Libérer l'efficacité CNC : adoptez le contrôle connecté

Internet et l'informatique en nuage changent la façon dont les fabricants exploitent les machines-outils CNC. Votre atelier est-il prêt ?

Les ports Ethernet ont commencé à apparaître sur les tours CNC et les centres d'usinage il y a plus de 20 ans. La norme de communication machine-outil MTConnect a fait ses débuts officiels aux États-Unis à l'IMTS 2010 à Chicago. Les fabricants ont commencé à parler d'informatique en nuage et d'Internet industriel des objets (IIoT) peu de temps après, des termes qui sont devenus grand public lorsque l'économiste allemand Klaus Schwab a publié un article en 2015 affirmant que le monde était entré dans une Quatrième Révolution Industrielle.

Bienvenue en 2021. Il devrait être évident maintenant pour les propriétaires d'ateliers, les programmeurs CNC et les ingénieurs de fabrication que l'industrie de l'usinage a changé de manière significative au cours des deux dernières décennies. Les machines-outils CNC sont bien plus intelligentes qu'auparavant, capables de générer d'importantes quantités de données sur tout ce qui se passe derrière la vitre. Les logiciels de fabrication sont également devenus plus intelligents, offrant une interopérabilité et des capacités basées sur le cloud dont on ne rêvait qu'au tournant du siècle.

Que toute cette magie technique soit une bonne chose ou non est sujet à débat. Certains pourraient affirmer que la vie sur le plancher d'usine est déjà assez difficile – qui a besoin de Big Data et de machines intelligentes quand il y a à peine assez d'heures dans la journée pour sortir les pièces ? D'autres voient l'Industrie 4.0 et tout ce qu'elle implique comme la voie claire à suivre pour les fabricants, et quiconque ne l'adopte pas sera bientôt hors jeu.

Gagner en FOCAS

La vérité se situe quelque part entre les deux. Paul Webster, directeur de l'ingénierie F.A. chez FANUC America Corp., basé à Rochester Hills, Michigan, a noté que les machines-outils CNC sont prêtes pour le réseau et l'Internet depuis avant l'an 2000. Les ateliers qui choisissent d'ignorer cette capacité tournent encore très bien, merci, et continueront de le faire pendant des années. Et pourtant, peu soutiendraient que la connectivité des machines-outils et la plus grande visibilité sur les processus d'usinage ainsi rendue possible n'est jamais une mauvaise chose, et peut faire la différence entre un travail rentable et un travail qu'on préférerait oublier.

« Nous avons introduit notre API FOCAS (interface de programmation d'application) au début des années 90, ainsi que la fibre optique puis les ports Ethernet, donc connecter une CNC est facile depuis un certain temps maintenant », a-t-il dit. « La partie difficile a toujours été de déterminer quelles données vous avez besoin et ce que vous allez en faire une fois que vous les avez. »

Ces données incluent les historiques d'alarmes, les réglages de démultiplication de vitesse d'avance et de broche, les températures des moteurs servo et de broche, la consommation d'énergie, les variables macro, et bien plus encore, tout cela pouvant être extrait de la machine-outil de manière continue et automatique. Ajoutez à cela diverses entrées fournies par l'opérateur – numéro de travail, statut de production, consommation d'outils de coupe, et même informations de qualité des pièces – et obtenir une image complète des activités du plancher d'usine ne devient pas plus difficile que de jeter un coup d'œil au tableau de bord de n'importe quel logiciel de surveillance qui collecte ces données.

Dans le cas de FANUC, il s'agit de MT-LINKi, une plateforme d'analyse agnostique de marque capable de surveiller plus de 1 000 machines-outils CNC à la fois, ainsi que FASData, un programme de surveillance de production. D'autres constructeurs de contrôles offrent des solutions similaires, tout comme de nombreux constructeurs de machines-outils, fournisseurs d'outils de coupe et développeurs de logiciels tiers. Tous fournissent les moyens de rassembler ce qui est admis être une montagne de données et de les présenter d'une manière qui a du sens pour les humains, leur donnant la capacité de réagir aux tendances et aux problèmes potentiels bien avant qu'ils ne puissent avoir un impact négatif sur les niveaux de production.

Le dilemme du Cloud

La question devient alors : quel est le meilleur endroit pour stocker ces données et héberger le logiciel utilisé pour les analyser ? Les deux devraient-ils être situés dans le cloud dans une installation d'hébergement hors site et gérés par des spécialistes dédiés du matériel et du logiciel ? Ou une installation « sur site » est-elle plus appropriée, en utilisant les talents informatiques internes dont dispose l'atelier ?

Webster et les autres interrogés pour cet article étaient largement d'accord pour dire que, bien que la première approche soit souvent la plus sûre et la plus rentable, de nombreux ateliers restent réticents à l'idée que les programmes de pièces et les données de production quittent leur installation. C'est aussi l'avis de Gisbert Ledvon, directeur du développement commercial pour les machines-outils chez Heidenhain Corp., basé à Schaumburg, Illinois. Il a noté que les clients peuvent installer le logiciel StateMonitor de l'entreprise où ils le souhaitent, mais promeut les installations sur site chaque fois que possible.

« Notre philosophie est que les clients doivent protéger leur propriété intellectuelle, et pour nous, cela signifie connecter leurs machines-outils et systèmes logiciels à un réseau d'entreprise correctement sécurisé », a-t-il dit. « Il y a eu de nombreux cas où des ateliers ont été piratés et forcés de payer des rançons. Accordé, ces attaques sont généralement accomplies par e-mail et non par le contrôle de la machine-outil, mais c'est une préoccupation nonetheless. C'est pourquoi la NTMA (National Tooling and Machining Association) a commencé à offrir des séminaires montrant aux fabricants comment ils peuvent se protéger contre ce type de cybercriminalité. »

Malgré cela, Ledvon admet que le cloud est une tendance technologique qui ne fera que gagner en élan. Ce qu'il faut pour atténuer les risques associés, ce sont de bonnes pratiques d'hygiène informatique. Installer un pare-feu robuste entre le réseau de l'atelier et le monde extérieur. Éviter les connexions directes CNC-vers-cloud en téléchargeant les fichiers externes, programmes logiciels et correctifs sur un serveur interne sécurisé, puis les vérifier avec un antivirus avant distribution. Former tous les utilisateurs d'ordinateurs à gérer les mots de passe, repérer les e-mails et sites Web malveillants, et protéger les informations de l'entreprise. La liste continue.

« Considérant que le contrôle est le centre nerveux de toute machine-outil, je ne pense pas que la commodité de l'accès cloud vaille le risque d'exposition à Internet », a déclaré Ledvon. « Rien de tout cela n'empêche les fabricants de mettre en œuvre une stratégie Industry 4.0, cependant. Par tous les moyens, ils devraient mettre en réseau leurs machines-outils et commencer à collecter des données pour analyse. Cela leur donnera les informations nécessaires pour configurer les machines plus rapidement, réduire les temps de cycle, maximiser la durée de vie des outils, et obtenir tous les autres avantages offerts par les contrôles CNC et les systèmes logiciels d'aujourd'hui. »

Talents natifs

Un autre composant de l'Industrie 4.0 est le jumeau numérique, qui dans ce cas fait référence à une représentation virtuelle mais hautement précise et complète d'une machine-outil CNC. Selon Vivek Furtado, responsable de la digitalisation – machines-outils pour Siemens Industry Inc., Elk Grove Village, Illinois, les jumeaux numériques rationalisent la conception et le déploiement des machines CNC, rendant finalement les fabricants plus efficaces.

« Notre contrôleur SINUMERIK One est connu comme un natif numérique, dans le sens où il a été construit dès le départ pour prendre en charge le jumeau numérique et d'autres technologies habilitantes », a-t-il dit. « Il donne aux fabricants de machines-outils CNC la capacité de créer une version virtuelle d'un tour ou d'un centre d'usinage contenant toute sa cinématique et ses caractéristiques de fonctionnement. Cela réduit considérablement le temps d'ingénierie et les coûts de développement, et assure que le produit répondra aux besoins de l'utilisateur final. »

Les contrôleurs compatibles jumeau numérique servent d'autres objectifs. Ils accélèrent la formation des nouveaux employés et réduisent le risque qu'un d'entre eux fasse planter une machine-outil coûteuse. Ils permettent aux estimateurs de chiffrer plus précisément les travaux, aux ingénieurs de développer des processus de fabrication optimisés, et aux programmeurs CNC de valider le code G et la sélection d'outils de coupe avant d'envoyer le travail au plancher d'usine. Une fois là-bas, ils facilitent l'exploitation de la machine-outil avec des graphismes améliorés et une plus grande convivialité.

Quiconque possède un système FAO haut de gamme ou un logiciel PLM pourrait dire qu'il peut accomplir la plupart de cela sans un contrôle CNC avancé. Et s'il n'y a pas à argumenter que les capacités de ces plateformes logicielles et d'autres ont augmenté de manière spectaculaire ces dernières années, les machines-outils qui participent au fil numérique fournissent aux ateliers de machines un outil important, qui améliore l'échange de données et boucle la boucle sur l'interopérabilité.

S'adapter et surmonter

Mis à part le jumelage numérique, Furtado a suggéré que les contrôleurs CNC deviennent beaucoup plus intelligents et conviviaux, avec des fonctions et des caractéristiques que tout utilisateur de smartphone reconnaîtra. « La plupart d'entre nous se souviennent qu'on utilisait nos téléphones pour appeler les gens », a-t-il dit. « Aujourd'hui, ils vous permettent de surveiller votre santé, de rechercher des informations, de passer des commandes de produits, et ainsi de suite. Les nouvelles générations de contrôleurs offrent une fonctionnalité similaire. Ils sont capables de traiter l'information et de préparer les données de manière à ce qu'elles puissent être utilisées plus efficacement par leurs opérateurs humains, ou par d'autres systèmes. »

Cette intelligence s'étend également au processus d'usinage. Siemens, FANUC et des fournisseurs de solutions tiers tels que Caron Engineering offrent des capacités de contrôle adaptatif qui surveillent en continu les charges de broche et d'axe, les vibrations de la machine, et des facteurs similaires qui affectent la durée de vie de l'outil de coupe et la qualité de la pièce. Ces systèmes intelligents ajustent ensuite les paramètres d'usinage en temps réel, optimisant l'enlèvement de matière et éliminant les problèmes potentiels.

Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois, est un autre fournisseur de contrôle qui a l'œil sur le prix de l'Industrie 4.0. Harsh Bibra, directeur général pour l'Amérique du Nord chez Fagor, a expliqué que son contrôle ARFS (Adaptive Real-time Feed and Speed) fait tout cela et plus, mais a noté que ce type de technologie basée sur les capteurs peut également être utilisé pour la maintenance prédictive.

« Nous offrons également notre i4.0 Connectivity Pack », a-t-il dit. « Cela permet aux utilisateurs de collecter des données d'usinage, bien sûr, mais aussi de faire des choses comme envoyer des alertes basées sur l'état, régler la machine-outil et mettre à jour son firmware, changer les paramètres, et ainsi de suite, le tout depuis un appareil mobile ou un ordinateur distant. »

Le plus grand goulot d'étranglement

Bibra voit de grands changements à venir. Outre l'utilisation accrue de capteurs et d'accéléromètres compatibles IIoT dans les machines-outils, ainsi que de contrôleurs plus intelligents, les usines elles-mêmes deviendront plus intelligentes. L'intelligence artificielle (IA) bien au-delà des capacités adaptatives mentionnées deviendra prédominante, ouvrant la porte à la prise de décision automatisée nécessaire pour la fabrication sans lumière généralisée.

Tout cela gagnera littéralement en vitesse avec le développement et le déploiement ultérieur des réseaux cellulaires 5G, a suggéré Bibra. Ceux-ci n'augmenteront pas seulement la bande passante Internet et réduiront la latence, mais pourraient potentiellement atténuer les craintes de piratage mentionnées plus tôt. « Les contrôles du futur seront équipés de 5G, et les données qu'ils génèrent pourront alors être envoyées sans fil à des vitesses allant jusqu'à 10 gigabits par seconde (Gbit/s) vers des dispositifs dits de périphérie », a-t-il dit. « Nous nous attendons à ce que dans quelques années, cette technologie transforme fondamentalement la façon dont les fabricants collectent les informations du plancher d'usine. »

L'inconvénient de l'Industrie 4.0 est le manque de travailleurs qualifiés capables de comprendre et de travailler avec la technologie avancée. Bibra a dit que la reconversion sera nécessaire alors que les fabricants deviennent plus férus de technologie. Cependant, toute préoccupation concernant le savoir tribal et la perte d'expérience due à l'attrition et à la retraite des employés devrait devenir de l'histoire ancienne.

Visiter le Store

Jim Kosmala, vice-président de l'ingénierie et de la technologie chez Okuma America Corp., Charlotte, N.C., attribue une grande partie de la connectivité accrue d'aujourd'hui à l'utilisation de contrôles basés sur PC. « Beaucoup de gens oublient qu'Okuma n'est pas seulement un constructeur de machines-outils, mais fabrique aussi ses propres systèmes servo et contrôleurs. Ceux-ci tournent sur Microsoft Windows et utilisent une puce Intel, les deux offrant une connectivité facile. »

Les contrôles basés sur PC facilitent également l'installation de divers programmes logiciels sur le contrôle – au début de la pandémie de COVID, par exemple, les clients Okuma pouvaient collaborer avec d'autres en utilisant Microsoft Teams, partageant des écrans ou donnant un contrôle à distance selon les besoins. « C'est toute l'idée derrière notre App Store », a dit Kosmala. « Les utilisateurs peuvent télécharger et installer tout ce dont ils ont besoin directement sur le contrôle OSP, éliminant le besoin d'un PC séparé. Cela représente des possibilités entièrement nouvelles pour la collaboration et la connectivité. »

L'une de ces applications est le Connect Plan d'Okuma, qui permet aux utilisateurs de surveiller les machines-outils CNC et de collecter des données opérationnelles. Il fonctionne avec la plupart des marques ou vintages de machines-outils ainsi que les robots et autres formes d'automatisation. Selon Kosmala, cependant, Connect Plan utilise un algorithme d'IA pour examiner les informations disponibles et identifier les tendances qu'un humain pourrait manquer.

Prenons le cas du responsable d'un département de tournage, qui remarque après des semaines de rapports de collecte de données et de tableaux de bord qu'un certain tour démarre toujours 10 minutes en retard chaque matin grâce à l'habitude de café de l'opérateur, ou que la température de la broche sur la rectifieuse la plus proche du service d'expédition chute chaque fois qu'ils ouvrent la porte de chargement. Kosmala a expliqué que l'IA détecte ces tendances beaucoup plus rapidement qu'un humain, donnant aux superviseurs la capacité d'aborder les zones problématiques potentielles plus tôt. De plus, cette information est stockée dans une base de données, donc quand le superviseur quitte l'entreprise, il n'y a pas de perte de connaissances.

« Deming nous a dit que sans données, vous n'êtes qu'une autre personne avec une opinion », a dit Kosmala. « L'IIoT et l'Industrie 4.0 consistent à collecter ces données et à les utiliser, les transformant ultimement en connaissance. C'est la première étape pour quiconque sur ce chemin. Nous avons maintenant la vidéoconférence virtuelle, et la capacité de vérifier l'état de la machine ou les niveaux de production de n'importe où, et l'accès à des outils à distance qui simplifient l'automatisation. Si vous pouvez faire cela sans avoir à entrer dans l'usine, d'autant mieux. Tout est une question d'augmenter l'efficacité et la disponibilité machine, ce qui est plus facilement accompli en utilisant les contrôleurs CNC modernes. »