Dzięki mechatronice możemy inaczej podejść do konstruowania maszyn niż w przypadku tradycyjnej inżynierii. W efekcie zwiększymy wydajność, zmniejszymy liczbę błędów i obniżymy niepotrzebne wydatki.
Mechatronika stanowi interdyscyplinarne połączenie elektroenergetyki, elektroniki i układów mechanicznych, włączając w to wbudowane oprogramowanie i sprzęt. Mówiąc inaczej, stanowi konwergencję nauk inżynieryjnych. Projektowanie mechatroniczne sprzyja zwiększeniu poziomu integracji komponentów, pozwalając na uzyskanie maszyn o mniejszych gabarytach, które lepiej działają, a ich koszty budowy i utrzymania są znacznie niższe niż dotąd (fot. 1). Utworzenie zespołu zajmującego się mechatroniką wymaga jednak odgórnie zarządzanych strategii oraz synergicznego postrzegania narzędzi projektowania technicznego, układów napędu i projektowania układów sterowania.
Bez wdrożenia podejścia mechatronicznego wielu twórców maszyn często zaczyna ich konstruowanie niejako od końca, w punkcie sprzedaży. Tradycyjne podejście inżynieryjne polega bowiem na współpracy inżyniera elektryka, inżyniera mechanika oraz inżyniera oprogramowania, z których każdy wnosi do zespołu wkład w postaci określonego zestawu umiejętności. Inżynier mechanik przerabia istniejącą konstrukcję maszyny, a następnie przekazuje pałeczkę do inżyniera elektryka, który odpowiada za konstrukcję panelu sterowania, w oparciu o standardową technologię. Następnie inżynier oprogramowania otrzymuje zadanie realizacji projektu aplikacyjnego.
W razie wystąpienia problemów z koncepcją maszyny, wyborem komponentów, konstrukcją mechaniczną, projektem elektrycznym, metodologią programu czy nawet zamierzonym przez użytkownika końcowego zastosowaniem ? w realizacji projektu mogą się pojawić opóźnienia. Z powodu braku czasu może dojść do sytuacji, w której od inżyniera oprogramowania wymagane będzie połączenie mechanicznej koncepcji urządzenia z niedoskonałym projektem elektrycznym, nawet bez dokładnego zrozumienia powodu, dla którego oba układy nie są w stanie ze sobą współdziałać.
Odchodząc od tradycyjnej inżynierii
Zrywając z konserwatywnym podejściem tradycyjnej inżynierii, mechatronika pozwala na zwiększenie wydajności, zmniejszenie liczby błędów i obniżenie niepotrzebnych wydatków. Dzięki wdrożeniu podejścia mechatronicznego od samego początku projektu, inżynierowie elektrycy, mechanicy i specjaliści od oprogramowania mogą zająć się rzeczywistym produktem, który klient będzie obsługiwać. Omawiają określone czynności czy ruch wymagany do uformowania i obsługi produktu, a następnie sporządzają zalecenia dotyczące najlepszej metody osiągnięcia tych założeń. Precyzyjnie zaprojektowane komponenty ? silniki, napędy i skrzynie przekładniowe ? można postrzegać jako standaryzowane jednostki o strukturze modułowej, spełniające wymagania w zakresie prędkości, momentu obrotowego, przebiegu ruchu, dynamiki i dokładności pozycjonowania. Inżynierowie wykorzystują sprawdzone modularne komponenty i oprogramowanie, znając precyzyjne parametry techniczne i możliwości każdego z nich.
Po opracowaniu zaleceń w zakresie konstrukcji zespół wspólnie ustala wpływ sugerowanych przez siebie rozwiązań na określone funkcjonowanie maszyny. Zazwyczaj uproszczone rozwiązania modułowe zapewniają lepszą i bardziej stabilną obsługę produktu oraz bezpieczniejszą i bardziej wydajną konstrukcję samej maszyny. Dobór modułów i dostosowanie układów sterowania przeprowadza się w oparciu o funkcje potrzebne klientowi. Kod wymagany do połączenia specyfikacji mechanicznych i elektrycznych opisany jest raczej zgodnie z funkcjami maszyny ? modułów mechatronicznych niż według języka programowania. Interfejs operatorski HMI opracowywany jest z użyciem znanych terminów, jak np. wymiary produktu i prędkość maszyny.
W wyniku współdziałania przy konstruowaniu maszyny cały zespół zyskuje cenną wiedzę z zakresu wszystkich trzech dyscyplin inżynierii. Z każdym kolejnym projektem staje się również coraz lepiej przygotowany do przeprowadzenia oceny wykonalności względem innych dziedzin. W wielu przypadkach zespół osiąga znacznie wyższy poziom, opracowując nowe możliwości sterowania maszyną, w celu poszerzenia oferty dla klienta i znalezienia nowych możliwości biznesowych. Gotowe i sprawdzone moduły komponentów oferują większą niezawodność i stanowią doskonałe połączenie wymagań projektowych, w wyniku czego uzyskuje się mniejsze gabaryty maszyny. Proces ten może prowadzić do uzyskania innowacyjnych metod realizacji zadań maszyny. Przykładowo, pas serwonapędu może zastąpić krzywkę z metaludo ramienia załadowczego. Albo przemiennik częstotliwości przy układzie kolanowym może zastąpić układ hydrauliczny do zastosowań wymagających wysokich prędkości i mocy. Jednocześnie maszyny takie są łatwiejsze w utrzymaniu, ponieważ w pełni zintegrowane moduły nie wymagają osobnego oprogramowania.
Tworzenie produktywnego zespołu inżynieryjnego
Przedsiębiorstwa będące pod nieustanną presją konstruowania i dostarczania jak najlepszych maszyn nie zawsze umożliwiają inżynierom przeznaczenie odpowiednio dużo czasu na współdziałanie i innowacyjność. Podejście mechatroniczne wymaga jednak, aby kadra zarządzająca odgórnie zaplanowała czas przeznaczony na badania i rozwój (R&D). Może to stanowić kluczowy element zmiany starego modelu w ujęciu interdyscyplinarnym.
Inżynierowie muszą także na bieżąco śledzić nowinki technologiczne. Ciągle opracowywane są kolejne innowacje z zakresu mechatroniki, a dzięki niektórym z nich jesteśmy w stanie znacząco poprawić proces konstrukcji maszyn i sam produkt. Obecnie np. niektórzy sprzedawcy oferują oprogramowanie, które wiąże układ panelu z wielkością napędu i modelem krzywki. Przemienniki częstotliwości montowane na silniku mogą wyeliminować konieczność istnienia specjalnych szaf elektrycznych, co wpłynie na mechaniczną konstrukcję maszyny.
Podczas definiowania zakresu projektu mechatronicznego warto przyjąć określone założenia. W niektórych przypadkach cele te dobrze omówić również z klientami. Co więcej, uzyskanie poziomów wzorcowych ? takich jak eliminacja określonego procentu części, wytyczne dotyczące niezawodności czy efektywności energetycznej ? powinno się nagradzać, tak aby zespół inżynierii mechatronicznej był świadomy ogromnego znaczenia ciągłej poprawy, będącej efektem jego współdziałania.
Szkolenia interdyscyplinarne również pełnią istotną rolę w promowaniu synergii. Należy mieć ustalony plan, zgodnie z którym szczegółowe informacje o projekcie będą udostępniane każdemu inżynierowi w zespole. Inżynier mechanik rozumiejący możliwości systemu sterowania najprawdopodobniej będzie tą osobą, która przeprowadzi uproszczenie rozwiązań mechanicznych. Inżynier elektryk znający zasadę działania pięciu maszyn prostych z fizyki będzie bardziej skłonny do zastosowania otwartego układu lub mniejszego sterownika. Natomiast inżynier oprogramowania, który zna trzy strony sterowania, jest w stanie zsynchronizować ruch maszyny z gwarancją bezpiecznego transportu produktów.
<—newpage—>Zastosowanie sprawdzonej technologii modularnej
Obecnie czas produkcji maszyn jest znacznie krótszy niż kiedyś, a ponadto są one zaprojektowane do pracy ze znacznie większymi prędkościami. W tym wielkim wyścigu, którego celem jest dopięcie terminów i budżetu produkcji, innowacyjność nie może zostać zlekceważona i pozostawiona na samym końcu. Podobnie jak w przypadku mechatroniki, powstaje ona w wyniku połączenia znanych elementów i utworzenia w ten sposób czegoś nowatorskiego. Przykładem może być uniwersalność smartfona, który łączy w sobie funkcje telefonu, aparatu, odtwarzacza muzyki, latarki i ekranu dotykowego. Smartfony zyskały tak wiele możliwości, łącząc ze sobą funkcje narzędzi opartych na technologii CPU (mikroprocesorowej). To samo dotyczy układów sterowania maszyny. Pojedynczy panel dotykowy może stanowić połączenie interfejsu HMI, układu logicznego i ruchu. Serwomechanizmy można zastąpić modułami silników indukcyjnych z pętlą zamkniętą, o klasie IP65, co zaowocuje oszczędnością kosztów i lepszym dopasowaniem obciążeń. Inżynierowie mechatroniki zdają sobie sprawę, że stąd już tylko krok do przejścia w realizację procesów beznarzędziowego przezbrojenia i wykorzystania procedur gromadzenia danych.
Normy przemysłowe znacząco poprawiły spójność w programowaniu maszyn, zapewniając użytkownikom szersze i bardziej elastyczne możliwości wyboru urządzeń i oprogramowania.Otwarte standardy i narzędzia odegrały znaczącą rolę w minimalizowaniu problemów z integrowaniem systemów, włączając w to niezgodność sterowania trybami pracy oraz odpowiedzi na błędy, powszechnie występujące w przypadku programów własnościowych. Szablony aplikacji i gotowe moduły standardowego oprogramowania stanowią obecnie wielkie wsparcie dla konstruktorów maszyn w sprawnym tworzeniu modularnego oprogramowania sterującego. Około 80% (lub więcej) nowych zadań maszyn stanowi jakąś modyfikację zadań wykonywanych w przeszłości. Technologie projektowania istnieją po to, aby szybko i niezawodnie dostosowywać różne wymagania techniczne do standaryzowanych modułów maszyn.
Użycie modularnego programowania kodu źródłowego zależy od układu sterowania i modułów sprzętowych, ale wpływ w postaci zmniejszenia zasobów konstrukcji maszyn jest ogromny. Oprogramowanie można tworzyć znacznie szybciej dzięki zastosowaniu kodu opracowanego dla wcześniejszych generacji maszyn, w postaci gotowych modułów technicznych, które następnie da się odpowiednio zmodyfikować, aby spełniały nowe wymagania. Szablon aplikacji zawiera niezbędne, podstawowe struktury, pozwalające użytkownikom na tworzenie własnych modułów maszyn. Moduły oprogramowania utworzone za pomocą szablonów aplikacji można następnie złożyć razem, minimalnym nakładem pracy, uzyskując w ten sposób kompletne systemy, które da się dostosowywać indywidualnie i ponownie przetwarzać. Wstępnie skonfigurowane i wielokrotnego użytku moduły oprogramowania do pozycjonowania, rejestracji, profilowania krzywek, koordynacji wielu przenośników i innych zsynchronizowanych zadań z zakresu sterowania ruchem ? w tym moduły służące do podawania, rozwijania, uszczelniania, zgrzewania poprzecznego czy zrzutu ? oferują konstruktorom maszyn większą niż dotąd swobodę działania i organizacji pracy, a także czas pozwalający na skupienie uwagi na rozwoju i doskonaleniu innych korzystnych funkcji nowej maszyny, stanowiących wartość dodaną.
Jeśli nie teraz, to kiedy?
Mając cel w postaci konstruowania i dostaw maszyn zgodnie z harmonogramem, efektywnie, w ramach określonego budżetu i do tego wyposażonych w funkcje dostosowane do wymagań klienta, mechatronika oferuje najbardziej elastyczną i oszczędną metodę organizacji prac inżynierskich dzięki strukturze modułowej ? z zapewnionym zrównoważeniem funkcji elektrycznych i mechanicznych za pomocą oprogramowania. Zwiększone zapotrzebowanie na automatyzację w coraz szerszym zakresie zastosowań doprowadziło do rozwoju bardziej inteligentnych niż wcześniej i efektywnych napędów, układów sterowania i narzędzi oprogramowania (fot. 2). Produkty automatyki z wbudowanymi funkcjami mechatronicznymi zmniejszają koszty projektowania, a jednocześnie potrzebują mniej miejsca i oferują lepsze właściwości dynamiczne. Faza projektowania w mechatronice nie tylko pomaga dobrać odpowiednią wielkość komponentów, ale zwykle prowadzi do zmniejszenia liczby części, co przekłada się na mniejsze gabaryty całych urządzeń i oszczędność kosztów.
W miarę jak coraz więcej producentów OEM wprowadza podejście mechatroniczne w konstruowaniu maszyn, rośnie rola umiejętnego zarządzania procesem i śledzenia trendów związanych z mechatroniką. Dzięki rozwinięciu asortymentu modułów mechanicznych, elektrycznych i oprogramowania coraz łatwiejsze jest ich szybkie zestawienie i konfigurowanie zgodnie z wymaganiami klientów. Może się okazać, że istnieją pokrewne branże, które potrzebują maszyn podobnych do tych skonstruowanych ?mechatronicznie? przez dane przedsiębiorstwo, zwiększając tym samym potencjał sprzedaży.
Skąd jednak wiadomo, czy zakładana koncepcja projektowanej maszyny będzie działać?
Właśnie teraz jest najlepszy moment, aby to sprawdzić ? może to zrobić zespół inżynierów mechatroniki.
Autor: Doug Burns jest dyrektorem ds. rozwoju w firmie Lenze Americas, w zakładzie montażu i logistyki w Glendale Heights, w stanie Illinois (USA). Ma ponad 30- letnie doświadczenie w branży automatyki przemysłowej. Do jego zadań należy nadzór nad wdrażaniem i realizacją strategii w branży motoryzacji, towarów konsumenckich/opakowań oraz przetwórstwa materiałów. Zarządza też identyfikacją i rozwojem najważniejszych kont docelowych, a także wspiera rozwój sprzedaży wśród producentów OEM.
Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
