Automatisation de niveau supérieur : transformer les mots à la mode en vrais gains manufacturiers

Comprendre les réalités et éviter les pièges

Edge. Cloud. Jumeau numérique. IA. RA. RV. Cobots. Autrefois, c'étaient des mots à la mode. Maintenant, ils deviennent des réalités techniques dans les usines de fabrication de taille moyenne à grande en Amérique du Nord. Les calendriers d'adoption varieront selon le secteur industriel, mais une étude récente indiquait que 76 % des fabricants ont une initiative d'usine intelligente en cours.

Lorsqu'elles sont correctement implémentées, 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 considérés comme dangereux pour les humains.

La phrase clé ci-dessus est « lorsqu'elles sont correctement implémentées ». Il y a des défis et des pièges potentiels. Manufacturing Engineering a interrogé plusieurs experts de l'industrie pour obtenir leurs points de vue sur où nous en sommes aujourd'hui, à quoi pourrait ressembler demain, et ce qui pourrait nous faire trébucher.

Les avancées sont spécifiques aux industries

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

Par exemple, l'automobile et l'aérospatiale sont fortement automatisées, selon Claude Dinsmoor, directeur général du développement produit pour FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. « Il y a de nombreuses étapes de production dans la fabrication d'une automobile ou d'un SUV qui sont si intimement automatisées et rationalisées qu'il serait impossible pour les humains de revenir en arrière et de les faire aujourd'hui », a dit Dinsmoor.

David Suica, président de Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, voit une implémentation considérable d'outils d'automatisation au niveau machine ou cellule. « L'automatisation de machines spécifiques, ou même de cellules ou de lignes, est répandue », a dit Suica. « Mais la plupart de ces systèmes sont des îlots d'automatisation. La capacité de voir une usine en format numérique, pour que la vraie productivité puisse être visualisée, est encore dans le futur. »

Selon Andy Joseph, directeur du développement produit, et John Lytle, responsable ingénierie applications pour Promess Inc., Brighton, Michigan, le degré d'automatisation dans les processus d'assemblage est inférieur à celui de l'usinage. « Nous faisons beaucoup de travail dans l'automobile et l'automatisation de l'assemblage de pièces est un sac mélangé », a dit Lytle. « De l'autre côté », a ajouté Joseph, « les fabricants plus petits regardent les technologies d'automatisation que l'automobile a déployées depuis des ans. Nous voyons un grand mouvement pour s'éloigner de l'hydraulique vers des actionneurs asservis qui peuvent faire partie de la stratégie d'automatisation du futur. »

Chez Praemo, Kitchener, Ontario, les dirigeants voient deux domaines d'automatisation avec des trajectoires très différentes. Andy Henderson, directeur technique, a dit que l'automatisation physique (automatisation des tâches physiques et répétitives) se produit depuis 30-40 ans et il y a des exemples dans pratiquement chaque usine de fabrication. L'automatisation de la prise de décision (automatisation des processus de pensée et des insights humains), en revanche, est très nouvelle. « Des machines spécifiques peuvent effectuer des prises de décision banales et répétitives aujourd'hui », a dit Alex Kelly, directeur de l'architecture des solutions, « mais leur capacité à apprendre des événements antérieurs pour s'adapter à de nouvelles circonstances n'est pas encore là. C'est le niveau supérieur – agir sur des données capturées de manière automatisée. »

Les facilitateurs de l'innovation en automatisation

Quelles sont les nouvelles technologies qui préparent le terrain pour l'automatisation de niveau supérieur ?

« L'acceptation des standards de connectivité et d'échange de données qui fonctionnent dans les initiatives Industrie 4.0 et Internet Industriel des Objets (IIoT) sont fondamentaux et nécessaires », a dit Artur Gugulski, responsable CNC régional Midwest, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. « Cela aide les fabricants et fournisseurs à utiliser des protocoles et standards de communication ouverts. »

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

Le fabricant de robots FANUC examine plusieurs technologies clés qui augmentent la performance humaine, plutôt que de la remplacer. Selon Dinsmoor, « Certaines des technologies excitantes incluent la vision machine (vision 3D), la détection tactile et de force, et le contrôle de puissance et de force, qui sont essentiels pour les cobots (robots collaboratifs qui travaillent en proximité proche des humains). Aussi de haute valeur est la technologie de simulation au stade de la conception, qui nous aide à construire une solution virtuelle avant de la commettre à l'acier. Avec la simulation, les fabricants peuvent réduire leur temps de conception et évaluer en toute sécurité jusqu'à une douzaine de « candidats de conception » pour trouver la meilleure solution d'automatisation. »

Selon Paul Boris, vice-président exécutif pour Praemo, si nous pensons à l'automatisation de niveau supérieur comme équiper les machines pour qu'elles commencent à prendre des décisions pour leur propre compte, cela nécessite un niveau d'intelligence dans la machine elle-même. « Pour tirer parti des différents algorithmes, et des méthodes pour déployer ces algorithmes, nous comptons fortement sur l'intelligence artificielle (IA) », a-t-il dit. « L'IA est la fondation qui traverse beaucoup d'autres technologies importantes pour nous. »

L'une des technologies plus intéressantes que Promess voit est le LiDAR (Light Detection and Ranging). « Sa caractéristique principale est sa haute résolution spatiale lors de la mesure d'objets 3D », a dit Joseph. « Le LiDAR peut être employé dans une variété de scénarios de fabrication, incluant la sécurité des opérateurs, la manipulation robotique de pièces, les systèmes de guidage, et l'apprentissage machine pour l'optimisation des processus d'assemblage. »

Zeman a dit que la prochaine avance que MC Machinery recherche est dans le domaine de la conception. « Le dessin manuel a cédé la place à tout faire sur un PC et tracer sur papier. Les traceurs ont maintenant disparu car tout devient électronique. Finalement, au lieu d'appuyer sur le bouton « imprimer », on appuiera sur le bouton « construire » et la conception ira directement à la fabrication. »

Informatique en périphérie et plus

D'autres nouvelles technologies mentionnées par nos experts incluent l'informatique en périphérie (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) ; l'intégration native avec le cloud ; les technologies pour prédire/prévenir les pannes d'actifs ; la réalité augmentée (RA) pour l'assemblage et la maintenance ; et la réalité virtuelle (RV) pour la formation et la simulation.

« Pour atteindre l'automatisation de niveau supérieur, plusieurs choses doivent se produire en même temps », a dit Suica de Fastems. « La technologie RV sera un grand avantage car elle permet une vue multi-facettes de votre usine en forme numérique. En fait, voir une usine en format numérique (c.-à-d. jumeau numérique) apportera des améliorations de productivité. La visibilité numérique permet aux gestionnaires et ingénieurs de voir instantanément quelles machines ne sont pas seulement allumées, mais quelles machines coupent, ce qui est la vraie mesure de l'efficacité opérationnelle. Cela montre aussi les flux entre machines – où sont les perturbations ou problèmes. »

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

Selon Zeman de MC Machinery, les bénéfices de l'automatisation viennent de la combinaison de multiples étapes de processus en amont et en aval. « Cette information doit circuler sans couture », a-t-il dit. Il a parlé de l'effort collaboratif entre fabricants qui adoptent des standards ouverts pour la collecte de données et le transfert de fichiers. « Le résultat net est qu'un client peut intégrer CAO/FAO, système de mesure, fraisage, et machine EDM facilement et obtenir d'excellents résultats », a dit Zeman.

Lytle de Promess a cité les avancées dans les communications machine-à-machine via Open Platform Communications avec Architecture Unifiée (OPC UA) et les technologies Fieldbus 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 dit. « Les bibliothèques de machines qui fournissent des blocs de construction avec peu de connaissances en programmation requises, et des choses comme Open PLC, rendent cela possible. Cependant, je devrais ajouter que nous sommes aux tout premiers stades ici. »

L'évaluation de Suica du problème des îlots d'automatisation est l'existence de « petits bouts de logiciel qui ne se parlent pas entre eux ». Il l'équivaut à s'asseoir le soir pour regarder la télé et avoir quatre télécommandes différentes devant soi – une pour le récepteur, une pour le DVR, une pour la télé, et une autre pour le dispositif de streaming. « Tout comme vous avez besoin d'une télécommande universelle à la maison, votre usine a besoin d'un moyen universel de collecter les données et de les utiliser pour accomplir une tâche », a-t-il dit. « Cela devient plus facile jour après jour grâce aux plateformes et architectures ouvertes et bases de données, mais cela doit encore être planifié. »

Les fabricants espérant implémenter un moteur analytique piloté par l'IA à l'avenir peuvent commencer aujourd'hui en débloquant des insights précieux sans avoir à préparer toutes les données existantes d'une manière spéciale. Henderson de Praemo a expliqué que lors de l'emploi d'approches traditionnelles, il y a une exigence que les données clés doivent être localisées, nettoyées, catégorisées, et harmonisées pour devenir la fondation de la prise de décision.

« Malheureusement, même au sein de la même entreprise, vous trouverez chaque site de fabrication faisant sa propre chose – bases de données différentes, systèmes ERP différents, étiquettes différentes, noms différents », a-t-il dit. « Au lieu d'attendre la standardisation des données, nous nous connectons aux données telles qu'elles existent, et où elles existent, aujourd'hui. Démarrez vite et obtenez quelques petites victoires. Non seulement cela fait démarrer les choses plus vite, cela aide les entreprises à aborder les problèmes de personnes et de culture qui accompagnent souvent les grands projets d'automatisation, sans les risques ou peurs inhérents. »

Robotique avancée simplifiée

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

Selon Dinsmoor de FANUC, le travail de développement de robotique avancée de sa société se concentre sur cette question : « À quoi peut ressembler demain ? » Les technologies émergentes telles que la vision, le contrôle de puissance et de force, l'IA, et l'apprentissage machine 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 opérer sans avoir de compétences spécialisées », a-t-il dit. « Un peu comme utiliser un smartphone qui a des capacités incroyables qui sont pour la plupart transparentes pour l'utilisateur, les améliorations de portée, vitesse et charge utile sont une priorité continue. »

FANUC a intégré des dispositifs conformes IIoT dans ses robots depuis les cinq à sept dernières années pour permettre la surveillance à distance vers l'objectif de zéro temps d'arrêt. « Nous avons des ateliers qui tournent 24/7 sans intervention humaine », a dit Dinsmoor, « donc nous voyons la réalité. »

Éclairer le lights-out

Nos experts ont des avis divergents sur la nécessité d'atteindre l'opération lights-out. Comme l'a dit Boris de Praemo, « Le lights-out est une bonne vision pour tous les fabricants à viser, mais il doit rester ancré dans la réalité. Il est le plus bénéfique pour une usine qui fabrique des produits standards, répétables. Chaque fois que vous introduisez de la variabilité dans l'équation, par la personnalisation ou d'autres facteurs, le lights-out est beaucoup moins réalisable. Nous pensons qu'il est important d'ajouter de l'intelligence par couches, en analysant les données des machines et processus au fur et à mesure que les complexités surgissent, en alertant les équipes avant que les problèmes émergents ne résultent en pertes de performance ou de qualité. Donc, peut-être l'objectif devrait être l'assistance intelligente plutôt que l'autonomie opérationnelle complète. »

Suica a dit que Fastems a plusieurs clients qui tournent en lights-out (90 heures ou plus par semaine) de manière constante. « Cela nécessite plusieurs choses. D'abord, la machinerie et l'équipement doivent être robustes », a-t-il dit. « Ensuite, c'est un processus d'identification des maillons les plus faibles et de les éliminer. Dans certaines usines, le maillon faible est l'outillage, dans un autre c'est l'évacuation des copeaux. Quoi qu'il soit qui verrouille la machine doit être éliminé. Mais que vous atteigniez le lights-out ou non, identifier et éliminer les maillons faibles mènera toujours à des gains de productivité. »

Gugulski de Fagor a cité une liste de demandes « typiques » de clients qui visent le lights-out. « Des choses comme des systèmes bi-canal 10 axes ; détection de collision ; sécurité machine ; échelles absolues en verre ; thermocouples pour compensation de température dynamique ; contrôle tangentielle ; palpage sophistiqué ; transformation de battement ; détection de mouvement ; et fonctionnalités pour modifier les programmes à la volée sont toutes des exigences pour l'usinage CNC lights-out », a-t-il dit. « C'est faisable, mais complexe. Nous avons démontré la capacité d'interagir avec différents composants du processus d'automatisation, incluant lecteurs de codes-barres, thermocouples pour mesures de température, systèmes de sécurité avec caméras, sondes radio-commandées, et systèmes CAO/FAO haut de gamme pour la programmation de pièces 5 axes. »

Les messieurs de Promess entendent moins parler de lights-out de la part de leurs clients d'assemblage. « L'interaction humaine est presque toujours requise », a dit Joseph. « En fait, les cobots ont été développés pour interagir avec les humains. » Selon Lytle, « Le besoin de nos clients est pour des systèmes d'assemblage flexibles – faire plus à une station. Beaucoup d'usines cherchent à ce que notre presse devienne un sixième axe pour un robot, une autre application de bout de bras. »

Zeman de MC Machinery a ajouté : « Pour les opérations lights-out sur des processus qualifiés, par exemple dans l'aérospatiale et le médical, nous essayons activement de travailler avec nos clients tôt dans le processus de développement pour s'assurer que les bénéfices de l'automatisation peuvent être incorporés dans le processus. Le premier essai doit inclure l'automatisation, car elle ne peut pas être facilement ajoutée plus tard. »

Franches les prochaines étapes

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

« L'une des premières choses que nous recommandons est un audit d'automatisation pour examiner toutes les zones de processus dans l'usine », a dit Dinsmoor de FANUC. « Il peut y avoir un client avec des idées très spécifiques sur ce qui devrait être automatisé et, en faisant une visite, nous trouvons des opportunités supplémentaires qui sont à haute valeur et facilement réalisables. Pour une usine qui commence juste à automatiser, ces gains précoces et faciles sont les meilleurs. Les succès s'alimentent les uns les autres et le retour économique peut souvent aider à financer la prochaine opportunité. »

Une façon dont Praemo teste le terrain avec des clients potentiels est de commencer vite avec un ensemble statique de données historiques, selon Henderson. « En utilisant des données statiques, notre moteur Razor peut analyser et fournir des insights à la direction de l'usine sans perturber la production existante. Nous venons tous de milieux opérationnels, donc notre accent est sur le pratique. Nous savons par notre expérience que l'IA et l'apprentissage machine simplifieront, accéléreront, et réduiront le coût de la fabrication. »

La faisabilité technique et la viabilité économique sont des préconditions nécessaires pour automatiser une machine ou une ligne. Pourtant, elles sont loin d'être les seuls facteurs, selon Joseph de Promess. « En dehors des problèmes techniques évidents, le point clé reste : si vous regardez l'automatisation aujourd'hui et avez des questions, avec qui voulez-vous travailler ? Qui sera là pour vous soutenir pendant que vous faites le voyage ? »