowe i zróżnicowane możliwości podzespołów za odpowiednią cenę.


Jason Crawford pracuje w firmie Thomson Industries.

Facebook
LinkedIn