La promesa de la automatización de siguiente nivel

Comprender las realidades y evitar las trampas

Borde. Nube. Gemelo digital. AI. ARKANSAS. RV. cobots. Una vez fueron palabras de moda. Ahora, se están convirtiendo en realidades técnicas en plantas de fabricación de mediana a gran escala en América del Norte. Los plazos para la adopción variarán según el sector industrial, pero un estudio reciente indicó que el 76 % de los fabricantes tienen una iniciativa de fábrica inteligente en proceso.

Cuando se implementan correctamente, estas iniciativas transformarán nuestras plantas, haciendo que la producción de todo, desde alimentos preparados hasta aviones de pasajeros, sea más eficiente, más consistente y más interconectada. La automatización permite un nivel de precisión y productividad más allá de las capacidades humanas, incluso en entornos que se considerarían inseguros para los humanos.

La frase clave anterior es "cuando se implementa correctamente". Hay desafíos y peligros potenciales. Manufacturing Engineering habló con varios expertos de la industria para obtener sus puntos de vista sobre dónde estamos hoy, cómo podría ser el mañana y qué podría hacernos tropezar.

Los avances son específicos de las industrias

Cuando se les preguntó sobre el nivel actual de automatización en las plantas de fabricación, nuestros expertos dudaron en generalizar sobre la fabricación en su conjunto y optaron por ofrecer observaciones sobre sectores industriales específicos.

Por ejemplo, la industria automotriz y aeroespacial están muy automatizadas, según Claude Dinsmoor, gerente general de desarrollo de productos de FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. “Hay muchos pasos de producción en la fabricación de un automóvil o SUV que están tan intrincadamente automatizados y simplificó que sería imposible para los humanos dar un paso atrás y hacerlos hoy”, dijo Dinsmoor.

David Suica, presidente de Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, ve una implementación considerable de herramientas de automatización a nivel de máquina o celda. “Prevalece la automatización de máquinas específicas, o incluso células o líneas”, dijo Suica. “Pero la mayoría de estas son islas de automatización. La capacidad de ver una fábrica en un formato digital, de modo que se pueda visualizar la verdadera productividad, aún está en el futuro”.

Según Andy Joseph, director de desarrollo de productos, y John Lytle, gerente de ingeniería de aplicaciones de Promess Inc., Brighton, Michigan, el grado de automatización en los procesos de ensamblaje es menor que en el lado del mecanizado. “Hacemos mucho trabajo en automoción y la automatización del ensamblaje de piezas es una bolsa mixta”, dijo Lytle. “Por otro lado”, agregó Joseph, “los fabricantes más pequeños están buscando tecnologías de automatización que la industria automotriz ha implementado durante años. Estamos viendo un gran cambio de la hidráulica a los actuadores servocontrolados que pueden ser parte de la estrategia de automatización del futuro”.

En Praemo, Kitchener, Ontario, los directores ven dos áreas de automatización con trayectorias muy diferentes. Andy Henderson, director de tecnología, dijo que la automatización física (automatización de tareas físicas y repetitivas) ha estado ocurriendo durante los últimos 30 a 40 años y hay ejemplos en prácticamente todas las plantas de fabricación. La automatización de la toma de decisiones (automatización de los procesos de pensamiento e información humanos), por otro lado, es muy nueva. “Máquinas específicas pueden realizar tomas de decisiones mundanas y repetitivas hoy en día”, dijo Alex Kelly, director de arquitectura de soluciones, “pero su capacidad para aprender de eventos anteriores para poder adaptarse a nuevas circunstancias aún no existe. Ese es el siguiente nivel:tomar medidas sobre los datos capturados de manera automatizada”.

Habilitadores de innovación en automatización

¿Cuáles son algunas de las tecnologías más nuevas que preparan el escenario para la automatización del siguiente nivel?

“La aceptación de los estándares de conectividad e intercambio de datos que funcionan dentro de las iniciativas de Industria 4.0 e Internet industrial de las cosas (IIoT) es fundamental y necesaria”, dijo Artur Gugulski, gerente regional de CNC del Medio Oeste, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. "Esto ayuda tanto a los fabricantes como a los proveedores a utilizar protocolos y estándares de comunicación abiertos".

“En la industria de moldes y matrices, por ejemplo, estamos viendo sistemas de fabricación flexibles que reducen el tiempo de siete semanas a siete días”, dijo Dan Zeman, gerente de automatización de MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, una subsidiaria de Mitsubishi. “Una tecnología clave para permitir esto es el software de gestión del trabajo, que coordina robots y máquinas mediante el procesamiento de programas, datos y el arranque remoto de la máquina para permitir un funcionamiento prolongado y sin supervisión. La otra cosa que es fundamental para la automatización del siguiente nivel son las tecnologías que rodean las herramientas paletizadas, los accesorios y la sujeción de trabajos. Con la paletización, se puede emplear un robot para recoger una herramienta y colocarla en el mandril con mucha facilidad y precisión. Puede pasar del fresado a la inspección y al electroerosionado por penetración en un proceso continuo con el robot transfiriendo [la pieza de trabajo] de una máquina a otra. La operación puede programarse, priorizarse y monitorearse mediante un software de administración para secuenciar múltiples pasos de manera eficiente”.

El fabricante de robótica FANUC está buscando varias tecnologías clave que aumenten el rendimiento humano, en lugar de reemplazarlo. Según Dinsmoor, “Algunas de las tecnologías interesantes incluyen la visión artificial (visión 3D), la detección táctil y de fuerza, y el control de potencia y fuerza, que son esenciales para los cobots (robots colaborativos que trabajan muy cerca de los humanos). También es de gran valor la tecnología de simulación en la etapa de diseño, que nos ayuda a construir una solución virtual antes de comprometerla con el acero. Con la simulación, los fabricantes pueden reducir su tiempo de diseño y evaluar de manera segura hasta una docena de "candidatos de diseño" para encontrar la mejor solución de automatización".

Según Paul Boris, vicepresidente ejecutivo de Praemo, si pensamos en la automatización de siguiente nivel como equipar a las máquinas para que comiencen a tomar decisiones por sí mismas, eso requiere un nivel de inteligencia en la propia máquina. “Para aprovechar los diferentes algoritmos y los métodos para implementar esos algoritmos, confiamos en gran medida en la inteligencia artificial (IA)”, dijo. "La IA es la base que se encuentra en muchas otras tecnologías importantes para nosotros".

Una de las tecnologías más interesantes que ve Promess es LiDAR (Light Detection and Ranging). “Su principal característica es su alta resolución espacial al medir objetos 3D”, dijo Joseph. "LiDAR se puede emplear en una variedad de escenarios de fabricación, incluida la seguridad del operador, el manejo de piezas robóticas, los sistemas de guía y el aprendizaje automático para optimizar los procesos de ensamblaje".

Zeman dijo que el próximo avance que busca MC Machinery está en el área del diseño. “El dibujo manual dio paso a hacer todo en una PC y trazar en papel. Los plotters ahora han desaparecido ya que todo se vuelve electrónico. Eventualmente, en lugar de presionar el botón 'imprimir', presionaremos el botón 'construir' y el diseño irá directamente a la fabricación".

Computación perimetral y más

Otras nuevas tecnologías mencionadas por nuestros expertos incluyen la computación perimetral (procesamiento en la fuente para acelerar las tasas de transferencia y los tiempos de respuesta mientras se reduce la carga en el ancho de banda de una fábrica); integración nativa con la nube; tecnologías para predecir/prevenir fallas de activos; realidad aumentada (AR) para montaje y mantenimiento; y realidad virtual (VR) para entrenamiento y simulación.

“Para lograr la automatización del siguiente nivel, deben suceder varias cosas al mismo tiempo”, dijo Suica de Fastems. “La tecnología VR será una gran ventaja ya que permite una vista multifacética de su fábrica en forma digital. De hecho, ver una fábrica en formato digital (es decir, gemelo digital) traerá mejoras en la productividad. La visibilidad digital permite a los gerentes e ingenieros ver instantáneamente qué máquinas no solo están encendidas, sino también qué máquinas están cortando, que es la verdadera medida de la eficiencia operativa. También muestra los flujos entre máquinas, dónde están las perturbaciones o los problemas”.

Con el software, la tendencia es seguir agregando capacidades. “Esto está bien”, señaló Dinsmoor de FANUC, “siempre y cuando no agregue capas a la arquitectura general. Al integrar más funciones en nuestro robot, en realidad reducimos las capas de software y hardware necesarias. Los protocolos abiertos son esenciales para que esto suceda a gran escala”.

Según Zeman de MC Machinery, los beneficios de la automatización provienen de la combinación de múltiples pasos de proceso hacia arriba y hacia abajo. “Esta información debe fluir sin problemas”, dijo. Habló sobre el esfuerzo de colaboración entre los fabricantes que están adoptando estándares abiertos para la recopilación de datos y la transferencia de archivos. “El resultado neto es que un cliente puede integrar CAD/CAM, sistema de medición, fresado y máquina EDM fácilmente y obtener excelentes resultados”, dijo Zeman.

Lytle of Promess citó los avances realizados en las comunicaciones de máquina a máquina a través de las comunicaciones de plataforma abierta con arquitectura uniforme (OPC UA) y las tecnologías de bus de campo para el control distribuido en tiempo real. “Nuestros clientes quieren soluciones que les permitan realizar la integración y la reprogramación internamente”, dijo. “Las bibliotecas de máquinas que proporcionan bloques de construcción con poco conocimiento de programación requerido, y cosas como Open PLC, están haciendo que esto sea una realidad. Sin embargo, debo agregar que estamos en las etapas iniciales aquí".

La evaluación de Suica del problema con las islas de automatización es la existencia de "pequeños fragmentos de software que no se comunican entre sí". Él lo compara con sentarse por la noche a ver televisión y tener cuatro controles remotos diferentes frente a usted:uno para el receptor, uno para el DVR, uno para el televisor y otro para el dispositivo de transmisión. “Al igual que necesita un control remoto universal en casa, su fábrica necesita una forma universal de recopilar datos y usarlos para realizar una tarea”, dijo. "Esto es cada vez más fácil debido a las plataformas, arquitecturas y bases de datos abiertas, pero aún debe planificarse".

Los fabricantes que esperan implementar un motor analítico impulsado por IA en el futuro pueden comenzar hoy desbloqueando información valiosa sin tener que preparar todos los datos existentes de una manera especial. Henderson de Praemo explicó que cuando se emplean enfoques tradicionales, existe el requisito de que los datos clave deben ubicarse, limpiarse, categorizarse y armonizarse para convertirse en la base para la toma de decisiones.

“Desafortunadamente, incluso dentro de la misma empresa, encontrará que cada sitio de fabricación hace lo suyo:diferentes bases de datos, diferentes sistemas ERP, diferentes etiquetas, diferentes nombres”, dijo. “En lugar de esperar a completar la estandarización de datos, nos conectamos a los datos tal como existen y donde existen hoy. Comience rápido y obtenga algunas pequeñas ganancias. Esto no solo hace que las cosas comiencen más rápido, sino que ayuda a las empresas a abordar los problemas culturales y de personas que a menudo acompañan a los proyectos de automatización a gran escala, sin los riesgos o temores inherentes”.

Robótica avanzada simplificada

Los robots de próxima generación no solo son mucho más fáciles de programar, sino también más fáciles de usar, con capacidades como el reconocimiento de voz e imagen para recrear tareas humanas complejas. Los robots colaborativos han surgido como una tecnología nueva y de rápido crecimiento que puede satisfacer la demanda de automatización y flexibilidad en la fabricación. Tienen el potencial de ayudar a los trabajadores que realizan tareas tediosas y mejorar la seguridad en el lugar de trabajo.

Según Dinsmoor de FANUC, el trabajo de desarrollo de robótica avanzada de su empresa se centra en responder a esta pregunta:"¿Cómo será el mañana?" Las tecnologías emergentes como la visión, el control de potencia y fuerza, la IA y el aprendizaje automático forman parte de la paleta de diseño. “Nuestra intención es hacer que un robot sea más fácil de aplicar y más fácil de programar u operar sin tener habilidades especializadas”, dijo. "Al igual que operar un teléfono inteligente que tiene capacidades asombrosas que en su mayoría son transparentes para el usuario, las mejoras en el alcance, la velocidad y la carga útil son una prioridad continua".

FANUC ha estado incorporando dispositivos compatibles con IIoT en sus robots durante los últimos cinco a siete años para permitir el monitoreo remoto hacia el objetivo de tiempo de inactividad cero. "Tenemos tiendas que funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana sin intervención humana", dijo Dinsmoor, "así que vemos la realidad".

Brillando una luz en Lights-Out

Nuestros expertos tienen puntos de vista diferentes sobre la necesidad de lograr un funcionamiento sin luces. Como dijo Boris de Praemo, “Lights-out es una buena visión por la que deben luchar todos los fabricantes, pero tiene que permanecer arraigada en la realidad. Es más beneficioso para una planta que fabrica productos estándar y repetibles. Cada vez que introduce variabilidad en la ecuación, a través de la personalización u otros factores, es mucho menos factible que se apaguen las luces. Creemos que es importante incorporar inteligencia en capas, analizar datos de máquinas y procesos a medida que surgen complejidades, alertar a los equipos antes de que surjan problemas que resulten en pérdidas de rendimiento o calidad. Entonces, tal vez el objetivo debería ser una asistencia inteligente en lugar de una autonomía operativa completa”.

Suica dijo que Fastems tiene varios clientes que se quedan sin luz (90 horas o más por semana) constantemente. “Eso requiere que sucedan varias cosas. Primero la maquinaria y los equipos deben ser robustos”, dijo. “Entonces es un proceso de identificar los eslabones más débiles y eliminarlos. En algunas fábricas, el eslabón débil son las herramientas, en otras, la eliminación de virutas. Cualquier cosa que bloquee la máquina debe eliminarse. Pero ya sea que logre o no apagar las luces, identificar y eliminar los eslabones débiles siempre conducirá a ganancias de productividad”.

Gugulski de Fagor citó una lista de solicitudes "típicas" de clientes que se esfuerzan por apagar las luces. “Cosas como sistemas de 10 ejes de doble canal; detección de colisiones; seguridad de las máquinas; escalas absolutas de vidrio; termopares para compensación dinámica de temperatura; control tangencial; sondeo sofisticado; transformación de descentramiento; detección de movimiento; y las características para modificar programas sobre la marcha son todos requisitos para el mecanizado CNC sin luces”, dijo. “Esto es factible, pero complejo. Hemos demostrado la capacidad de interactuar con diferentes componentes del proceso de automatización, incluidos lectores de códigos de barras, termopares para mediciones de temperatura, sistemas de seguridad con cámaras, sondas controladas por radio y sistemas CAM de primera línea para cinco ejes. programación de piezas.”

Los caballeros de Promess escuchan menos hablar de apagones de sus clientes de montaje. “La interacción humana casi siempre es necesaria”, dijo Joseph. “De hecho, los cobots se desarrollaron para interactuar con los humanos”. Según Lytle, “la necesidad de nuestros clientes es contar con sistemas de ensamblaje flexibles, hacer más en una sola estación. Muchas plantas buscan que nuestra prensa se convierta en un sexto eje para un robot, otra aplicación de final de brazo”.

Zeman de MC Machinery agregó:“Para las operaciones de corte de luz en procesos calificados, por ejemplo, en las industrias aeroespacial y médica, tratamos activamente de trabajar con nuestros clientes en las primeras etapas del proceso de desarrollo para garantizar que los beneficios de la automatización se puedan incorporar en el proceso. proceso. La ejecución del primer artículo debe incluir la automatización, ya que no se puede agregar fácilmente en una fecha posterior”.

Dar los próximos pasos

La iniciativa Industria 4.0 requiere una digitalización básica. Sin digitalizar cada paso, la eficiencia operativa se está dejando sobre la mesa.

“Una de las primeras cosas que recomendamos es una auditoría de automatización para observar todas las áreas de proceso en la planta”, dijo Dinsmoor de FANUC. “Puede haber un cliente con ideas muy específicas sobre lo que debería automatizarse y, mientras hacemos un recorrido, encontramos oportunidades adicionales que son de gran valor y fáciles de lograr. Para una planta que recién comienza a automatizarse, estas ganancias tempranas y fáciles son las mejores. Los éxitos se alimentan entre sí y la recuperación económica a menudo puede ayudar a financiar la próxima oportunidad”.

Una forma en que Praemo prueba el agua con clientes potenciales es comenzar rápidamente con un conjunto estático de datos históricos, según Henderson. “Usando datos estáticos, nuestro motor Razor puede analizar y proporcionar información para la gestión de la planta sin interrumpir la producción existente. Todos venimos de operaciones, por lo que nuestro énfasis está en lo práctico. Sabemos por nuestra experiencia que la IA y el aprendizaje automático simplificarán, acelerarán y reducirán el costo de fabricación”.

La factibilidad técnica y la viabilidad económica son condiciones previas necesarias para automatizar una máquina o línea. Sin embargo, están lejos de ser los únicos factores, según Joseph of Promess. “Aparte de los problemas técnicos obvios, el punto clave sigue siendo:si está viendo la automatización hoy y tiene preguntas, ¿con quién quiere trabajar? ¿Quién estará ahí para apoyarte mientras emprendes el viaje?”