La fabrication non automobile adopte la robotique pour booster l'efficacité et la flexibilité

Mais les robots ne feront peut-être jamais tourner la production complètement.

Des robots moins chers avec plus de fonctions, ainsi que des cellules de travail plus flexibles et des installations qui facilitent la robotique, accélèrent la croissance des installations de fabrication automatisées dans le secteur non automobile. Les idées sur si la robotique et l'automatisation mènent à la fabrication "lights-out" (sans éclairage, sans personnel) sur le plancher d'atelier sont mitigées.

Alors que le nombre global d'unités vendues et le chiffre d'affaires pour la robotique en 2018 étaient en baisse, les commandes de robots industriels ont en fait augmenté de 24 % par rapport à l'année précédente dans les sciences de la vie, l'alimentaire et biens de consommation, plastiques et caoutchouc et électronique, selon l'Association des Industries de la Robotique.

Il y a de nombreuses raisons pour cette croissance — parmi elles, les systèmes robotiques sont plus faciles à installer, intégrer dans un système d'automatisation et programmer.

Par exemple, l'approche de la suisse ABB est de produire une gamme de solutions d'automatisation standardisées et modulaires vs. concevoir et ingénier des cellules de travail sur mesure pour chacun de ses clients.

« Tout cela réduit le temps parce qu'on ne passe pas des semaines ou des mois à concevoir et ingénier », a dit Dwight Morgan, vice-président des ventes et marketing pour ABB USA Robotics, Auburn Hills, Michigan. « Donc, dans toutes les applications dans lesquelles nous nous engageons, comme la machine-tending ou l'emballage, nous avons une famille de solutions standard qui nous permet de bouger vraiment vite et d'établir des délais courts. »

FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan, offre des robots activés mobiles qui peuvent être mis sur roues ou soulevés par un chariot élévateur et mis en place.

« Et, typiquement, ils sont un peu plus autonomes, donc il y a moins de connexions sur eux », a dit Rick Maxwell, directeur de l'ingénierie pour le segment industrie générale et automobile.

Le collègue de Maxwell, John Tuohy, directeur exécutif des comptes globaux, a dit que FANUC a aussi un certain nombre de clients intéressés par l'assistance de levage semi-autonome.

« Sous une forme de collaboration, FANUC a la capacité d'adapter n'importe lequel de nos robots en un dispositif d'assistance de levage similaire à ce qu'on peut voir avec un contrepoids ou un dispositif d'assistance de levage dans une usine aujourd'hui », a dit Tuohy. « Un opérateur manipule manuellement le robot dans la position désirée, finit la tâche, et renvoie le robot pour prendre une autre pièce de manière autonome. »

Tom Fischer, directeur des opérations pour RobotWorx, Marion, Ohio, une entreprise qui vend et intègre des robots ABB, FANUC, Kuka et Motoman dans des cellules de travail, a dit que les avancées dans la communication Ethernet vs. les configurations analogiques ont rendu beaucoup plus facile l'utilisation de multiples fonctions (comme l'interaction avec d'autres robots, interfaces homme-machine et stations d'opération à boutons-poussoirs) du robot en même temps.

« Vous pouvez passer plusieurs signaux à la fois au lieu d'avoir à câbler chaque signal individuellement », a-t-il dit. « C'est juste un simple branchement et puis configurer votre E/S Ethernet. »

Il y a aussi un facteur humain qui rend l'installation de robots plus facile, a dit Fischer. « Je pense qu'on arrive à une génération qui comprend mieux l'électronique, et à travers leur expérience avec les jeux vidéo ils sont plus habiles à contrôler des choses avec un clavier (ou un pendant d'enseignement robotique) vs. directement », a dit Fischer. « Ils peuvent appliquer cette expérience à la robotique. »

Chez MC Machinery Systems Inc., la robotique en aval est la prochaine grande chose. La filiale de Mitsubishi Corp. est basée à Elk Grove Village, Illinois, et vend des électroérosion à fil, fraiseuses et découpeuses laser, et les intègre dans des lignes automatisées.

« Vous prenez une pièce, vous la prélevez, vous l'empilez correctement et elle se déplace vers un endroit où la robotique peut la déplacer vers un emplacement séparé », a dit Jason LeGrand, spécialiste automatisation. « Peut-être qu'elle passe par une machine gain de temps ou un aplatisseur ou une plieuse. C'est la prochaine grande chose et nous avons littéralement des réunions avec des intégrateurs pour découvrir quelles sont leurs exigences pour faire que cela arrive. »

Faciliter la robotique en aval est l'acquisition par Mitsubishi en 2018 d'Astes4, une entreprise suisse qui fabrique l'Astes4Sort, un système de fabrication flexible conçu pour le tri.

« Ils sont absolument, sans question, à la pointe du tri automatisé de pièces sortant d'un laser industriel », a dit LeGrand. « Leur fonction est l'étape suivante où nous devons amener notre automatisation laser. L'Astes4Sort prend les pièces finies qui sortent et les empile comme on lui dit de le faire ; cela, en soi, devient très attractif pour les utilisateurs finaux. »

Les pièces sont empilées et palettisées, prêtes pour l'étape suivante du processus de fabrication. « Cela rend beaucoup plus facile d'intégrer une opération robotique en aval parce qu'on sait qu'il y a une pile de pièces similaires, une sur l'autre, dans la même orientation », a dit LeGrand. « C'est la première étape pour permettre à un robot de prendre à partir de là et d'aller à l'opération suivante sans avoir à avoir un système de vision plus cher ou quelque chose de cette nature. »

Les prix des robots s'aplatissent-ils ?

Historiquement, les robots sont devenus moins chers, mais selon des informations anecdotiques, les prix se sont aplatis alors que la valeur a augmenté.

Au cours des 30 dernières années, le prix moyen d'un robot industriel a chuté de moitié, selon le consultant en gestion mondial McKinsey & Co. Le prix de vente moyen des robots industriels a diminué de 63 000 $ en 2009 à 45 000 $ en 2018, selon statista.com.

Le site de RobotWorx, qui vend des robots neufs et reconditionnés, rapporte que les nouveaux robots industriels, complets avec contrôleurs et pendants d'enseignement, coûtent de 50 000 $ à 80 000 $. Typiquement, les robots reconditionnés coûtent moitié moins que les robots neufs, selon RobotWorx.

Dans le passé récent, le prix des robots n'a pas vraiment baissé mais les entreprises de robotique ont ajouté plus de fonctionnalité, a dit Fischer de RobotWorx.

Un exemple de fonctionnalité améliorée est dans l'interface homme-machine, a-t-il dit. « Dans le passé, vous deviez câbler un accessoire secondaire pour l'utiliser comme IHM », a-t-il dit. « Maintenant, des entreprises comme FANUC ajoutent cela dans leur logiciel pour qu'il puisse être exécuté depuis leur pendant. »

Un autre exemple de fonctionnalité ajoutée peut être vu dans les robots collaboratifs, a-t-il dit. « Leur plus grande utilisation est dans le machine-tending, c'est le truc chaud en ce moment », a-t-il dit. « Vous pouvez avoir un opérateur dans la cellule de travail avec le robot travaillant côte à côte. »

Maxwell de FANUC a été d'accord avec l'aspect fonctionnalité. Tout comme dans l'industrie informatique, où vous ne payez pas nécessairement moins pour un portable mais en obtenez plus pour votre argent, quand vous payez le même prix pour un robot, vous obtenez significativement plus de fonctionnalité. Les robots d'aujourd'hui sont plus rapides, ont plus de capacité de calcul, plus de puissance de traitement, et/ou une charge utile plus élevée, a-t-il dit.

LeGrand de MC Machinery a aussi été d'accord. « [Les robots sont] mieux adaptés à une plus grande variété d'applications », a-t-il dit. « En résultat, les fabricants les utilisent pour plus. Ce qui se passe, c'est que les fabricants prennent une pile de pièces qui sont bien coupées et elles sont livrées à un endroit où les robots peuvent y accéder. »

« Maintenant les fabricants disent "Qu'est-ce que je peux faire à partir de ce point avec un robot pour rationaliser l'opération et lui donner un temps de cycle répétable pour qu'on puisse planifier la production efficacement", et ainsi de suite », a-t-il continué.

Utilisez vos mains

Une fois que les fabricants ont identifié ce que les robots peuvent faire pour rendre les opérations plus efficaces et les ont installés sur leur plancher d'usine, ces fabricants peuvent profiter de logiciels plus intuitifs et conviviaux pour les programmer.

« Il y a eu un effort tremendu dans toute notre entreprise ainsi que dans toute l'industrie pour rendre l'utilisation et la programmation de l'automatisation plus intuitive avec des choses comme le guidage manuel, les programmes de menu, ce genre de chose », a dit Maxwell. « Ce que vous trouverez, c'est que beaucoup de fabricants, et FANUC en particulier, ont des options de base, faciles à utiliser, pilotées par menu. Notre iHMI vous guidera à travers comment générer des programmes. C'est graphique, et vraiment assez simple. »

Une fois le robot programmé et fonctionnel, les entreprises de robotique ont rendu plus facile la migration de la programmation de base vers des tâches plus compliquées pour intégrer la fonctionnalité accrue du robot, selon le travail en cours, a dit Maxwell.

Les fabricants de robots comme FANUC et ABB ont aussi ajouté le guidage manuel pour la programmation. Pour une opération pick-and-place, l'opérateur enseigne au robot une position en saisissant une poignée et en traînant l'outillage de bout de bras (EOAT) là où est une pièce, puis en traînant l'EOAT vers une position libre, puis en le traînant vers une boîte. L'ancienne façon d'enseigner la même tâche serait d'utiliser le pendant d'enseignement du robot et d'appuyer sur divers boutons pour les axes X, Y et Z pour mettre le robot en position.

« Maintenant vous êtes prêt à tourner », a dit Maxwell. « En ces trois ou quatre étapes, vous avez enseigné au robot quoi faire. Donc, c'est beaucoup plus intuitif, et beaucoup plus facile à utiliser. »

YuMi d'ABB, un robot à double bras entièrement intégré avec vision, préhension par vide, deux types de préhension mécanique, et contrôle de force, peut aussi être programmé avec guidage manuel. « C'est comme apprendre à votre enfant à faire du vélo », a dit Morgan.

Applications courantes pour YuMi : manutention, assemblage, emballage, et production alimentaire. « Quand vous sortez un YuMi de la boîte, il est prêt à partir », a dit Morgan. « Il a deux bras, donc l'un peut être un bridage pour tenir une pièce et l'autre une main qui travaille. Vous n'avez pas besoin de convoyeur, vous n'avez pas besoin de palette, vous n'avez pas besoin de bridage. »

Pas de vraies situations lights-out ?

L'utilisation de la fabrication lights-out a été freinée par les problèmes de manutention de pièces et de logistique, mais une planification détaillée, l'Internet Industriel des Objets (IIoT), et des fonctionnalités encore en développement, comme l'intelligence artificielle (IA), promettent de les surmonter. Puis encore, le lights-out complet peut ne pas être la réponse, a dit un fabricant.

Pour quiconque a une quelconque automatisation, le lights-out est l'objectif, a dit LeGrand. Dans les cellules de travail de son entreprise, l'idée est de garder le laser allumé le plus possible.

« Tout le monde bouge vers ça », a-t-il dit. « Dans les années passées, avec les systèmes d'automatisation et, plus important, les techniques de programmation et les configurations de machines, ils n'étaient pas tout à fait configurés pour du vrai lights-out. Il y avait beaucoup de basculements de pièces et de choses qui arrêtaient la machine. On a tous appris de nos erreurs. »

LeGrand a dit que le lights-out peut nécessiter des compromis, surtout si les opérateurs font de l'imbrication dynamique où chaque nid est unique. C'est commun surtout dans les ateliers de sous-traitance.

« Et dans beaucoup de situations d'atelier de sous-traitance, ils croient que le lights-out ne s'applique pas à eux », a-t-il dit. « Ils peuvent le faire, cependant — ils doivent juste aborder l'imbrication, la programmation, tout un peu différemment. Ils doivent utiliser un ensemble différent de paramètres pour couper. »

Ce n'est peut-être pas la façon la plus rapide de couper, mais lent et constant gagne la course en lights-out, a dit LeGrand.

« Il doit bouger constamment sans s'arrêter. Donc peut-être que l'espacement des pièces devient un peu plus grand, peut-être que le tapotement pour empêcher les pièces de basculer devient un peu plus agressif. »

En résultat, ses clients peuvent se retrouver avec deux programmes différents pour les machines de MC Machinery ; un pour le lights-out, et un pour les opérations avec personnel.

Maxwell de FANUC a été d'accord que le lights-out est l'avenir et reste un objectif pour plusieurs de ses clients. « Nous avons vu un succès relativement bon pour faire tourner de très longues périodes », a-t-il dit. « Peut-être un quart, peut-être un quart et demi, mais tout au long du processus de fabrication, il y a encore des zones où ils doivent entrer et faire certaines choses. Où ça a réussi, c'est généralement le troisième quart, deuxième à troisième quart. »

C'est parce que les opérations lights-out ne dépendent pas juste de l'automatisation, mais aussi d'autres machines et processus, comme la manutention de matière. La logistique est importante, a-t-il dit, et si elle n'est pas bien planifiée, des pénuries de matière peuvent survenir.

Le conseil de Maxwell à quiconque intenté sur des opérations sans personnel est d'abord d'analyser leurs opérations et de les décomposer en étapes discrètes. Ensuite, considérer ce qui pourrait mal tourner dans chaque étape et déterminer comment ce problème pourrait être résolu sans opérateur.

Avoir quelques travailleurs sur place sera toujours nécessaire, a dit Fischer de RobotWorx. « Le lights-out est un peu un abus de langage pour la production », a-t-il dit. « Il n'y a vraiment pas de vraie situation de production lights-out. Vous avez toujours un certain support. Mais les entreprises vont vers l'automatisation à équipage squelette. »

À ce stade, il est encore nécessaire de garder du personnel essentiel pour supporter la ligne, a-t-il dit ; pas nécessairement des opérateurs mais des techniciens de maintenance et techniciens robots pour le support au cas où quelque chose casse ou a besoin de réparation.

« Ce qui permet la tendance vers les opérations lights-out est l'utilisation de robots pour le machine-tending et la manutention de matière », a dit Fischer. « L'avenir c'est l'IA et l'IIoT. »

L'IIoT permet d'envoyer des alertes à un emplacement distant pour qu'un travailleur surveille et intervienne en cas de problème en planifiant la maintenance et lui permettrait de suivre les numéros de production. L'IA est plus prédictive et permet à un robot d'initier et faire des ajustements par lui-même.

La robotique IA est en développement, et pas encore disponible dans aucun robot, a dit Fischer. « Tous les OEM y travaillent comme projets R&D, mais rien n'existe encore », a-t-il dit. « Peut-être qu'on la verra dans les 5 à 10 prochaines années. »

Un autre gros problème freinant le vrai lights-out est la qualité des pièces, a dit Fischer.

« Si vous faites un processus d'assemblage, un processus de soudage, à moins que votre qualité de pièces soit impeccable, vous rencontrez des problèmes que seule une personne peut identifier d'un point de vue qualité de sortie ou réparation et maintenance », a-t-il dit. Les fabricants automobiles doivent avoir une inspection visuelle des soudures de sécurité pour s'assurer que les soudures sont correctement placées et sans défaut. Une caméra est trop limitée pour faire l'inspection, a-t-il ajouté.

Morgan d'ABB a tourné son focus loin du lights-out vers l'Industrie 4.0. « Vous savez, on est dans le business des robots depuis des décennies maintenant, et je dirais que le terme "production lights-out" était presque vu comme le Saint Graal de la fabrication automatisée », a-t-il dit. « Les gens pensaient qu'une fois que vous obtenez votre processus et votre business à ce niveau, vous y êtes arrivé. »

Pendant que d'autres se concentrent sur le lights-out, ABB a mis ses viseurs sur l'usine du futur et l'Industrie 4.0, avec une installation de fabrication flexible, agile, qui peut opérer en low-mix high-volume aussi bien qu'en high-mix low-volume.

« Si vous regardez les produits haut volume traditionnels comme les téléphones cellulaires, regardez juste combien de couleurs et configurations de mémoire vous pouvez acheter, par exemple, un téléphone Samsung Android aujourd'hui », a dit Morgan. « C'est ce qu'on voit aujourd'hui dans la fabrication. »

Tout neuf est l'écosystème intégré où toute la configuration d'automatisation est intégrée aux besoins clients comme la livraison rapide. Par exemple, Morgan a dit, un fabricant de lentilles de contact peut produire des milliards de lentilles souples, mais maintenant il a une opération e-fulfillment dans l'usine avec livraison intégrée et entreprises logistiques comme FedEx sur site.

« On voit vraiment un gros focus vers quoi que vous dépensiez votre argent comme fabricant, ça doit être fiable et disponible avec un gros focus sur l'efficacité globale de l'équipement », a dit Morgan. « Le nombre OEE de classe mondiale d'avant de 80-85 % est maintenant une barre très basse et pour être de classe mondiale aujourd'hui, ils commencent à 90 %. C'est l'efficacité à chaque niveau. Cela signifie un robot collaboratif travaillant aux côtés d'un opérateur dans un environnement de fabrication, et c'est tout numériquement connecté. »