De belofte van next-level automatisering

De realiteit begrijpen en de valkuilen vermijden

Kant. Wolk. Digitale tweeling. AI. AR. VR. cobots. Ooit waren het modewoorden. Nu worden ze technische realiteiten in middelgrote tot grootschalige fabrieken in Noord-Amerika. De tijdlijnen voor adoptie zullen per branche verschillen, maar uit een recent onderzoek blijkt dat 76 procent van de fabrikanten een smart factory-initiatief in de maak heeft.

Als ze correct worden geïmplementeerd, zullen deze initiatieven onze fabrieken transformeren, waardoor de productie van alles, van kant-en-klaar voedsel tot straalvliegtuigen, efficiënter, consistenter en meer onderling verbonden wordt. Automatisering maakt een nauwkeurigheid en productiviteit mogelijk die de menselijke capaciteiten te boven gaat, zelfs in omgevingen die als onveilig voor mensen worden beschouwd.

De sleutelzin hierboven is "indien correct geïmplementeerd". Er zijn uitdagingen en mogelijke valkuilen. Manufacturing Engineering sprak met verschillende branche-experts om hun mening te krijgen over waar we vandaag staan, hoe morgen eruit zou kunnen zien en waardoor we zouden kunnen struikelen.

Vooruitgang is specifiek voor branches

Gevraagd naar het huidige niveau van automatisering in fabrieken, aarzelden onze experts om te generaliseren over de productie als geheel, maar in plaats daarvan om observaties te geven over specifieke industriesectoren.

Auto- en ruimtevaart zijn bijvoorbeeld sterk geautomatiseerd, volgens Claude Dinsmoor, algemeen directeur productontwikkeling voor FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. "Er zijn veel productiestappen in de productie van een auto of SUV die zo ingewikkeld geautomatiseerd zijn en gestroomlijnd dat het voor mensen onmogelijk zou zijn om terug te treden en ze vandaag nog te doen, "zei Dinsmoor.

David Suica, president van Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, ziet een aanzienlijke implementatie van automatiseringstools op machine- of celniveau. "Automatisering van specifieke machines, of zelfs cellen of lijnen, is gangbaar", zei Suica. “Maar de meeste hiervan zijn eilanden van automatisering. De mogelijkheid om een ​​fabriek in een digitaal formaat te zien, zodat echte productiviteit kan worden gevisualiseerd, ligt nog in de toekomst.”

Volgens Andy Joseph, directeur productontwikkeling, en John Lytle, manager applicatietechniek voor Promess Inc., Brighton, Michigan, is de mate van automatisering in assemblageprocessen minder dan aan de bewerkingskant. "We doen veel werk in de auto-industrie en de automatisering van de assemblage van onderdelen is een allegaartje", zei Lytle. "Aan de andere kant", voegde Joseph eraan toe, "zijn kleinere fabrikanten op zoek naar automatiseringstechnologieën die de auto-industrie al jaren gebruikt. We zien een grote verschuiving van hydrauliek naar servogestuurde actuatoren die deel kunnen uitmaken van de automatiseringsstrategie van de toekomst.”

Bij Praemo, Kitchener, Ontario, zien de opdrachtgevers twee automatiseringsgebieden met zeer verschillende trajecten. Andy Henderson, chief technology officer, zei dat fysieke automatisering (automatisering van fysieke en repetitieve taken) de afgelopen 30-40 jaar heeft plaatsgevonden en dat er voorbeelden zijn in vrijwel elke fabriek. Besluitvormingsautomatisering (automatisering van menselijke denkprocessen en inzichten) is daarentegen erg nieuw. "Specifieke machines kunnen tegenwoordig alledaagse en repetitieve besluitvorming uitvoeren", zegt Alex Kelly, directeur oplossingsarchitectuur, "maar hun vermogen om te leren van eerdere gebeurtenissen, zodat ze zich kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden, is er nog niet. Dat is het volgende niveau:actie ondernemen op gegevens die op geautomatiseerde wijze zijn vastgelegd.”

Automatisering Innovatie Enablers

Wat zijn enkele van de nieuwere technologieën die het toneel vormen voor automatisering op het volgende niveau?

"De acceptatie van connectiviteits- en gegevensuitwisselingsstandaarden die werken binnen Industry 4.0 en Industrial Internet of Things (IIoT) -initiatieven is fundamenteel en noodzakelijk", zegt Artur Gugulski, regionale CNC-manager Midwest, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. "Dit helpt fabrikanten en leveranciers bij het gebruik van open communicatieprotocollen en -standaarden."

"In de matrijzen- en matrijzenindustrie zien we bijvoorbeeld flexibele productiesystemen die de tijd terugbrengen van zeven weken naar zeven dagen", zegt Dan Zeman, automatiseringsmanager voor MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, een dochteronderneming van Mitsubishi. “Een belangrijke technologie om dit mogelijk te maken, is software voor werkbeheer, die robots en machines coördineert door programma's en gegevens te verwerken en de machine op afstand te starten om langdurig, onbeheerd gebruik mogelijk te maken. Het andere dat van cruciaal belang is voor automatisering op het volgende niveau, zijn de technologieën rond gepalletiseerde gereedschappen, armaturen en werkstukopspanning. Bij palletiseren kan een robot worden ingezet om een ​​gereedschap heel eenvoudig en nauwkeurig op te pakken en in de boorkop te plaatsen. U kunt in één continu proces van frezen naar inspectie naar de zinkvonk-EDM gaan, waarbij de robot [het werkstuk] van machine naar machine overbrengt. De bewerking kan worden gepland, geprioriteerd en gecontroleerd door beheersoftware om meerdere stappen efficiënt te volgen.”

Robotfabrikant FANUC kijkt naar verschillende sleuteltechnologieën die de menselijke prestaties verbeteren in plaats van deze te vervangen. Volgens Dinsmoor:"Sommige van de opwindende technologieën omvatten machinevisie (3D-visie), tactiele en krachtdetectie en kracht-en-krachtcontrole, die essentieel zijn voor cobots (samenwerkingsrobots die dicht bij mensen werken). Ook van grote waarde is simulatietechnologie in de ontwerpfase, die ons helpt een virtuele oplossing te bouwen voordat deze op staal wordt toegepast. Met simulatie kunnen fabrikanten hun ontwerptijd verkorten en veilig tot een dozijn 'ontwerpkandidaten' evalueren om de beste automatiseringsoplossing te vinden."

Volgens Paul Boris, executive vice president van Praemo, als we denken aan next-level automatisering als het uitrusten van machines om namens zichzelf beslissingen te nemen, dan vereist dat een niveau van intelligentie in de machine zelf. "Om te profiteren van de verschillende algoritmen en de methoden om die algoritmen in te zetten, zijn we sterk afhankelijk van kunstmatige intelligentie (AI)", zei hij. "AI is het fundament waarop veel andere voor ons belangrijke technologieën worden gebruikt."

Een van de interessantere technologieën die Promess ziet, is LiDAR (Light Detection and Ranging). "Het belangrijkste kenmerk is de hoge ruimtelijke resolutie bij het meten van 3D-objecten", zegt Joseph. "LiDAR kan worden gebruikt in verschillende productiescenario's, waaronder de veiligheid van de operator, het hanteren van robotonderdelen, geleidingssystemen en machine learning voor het optimaliseren van assemblageprocessen."

Zeman zei dat de volgende stap waar MC Machinery naar op zoek is, op het gebied van design ligt. “Handmatig tekenen maakte plaats voor alles op een pc en plotten op papier. Plotters zijn nu verdwenen omdat alles elektronisch gaat. Uiteindelijk, in plaats van op de 'print'-knop te drukken, zullen we op de 'build'-knop drukken en gaat het ontwerp rechtstreeks naar de productie."

Edge Computing en meer

Andere nieuwe technologieën die door onze experts worden genoemd, zijn edge computing (verwerking bij de bron om overdrachtssnelheden en responstijden te versnellen en tegelijkertijd de belasting van de bandbreedte van een fabriek te verminderen); native integratie met de cloud; technologieën om uitval van activa te voorspellen/voorkomen; augmented reality (AR) voor montage en onderhoud; en virtual reality (VR) voor training en simulatie.

"Om next-level automatisering te bereiken, moeten er verschillende dingen tegelijkertijd gebeuren", zegt Suica van Fastems. “VR-technologie zal een groot voordeel zijn omdat het een veelzijdige kijk op uw fabriek in digitale vorm mogelijk maakt. In feite zal het zien van een fabriek in digitaal formaat (d.w.z. digital twin) productiviteitsverbeteringen opleveren. Dankzij digitale zichtbaarheid kunnen managers en technici direct zien welke machines niet alleen aan staan, maar ook welke machines snijden, wat de ware maatstaf is voor operationele efficiëntie. Het toont ook de stromen tussen machines - waar de storingen of problemen zijn."

Bij software is de neiging om steeds mogelijkheden toe te voegen. "Dit is prima", benadrukt Dinsmoor van FANUC, "zolang het geen lagen toevoegt aan de algehele architectuur. Door meer functionaliteit in onze robot te integreren, verminderen we de benodigde lagen software en hardware. Om dit op grote schaal te laten gebeuren, zijn open protocollen essentieel.”

Volgens Zeman van MC Machinery komen de voordelen van automatisering voort uit het combineren van meerdere processtappen up- en downstream. "Deze informatie moet naadloos stromen", zei hij. Hij sprak over de samenwerking tussen fabrikanten die open standaarden omarmen voor gegevensverzameling en bestandsoverdracht. "Het nettoresultaat is dat een klant CAD/CAM, meetsysteem, frees- en EDM-machine gemakkelijk kan integreren en uitstekende resultaten kan behalen", aldus Zeman.

Lytle of Promess noemde de vooruitgang die is geboekt in machine-naar-machine-communicatie via Open Platform Communications met Uniform Architecture (OPC UA) en Fieldbus-technologieën voor realtime gedistribueerde besturing. "Onze klanten willen oplossingen waarmee ze de integratie en herprogrammering intern kunnen doen", zei hij. “Machinebibliotheken die bouwstenen leveren waarvoor weinig programmeerkennis nodig is, en dingen als Open PLC, maken dit mogelijk. Ik moet er echter aan toevoegen dat we hier nog maar aan het begin staan.”

Suica's evaluatie van het probleem met eilanden van automatisering is het bestaan ​​van "kleine stukjes software die niet met elkaar praten." Hij vergelijkt het met 's avonds gaan zitten om tv te kijken en vier verschillende afstandsbedieningen voor je te hebben:een voor de ontvanger, een voor de DVR, een voor de tv en een andere voor het streamingapparaat. "Net zoals je thuis een universele afstandsbediening nodig hebt, heeft je fabriek een universele manier nodig om gegevens te verzamelen en te gebruiken om een ​​taak uit te voeren", zei hij. "Dit wordt met de dag gemakkelijker vanwege open platforms en architecturen en databases, maar er moet nog steeds rekening mee worden gehouden."

Fabrikanten die in de toekomst een AI-gestuurde analytische engine willen implementeren, kunnen vandaag beginnen met het ontsluiten van waardevolle inzichten zonder alle bestaande gegevens op een speciale manier voor te bereiden. Henderson van Praemo legde uit dat bij het gebruik van traditionele benaderingen belangrijke gegevens moeten worden gelokaliseerd, opgeschoond, gecategoriseerd en geharmoniseerd om de basis voor besluitvorming te vormen.

"Helaas zul je zelfs binnen hetzelfde bedrijf zien dat elke productielocatie zijn eigen ding doet - verschillende databases, verschillende ERP-systemen, verschillende tags, verschillende namen", zei hij. “In plaats van te wachten tot de gegevensstandaardisatie is voltooid, maken we verbinding met de gegevens zoals ze bestaan, en waar ze nu zijn. Begin snel en behaal kleine winsten. Dit zorgt er niet alleen voor dat zaken sneller op gang komen, het helpt bedrijven om de mensen en culturele problemen aan te pakken die vaak gepaard gaan met grootschalige automatiseringsprojecten, zonder de inherente risico's of angsten."

Geavanceerde robotica eenvoudig gemaakt

Robots van de volgende generatie zijn niet alleen veel gemakkelijker te programmeren, maar ook gemakkelijker te gebruiken, met mogelijkheden zoals spraak- en beeldherkenning om complexe menselijke taken na te bootsen. Collaboratieve robots zijn naar voren gekomen als een nieuwe en snelgroeiende technologie die kan voldoen aan de vraag naar automatisering en flexibiliteit in de productie. Ze kunnen werknemers helpen bij het uitvoeren van vervelende taken en de veiligheid op de werkplek verbeteren.

Volgens Dinsmoor van FANUC draait het bij de ontwikkeling van geavanceerde robotica bij zijn bedrijf om het beantwoorden van deze vraag:"Hoe kan morgen eruitzien?" Opkomende technologieën zoals visie, kracht- en krachtcontrole, AI en machine learning maken allemaal deel uit van het ontwerppalet. "Het is onze bedoeling om een ​​robot gemakkelijker toe te passen en gemakkelijker te programmeren of te bedienen te maken zonder gespecialiseerde vaardigheden", zei hij. "Net zoals het bedienen van een smartphone met verbazingwekkende mogelijkheden die meestal transparant zijn voor de gebruiker, zijn verbeteringen in bereik, snelheid en laadvermogen een continue prioriteit."

FANUC heeft de afgelopen vijf tot zeven jaar IIoT-compatibele apparaten in zijn robots ingebouwd om bewaking op afstand mogelijk te maken met als doel nul downtime. "We hebben winkels die 24/7 draaien zonder menselijke tussenkomst," zei Dinsmoor, "dus we zien de realiteit."

Een licht schijnen op Lights-Out

Onze experts hebben verschillende opvattingen over de noodzaak om te werken zonder licht. Zoals Boris van Praemo het verwoordde:“Lights-out is een goede visie voor alle fabrikanten om naar te streven, maar het moet geworteld blijven in de realiteit. Het is het meest gunstig voor een fabriek die standaard, herhaalbare producten vervaardigt. Telkens wanneer u variabiliteit in de vergelijking introduceert, door middel van maatwerk of andere factoren, is het uitlichten van het licht veel minder haalbaar. We denken dat het belangrijk is om intelligentie in te bouwen, gegevens van machines en processen te analyseren wanneer de complexiteit zich voordoet, en teams te waarschuwen voordat nieuwe problemen leiden tot prestatie- of kwaliteitsverlies. Dus misschien moet het doel intelligente assistentie zijn in plaats van volledige operationele autonomie.”

Suica zei dat Fastems verschillende klanten heeft die constant uitvallen (90 uur of meer per week). “Daarvoor moeten er verschillende dingen gebeuren. Ten eerste moeten de machines en uitrusting robuust zijn,” zei hij. “Dan is het een proces om de zwakste schakels te identificeren en te elimineren. In sommige fabrieken is de zwakke schakel tooling, in een andere is het spaanverwijdering. Wat de machine ook blokkeert, moet worden geëlimineerd. Maar of je nu wel of niet de lichten uit gaat, het identificeren en elimineren van de zwakke schakels zal altijd leiden tot productiviteitswinst.”

Gugulski of Fagor cited a list of “typical” requests from customers who are striving for lights-out. “Things like dual-channel, 10-axis systems; collision detection; machine safety; glass absolute scales; thermocouples for dynamic temperature compensation; tangential control; sophisticated probing; runout transformation; motion detection; and features to modify programs on-the-fly are all requirements for lights-out CNC machining,” he said. “This is doable, but complex. We’ve demonstrated the ability to interact with different components of the automation process, including bar code readers, thermocouples for temperature measurements, safety systems with cameras, radio-controlled probes, and top-of-the-line CAM systems for five-axis parts programming.”

The gentlemen at Promess hear less talk about lights-out from their assembly customers. “Human interaction is almost always required,” Joseph said. “In fact, cobots were developed to interact with humans.” According to Lytle, “The need from our customers is for flexible assembly systems—doing more at one station. Many plants are looking for our press to become a sixth axis for a robot, another end-of-arm application.”

Zeman of MC Machinery added, “For lights-out operations on qualified processes, for example in the aerospace and medical industries, we actively try to work with our customers early in the development process to ensure that the benefits of automation can be incorporated in the process. The first-article run has to include automation, as it cannot easily be added at a later date.”

Taking the Next Steps

The Industry 4.0 initiative requires basic digitization. Without digitizing every step, operational efficiency is being left on the table.

“One of the first things we recommend is an automation audit to look at all the process areas in the plant,” FANUC’s Dinsmoor said. “There may be a customer with very specific ideas about what should be automated and, while doing a walk-through, we find additional opportunities that are high value and easily achievable. For a plant just starting to automate, these early and easy wins are best. The successes feed on each other and the economic payback can often help fund the next opportunity.”

One way that Praemo tests the water with potential customers is to start fast with a static set of historical data, according to Henderson. “Using static data, our Razor engine can analyze and provide insights to plant management without disruption to existing production. We all came from operations backgrounds, so our emphasis is on the practical. We know from our experience that AI and machine learning will simplify, speed up, and reduce the cost of manufacturing.”

Technical feasibility and economic viability are necessary preconditions for automating a machine or line. Yet, they are far from being the only factors, according to Joseph of Promess. “Outside of the obvious technical issues, the key point remains:if you’re looking at automation today and have questions, who do you want to work with? Who will be there to support you as you take the journey?”