課題
新しい射出成形機の性能要件を満たすために、Niigon Machines Ltd.のエンジニアは、コストのかかる改修に直面しました。エンドカスタマーの現場ですでに稼働していたこの機械は、サイクルタイムを短縮する必要がありました。Niigon社の従来のアプローチでは、機械システムに対して、大規模で費用のかかるアップグレードが必要でした。また設置には、機械の稼働を長時間にわたり停止する必要がありました。
解決策
ハードウェアにかかる膨大なコストと機械のダウンタイムを回避するため、NiigonはMaplesoftと提携し、バーチャルコミッショニングのアプローチを採用しました。Maplesoftのエンジニアは、機械のサイクルタイムを短縮するために、機械の制御コードを最適化するための強力なテストプラットフォームとして機能する、機械の動的モデルを作成しました。機械のデジタルツイン化により、制御チームは最適化されたソリューションの開発、改良、テストをすることができました。Niigonは、追加のコストや機械のダウンタイムを発生させることなく、既存の要件を満たすことができました。
結果
その射出成形機は現在、以前と全く同じハードウェア上でスループットを25%以上向上し、顧客のすべての要件と仕様を満たしています。バーチャルコミッショニングは、機械の再設計に比べてわずかな費用で、既存のハードウェアで最高のパフォーマンスを達成する新しい方法をNiigonに提供しました。現在Niigonのエンジニアは、バーチャルコミッショニング技術を用いて、試運転の時間を大幅に短縮し、より高速で予測可能なパフォーマンスを実現する新世代のマシンを作成しています。
オートメーションビジネスでは、スピードと効率がすべてです。エンジニアは、安全性や品質を犠牲にすることなく、生産速度を向上させるための新しい技術を常に探しています。多くのエンジニアは、機械性能を向上させるために、より厳しい要件に耐えられる新しいモータ、油圧装置、およびその他のコンポーネントに注目しています。バーチャルコミッショニングの登場により、Niigon Machines Ltdのエンジニアは、シミュレーションベースの設計原理を使用して製品を最適化することで、現在の機械をより速く、より安全に、より効率的に動作させています。
最新の射出成形機のプロバイダーであるNiigon は、競争の激しい市場の要求を満たすために、モジュール式でカスタマイズ可能な機械を提供しています。同社は最近、2つの射出ユニットを同時に稼働させ、油圧と電動の両方の作動を利用して金型を一緒にプレスする新しい機械を納入しました（図1）。納入後、同社のエンドカスタマーは、現在実現できるスループットよりも速いスループットを求めました。
図1：2台の射出成形機を同時に稼働させるNiigonの新型射出成形機の簡易モデル
現在の構成における機械の速度は、生産速度を上げると発生する不要な振動によって制限されてしまい、仕様よりも遅い速度で稼働する必要がありました。中央のプラテンに作用するこの振動は、射出形成機のプラテンが互いに閉じているときの機械サイクル間で発生していました。Niigonのエンジニアは、機械の構成を改善するために様々な方法を検討しました。現在のエンジニアリング技術では、解決策として油圧部品を電気部品と交換する必要があります。しかし、これにはハードウェアのコスト、数百時間のエンジニアリング時間、機械のダウンタイムによる大きな損失が伴います。
新しいアプローチ：バーチャルコミッショニング
高い費用と厳しい納期に直面したNiigonは、機械の最適化への新しいアプローチを検討することにしました。彼らはシミュレーションとバーチャルコミッショニングソリューションのリーディングプロバイダーであるMaplesoftと提携し、シミュレーションベースの技術を用いた制御戦略の最適化を模索しました。成功した場合、Niigonはコントローラを正確に最適化して、不要な振動を最小限に抑えることで問題を解決できます- 新しいハードウェアは必要ありません。
Niigonは、できるだけ早く結果を出すために、Maplesoft Engineering Solutionsのサービスを利用して、シミュレーションベースのアップグレードの開発と実装を支援しました。Maplesoftの専門家は、まず検証済みのマシンモデルを開発し、振動の根本的な原因を調査しました。そして、そのシミュレーションモデルをマシンコントローラ最適化の仮想テストプラットフォームとして使いました。Niigonは、制御の最適化を仮想的に行うことで、物理的な機械をオフラインにしたり、テスト中に機械を損傷したりすることなく、複数の戦略を開発、テスト、最適化できるようになりました。適切な戦略が開発されると、物理的な機械は新しいソフトウェアにリモートで更新されました。
モデルの開発
シミュレーションモデル（デジタルツインとも呼ばれる）を作成するために、Niigon は Maplesoft に、異なるコンポーネントの速度、位置、トルクデータなど、機械からの様々な操作データを提供しました。Maplesoft のモデリングおよびシミュレーションツールである MapleSim（図 2）を使用して、物理的な機械の動作を再現する動的モデルが作成されました。要求される忠実度を実現するために、MapleSim のマルチドメイン環境で構築されたこのモデルには、油圧システムや機械システムなど、実機の主要コンポーネントが含まれていました。
図 2: 射出成形機の一部のモデルトポロジーを示す MapleSim ワークスペースの例
Maplesoftのエンジニアは、物理的なマシンのデータとモデルの結果を比較することで、実機で見られる振動を正確に再現したシミュレーションモデルを作成しました。このモデルを使用して振動の原因を調査することで、振動をなくすためのさまざまな戦略をシミュレーションすることができるようになりました。
制御コードの最適化
これでNiigon は、シミュレーションモデルを使い、最適化された新しい制御コードを開発する準備が整いました。B&R Industrial Automationの顧客であるNiigonは、制御設計にAutomation Studioを使用しました。このAutomation Studioは、バーチャルコミッショニングのためにMapleSimモデルを簡単にインポートすることを可能にします。MapleSimモデルは、B&R MapleSim Connectorを使用してAutomation Studioに接続されます。これによりNiigonは、リアルタイムのシミュレーションベースのモデル上で、制御コードの影響をシミュレーションすることができました（図3）。
図3： MapleSim（右）とB&R Automation StudioとHMI（ヒューマン・マシン・インターフェース）ソフトウェア自体からなる制御システム開発ソフトウェア（左）との接続例。Niigon のエンジニアは、MapleSim のシミュレーションモデルを Automation Studio 内のリアルタイムテスト用の仮想テストプラットフォームとして使用し、その結果得られた制御コードを HMI システムへの展開に使用しました。
仮想マシンをテストすることで、Niigonは物理的なマシンがなくても、オフサイトで制御戦略の無数の反復を実行することができました。マウスをクリックするだけで、異なる制御戦略に対するマシンの応答を、特定のセンサーデータとマシンのリアルタイム3D可視化イメージ双方の形で可視化できました。仮想的に制御戦略を最適化した後、物理的なマシンに展開する準備が整いました。
すべてをまとめる: マシンの更新
図4: Niigonが開発した射出成形機
モデルベースの最適化による有望な結果を武器に、NiigonとMaplesoftのエンジニアは、物理的なマシンにソリューションを実装する準備ができました（図4）。典型的な試運転の状況では、エンジニアは適切なコントローラ構成に落ち着くまでに数週間から数ヶ月かかる場合があります。しかし、Niigonは仮想マシン上でテストを実施したため、マシン操作の最適化を実装するためのマシンのダウンタイムを2日以内に短縮できました。
2 つの主要な最適化戦略を実施した後、Niigon のマシンは機械のサイクルタイムを 25%以上短縮することに成功し（図 5）、製造中の振動問題を効果的に解消しました。「当初、これはソフトウェアでは実現不可能だと思っていました」と、このプロジェクトの制御設計者であるBilly Jiang氏は述べています。「最初にこのような結果が出たときは信じられませんでした」。
図 5：機械制御コードを最適化することで、エンジニアは、最適化されたコントローラを使用しない場合（緑）と新しい制御戦略を使用した場合（赤）の油圧システムを比較し、振動が大幅に減少していることに気付きました。
Niigonは、オートメーション技術としてバーチャルコミッショニングを使うことで、マシンのダウンタイムを減らし、ハードウェアベースのソリューションの25%以下のコストで、顧客の性能要件を上回る機械を提供できました。射出成形機を最適化して以来、エンドカスタマーは生産量の増加に対応するためにラインに2人目の従業員を追加しました。
Niigonのバーチャルコミッショニングの未来
"私にとって、それは考えるまでもないことです。シミュレーションなしでは、機械システムを最大限に活用することはできません。”
Controls Engineering & IT Manager, Niigon Machines Ltd.
機械シミュレーションは、ほんの数ヶ月の間に、検討外のオプションから、Niigon社の将来のエンジニアリング開発のための重要なツールになりました。Niigon社の制御エンジニアであるMarc Ricke氏は、シミュレーションが同社の製品ライン全体にもたらすパフォーマンスの向上に確信を持っています。「私にとって、それは全く考えるまでのないことです。シミュレーションなしでは、機械システムを最大限に活用することはできません。
Niigonでバーチャルコミッショニングプロセスを導入し続ける中で、Marcはコンサルティング、トレーニング、ソフトウェアのためにMaplesoft Engineering Solutionsを継続的に使用しています。「私たちが得たサービスの質の高さは計り知れません。何よりもまず第一に、Maplesoft のエンジニアは、常に私たちの問題を可能な限り迅速に解決できるように支援することに関心を持っていました。
Niigonの次の目標は何でしょうか？開発中のものを正確に語ることはできませんが、Marcはシミュレーションが将来の製品に強力な競争力を提供すると確信しています。将来的には、顧客がシミュレーションベースの機械開発によって提供される利点を要求し始めるだろうと彼は信じています。
「当初CADモデリングは不要と見られていて、なくても大丈夫だと考えていた人もいました。今では、CADモデリングの必要性を議論することすらできない時代になりました。2年後には、ここにいる人たちも同じようにシミュレーションを見てくれるようになることを期待しています」と語っています。
MapleSim がお客様のプロジェクトにどのように役立つかについては、Maplesoft にお問い合わせください。
