La promesse d'une automatisation de niveau supérieur

Comprendre les réalités et éviter les pièges

Bord. Nuage. Double digitale. IA. AR. VR. Cobots. Autrefois, ils étaient des mots à la mode. Aujourd'hui, ils deviennent des réalités techniques dans les usines de fabrication de moyenne à grande échelle en Amérique du Nord. Les délais d'adoption varient selon le secteur industriel, mais une étude récente a indiqué que 76 % des fabricants ont une initiative d'usine intelligente en préparation.

Lorsqu'elles sont correctement mises en œuvre, ces initiatives transformeront nos usines, rendant la production de tout, des aliments préparés aux avions de ligne, plus efficace, plus cohérente et plus interconnectée. L'automatisation permet un niveau de précision et de productivité au-delà des capacités humaines, même dans des environnements qui seraient considérés comme dangereux pour les humains.

La phrase clé ci-dessus est "lorsqu'elle est correctement mise en œuvre". Il y a des défis et des pièges potentiels. Manufacturing Engineering s'est entretenu avec plusieurs experts de l'industrie pour avoir leur point de vue sur où nous en sommes aujourd'hui, à quoi pourrait ressembler demain et sur ce qui pourrait nous faire trébucher.

Les progrès sont spécifiques aux industries

Interrogés sur le niveau actuel d'automatisation des usines de fabrication, nos experts ont hésité à généraliser sur la fabrication dans son ensemble, choisissant plutôt de proposer des observations sur des secteurs industriels spécifiques.

Par exemple, l'automobile et l'aérospatiale sont fortement automatisées, selon Claude Dinsmoor, directeur général du développement de produits pour FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. et rationalisé qu'il serait impossible pour les humains de revenir en arrière et de les faire aujourd'hui », a déclaré Dinsmoor.

David Suica, président de Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, voit une mise en œuvre considérable d'outils d'automatisation au niveau de la machine ou de la cellule. "L'automatisation de machines spécifiques, voire de cellules ou de lignes, est répandue", a déclaré Suica. « Mais la plupart d'entre eux sont des îlots d'automatisation. La possibilité de voir une usine dans un format numérique, de sorte que la véritable productivité puisse être visualisée, est encore dans le futur."

Selon Andy Joseph, directeur du développement de produits, et John Lytle, responsable de l'ingénierie d'application pour Promess Inc., Brighton, Michigan, le degré d'automatisation des processus d'assemblage est inférieur à celui du côté de l'usinage. "Nous travaillons beaucoup dans l'automobile et l'automatisation de l'assemblage de pièces est un sac mélangé", a déclaré Lytle. « D'un autre côté », a ajouté Joseph, « les petits fabricants se penchent sur les technologies d'automatisation que l'automobile déploie depuis des années. Nous assistons à une grande évolution de l'hydraulique vers des actionneurs asservis qui peuvent faire partie de la stratégie d'automatisation du futur. »

Chez Praemo, Kitchener, Ontario, les directeurs voient deux domaines de l'automatisation avec des trajectoires très différentes. Andy Henderson, directeur de la technologie, a déclaré que l'automatisation physique (automatisation des tâches physiques et répétitives) s'est produite au cours des 30 à 40 dernières années et qu'il existe des exemples dans pratiquement toutes les usines de fabrication. L'automatisation de la prise de décision (automatisation des processus de pensée et des idées humaines), en revanche, est très nouvelle. "Des machines spécifiques peuvent effectuer des prises de décision banales et répétitives aujourd'hui", a déclaré Alex Kelly, directeur de l'architecture des solutions, "mais leur capacité à apprendre des événements antérieurs afin de pouvoir s'adapter à de nouvelles circonstances n'est pas encore là. C'est le niveau suivant :agir sur les données capturées de manière automatisée."

Activateurs d'innovation en automatisation

Quelles sont certaines des technologies les plus récentes qui ouvrent la voie à une automatisation de niveau supérieur ?

« L'acceptation des normes de connectivité et d'échange de données qui fonctionnent dans les initiatives de l'industrie 4.0 et de l'Internet industriel des objets (IIoT) est fondamentale et nécessaire », a déclaré Artur Gugulski, responsable CNC régional du Midwest, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. "Cela aide les fabricants et les fournisseurs à utiliser des protocoles et des normes de communication ouverts."

"Dans l'industrie des moules et matrices, par exemple, nous voyons des systèmes de fabrication flexibles qui réduisent le temps de sept semaines à sept jours", a déclaré Dan Zeman, responsable de l'automatisation pour MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, une filiale de Mitsubishi. "Une technologie clé pour permettre cela est le logiciel de gestion du travail, qui coordonne les robots et les machines en traitant des programmes, des données et en démarrant à distance la machine pour permettre un fonctionnement long et sans surveillance. L'autre chose qui est essentielle à l'automatisation de niveau supérieur concerne les technologies entourant les outils, les montages et le serrage des pièces palettisés. Avec la palettisation, un robot peut être utilisé pour saisir un outil et le placer dans le mandrin très facilement et avec précision. Vous pouvez passer du fraisage à l'inspection en passant par l'EDM par enfonçage en un seul processus continu avec le robot transférant [la pièce] d'une machine à l'autre. L'opération peut être planifiée, hiérarchisée et surveillée par un logiciel de gestion pour séquencer efficacement plusieurs étapes. »

Le fabricant de robots FANUC étudie plusieurs technologies clés qui augmentent les performances humaines plutôt que de les remplacer. Selon Dinsmoor, "Certaines des technologies passionnantes incluent la vision artificielle (vision 3D), la détection tactile et de force, et le contrôle de la puissance et de la force, qui sont essentiels pour les cobots (robots collaboratifs qui travaillent à proximité des humains). La technologie de simulation au stade de la conception est également d'une grande valeur, ce qui nous aide à créer une solution virtuelle avant de l'appliquer à l'acier. Grâce à la simulation, les fabricants peuvent réduire leur temps de conception et évaluer en toute sécurité jusqu'à une douzaine de "candidats à la conception" pour trouver la meilleure solution d'automatisation."

Selon Paul Boris, vice-président exécutif de Praemo, si nous considérons l'automatisation de niveau supérieur comme équipant les machines pour qu'elles commencent à prendre des décisions en leur propre nom, cela nécessite un niveau d'intelligence dans la machine elle-même. "Pour tirer parti des différents algorithmes et des méthodes de déploiement de ces algorithmes, nous nous appuyons fortement sur l'intelligence artificielle (IA)", a-t-il déclaré. "L'IA est la base qui s'applique à de nombreuses autres technologies importantes pour nous."

L'une des technologies les plus intéressantes que Promess voit est LiDAR (Light Detection and Ranging). "Sa principale caractéristique est sa haute résolution spatiale lors de la mesure d'objets 3D", a déclaré Joseph. "LiDAR peut être utilisé dans une variété de scénarios de fabrication, y compris la sécurité des opérateurs, la manipulation de pièces robotisées, les systèmes de guidage et l'apprentissage automatique pour optimiser les processus d'assemblage."

Zeman a déclaré que la prochaine avancée recherchée par MC Machinery se situe dans le domaine de la conception. « La rédaction manuelle a fait place à tout faire sur un PC et à tracer sur papier. Les traceurs ont maintenant disparu car tout devient électronique. Finalement, au lieu d'appuyer sur le bouton "Imprimer", nous appuierons sur le bouton "Construire" et la conception ira directement à la fabrication."

Edge Computing et plus encore

Parmi les autres nouvelles technologies mentionnées par nos experts, citons l'edge computing (traitement à la source pour accélérer les taux de transfert et les temps de réponse tout en réduisant la charge sur la bande passante d'une usine) ; intégration native avec le cloud ; technologies pour prévoir/prévenir les défaillances d'actifs ; réalité augmentée (RA) pour le montage et la maintenance ; et la réalité virtuelle (VR) pour la formation et la simulation.

"Pour atteindre un niveau d'automatisation supérieur, plusieurs choses doivent se produire en même temps", a déclaré Suica de Fastems. "La technologie VR sera un gros avantage car elle permet une vue multi-facettes de votre usine sous forme numérique. En fait, voir une usine au format numérique (c'est-à-dire un jumeau numérique) apportera des gains de productivité. La visibilité numérique permet aux responsables et aux ingénieurs de voir instantanément quelles machines sont non seulement allumées, mais aussi quelles machines coupent, ce qui est la véritable mesure de l'efficacité opérationnelle. Il montre également les flux entre les machines, où se situent les perturbations ou les problèmes. »

Avec les logiciels, la tendance est de continuer à ajouter des fonctionnalités. "C'est très bien", a souligné Dinsmoor de FANUC, "tant qu'il n'ajoute pas de couches à l'architecture globale. En intégrant plus de fonctionnalités dans notre robot, nous réduisons en fait les couches de logiciels et de matériel nécessaires. Les protocoles ouverts sont essentiels pour que cela se produise à grande échelle. »

Selon Zeman de MC Machinery, les avantages de l'automatisation proviennent de la combinaison de plusieurs étapes de processus en amont et en aval. "Ces informations doivent circuler de manière transparente", a-t-il déclaré. Il a parlé de l'effort de collaboration entre les fabricants qui adoptent des normes ouvertes pour la collecte de données et le transfert de fichiers. "Le résultat net est qu'un client peut facilement intégrer la CAO/FAO, le système de mesure, le fraisage et la machine EDM et obtenir d'excellents résultats", a déclaré Zeman.

Lytle de Promess a cité les progrès réalisés dans les communications de machine à machine via les communications de plate-forme ouverte avec architecture uniforme (OPC UA) et les technologies de bus de terrain pour le contrôle distribué en temps réel. "Nos clients veulent des solutions qui leur permettent de faire l'intégration et la reprogrammation en interne", a-t-il déclaré. "Les bibliothèques de machines qui fournissent des blocs de construction avec peu de connaissances en programmation requises, et des choses comme Open PLC, en font une réalité. Cependant, je dois ajouter que nous n'en sommes qu'au tout début ici. »

L'évaluation de Suica du problème des îlots d'automatisation est l'existence de "petits bouts de logiciel qui ne se parlent pas". Il assimile cela au fait de s'asseoir le soir pour regarder la télévision et d'avoir quatre télécommandes différentes devant soi :une pour le récepteur, une pour le DVR, une pour le téléviseur et une autre pour l'appareil de diffusion en continu. "Tout comme vous avez besoin d'une télécommande universelle à la maison, votre usine a besoin d'un moyen universel de collecter des données et de les utiliser pour accomplir une tâche", a-t-il déclaré. "Cela devient de jour en jour plus facile grâce aux plates-formes, aux architectures et aux bases de données ouvertes, mais cela doit encore être planifié."

Les fabricants qui espèrent mettre en œuvre un moteur d'analyse basé sur l'IA à l'avenir peuvent commencer dès aujourd'hui en débloquant des informations précieuses sans avoir à préparer toutes les données existantes de manière particulière. Henderson de Praemo a expliqué que lors de l'utilisation d'approches traditionnelles, il est nécessaire que les données clés soient localisées, nettoyées, catégorisées et harmonisées afin de devenir la base de la prise de décision.

"Malheureusement, même au sein d'une même entreprise, vous constaterez que chaque site de fabrication fait son propre travail :différentes bases de données, différents systèmes ERP, différentes balises, différents noms", a-t-il déclaré. « Au lieu d'attendre l'achèvement de la normalisation des données, nous nous connectons aux données telles qu'elles existent et là où elles existent, aujourd'hui. Commencez vite et obtenez quelques petites victoires. Non seulement cela permet de démarrer plus rapidement, mais cela aide les entreprises à résoudre les problèmes humains et culturels qui accompagnent souvent les projets d'automatisation à grande échelle, sans les risques ou les craintes inhérents."

La robotique avancée simplifiée

Les robots de nouvelle génération sont non seulement beaucoup plus faciles à programmer, mais aussi plus faciles à utiliser, avec des capacités telles que la reconnaissance vocale et d'image pour recréer des tâches humaines complexes. Les robots collaboratifs sont apparus comme une nouvelle technologie à croissance rapide qui peut répondre à la demande d'automatisation et de flexibilité dans la fabrication. Ils ont le potentiel d'aider les travailleurs à effectuer des tâches fastidieuses et d'améliorer la sécurité au travail.

Selon Dinsmoor de FANUC, le travail de développement de la robotique avancée de son entreprise s'articule autour de la réponse à cette question :« À quoi peut ressembler demain ? Les technologies émergentes telles que la vision, le contrôle de la puissance et de la force, l'IA et l'apprentissage automatique font toutes partie de la palette de conception. "Notre intention est de rendre un robot plus facile à appliquer et plus facile à programmer ou à utiliser sans avoir de compétences spécialisées", a-t-il déclaré. "Tout comme l'utilisation d'un smartphone doté de capacités incroyables qui sont pour la plupart transparentes pour l'utilisateur, l'amélioration de la portée, de la vitesse et de la charge utile est une priorité permanente."

FANUC intègre des appareils conformes à l'IIoT dans ses robots depuis cinq à sept ans pour permettre une surveillance à distance dans le but de zéro temps d'arrêt. "Nous avons des magasins qui fonctionnent 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sans intervention humaine", a déclaré Dinsmoor, "nous voyons donc la réalité."

Faire la lumière sur Lights-Out

Nos experts ont des points de vue divergents sur la nécessité d'obtenir un fonctionnement sans interruption. Comme l'a dit Boris de Praemo, « Lights-out est une bonne vision pour tous les fabricants, mais elle doit rester ancrée dans la réalité. Il est particulièrement avantageux pour une usine qui fabrique des produits standard et reproductibles. Chaque fois que vous introduisez de la variabilité dans l'équation, par le biais de la personnalisation ou d'autres facteurs, l'extinction des feux est beaucoup moins réalisable. Nous pensons qu'il est important de superposer l'intelligence, d'analyser les données des machines et des processus à mesure que des complexités surviennent, d'alerter les équipes avant que les problèmes émergents n'entraînent des pertes de performance ou de qualité. Alors, peut-être que l'objectif devrait être une assistance intelligente plutôt qu'une autonomie opérationnelle complète."

Suica a déclaré que Fastems avait plusieurs clients qui s'éteignaient constamment (90 heures ou plus par semaine). «Cela nécessite plusieurs choses pour se produire. Premièrement, les machines et l'équipement doivent être robustes », a-t-il déclaré. "Ensuite, il s'agit d'identifier les maillons les plus faibles et de les éliminer. Dans certaines usines, le maillon faible est l'outillage, dans une autre c'est l'évacuation des copeaux. Tout ce qui bloque la machine doit être éliminé. Mais que vous parveniez ou non à l'extinction des feux, l'identification et l'élimination des maillons faibles entraîneront toujours des gains de productivité."

Gugulski de Fagor a cité une liste de demandes "typiques" de clients qui s'efforcent d'éteindre les feux. « Des choses comme les systèmes à 10 axes et à double canal; Détection de collision; sécurité des machines ; échelles absolues en verre; thermocouples pour la compensation dynamique de la température ; contrôle tangentiel; sondage sophistiqué; transformation de faux-rond ; détection de mouvement; et les fonctionnalités permettant de modifier les programmes à la volée sont toutes des exigences pour l'usinage CNC en continu », a-t-il déclaré. « C'est faisable, mais complexe. Nous avons démontré la capacité d'interagir avec différents composants du processus d'automatisation, y compris les lecteurs de codes à barres, les thermocouples pour les mesures de température, les systèmes de sécurité avec caméras, les sondes radiocommandées et les systèmes de FAO haut de gamme pour les cinq axes programmation des pièces.”

Les messieurs de Promess entendent moins parler d'extinction des feux de la part de leurs clients d'assemblage. "L'interaction humaine est presque toujours nécessaire", a déclaré Joseph. "En fait, les cobots ont été développés pour interagir avec les humains." Selon Lytle, « Nos clients ont besoin de systèmes d'assemblage flexibles, pour en faire plus sur une seule station. De nombreuses usines souhaitent que notre presse devienne un sixième axe pour un robot, une autre application en bout de bras. »

Zeman de MC Machinery a ajouté :« Pour les opérations d'extinction sur des processus qualifiés, par exemple dans les industries aérospatiale et médicale, nous essayons activement de travailler avec nos clients dès le début du processus de développement pour nous assurer que les avantages de l'automatisation peuvent être intégrés dans le traiter. L'exécution du premier article doit inclure l'automatisation, car elle ne peut pas être facilement ajoutée à une date ultérieure. »

Étapes suivantes

L'initiative Industrie 4.0 nécessite une numérisation de base. Sans numériser chaque étape, l'efficacité opérationnelle est laissée de côté.

"L'une des premières choses que nous recommandons est un audit d'automatisation pour examiner toutes les zones de processus de l'usine", a déclaré Dinsmoor de FANUC. "Il peut y avoir un client avec des idées très précises sur ce qui devrait être automatisé et, en faisant une visite guidée, nous trouvons des opportunités supplémentaires qui sont de grande valeur et facilement réalisables. Pour une usine qui commence tout juste à s'automatiser, ces gains rapides et faciles sont les meilleurs. Les succès se nourrissent les uns des autres et les retombées économiques peuvent souvent aider à financer la prochaine opportunité."

Selon Henderson, l'une des façons dont Praemo teste l'eau avec des clients potentiels consiste à commencer rapidement avec un ensemble statique de données historiques. « En utilisant des données statiques, notre moteur Razor peut analyser et fournir des informations à la gestion de l'usine sans perturber la production existante. Nous venons tous du milieu des opérations, nous mettons donc l'accent sur la pratique. Nous savons par expérience que l'IA et l'apprentissage automatique simplifieront, accéléreront et réduiront les coûts de fabrication."

La faisabilité technique et la viabilité économique sont des conditions préalables nécessaires à l'automatisation d'une machine ou d'une ligne. Pourtant, ils sont loin d'être les seuls facteurs, selon Joseph de Promess. "En dehors des problèmes techniques évidents, le point clé demeure :si vous envisagez l'automatisation aujourd'hui et que vous avez des questions, avec qui souhaitez-vous travailler ? Qui sera là pour vous soutenir tout au long de votre voyage ?"