スマート製造のためのスマートなモーションコントロール

モーションコントロールは私の好きな分野のひとつです。大学の研究室で不安定なシステムのコントローラの研究をしていた夏を覚えています。私のツールは当時としては信じられないほど先進的なものでしたが、モーションコントロールはありがたいことに、それ以降ずっと進歩しています。

世界中の工場は、より少ない労力でより多くのことを行うように迫られています。継続的なサプライチェーンの混乱、オンショアリングとニアショアリング、環境への影響への懸念により、メーカーは、ますます迅速性および柔軟性が求められています。

そのために、工場はよりスマートなモーションコントロールを必要としています。図1はその理由を示しています。モーションコントロールは、多くの製造工程で中心的な役割を担っています。工場が効率的で、対応が早く、堅牢であるためには、基礎となるモーションコントロールシステムも同じ基準を満たさなければなりません。

図1：スマート工場には、さまざまなモーションコントロールアプリケーションがあります。（画像提供： Analog Devices）

このブログでは、高精度モーションコントロールとマシンヘルスモニタリングでこれらの目標を達成する方法を紹介します。これらの技術が、真にインテリジェントな工場につながるデジタルトランスフォーメーションのトレンドの重要な要素であることを説明します。

高精度モーションコントロール

よりスマートなモーションコントロールへの道は、より高精度の電流と位置の測定から始まります。これにより、応答性とスループットを最大にしながら、無駄を最小限に抑える機会が生まれます。あらゆる制御システムの精度は、そのセンサに依存します。

位置検出には多くの選択肢がありますが、磁気センサは光学式エンコーダよりも低コストで高分解能が得られるため、特に魅力的です。埃や振動にさらされる用途ではより堅牢で、非接触であるため摩耗や損傷が最小限に抑えられます。

しかし、磁気センサは外部磁界の干渉や周囲の材料の影響を受けやすいという欠点があります。また、精度は温度変化にも影響されるため、精度を維持するために校正が必要になることもあり、コストや信頼性の面で優位性が損なわれる可能性もあります。さらに、多くの磁気センサは至近距離でしか性能を発揮しないため、用途が限定されます。

これらの考慮点のバランスをとる1つの方法は、異方性磁気抵抗（AMR）センサです。ホール効果、巨大磁気抵抗（GMR）、トンネル磁気抵抗（TMR）センサとは異なり、AMRセンサは磁気的に過酷な環境において堅牢性を示し、広いエアギャップ公差で精度を維持します。AMRセンサは、このような条件下では劣化や角度誤差が発生しないため、校正やメンテナンスの必要性が大幅に減少します。

その良い例が、Analog Devicesの角度センサ ADA4571 ファミリです。これらのセンサは、統合型信号コンディショナを備え、モータドライブやサーボアプリケーション向けに、高い絶対精度で位置検出を容易に行うことができます。ADA4571には内蔵キャリブレーションエンジンが搭載されており、幅広い温度範囲で誤差を0.5°未満に抑えます（図2）。

図2：VDD = 5.5におけるADA4571センサの標準的な誤差（左）を示していますが、内蔵のゲイン制御（GC）機能を有効にすることで改善することができます（右）。（画像提供：Analog Devices）

マシンヘルスモニタリング

インテリジェント工場では生産能力が重要ですが、効率性と回復力も重要です。モータの振動や衝撃を監視することで、工場におけるマシンヘルスセンサ（振動センサなど）は、予定外のダウンタイムを減らし、メンテナンスコストを削減しながら、設備の寿命を延ばすことができます。センサの選択肢は数多くありますが、微小電気機械システム（MEMS）加速度センサは、圧電システムの価格と消費電力の何分の1かで、高帯域幅と低ノイズを提供し、機能の魅力的なバランスを取っています（図3）。

図3：マシンヘルスモニタリングに利用できるセンサには、コスト、性能、電力のトレードオフがあります。（画像提供：Analog Devices）

MEMS の良い例は、 ADXL1001/ADXL1002センサファミリです。ADXL1002の特筆すべき特徴は、±50gのレンジでわずか25μg/ルートヘルツ(μg/√Hz)のノイズと、10,000gまでの外部衝撃に耐えられることです。DCから11キロヘルツ（kHz）までのリニアな周波数応答は、ゆっくりと回転する機器に適しており、低消費電力はワイヤレスセンシング設計を容易にします。3軸の測定が必要なアプリケーションには、 ADXL371 が適しています。

デジタルトランスフォーメーションのためのリアルタイムコネクティビティ

これまで述べてきたセンシングソリューションの真の力は、工場の運用に対する深い洞察を引き出す能力にあります。電圧、電流、位置、温度などのデータがさまざまなモーションコントロールシステムから収集されると、自動化システムはこのデータを分析して、リアルタイムの製造フローを最適化することができます。

図4に示すように、決定論的データ収集には現在EtherCATやPROFINETのようなさまざまなフィールドバスプロトコルが使用されています。しかし、業界では次世代ネットワークの標準としてTSN（Time-Sensitive Networking）が急速に採用されつつあります。この傾向は、企業システムと工場現場のシステムを単一のネットワーク上に統合する、情報技術/運用技術（IT/OT）統合型インフラの出現の基礎となっています。

図4：製造業は、スタンドアロンのフィールドバスネットワークから、ギガビットEthernet（GbE）上のTSNをベースとしたIT/OT統合インフラへと移行しつつあります。（画像提供：Analog Devices）

これらのネットワークは、決定を確保するためにサブミリ秒のネットワークサイクルタイムと、ビジョンシステムからのビデオフィードのような新しい高速トラフィックソースに対応するために最大ギガビットの帯域幅を必要とします。最新のモーションコントロールシステムは、これらの要件を満たすために ADIN1200/1300ファミリのようなEthernet物理層（PHY）を必要とします。これらの堅牢で低消費電力、低レイテンシのPHYは、産業環境におけるGbEをサポートします。これらの製品は、105°Cまでの周囲温度で動作し、電磁両立性（EMC）について広範にテストされ、停電保護などの堅牢な機能を備えています。

まとめ

進化するスマート製造において、インテリジェントなモーションコントロールは極めて重要な要素であり、工場をより迅速で柔軟性のある方向に向かわせています。この最適化の中心となるのが、モーションコントロールシステムの精度および効率です。新たに拡張されたセンサオプションにより、技術者は位置追跡から機械のヘルスモニタリングまで、あらゆるものを改善する機会を得ることができます。この膨大かつ正確なデータを、ますます高性能になる工場ネットワークに供給することで、デジタルトランスフォーメーションへの期待は急速に現実のものとなりつつあります。このデジタル時代を迎えるにあたり、インテリジェントモーションコントロールと高度なネットワーキングのエキサイティングな融合は、真にスマートな製造業の未来を約束します。