Automatización de Próximo Nivel: Convirtiendo Palabras de Moda en Ganancias Reales de Manufactura

Entendiendo las realidades y evitando los escollos

Edge. Cloud. Gemelo digital. IA. AR. VR. Cobots. Una vez fueron palabras de moda. Ahora, se están convirtiendo en realidades técnicas en plantas manufactureras de mediana a gran escala en Norteamérica. Los plazos de adopción variarán según el sector industrial, pero un estudio reciente indicó que el 76 por ciento de los fabricantes tienen una iniciativa de fábrica inteligente en marcha.

Cuando se implementan correctamente, estas iniciativas transformarán nuestras plantas – haciendo la producción de todo, desde alimentos preparados hasta aviones, 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 humanos.

La frase clave arriba es "cuando se implementan correctamente". Hay desafíos y posibles escollos. 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 a las Industrias

Cuando se les preguntó sobre el nivel actual de automatización en plantas manufactureras, nuestros expertos dudaron en generalizar sobre la manufactura en su conjunto, optando en cambio por ofrecer observaciones sobre sectores industriales específicos.

Por ejemplo, automotriz y aeroespacial están altamente automatizados, según Claude Dinsmoor, gerente general de desarrollo de producto para FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. "Hay muchos pasos de producción en la manufactura de un automóvil o SUV que están tan intrincadamente automatizados y optimizados que sería imposible para los humanos retroceder 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. "La automatización de máquinas específicas, o incluso celdas o líneas, es prevalente", dijo Suica. "Pero la mayoría de estas son islas de automatización. La capacidad de ver una fábrica en formato digital, para que la verdadera productividad pueda visualizarse, aún está en el futuro".

Según Andy Joseph, director de desarrollo de producto, y John Lytle, gerente de ingeniería de aplicaciones para Promess Inc., Brighton, Mich., el grado de automatización en procesos de ensamblaje es menor que en el lado del mecanizado. "Hacemos mucho trabajo en automotriz y la automatización de ensamblaje de piezas es una bolsa mixta", dijo Lytle. "Por el otro lado", agregó Joseph, "fabricantes más pequeños están investigando tecnologías de automatización que automotriz ha desplegado por años. Estamos viendo un gran movimiento lejos de hidráulica hacia actuadores controlados por servo que pueden ser parte de la estrategia de automatización del futuro".

En Praemo, Kitchener, Ontario, los directivos 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 30-40 años y hay ejemplos en virtualmente cada planta de manufactura. La automatización de toma de decisiones (automatización de procesos de pensamiento e insights humanos), por otro lado, es muy nueva. "Máquinas específicas pueden realizar toma de decisiones mundanas y repetitivas hoy", dijo Alex Kelly, director de arquitectura de soluciones, "pero su capacidad para aprender de eventos previos para que puedan adaptarse a nuevas circunstancias no está ahí aún. Ese es el siguiente nivel – tomar acción sobre datos capturados de manera automatizada".

Facilitadores de Innovación en Automatización

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

"La aceptación de estándares de conectividad e intercambio de datos que funcionan dentro de iniciativas de Industria 4.0 e Internet Industrial de las Cosas (IIoT) son fundamentales y necesarios", dijo Artur Gugulski, gerente regional CNC del Medio Oeste, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. "Esto ayuda a fabricantes y proveedores por igual en el uso de protocolos y estándares de comunicaciones abiertas".

"En la industria de moldes y matrices, por ejemplo, estamos viendo sistemas de manufactura flexible que reducen el tiempo de siete semanas a siete días", dijo Dan Zeman, gerente de automatización para MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, una subsidiaria de Mitsubishi. "Una tecnología clave para permitir esto es el software de gestión de trabajo, que coordina robots y máquinas procesando programas, datos, y arrancando la máquina remotamente para permitir operación prolongada sin supervisión. Lo otro que es crítico para la automatización de próximo nivel son las tecnologías que rodean herramientas paletizadas, dispositivos y sujeción de trabajo. Con paletización, un robot puede ser empleado para recoger una herramienta y colocarla en el portaherramientas muy fácil y precisamente. Puede ir de fresado a inspección a EDM de hundimiento en un proceso continuo con el robot transfiriendo la pieza de máquina a máquina. La operación puede ser programada, priorizada y monitoreada por software de gestión para secuenciar eficientemente múltiples pasos".

El fabricante de robótica FANUC está mirando varias tecnologías clave que aumentan el rendimiento humano, en lugar de reemplazarlo. Según Dinsmoor, "Algunas de las tecnologías emocionantes incluyen visión artificial (visión 3D), sensado táctil y de fuerza, y control de potencia y fuerza, que son esenciales para cobots (robots colaborativos que trabajan en proximidad cercana a humanos). También de alto valor es la tecnología de simulación en la etapa de diseño, que nos ayuda a construir una solución virtual antes de comprometerla al acero. Con simulación, los fabricantes pueden reducir su tiempo de diseño y evaluar de forma 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 próximo nivel como equipar máquinas para que comiencen a tomar decisiones por su cuenta, eso requiere un nivel de inteligencia en la máquina misma. "Para aprovechar los diferentes algoritmos, y los métodos para desplegar esos algoritmos, dependemos fuertemente de la inteligencia artificial (IA)", dijo. "La IA es la base que corre a través de muchas otras tecnologías importantes para nosotros".

Una de las tecnologías más interesantes que ve Promess es LiDAR (Detección y Rango de Luz). "Su característica principal es su alta resolución espacial al medir objetos 3D", dijo Joseph. "LiDAR puede ser empleado en una variedad de escenarios de manufactura, incluyendo seguridad del operador, manipulación robótica de piezas, sistemas de guía, y aprendizaje automático para optimizar procesos de ensamblaje".

Zeman dijo que el próximo avance que MC Machinery busca está en el área de diseño. "El dibujo manual dio paso a hacer todo en una PC y graficar en papel. Los graficadores han desaparecido ahora que todo va electrónico. Eventualmente, en lugar de presionar el botón 'imprimir', presionaremos el botón 'construir' y el diseño irá directo a manufactura".

Computación de Borde y Más

Otras nuevas tecnologías mencionadas por nuestros expertos incluyen computación de borde (procesamiento en la fuente para acelerar tasas de transferencia y tiempos de respuesta mientras 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 ensamblaje y mantenimiento; y realidad virtual (VR) para capacitación y simulación.

"Para lograr automatización de próximo nivel, varias cosas deben estar sucediendo 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 de productividad. La visibilidad digital permite a gerentes e ingenieros ver instantáneamente qué máquinas no solo están encendidas, sino qué máquinas están cortando, que es la verdadera medida de eficiencia operativa. También muestra los flujos entre máquinas – dónde están las perturbaciones o 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 funcionalidad en nuestro robot, en realidad reducimos las capas de software y hardware requeridas. Los protocolos abiertos son esenciales para que esto suceda a gran escala".

Según Zeman de MC Machinery, los beneficios de la automatización vienen de combinar múltiples pasos de proceso arriba y abajo de la corriente. "Esta información debe fluir sin problemas", dijo. Habló del esfuerzo colaborativo entre fabricantes que están adoptando estándares abiertos para recopilación de datos y 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 de Promess citó los avances en comunicaciones máquina a máquina vía Open Platform Communications con Arquitectura Uniforme (OPC UA) y tecnologías Fieldbus para control distribuido en tiempo real. "Nuestros clientes quieren soluciones que les permitan hacer la integración y reprogramación internamente", dijo. "Bibliotecas de máquina que proporcionan bloques de construcción con poco conocimiento de programación requerido, y cosas como Open PLC, están haciendo esto una realidad. Sin embargo, debo agregar que estamos en las etapas muy iniciales aquí".

La evaluación de Suica del problema con las islas de automatización es la existencia de "pequeños bits de software que no se hablan entre sí". Lo equipara a sentarse por la noche a ver TV y tener cuatro controles remotos diferentes frente a ti – uno para el receptor, uno para el DVR, uno para la TV, y otro para el dispositivo de streaming. "Así como necesitas un control remoto universal en casa, tu fábrica necesita una forma universal de recopilar datos y usarlos para lograr una tarea", dijo. "Esto se está volviendo más fácil día a día debido a plataformas y arquitecturas abiertas y bases de datos, pero aún debe planificarse".

Los fabricantes que esperan implementar un motor analítico impulsado por IA en el futuro pueden comenzar hoy desbloqueando valiosos insights sin tener que preparar todos los datos existentes de una manera especial. Henderson de Praemo explicó que al emplear enfoques tradicionales, hay un requisito de que los datos clave necesiten ser localizados, limpiados, categorizados y armonizados para convertirse en la base para la toma de decisiones.

"Desafortunadamente, incluso dentro de la misma empresa, encontrarás cada sitio de manufactura haciendo su propia cosa – 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 como existen, y donde existen, hoy. Comienza rápido y consigue algunas pequeñas victorias. No solo esto hace que las cosas comiencen más rápido, ayuda a las empresas a abordar los problemas de personas y culturales que a menudo acompañan proyectos de automatización a gran escala, sin los riesgos o miedos inherentes".

Robótica Avanzada Hecha Simple

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

Según Dinsmoor de FANUC, el trabajo de desarrollo de robótica avanzada de su compañía se centra en responder esta pregunta: "¿Cómo puede ser el mañana?" Tecnologías emergentes como visión, control de potencia y fuerza, IA y aprendizaje automático son todas parte de la paleta de diseño. "Nuestra intención es hacer un robot más fácil de aplicar y más fácil de programar u operar sin tener habilidades especializadas", dijo. "Muy parecido a operar un smartphone que tiene capacidades asombrosas que son mayormente transparentes para el usuario, mejoras en alcance, velocidad y 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 monitoreo remoto hacia el objetivo de cero tiempo de inactividad. "Tenemos talleres funcionando 24/7 sin intervención humana", dijo Dinsmoor, "así que vemos la realidad".

Iluminando la Manufactura Sin Luces

Nuestros expertos tienen visiones diferentes sobre la necesidad de lograr operación sin luces. Como lo dijo Boris de Praemo, "Sin luces es una buena visión para que todos los fabricantes aspiren, pero tiene que mantenerse arraigado en la realidad. Es más beneficioso para una planta que está fabricando productos estándar, repetibles. Cuando introduces variabilidad en la ecuación, a través de personalización u otros factores, sin luces es mucho menos alcanzable. Pensamos que es importante agregar inteligencia en capas, analizando datos de máquinas y procesos a medida que surgen complejidades, alertando a los equipos antes de que los problemas emergentes resulten en pérdidas de rendimiento o calidad. Así que, quizás el objetivo debería ser asistencia inteligente en lugar de autonomía operacional completa".

Suica dijo que Fastems tiene varios clientes que están operando sin luces (90 horas o más por semana) consistentemente. "Eso requiere varias cosas que sucedan. Primero la maquinaria y equipo deben ser robustos", dijo. "Luego es un proceso de identificar los eslabones más débiles y eliminarlos. En algunas fábricas, el eslabón débil es el tooling, en otro es la remoción de viruta. Lo que sea que esté bloqueando la máquina debe ser eliminado. Pero ya sea que logres sin luces o no, identificar y eliminar los eslabones débiles siempre llevará a ganancias de productividad".

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

Los caballeros de Promess escuchan menos habla sobre sin luces de sus clientes de ensamblaje. "La interacción humana casi siempre es requerida", dijo Joseph. "De hecho, los cobots fueron desarrollados para interactuar con humanos". Según Lytle, "La necesidad de nuestros clientes es para sistemas de ensamblaje flexibles – haciendo más en una estación. Muchas plantas buscan que nuestra prensa se convierta en un sexto eje para un robot, otra aplicación de extremo de brazo".

Zeman de MC Machinery agregó, "Para operaciones sin luces en procesos calificados, por ejemplo en las industrias aeroespacial y médica, activamente tratamos de trabajar con nuestros clientes temprano en el proceso de desarrollo para asegurar que los beneficios de la automatización puedan ser incorporados en el proceso. La primera corrida de artículo tiene que incluir automatización, ya que no puede agregarse fácilmente en una fecha posterior".

Dando los Próximos Pasos

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

"Una de las primeras cosas que recomendamos es una auditoría de automatización para ver todas las áreas de proceso en la planta", dijo Dinsmoor de FANUC. "Puede haber un cliente con ideas muy específicas sobre qué debería automatizarse y, mientras hacemos un recorrido, encontramos oportunidades adicionales que son de alto valor y fácilmente alcanzables. Para una planta que recién comienza a automatizar, estos éxitos tempranos y fáciles son los mejores. Los éxitos se alimentan entre sí y el retorno económico a menudo puede ayudar a financiar la próxima oportunidad".

Una forma en que Praemo prueba el agua con clientes potenciales es comenzar rápido con un conjunto estático de datos históricos, según Henderson. "Usando datos estáticos, nuestro motor Razor puede analizar y proporcionar insights a la gerencia de la planta sin interrupción a la producción existente. Todos venimos de antecedentes operativos, así que nuestro énfasis es en lo práctico. Sabemos por nuestra experiencia que la IA y el aprendizaje automático simplificarán, acelerarán y reducirán el costo de la manufactura".

La factibilidad técnica y la viabilidad económica son precondiciones necesarias para automatizar una máquina o línea. Sin embargo, están lejos de ser los únicos factores, según Joseph de Promess. "Fuera de los problemas técnicos obvios, el punto clave sigue siendo: si estás mirando automatización hoy y tienes preguntas, ¿con quién quieres trabajar? ¿Quién estará ahí para apoyarte mientras tomas el viaje?"