Motion Control, stato dell'arte e trend

Motion Control, stato dell'arte e trend
Maggio 2017

Le nostre inchieste sul mondo del Motion Control sono oramai diventate un riferimento di spessore per OEM, system Integrator, produttori e vendor di tecnologie, e anche quest’anno riproponiamo l’argomento per un aggiornamento sulle tendenze tecnologiche, gli orientamenti di scelta degli utenti e l’offerta di soluzioni al mercato. Evidenziamo inoltre che la tematica dell’abbinamento tra Motion Control e IIoT, sviluppata dai player di mercato che hanno partecipato a questa nostra indagine, sarà oggetto di uno specifico articolo previsto sul numero di giugno di Automazione Integrata.

Le nuove tendenze del Motion Control

Nel medio periodo quali possono essere le principali tendenze tecnologiche del Motion Control?

Premesso che le applicazioni Motion Control prevedono sempre di più alta velocità e massima precisione, Marco Fumagalli Product Manager Motion Control VIPA-YASKAWA, ritiene che l’impiego di fieldbus performanti e una facilità di programmazione possano risultare scelte  apprezzate da System Integrator e OEM, mentre per Franco Zannella, Customer Service Manager e Functional Safety Coordinator di SEW-EURODRIVE Italia, la sfida è ora quella di ottenere una maggiore integrazione dei Motion Controller sia fra macchina e macchina (interoperabilità in linea) che con i sistemi gestionali, per l’ottimizzazione della produzione. “Questo spinge i produttori a progettare le architetture hardware di Motion Control su soluzioni PC-based che offrono alte potenze di calcolo e moderne e veloci interfacce di comunicazione adatte a una migliore integrazione verticale con i gestionali. La flessibilità hardware dei dispositivi di controllo della potenza, la virtualizzazione e la simulazione dei processi sono anch’essi strumenti molto validi per velocizzare e ottimizzare la fase di progettazione dei macchinari riducendone i tempi di sviluppo, i costi annessi e gli eventuali errori di implementazione progettuale”. Per Mirco Sparaventi, Responsabile Marketing di Tex Computer, l’attuale livello di standardizzazione di prodotti e tecnologie permette di concepire applicazioni di Motion Control in modo davvero modulare. “Nella fase di progettazione verranno progressivamente introdotti software basati sull’intelligenza artificiale che semplificheranno tale approccio in modo tale da farlo diventare a sua volta uno “standard de facto”. Molte risorse verranno dedicate allo sviluppo della robotica che raggiungerà livelli di sofisticazione tali da integrare modelli matematici adattativi specifici per ogni singolo robot”.

Macchine innovative

Con le soluzioni disponibili sul mercato, afferma Riccardo Guaglio, Senior Commercial Engineer Rockwell Automation, si è ormai arrivati al limite delle performance come velocità di produzione pura delle macchine automatiche, per cui OEM e System Integrator dovranno proporre macchine e soluzioni innovative basate sull’aumento di performance generali non in termini di velocità produttiva ma di efficenza generale della macchina sotto tutti quei punti deboli che oggi sono migliorabili, quali tempo di cambio formato, flessibilità produttiva, ottimizzazione dei piccoli lotti produttivi, spazio che la macchina occupa nel sito produttivo. “Da parte sua Rockwell Automation propone una soluzione dalla tecnologia avanzata che dà la possibilità di progettare una macchina automatica rivoluzionando le basi della classica gestione del movimento dei prodotti. Stiamo parlando di soluzioni a movimenti lineari iTrak e MagneMotion. I power module disponibili sia rettilinei che curvi creano un percorso su cui i carrelli movers si possono muovere in modo indipendente tra di loro. La soluzione iTrak controlla la posizione dei movers istante per istante facendo così di ogni mover un asse controllato in posizione anche durante i movimenti che possono seguire traiettorie di ogni genere o sincronizzarsi con elementi esterni al sistema quali robot o altri sistemi di carico e scarico. Nella soluzione MagneMotion esistono anche i power module con scambio dove i carrelli possono prendere due direzioni diverse; i percorsi diventano così più articolati ed i movers possono sorpassarsi e cambiare il loro ordine iniziale. Le posizioni di partenza e arrivo dei movers sono in questo caso gestite dai gateway locali che governano i movimenti, gli scambi, gestiscono le code e le collisioni in modo che ogni mover raggiunga la destinazione desiderata”.

Una produzione sempre più orientata alla personalizzazione

La produzione di beni di consumo, ci dice Luca Lazzaro, Certified Machinery Safety Expert (TÜV Nord) - Product Specialist PILZ Motion Control, è sempre più orientata alla personalizzazione, e personalizzare un prodotto significa dover cambiare spesso formato, produrlo in piccoli lotti, dover aggiungere o togliere di frequente delle opzioni della macchina/linea, e inoltre i dati per la produzione arrivano da studi tecnici che progettano con software che devono essere messi direttamente in comunicazione con le linee di produzione per poter recepire velocemente i cambi formato. “Per far questo i sistemi devono poter scambiare e interpretare dati che arrivano dagli uffici di progettazione e ciò deve essere fatto in una logica di sicurezza informatica per proteggere il proprio know-how. La frequenza di cambi formato rende sempre più vincente la scelta di poter muovere gli assi a ripari aperti e non togliere coppia durante tali interventi per velocizzare questa fase e guadagnare tempo di produzione. In generale, l’interazione uomo-macchina è semprepiù necessaria sia per i robot che per le macchine, con richieste sempre più elevate di funzionalità di sicurezza”.

Monitorare lo stato della macchina da smartphone o tablet

Nel medio periodo i temi caldi sono, per Stefano De Meo, CNC e Motion Division Manager di ESA Automation, quelli dettati dai paradigmi della Industry 4.0 che trovano nelle soluzioni Motion Control ottime applicazioni pratiche. “In primo luogo il cosiddetto plug & produce, ovvero la capacità della soluzioni di Motion Control di adattarsi in modo semplice e automatico ai cambiamenti tecnici sulla linea o sulla macchina produttiva, già avviata e funzionante. Questi cambiamenti devono poter essere svolti in modo semplice e automatico e le macchine devono poter riconoscere questi cambiamenti senza una riconfigurazione manuale. In secondo luogo, c’è la sempre crescente integrazione tra le macchine partecipanti al processo produttivo, che non solo devono scambiarsi informazioni, ma devono farlo con livelli di sincronizzazione e velocità in costante aumento.  Sempre di più il focus si sposta all’incremento delle performance di IT delle soluzioni Motion e sempre di più sentiremo l’esigenza di dotare i nostri device di driver per protocolli di sincronizzazione di scambio dati con dabatase relazionali standard, oltre che di strumenti flessibili per creare soluzioni  di scambio  dati  in formati standard, quali XLM, HTML5”. I clienti chiedono prodotti flessibili e veloci in grado di comunicare in modo trasparente verso il campo e verso i sistemi gestionali: questa l’opinione di Edi Gherbezza, Electromechanical, Motion & Drives Application Manager & Business Development Manager di Parker Hannifin. “Questo può essere raggiunto solo con piattaforme molto avanzate e dotate di software scalabile e adattabile alle crescenti esigenze della produzione che deve soddisfare lotti sempre più mirati e ottimizzati. E’ inevitabile, dunque, la necessità di strutture hardware e software aperte all’IIoT e a Industrie 4.0 con la possibilità di monitorare non solo la produzione, ma soprattutto lo stato di funzionamento della linea di produzione anticipando le esigenze di manutenzione, prevedendo l’usura dei componenti per minimizzare i fermi macchina. I Big Data non sono però l’unico trend: sempre più spesso è richiesta anche la possibilità di monitorare lo stato della macchina da smartphone o tablet come pure la possibilità di testare o tarare il singolo sensore già installato in macchina direttamente dal dispositivo portatile”.

Cambiamenti profondi nella dislocazione dell’hardware

A Emilio Bistoletti, General Manager e Direttore Vendite di Servotecnica, sembra sempre più evidente che il mondo del Motion Control si stia indirizzando verso soluzioni Real Time Ethernet, e una conseguenza diretta è la decentralizzazione dei componenti, che siano servo azionamenti, moduli di I/O o gli stessi sistemi Motion Control. Grazie a protocolli come EtherCAT, ProfiNET, Sercos III, è oggi possibile scegliere di raggruppare la parte intelligente in un unico controllo, o di suddividerla in sottogruppi focalizzati su una singola parte di macchina, comunque sempre in contatto tra loro ad alto livello con porte Ethernet. La potenzialità di calcolo, così come la larga banda passante, permette di controllare un numero di assi impensabile fino a pochi anni fa e con tempi di campionamento inferiori al millisecondo. Anche la dislocazione dell’hardware sta subendo cambiamenti profondi grazie alla decentralizzazione, ovvero la possibilità di avere Motion Control e drive con alto grado di protezione (IP65), alloggiati in involucri resistenti, posizionati nella prossimità delle motorizzazioni se non inglobati nelle stesse ovvero, motori con elettronica integrata. “Il compito del Motion Control locale è di farsi carico di una parte specifica della macchina e di poter generare informazioni e riceverne da altri master. La decentralizzazione avviene anche grazie a servo azionamenti sempre più compatti che riescono a pilotare motori sino a 1 KW in pochi cm3. A bordo di questi azionamenti è facile trovate anche un Motion Control che si occupa di elaborazioni matematiche, sgravando in questo modo il master generale”. Mirko Dibenedetto, Product Manager Motion Control Sensors di SICK , vede OEM e System Integrator sempre più orientati a soluzioni con elevata possibilità di diagnostica; questo trend riguarda tutti i segmenti di mercato, ma non è l’unico: “Riceviamo sempre più richieste per quanto riguarda funzionalità safety e la creazione di sistemi compatti. Inoltre con Industry 4.0 c’è la necessità di comunicare velocemente e gestire in modo efficiente i Big Data raccolti dai sensori. SICK è da sempre all’avanguardia nello sviluppo di nuove soluzioni e nuove tecnologie per il Motion Control e, oltre a tutte le esigenze di cui sopra, riesce a rispondere anche alla necessità di accedere ai sistemi mediante un collegamento remotato, permettendo così una gestione delle attività di manutenzione più snella e limitando gli onerosi costi d’intervento in loco. Un ultimo aspetto, ma non per questo meno importante, è la necessità di offrire soluzioni sempre più compatte al fine di ridurre gli ingombri e ottimizzare le performance a bordo macchina. In questo caso le soluzioni “one cable” e Direct Drive, per quanto riguarda il feedback motore, iniziano a ricoprire un ruolo fondamentale”.

Tecnologie che semplifichino i cablaggi tra drive e motore

Negli ultimi anni Francesco Girardi, Sales Director di Pamoco, ha notato che tra i produttori di macchine vi è una sempre maggiore esigenza di incrementare le prestazioni e ridurre i consumi energetici. Ovviamente questo non è un binomio di facile soluzione ma esistono oggi degli accorgimenti da adottare in fase di progettazione delle macchine che possono produrre ottimi risultati. “In prima analisi molti costruttori stanno cercando di sostituire i motori elettrici a basso rendimento o i sistemi pneumatici con servosistemi elettrici. Questo tipo di scelta permette una maggiore flessibilità dei processi produttivi ed un considerevole risparmio energetico”. Secondo Maximiliano Bonsi, Technical and Sales Support , Product Specialist Motion di Beckhoff Automation, l’orientamento del mercato è verso incremento della produttività delle macchine con maggiore flessibilità di produzione e ridotto footprint delle stesse. Nell’ottica dell’incremento della produttività, la tendenza è ricercare sistemi di Motion Control che abbiano tempi di ciclo sempre più veloci, per la flessibilità la tendenza è aumentare il numero di assi controllati dal sistema di Motion Control per velocizzare le operazioni di cambio formato, e infine si ha un occhio di riguardo alla riduzione degli ingombri, con l’emergere sempre di più sistemi meccatronici in cui vengono integrati in un’unica soluzione elettronica e meccanica. Il mercato inoltre richiede tecnologie che semplifichino i cablaggi tra drive e motore, riducendo i costi di installazione. Contestualmente il time-to-market deve essere il più breve possibile, da cui la tendenza di rivolgersi a sistemi standardizzati, sia nelle architetture dei sistemi di comunicazione, sia nei linguaggi di programmazione. La modularità e il riutilizzo dei moduli macchina è un altro aspetto fondamentale. “Oggi è pratica comune l’utilizzo di PC industriali per soddisfare tutti i compiti di automazione quali PLC, Motion Control, CNC, HMI, safety, misurazione e visione artificiale in un unico dispositivo. La tendenza nel medio periodo è di accentuare ancora di più questi concetti, e la possibilità di utilizzo della tecnologia di controllo basata su PC “Many-Core” aumenterà l’efficienza e la produttività, diminuendo i tempi di comunicazione fra i moduli di macchina”.

Affidarsi a partner in grado di integrare totalmente le soluzioni

Roberto Beccalli, Product Manager Servo & Motion di Mitsubishi Electric, premesso che il Motion Control è il cuore delle macchine, afferma che la necessità dei costruttori è quella di affidarsi a partner in grado di fornire la completa soluzione di automazione e Motion Control, offrendo consulenza tecnica qualificata oltre che prodotti di semplice utilizzo. “I prodotti tecnologicamente avanzati oggi sul mercato sono numerosi ma integrarli in un unico sistema non è così semplice. La vera innovazione è quindi quella di affidarsi a partner in grado di integrare totalmente le proprie soluzioni esaltando così le performance dell’intero sistema”. Fabrizio Sambugar, Sipro, come tendenze individua una sempre maggiore richiesta di prestazioni a tutti i livelli. “Controlli più performanti, compatibili coi bus di campo più moderni e con soluzioni atte a integrare nuove richieste tecnologiche come l’interfaccia con i dispositivi mobile, la gestione dell’IO-Link e l’integrazione/interazione con i sistemi di visione, senza dimenticare le richieste che arrivano dalla robotica e dall’automazione collegata”

Le scelte del mercato

Su quali prestazioni e su quali tipologie di sistemi Motion Control il mercato sta puntando in modo particolare?

Secondo Zannella (SEW-EURODRIVE) uno dei temi cui gli OEM sono oggi maggiormente sensibili è senza dubbio quello dello sviluppo delle applicazioni software, con relativi tempi e costi che incidono molto sul prezzo finale delle macchine, specie nella fase di prototipazione delle stesse. “Di fatto, i produttori di soluzioni Motion Control stanno investendo sempre più energie nella direzione del software di sviluppo, cercando di offrire alla clientela ambienti sempre più potenti e semplici da usare. Infatti la disponibiità di piattaforme di sviluppo user-friendly e di semplice utilizzo è certamente uno strumento di vendita oggi molto importante, unitamente alla completezza di funzionalità di Motion Control integrate e pronte all’uso”. Sparaventi (Tex Computer) vede un trend verso i sistemi di controllo centralizzati, perché permetteranno l’introduzione di tecniche di controllo basate sull’Intelligenza Artificiale, mentre per quanto riguarda i Motion fielbus oltre al consolidarsi di EtherCAT si assisterà al progressivo inserimento nel mercato della tecnologia TTEthernet (Time Triggered Ethernet) che consente di ottenere comunicazioni deterministiche pur integrandosi in modo trasparente nelle attuali infrastrutture per reti Ethernet su cui convergeranno anche tutte le applicazioni relative al mondo IIoT.

Le machine devono occupare sempre meno spazio

Guaglio (Rockwell Automation) ritiene che per ottenere i massimi risultati da un sistema Motion Control diventa fondamentale avere il controllore degli assi totalmente integrato nel PLC che gestisce la macchina stessa. Dal cuore del sistema (il PLC) l’OEM, il System Integrator o l’End User possono governare l’intero processo produttivo, la comunicazione tra gli oggetti presenti diventa totalmente trasparente e lo scambio di informazioni immediato ed efficiente. L’ambiente di sviluppo diventa unico e si annullano le barriere tra i vari componenti del sistema. “I controllori di ultima generazione integrano anche la gestione degli assi per la movimentazione dei robot e anche la barriera che per qualche anno si è creata tra macchina e robot parte della macchina stessa è stata eliminata. Il mercato è quindi alla ricerca di questa integrazione così da poter controllare e gestire le linee di produzione in modo facile ed efficiente, con segnalazioni da parte del sistema che migliorano il processo e aiutano a evitare errori”. Le macchine devono occupare sempre meno spazio e questo, come evidenzia Lazzaro (PILZ), sta facendo nascere nuove varianti di motori sempre più integrati nella meccanica o che vanno a sostituire concetti attuali di lavorazione dei prodotti, anche per andare incontro alla richiesta di personalizzazione dei prodotti e velocità dei cambi formato. “Spesso tale integrazione è fatta con motori diretti, eliminando quindi anche tutta la parte di trasmissione meccanica, rendendo anche i sistemi più reattivi. Ne consegue che anche le operazioni che gli operatori devono fare a ripari aperti, devono essere monitorate da dispositivi in grado di rilevare nell’ordine del millisecondo se l’asse stia oltrepassando qualche soglia di sicurezza e intervenire per mettere il tutto in sicurezza. Infatti i motori diretti possono arrivare a dare il massimo della coppia nel giro di pochi millisecondi”.

Sicurezza sul bus di campo

De Meo (ESA Automation) ritiene Soft PLC, Soft Motion e i tool di programmazione sempre più orientati alla   programmazione grafica e alle soluzioni “object oriented”, in assoluto gli strumenti che più efficacemente vanno incontro alle esigenze di maggiore complessità e flessibilità della programmazione, e che queste soluzioni di programmazione siano  il vero tramite per dare  vantaggio competitivo ai costruttori di macchine, accorciando sia la fase progettuale del software che quella della realizzazione. “Se poi a questi strumenti di sviluppo uniamo quelli di simulazione, i costruttori ora possono anche predittivamente vedere applicate a modelli grafici delle macchine le proprie idee e soluzioni, cosi da poterne tastare immediatamente la validità e l’efficacia. Le decisioni circa gli investimenti per lo sviluppo incrementale delle loro macchine sono ora rapide e molto, molto più pesate”. Per Gherbezza (Parker Hannifin) è certo che l’interesse comune è volto verso una grande e complessa informatizzazione della macchina. “L’altro aspetto che suscita grande attenzione negli OEM e nei System Integrator è la sicurezza: le funzioni avanzate di sicurezza che oggi sono diventate necessarie non sono ancora sufficienti: la tendenza oramai consolidata è richiedere la minimizzazione dei cablaggi, magari centralizzando i controlli. Ecco allora l’esigenza di disporre di sicurezze che viaggiano sul bus di campo e controllori che fungono sia da controllo del Motion che PLC di sicurezza con un software integrato e omogeneo che non richieda al programmatore di conoscere software eterogenei, ovvero uno per il Motion e uno per la sicurezza”.

Soluzioni di feedback motore intelligenti

Bistoletti (Servotecnica) evidenzia i sistemi Motion Control compatti e scalabili, in cui i clienti hanno ormai individuato la risposta per le prossime generazioni di macchine. Un aspetto su tutti governa la scelta in ambito Motion Control ed è caratterizzato dalla sicurezza in rete. Disporre di soluzioni FSoE (Failsafe over EtherCAT) è ormai possibile e utile sia per chi dovrà poi impiegare i macchinari, sia in fase di allestimento essendo una ulteriore semplificazione dei cablaggi e della gestione sicura della macchina. “Rimarchiamo ancora che è sempre più evidente la decentralizzazione dell’organizzazione decisionale. Più Motion Control che si assumo il compito di governare una parte specifica della macchina e che vengono poste in prossimità degli assi, sono ormai una configurazione accettata e apprezzata”. Le aziende manifatturiere, è l’opinione di Dibenedetto (SICK), sono accomunate da un unico obiettivo: rendere più performanti, più “intelligenti” e più semplici le macchine attuali, in modo che nell’immediato futuro abbiano modo di differenziarsi. Quando parliamo di soluzioni smart ci riferiamo ad hardware sempre più compatti, software capaci di comunicare su diverse piattaforme e soluzioni di feedback motore intelligenti. Per fare tutto ciò, il mondo del Motion Control sta proponendo diverse soluzioni di gestione delle informazioni sulla comunicazione. Un esempio è il feedback DSL, un sistema in grado di fornire alla macchina dati sullo stato di funzionamento del motore, dati che fino a pochi anni fa sembravano impossibili da reperire. Parallelamente a questo, l’obiettivo di SICK è quello di ampliare la gamma prodotti dedicata ai motori torque. La nuova serie Direct Drive, basata su tecnologia capacitiva, verrà infatti potenziata consentendo a SICK di affermarsi sempre di più come precursore di nuove tecnologie”.

Motori con elettronica integrata

Come prestazioni e tipologie di sistemi Motion Control su cui il mercato sta puntando, oltre a connettività, tipologie di motori, software, Fumagalli (VIPA_YASKAWA) aggiunge la crescente sensibilità al risparmio energetico dei costruttori di macchine e delle aziende manifatturiere, mentre Girardi (Pamoco) ci evidenzia che le richieste provenienti dal mercato sono orientate verso una sempre maggiore integrazione dei dispositivi e un alleggerimento dei quadri elettrici e dei cablaggi. “La tecnologia dei bus di comunicazione permette oggi di pilotare un grande numero di dispositivi utilizzando una elevata velocità di trasmissione e riducendo enormemente il cablaggio verso il quadro elettrico. Anche i dispositivi hanno subito ultimamente dei cambiamenti sostanziali come per esempio nel caso dei motori con elettronica integrata che permettono di semplificare la progettazione delle macchine riducendone anche gli ingombri”. Come hardware, sottolinea Bonsi (Beckhoff Automation), i sistemi devono essere sempre più compatti e semplici da installare. “Un ridotto numero di cablaggi genera solitamente un miglioramento produttivo: pensiamo a problematiche quali il rispetto delle normative EMC oppure a quelle legate a eventuali errori di posa in opera. Un’attenzione particolare è rivolta alle funzionalità di sicurezza, per consentire per esempio l’operatività in determinate condizioni, che facilitino i compiti di setup e manutenzione delle macchine e impianti. Funzionalità di condition monitoring che permettono una manutenzione predittiva e sistemi di analisi dei dati sono sempre più gradite dal mercato, nell’ottica di incremento dell’efficienza”.

Assistenza e prodotti di qualità costruttiva "europea"

Se l’obiettivo dei costruttori di macchine è quello di potenziare le proprie macchine e diversificarsi dalla concorrenza, il Motion Control è per Beccalli (Mitsubishi Electric) l’argomento principe oltre che la sfida da affrontare al meglio. “Vengono quindi richiesti sistemi sempre più veloci in grado di aumentare sia la produttività che l’affidabilità del sistema, evitando fermi macchina, la programmazione per funzioni di movimentazione complesse, e la manutenzione predittiva andando ad agire sugli assi per tempo. Tutte queste caratteristiche sono garantite da aziende in grado di fornire sistemi completamente integrati e interconnessi tra loro in modo tra trasparente”. Il mercato di riferimento di Sipro, precisa Sambugar, chiede soluzioni che contemplino l’uso del bus Ethercat. “Soprattutto il cliente ci chiede che le tecnologie siano versatili, capaci di adattarsi alle esigenze di applicazioni in continuo cambiamento. L’assistenza e il prodotto di qualità costruttiva “europea” è ormai sempre più un’esigenza che si traduce direttamente nella qualità finale del macchinario/applicazione realizzata”.

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