Модулна архитектура на машини

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 2/2018 • 21.03.2018

Модулна архитектура на машини
Модулна архитектура на машини
Модулна архитектура на машини
Модулна архитектура на машини
Модулна архитектура на машини

Модуларизацията е една от определящите тенденции в съвременното машиностроене. За разлика от монолитните машинни конструкции, модулните машини се изграждат от стандартизирани компоненти, възли и подсистеми, които могат да бъдат комбинирани по разнообразни начини, за да изпълняват различни функции. Тази концепция може да спести много време при проектирането, конструирането и пускането в експлоатация, както и да осигури възможности за бързо преустройство в отговор на динамично променящите се производствени нужди.

Модулните конструкции дават възможност на производителите да управляват сложността на механичната структура, а съвременните мехатронни техники позволяват механичните, електронните и софтуерните компоненти на машините да бъдат проектирани координирано. Чрез разделяне на конструкцията на стандартни функционални единици и разработване на модули за изпълнение на различни функции инженерите разполагат с възможности за гъвкаво създаване на решения за широк спектър от различни машинни задачи.

Особености на концепцията
Комплексните производствени машини обикновено разполагат с големи и мощни контролери, които управляват последователностите, движенията и входно-изходните устройства. Към контролера са свързани множество задвижвания и мотори. Самото контролно устройство може да бъде свързано с интерфейс човек-машина, с компютър или и с двете. Често контролерът се свързва и със система за управление на производството или за планиране на ресурсите на предприятието. Този подход не предлага най-лесната за оптимизиране система, но има своите предимства, особено ако приложението изисква синхронизирано движение между няколко оси. Такива приложения включват 6-осови роботи, машини за шприцване, фрезови машини, машини за водоструйно рязане и др.

При автоматизираните системи за монтаж и асемблиране обаче много инженери биха предпочели да приложат модулен подход към конструкцията на машината. Модулната система е по-гъвкава, по-бърза за пренастройка и по-лесна за управление и почистване, особено при монтаж на медицински устройства или на всякакви възли в санитарно изпълнение.

При модулните системи традиционно е по-лесно и диагностицирането на проблеми. Възможно е изолирането на конкретния модул, в който е възникнал проблемът, вместо спиране на цялата линия. Ако модулът е критичен за производствения процес, обикновено е налице резервен такъв, готов за бърза подмяна в случай на неизправност или внезапно претоварване.

За производителите на машини модулният подход към машинната архитектура означава по-малко време за разработка, необходимост от по-малки запаси от компоненти и възможност за интегриране на по-широк кръг от функции. Проектантите могат да създават и по-общи, типови модули, например pick-and-place единици, с които да персонализират различни системи по изисквания на клиента.

Специфики на модулната архитектура
Модулната система обикновено се състои от серия клетки или модули. Всяка клетка има свое собствено управление – програмируем автоматизиран контролер (PAC). PAC е компактен контролер, който комбинира функциите и възможностите на компютърна система за управление с типичния програмируем логически контролер (PLC).
Модулната архитектура се обезпечава по-често с разпределена система за управление, отколкото с централизирана такава. PAC контролерите са малки, лесни за свързване и на сравнително ниска цена. Ето защо много производители предпочитат интегриране на такива управления във всеки модул вместо един централен контролер, управляващ цялата система.

Високоскоростните мрежови стандарти, като Ethernet/IP, Modbus и OPC, елиминират нуждата от окабеляване от точка до точка при монтажа на производствените системи. Те позволяват на инженерите да прилагат модулен подход при проектирането и осигуряват оперативна съвместимост. По отношение на софтуера, стандартизираните обектно-ориентирани програмни среди, като IEC61131-3, са подходящи за модулен дизайн на машините и са възприети от редица доставчици. При обектно-ориентираното програмиране кодът е модулен, а обектът се приема като подпрограма, към която се подават променливи, а тя връща отговор.

Модулната архитектура може да осигури и по-висока скорост на работа в множество приложения в сравнение с централизираното управление. Когато всеки модул разполага с контролер, който обработва индивидуално всички необходими данни, е налице значително предимство по отношение на бързината. Особеност е нуждата от синхронизиране на модулите помежду им.

Предизвикателства на концепцията
Функционалните модули и компоненти могат да се прехвърлят от един вариант на машината към друг, като по този начин се намаляват разходите за разработка на нови продукти се скъсява процесът до лансирането им на пазара. Модуларизацията намалява честотата на проблемите във връзка с качеството, тъй като голяма част от функционалните модули на дадена машина вече са тествани и синергията между тях е доказана в други проекти.

Модулният подход създава и някои предизвикателства за проектантите. Те имат свободата да избират различни модулни комплекти, а всеки стандартен модул има фиксирана функционалност. Съществува риск от “свръхпроектиране” на конкретна машина, ако наличните модули осигуряват повече функционалност, отколкото действително се изисква, което означава повече разходи за производителя.

За да се избегне такъв сценарий, е необходим по-холистичен подход – например да се създадат фамилии от модули, които изпълняват една и съща функция, но при различни размери или нива на капацитет.
Оптимизирането на тези модули също може да се окаже предизвикателство. Твърде многото възможности носят риск от свръхразходи и прекалена сложност на управлението, а при твърде малко опции невинаги ще е налице решение за всяко приложение.

Предимства на модулния дизайн
Предимствата на модулния дизайн са многобройни. Чрез управление на разнообразието от части в продуктовата гама разходите могат лесно да се контролират. Икономии по отношение на конструкцията също са възможни. Възлите и модулите могат директно да се влагат по подобие на частите и компонентите, тъй като тяхната надеждност, цена и качество са документирани и лесно достъпни. В допълнение, модулните системи позволяват по-бързо, лесно и ефективно персонализиране на стандартни модели за уникални потребителски приложения.

Модулите могат да бъдат модифицирани или подменяни, без да се променя нищо друго по продукта. Така популярна версия на дадена машина може с минимум инженерни усилия да бъде подобрена, за да отговори на повишени експлоатационни изисквания.
Модулният дизайн опростява обработката на информацията при проектиране на машинната конструкция. Той дава възможност за бързи и лесни технологични подобрения при производителя и системно надграждане при крайния клиент, което стимулира динамично и непрекъснато развитие на продукта.
Модулната архитектура е важен инструмент срещу физическата амортизация и моралното остаряване на оборудването и съкращава цикъла на препроектиране. Всяко ново поколение продукти може в голямата си част да използва съществуващи модули, а подобрението да се осигурява от няколко усъвършенствани функционални единици.

Сред другите предимства на концепцията са възможностите за: замяна на износени възли (които могат след това да бъдат рециклирани); гъвкаво използване на продуктите; лесна и бърза инсталация; лесно и бързо обслужване и поддръжка. Модулният дизайн съкращава и сроковете на обучение, когато нови служители трябва да се запознаят с гамата модули и техните функции. Модуларизацията дава възможност на фирмите да възлагат на външни изпълнители монтажа на някои модули, като по този начин освобождават производствен капацитет и увеличават броя на навременните доставки.

По време на проектирането различни модули от една гама могат да бъдат разработвани едновременно от отделни групи инженери. Този подход, наричан съпътстващо проектиране, намалява общото време за пускане на пазара на даден продукт и спомага за увеличаване на продажбите и приходите. Ако в бъдеще възникнат проблеми с дизайна на продукта или се налага периодично препроектиране, модулите могат да бъдат подобрявани поотделно (при локализирани проблеми), преди да бъдат въведени отново в конструкцията. Плюс е, че отделните модули не влияят върху други възли, какъвто би бил случаят при интегралния дизайн.

Подобрена функционалност
Модулните машини доказват гъвкавостта си в приложения, в които трябва да бъдат конфигурирани за широк спектър от задачи. Модулните автоматизирани системи от ново поколение, предназначени за бързо и ефективно свързване към цялостни производствени системи, са сред примерите за това как модуларизацията може не само да опрости производството, но да увеличи производителността.

Изборът от модулни машини на пазара днес непрекъснато се разширява – от класическите вертикални машини за струговани детайли и серии от валове, до вертикални машини за нарязване на зъбни колела и за скосяване, вертикални фрезови и шлифовъчни центрове, индукционни закаляващи устройства, заваръчни системи, машини за електрохимична обработка (ECM) и т.н.

Основната идея, стояща зад модулната концепция, е да се разработи конструкция, която позволява по-бързо и гъвкаво проектиране на производствени линии при запазена висока точност и производителност. Резултатът е подход, който комбинира установените предимства на традиционните машини - например интегрираната им автоматизация и доказаното качество на обработката, с широк спектър от нови модулни технологии.

Модулните машини обикновено имат един и същ базов дизайн, основаващ се на стратегия за използване на идентични компоненти във всяка една от тях. Дори машините, предназначени за различни технологии за обработка, често използват идентични компоненти, което драстично намалява разходите за складиране на резервни части. Компактният дизайн на машините благодарение на интегрираните системи за автоматизация е сред стандартизираните предимства на концепцията. Модулните машини могат да бъдат снабдени например с интегрирани системи за автоматично захващане, които им позволяват да се зареждат директно с детайли от хранилище за интегрирани части.

Автоматизацията прави възможно и реализирането на сравнително прости, но високоефективни концепции за комуникация между системите. Компактните габарити на машините им позволяват да бъдат монтирани в близост една до друга, а интегрираната система за автоматично захващане изисква единствено частите да бъдат транспортирани между машините. Стандартната височина на трансфера между отделните станции прави това транспортиране още по-лесно.

Модулни производствени системи
Цели производствени съоръжения могат да бъдат разработвани и планирани едновременно с модулния дизайн на отделните продукти. Производствените зони също е възможно да бъдат модулни – със специални клетки и оборудване, необходими за монтажа на даден модул. По същия начин, както различните модули се обединяват, за да формират краен продукт, така тези производствени клетки трябва да бъдат организирани така, че да обезпечават монтажа на възлите до сглобяване на крайното изделие.

Модулната производствена организация е гъвкава и предлага възможности за бърза преконфигурация и персонализиране на приложенията, както и за асемблиране на широк набор от подобни, но различни продукти. Това отново спомага за намаляване на времето за пускане на пазара. Добра възможност за бизнеса въз основа на тази концепция е договорите с поддоставчиците за монтаж и асемблиране да засягат и производствената организация, като по този начин създават условия за по-висока ефективност. Тази организация би намалила до минимум загубите и времето за производство, като същевременно би освободила място и ресурси.

Модулна архитектура в Industry 4.0 среда
Industry 4.0 поставя нови предизвикателства към модулния дизайн. За да работят безпроблемно машини от различни производители, интерфейсите им трябва да бъдат унифицирани и в съответствие с индустриалните стандарти. От друга страна, модулите трябва да запазят достатъчно гъвкавост на ниво софтуер, за да отговарят на изискванията на конкретни машини, приложения и потребители, ключови за съответния производител.

Компаниите, произвеждащи задвижвания и системи за автоматизация, разполагат с множество възможности да улеснят своите OEM клиенти при постигане на целите за модуларизация. Този процес започва на хардуерно ниво с разработването на завършени мащабируеми продуктови гами с фокус върху стандартните компоненти. Приемането на стандартни комуникационни технологии, които се считат за “нервната система” на Industry 4.0, спомага за интегрирането на компонентите в машините и машините една към друга. На хоризонтално ниво на практика това означава използването на протоколи като Ethernet или Ethercat. Във вертикалната посока интеграцията включва технологии и стандарти като PLCopen, OMAC PackML и др.

Софтуерните решения също са все по-критични за модулните архитектури в Industry 4.0 среда. 92% от производителите на оригинално оборудване, анкетирани в актуално проучване, са споделили, че гледат на софтуерните иновации като средство за осигуряване на важни конкурентни предимства.

Модулен дизайн с цел препроизводство
Т. нар. remanufacturing или препроизводство е стратегия, все по-често прилагана при конструирането на CNC металообработващи машини например. Препроизводството на даден модел позволява оптимизиране на материалите, изпълнението, възможностите за експлоатация и поддръжка, икономическата и ресурсна ефективност и функционалната и физическа приложимост. Тази концепция носи множество потенциални ползи за предприятията по отношение на ефективността на дадена машина.

За да се постигне машинен дизайн, позволяващ препроизводство, се прилага модулен подход на проектиране. Съгласно особеностите на различните етапи от жизнения цикъл на продукта са установени критерии за разглобяване на модулните конструкции с цел повторно производство. 
Модулният дизайн се изгражда въз основа на функционален анализ на продукти с различни функции или с една и съща функция, но с различни характеристики и спецификации. Това се постига посредством проектиране на поредица от общи функционални модули и схеми за комбинирането им, така че да отговарят на различни потребителски изисквания. Прост начин да се улесни търсенето и избора на модули при повторно производство е да се създаде т. нар. библиотека за модули.

Необходимо е комбинацията от модули лесно да се разглобява, а демонтажът да не създава предпоставки за повреждане на компонентите. Оптимизираните експлоатационни възможности на съществуващите модули и увеличената производителност са сред най-важните ползи от препроизводството на машини посредством модулно проектиране.

Практически приложения
Внедряването на модулни системи в дадени производства може да се окаже сравнително сложен процес от инженерна гледна точка, но в общия случай ползите многократно надвишават вложените усилия. Модулните концепции са все по-срещан вариант при инсталирането на ново опаковъчно оборудване например, показват пазарните проучвания.

Тъй като предприятията се консолидират и разрастват, за да стават все по-ефективни, пространството е ресурс от първостепенно значение. Модулният дизайн позволява оптимално оползотворяване на наличното пространство в цеха както в големи, така и в малки производства. Пакетиращото оборудване и в частност системите за първично опаковане на крайни продукти се намират в края на производствения процес. Опаковъчните машини с модулни конструкции могат да се разположат в тесни и неизползваеми пространства или в такива с неправилна геометрична форма. Монтажът на модулите обикновено се изпълнява на място в конфигурация, която предлага най-голяма полза за предприятието.

Друго предимство на модулния дизайн при опаковъчното оборудване е, че позволява по-лесна интеграция на отделните операции и етапи на производството в единен непрекъснат процес. Тази стратегия носи множество потенциални ползи за приложения в хранително-вкусовата промишленост, бутилирането на напитки, фармацевтичната индустрия и др. Оборудването, изградено с модулни компоненти, предлага гъвкаво включване или изключване на допълнителни машинни операции в поточната линия. Производствените и пълначните линии могат безпроблемно да бъдат интегрирани с хващачи, теглоизмервателни системи, системи за първично, вторично и третично опаковане, поставяне на етикети и капачки, палетизиране и т. н.

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top