การเปลี่ยนไดรฟ์แบบเดี่ยวเป็นสิ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้หรือไม่? 5 ข้อได้เปรียบด้านการพัฒนาของไดรฟ์เซอร์โวแบบ Multi-axis EtherCAT

ความเรียบง่ายของสถาปัตยกรรม: คอนโทรลเลอร์เซอร์โวหลายแกนช่วยลดความซับซ้อนของระบบอย่างไร

การขยายระบบแบบโมดูลาร์โดยไม่มีการแยกส่วนการควบคุม

ตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนรวมตรรกะการควบคุมทั้งหมดไว้ในที่เดียว แทนที่จะใช้ตัวควบคุมแยกต่างหากสำหรับแต่ละแกน ซึ่งช่วยแทนที่ระบบเซอร์โวแบบแกนเดียวแบบเก่าที่ทำงานอย่างอิสระแยกจากกันเหมือนเกาะเล็กๆ ที่ไม่มีการเชื่อมโยงกัน เมื่อส่วนต่างๆ ของเครื่องจักรทำงานอย่างอิสระเช่นนี้ จะก่อให้เกิดปัญหาในระบบที่มีความซับซ้อนสูง ด้วยตัวควบคุมเหล่านี้ ทุกส่วนจะใช้สัญญาณจังหวะเวลาและแผนการเคลื่อนที่ร่วมกันทั่วทุกแกน ผลลัพธ์ที่ได้คือระบบที่สามารถขยายขนาดได้อย่างง่ายดายโดยไม่เพิ่มความซับซ้อนจนเกินไป ต้องการเพิ่มแกนอีกหนึ่งแกนหรือไม่? เพียงแค่เชื่อมต่อมอเตอร์เข้ากับระบบ ก็ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมเพิ่มเติมแต่อย่างใด บริษัทชั้นนำด้านระบบอัตโนมัติบางแห่งรายงานว่า ลูกค้าของพวกเขาสามารถปรับโครงสร้างเครื่องจักรใหม่ได้เร็วขึ้นถึงร้อยละ 70 เมื่อเปลี่ยนสายการผลิต ซึ่งก็สมเหตุสมผลดี เพราะทุกส่วนทำงานร่วมกันอย่างกลมกลืน แทนที่จะขัดแย้งหรือทำงานสวนทางกัน

อุปกรณ์น้อยลง จุดที่อาจเกิดความผิดพลาดน้อยลง การปรับใช้เวอร์ชันเครื่องจักรต่างๆ ได้รวดเร็วขึ้น

เมื่อเราผสานแกนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน จะช่วยลดจำนวนชิ้นส่วนทางกายภาพลงประมาณ 40% เมื่อเปรียบเทียบกับการติดตั้งแกนเดี่ยวแยกกัน ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วหมายความว่ามีโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาดน้อยลง นอกจากนี้ เรายังพบว่าจำนวนสายเคเบิลและขั้วต่อที่อาจเสียหายจากแรงสั่นสะเทือนหรือผุกร่อนตามกาลเวลาลดลงประมาณ 60% จุดกลางที่สัญญาณเคยขาดหายไปอย่างสมบูรณ์ก็หายไปด้วย ยิ่งไปกว่านั้น การเชื่อมต่อทุกส่วนผ่านระบบจ่ายไฟเพียงระบบเดียวช่วยหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการเดินสายซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยครั้ง อีกทั้งสถาปัตยกรรมบัสกระแสตรง (DC bus) แบบใช้ร่วมกันยังทำให้พลังงานที่เกิดขึ้นขณะที่แกนชะลอความเร็วสามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ใกล้เคียงได้ ซึ่งช่วยลดความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดในแต่ละช่วงเวลา การออกแบบที่เรียบง่ายในลักษณะนี้ช่วยให้การติดตั้งและเริ่มใช้งานเครื่องจักรใหม่เป็นไปอย่างรวดเร็วขึ้น ฝ่ายวิศวกรรมสามารถนำโครงสร้างการควบคุมหลายแกนที่ผ่านการทดสอบแล้วมาประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์ใหม่ล่าสุดได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ แทนที่จะต้องรอหลายเดือนเพื่อให้ทุกส่วนพร้อมใช้งานครบถ้วน

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ EtherCAT ในการออกแบบตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกน

ความแน่นอนเชิงเวลาต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที สำหรับแกนควบคุม 32 แกนขึ้นไป ผ่านโครงสร้างบัสแบบใช้ร่วมกัน

การออกแบบบัสแบบร่วมกันของ EtherCAT ทำให้ระบบควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนที่มีจำนวนแกน 32 แกนขึ้นไปสามารถตอบสนองได้ภายในเวลาต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที สิ่งที่ทำให้ EtherCAT แตกต่างจากระบบเครือข่ายแบบดั้งเดิมคือวิธีการจัดการแพ็กเก็ตข้อมูลขณะที่ข้อมูลกำลังเคลื่อนผ่านระบบจริง ๆ แทนที่จะหยุดรอที่แต่ละโหนดตามเส้นทางอย่างที่เคยเป็นมา ด้วยนาฬิกาแบบกระจาย (distributed clocks) ที่ทำหน้าที่ประสานงานทุกส่วนให้สอดคล้องกัน ระบบจึงสามารถรักษาค่าจิตเตอร์ (jitter) ไว้ต่ำกว่าเพียงหนึ่งไมโครวินาทีเท่านั้น ความแม่นยำด้านเวลาในระดับนี้สามารถแปลงเป็นความแม่นยำในการวัดระดับนาโนเมตร ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับแขนหุ่นยนต์และเครื่องจักร CNC ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในโรงงานผลิตสมัยใหม่ โรงงานที่ดำเนินสายการผลิตซึ่งสามารถผลิตสินค้าได้มากกว่าหนึ่งพันชิ้นต่อนาที จำเป็นต้องอาศัยความแม่นยำในระดับนี้อย่างยิ่ง นอกจากนี้ โครงสร้างเส้นทางการสื่อสารของ EtherCAT ยังช่วยกำจัดปัญหาการชนกันของสัญญาณ (signal collisions) ซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยในเครือข่ายแบบดาว (star topology) ผลลัพธ์คือ เวลาไซเคิล (cycle time) ลดลงประมาณสามในสี่เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ใช้ CAN รุ่นเก่า ทำให้การดำเนินงานโดยรวมรวดเร็วขึ้นอย่างมาก

การกำจัดความล่าช้าระหว่างมาสเตอร์กับสเลฟเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่แบบซิงโครไนซ์อย่างแท้จริง

เมื่อพูดถึงตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกน (multi-axis servo controllers) เทคโนโลยี EtherCAT จะช่วยขจัดปัญหาความล่าช้าในการสื่อสารระหว่างมาสเตอร์กับสเลฟ (master-slave communication delays) ได้อย่างสิ้นเชิง ระบบใช้การซิงโครไนซ์เวลาแบบกระจาย (distributed clocking) เพื่อให้ทุกส่วนทำงานร่วมกันอย่างแม่นยำในระดับนาโนวินาที แทนที่จะรอเป็นมิลลิวินาที ซึ่งหมายความว่าคำสั่งการเคลื่อนที่จะถูกดำเนินการพร้อมกันทั่วทุกไดร์ฟ โดยไม่จำเป็นต้องอาศัยกระบวนการแลกเปลี่ยนสัญญาณกลับไปกลับมา (handshake process) ระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ยกตัวอย่างเช่น การแทรกค่าแบบวงกลม (circular interpolation) ซึ่งเป็นงานที่ซับซ้อนมาก ระบบที่ใช้เทคโนโลยีนี้สามารถจัดการได้อย่างแม่นยำยิ่ง แม้ขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกิน 300 เมตรต่อนาที ในสายการผลิตบรรจุภัณฑ์ ซึ่งสินค้าจำเป็นต้องจัดเรียงให้ตรงกันอย่างสมบูรณ์แบบ การประสานงานอย่างแน่นหนานี้จะช่วยกำจัดความแตกต่างเล็กน้อยของเวลาที่เกิดขึ้น ซึ่งหากสะสมไปเรื่อยๆ จะกลายเป็นปัญหาการจัดตำแหน่งที่รุนแรงในระยะยาว สำหรับวิศวกรที่ต้องการตั้งค่าระบบให้ถูกต้องตั้งแต่วันแรก การบรรลุการเคลื่อนที่แบบซิงโครนัสที่แท้จริงนั้นไม่ใช่เพียงแค่เป็นไปได้เท่านั้น แต่ยังถือเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในปัจจุบันอีกด้วย แล้วสิ่งนี้ส่งผลอย่างไรในทางปฏิบัติ? นั่นหมายถึงชิ้นส่วนเครื่องจักรมีการสึกหรอน้อยลง และอัตราการผลิต (production throughput) เพิ่มขึ้นประมาณ 25% ในกรณีส่วนใหญ่ ตามผลการทดสอบภาคสนาม

พื้นที่ กำลัง และประสิทธิภาพด้านต้นทุนที่เกิดขึ้นจากตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนแบบบูรณาการ

ปริมาตรตู้ลดลง 60% และจำนวนขั้วต่อที่ใช้น้อยลง 40% เมื่อเทียบกับชุดควบคุมเซอร์โวแบบแกนเดี่ยวแบบแยกส่วน

ตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนที่รวมอยู่ในระบบเดียวกันสามารถลดพื้นที่ที่เครื่องจักรต้องการได้อย่างมาก เนื่องจากส่วนประกอบการควบคุมทั้งหมดถูกบรรจุรวมกันแทนที่จะกระจายอยู่ตามจุดต่าง ๆ อย่างที่พบในระบบแบบแกนเดียวแบบดั้งเดิม เราจะเห็นชิ้นส่วนเสริมจำนวนมาก เช่น ตู้หุ้มซ้ำซ้อน บล็อกขั้วต่อ และแหล่งจ่ายไฟแยกตัว ซึ่งใช้พื้นที่ภายในตู้ควบคุมอย่างมีค่า การกำจัดชิ้นส่วนเหล่านี้ทำให้ขนาดของตู้ควบคุมลดลงประมาณสองในสาม ตามผลการทดสอบภาคสนาม นอกจากนี้ ระบบสายไฟยังเรียบง่ายขึ้นอย่างมาก เพราะต้องใช้การเชื่อมต่อน้อยลง ส่งผลให้ช่างเทคนิคใช้เวลาติดตั้งทั้งหมดน้อยลงประมาณสี่สิบเปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการแบบเก่า ระบบจัดการความร้อนก็มีประสิทธิภาพดีขึ้นด้วย เนื่องจากตู้ขนาดเล็กไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานระบายความร้อนมากนัก และมักกระจายความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งอุปกรณ์ โรงงานผลิตหลายแห่งรายงานว่ามีการปรับปรุงที่สังเกตเห็นได้ชัดทั้งในด้านประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ หลังจากเปลี่ยนมาใช้ระบบนี้

การแบ่งปันบัสกระแสตรง (DC Bus) และการกระจายพลังงานที่กู้คืนกลับใหม่ช่วยลดความต้องการสูงสุดได้สูงสุดถึง 28%

การจัดวางระบบบัสกระแสตรงแบบใช้ร่วมกันนี้ช่วยให้การจัดการพลังงานในงานอุตสาหกรรมมีความชาญฉลาดยิ่งขึ้น เมื่อมอเตอร์ลดความเร็วลง มอเตอร์จะสร้างพลังงานขึ้นมาจริง แต่ในระบบที่ควบคุมแกนเดียวโดยทั่วไป พลังงานนั้นจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน อย่างไรก็ตาม ในระบบควบคุมหลายแกน (multi-axis controllers) พลังงานที่กู้คืนได้นี้จะถูกส่งกลับไปยังส่วนอื่นๆ ของระบบซึ่งกำลังต้องการพลังงานเพื่อเร่งความเร็วในขณะนั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือ การประหยัดพลังงานสามารถลดการใช้ไฟฟ้าสูงสุดได้ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์ ตามผลการทดสอบภาคสนาม ซึ่งหมายความว่า บริษัทไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์จ่ายไฟขนาดใหญ่เท่าเดิม และสามารถลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานได้ บางระบบที่ใช้ซอฟต์แวร์ทำนายเพื่อปรับสมดุลภาระงานระหว่างแกนต่างๆ ด้วย ทำให้ระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น แม้ในขณะที่ต้องตอบสนองต่อความต้องการที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วก็ตาม

การจัดการวงจรชีวิตแบบเร่งความเร็วด้วยซอฟต์แวร์ควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนอัจฉริยะ

ตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนที่ทันสมัยปฏิวัติการจัดการรอบอายุการใช้งานของอุปกรณ์ผ่านระบบปัญญาประดิษฐ์ในซอฟต์แวร์แบบบูรณาการ โดยการรวมฟังก์ชันการกำหนดค่า การตรวจสอบ และการบำรุงรักษาไว้ด้วยกัน ระบบทั้งหมดนี้ช่วยขจัดกระบวนการทำงานที่กระจัดกระจายออกไป ขณะเดียวกันก็เพิ่มความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน

การปรับพารามิเตอร์อัตโนมัติและการใช้งานครั้งแรกแบบบูรณาการ ลดระยะเวลาการตั้งค่าลง 70%

คุณสมบัติการปรับพารามิเตอร์อัตโนมัติในระบบสมัยใหม่ทำงานโดยการตรวจจับข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์และสภาวะโหลดด้วยตนเอง จากนั้นจึงกำหนดค่า PID และขีดจำกัดแรงบิดที่เหมาะสมที่สุดโดยไม่ต้องป้อนค่าด้วยมือ เมื่อใช้งานร่วมกับเครื่องมือการตั้งค่าเริ่มต้นแบบรวมศูนย์รุ่นใหม่เหล่านี้ วิศวกรสามารถซิงค์แกนควบคุมหลายแกนพร้อมกันได้จากแผงควบคุมกลางเพียงแห่งเดียว แทนที่จะต้องจัดการแต่ละอุปกรณ์แยกกัน การทดสอบในโลกจริงแสดงให้เห็นว่าเครื่องจักรสามารถตั้งค่าได้เร็วขึ้นประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ตามผลการวิจัยล่าสุดด้านระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมเมื่อปีที่ผ่านมา การลดจำนวนขั้นตอนลงระหว่างการตั้งค่าเริ่มต้นทำให้โรงงานสามารถเริ่มผลิตไลน์ผลิตภัณฑ์ใหม่ได้รวดเร็วขึ้นมากหลังจากการเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์ บางโรงงานรายงานว่าสามารถเปิดใช้งานสายการผลิตได้ภายในไม่กี่วัน แทนที่จะใช้เวลาหลายสัปดาห์เมื่อมีการเปลี่ยนผ่านระหว่างการตั้งค่าเครื่องจักรที่แตกต่างกัน

การวิเคราะห์แบบฝังตัวและการปรับแต่งเชิงพยากรณ์เพื่อการบำรุงรักษาเชิงรุก

การติดตามการสั่นสะเทือน อุณหภูมิ และกระแสไฟฟ้าช่วยให้ตรวจพบปัญหาเชิงกลหรือการจัดแนวที่ผิดพลาดได้ล่วงหน้าเป็นเวลานานก่อนที่ปัญหาเหล่านั้นจะทวีความรุนแรงขึ้น ระบบอัจฉริยะสามารถปรับแต่งค่าต่าง ๆ ล่วงหน้าได้ เช่น การปรับค่าเพื่อรองรับแบริ่งที่สึกหรอ ก่อนที่จะเสียหายอย่างสมบูรณ์ ทั้งนี้ แบบจำลองการทำนายดังกล่าวสามารถคาดการณ์เวลาที่อุปกรณ์อาจเกิดความผิดปกติได้อย่างแม่นยำถึงร้อยละ 92 โดยพนักงานในโรงงานจะได้รับสัญญาณเตือนที่จัดลำดับตามระดับความสำคัญ เพื่อให้สามารถดำเนินการซ่อมแซมก่อนที่การผลิตจะหยุดชะงักอย่างกะทันหัน ข้อมูลการผลิตจากปีที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าแนวทางนี้ช่วยลดการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดลงได้ประมาณร้อยละ 40 แทนที่จะรอให้อุปกรณ์เสียหายแล้วจึงดำเนินการ ตอนนี้โรงงานต่าง ๆ วางแผนการบำรุงรักษาตามสภาพจริงของอุปกรณ์ มากกว่าการปฏิบัติตามตารางการบำรุงรักษาตามปฏิทินเพียงอย่างเดียว

ประสิทธิภาพที่พร้อมสำหรับอนาคต: เทคโนโลยี SiC และความสามารถในการเคลื่อนที่ขั้นสูงในตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกน

ตัวควบคุมเซอร์โวแบบหลายแกนรุ่นล่าสุดกำลังใช้สารกึ่งตัวนำคาร์บอนไซไทด์ (SiC) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมาก ระบบเหล่านี้สามารถสลับสถานะได้ที่ความถี่สูงขึ้นประมาณ 10 เท่าเมื่อเทียบกับตัวควบคุมที่ใช้ซิลิคอนรุ่นเก่า ขณะเดียวกันยังลดการสูญเสียพลังงานลงได้ระหว่าง 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ อีกหนึ่งคุณสมบัติที่ทำให้ SiC โดดเด่นคือความสามารถในการนำความร้อนได้ดีมาก เนื่องจากคุณสมบัตินี้ ผู้ผลิตจึงสามารถออกแบบฮีตซิงค์ให้มีขนาดเล็กลงได้ประมาณ 30% โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพหรือความน่าเชื่อถือของระบบ แม้จะทำงานต่อเนื่องภายใต้สภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรง นอกจากนี้ ตัวควบคุมเหล่านี้ยังมาพร้อมอัลกอริธึมการเคลื่อนที่ขั้นสูงที่ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ควบคุมการเคลื่อนที่แยกต่างหาก ฟังก์ชันที่ซับซ้อนทั้งหมดถูกฝังไว้ภายในตัวระบบเอง ทำให้การจัดการและการบูรณาการเข้ากับระบบที่มีอยู่แล้วนั้นง่ายขึ้นมาก

• การแทรกค่าแบบเรียลไทม์ บนแกน 32 แกนขึ้นไปสำหรับเส้นทางแบบเกลียวและวงกลมที่ซิงโครไนซ์กัน
• การกำหนดรูปแบบแคมอัจฉริยะ พร้อมระบบเร่งแบบ S-curve แบบปรับตัวได้
• การควบคุมตำแหน่งภายในเวลาต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที ความแม่นยำสำหรับหุ่นยนต์ความเร็วสูง
• การลดการสั่นสะเทือนแบบคาดการณ์ล่วงหน้า ซึ่งป้องกันการเกิดเรโซแนนซ์เชิงกลก่อนจะเกิดขึ้น

ด้วยการผสานเทคโนโลยีเหล่านี้เข้าด้วยกันในสถาปัตยกรรมแบบบูรณาการเดียว ตัวควบคุมรุ่นถัดไปจึงสามารถลดจำนวนชิ้นส่วนลง ขณะเดียวกันก็ให้คุณภาพของการเคลื่อนที่ที่เหนือระดับ—ทำให้ระบบอุตสาหกรรมมีความพร้อมสำหรับอนาคต ด้วยเวลาไซเคิลที่สั้นลง ความแม่นยำระดับนาโนเมตร และการดำเนินงานที่ประหยัดพลังงาน—ทั้งหมดนี้อยู่ในขนาดร่างกายที่กะทัดรัด เหมาะสมยิ่งสำหรับระบบอัตโนมัติที่สามารถขยายขนาดได้