Next-Level Automatisering: Buzzwords omzetten in echte productiewinst

De realiteiten begrijpen en de valkuilen vermijden

Edge. Cloud. Digital twin. AI. AR. VR. Cobots. Eerder waren ze buzzwords. Nu worden ze technische realiteiten in middelgrote tot grote productiefabrieken in Noord-Amerika. Tijdlijnen voor adoptie zullen variëren per industriesector, maar een recent onderzoek wskazde dat 76 procent van de fabrikanten een slimme fabrieksinitiatief in de werking heeft.

Wanneer correct geïmplementeerd, zullen deze initiatieven onze fabrieken transformeren – het produceren van alles van bereide voedsel tot vliegtuigen efficiënter, consistenter, en meer geïntegreerd. Automatisering maakt een niveau van nauwkeurigheid en productiviteit mogelijk buiten menselijke mogelijkheden – zelfs in omgevingen die onveilig zouden worden geacht voor mensen.

De sleutelzin hierboven is "wanneer correct geïmplementeerd." Er zijn uitdagingen en potentiële valkuilen. Manufacturing Engineering sprak met diverse industrie-experts om hun visie te krijgen over waar we vandaag staan, wat morgen eruit kan zien, en wat ons kan doen struikelen.

Voortgang Is Specifiek Voor Industrieën

Toen gevraagd naar het huidige automatiseringsniveau in productiefabrieken, waren onze experts terughoudend om te generaliseren over productie als geheel, en gaven ze liever observaties over specifieke industriesectoren.

Bijvoorbeeld, automotive en aerospace zijn zwaar geautomatiseerd, volgens Claude Dinsmoor, general manager of product development voor FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. "Er zijn veel productiestappen in de productie van een automobile of SUV die zo ingewikkeld geautomatiseerd en gestroomlijnd zijn dat het onmogelijk zou zijn voor mensen om vandaag de dag terug te treden en ze te doen," zei Dinsmoor.

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

Volgens Andy Joseph, director of product development, en John Lytle, application engineering manager voor Promess Inc., Brighton, Mich., is de mate van automatisering in assemblageprocessen minder dan op de bewerkingskant. "We doen veel werk in automotive en de automatisering van onderdeelassemblage is een mixed bag," zei Lytle. "Aan de andere kant," voegde Joseph toe, "kleinere fabrikanten kijken naar automatiseringstechnologieën die automotive al jaren inzet. We zien een grote beweging weg van hydraulica naar servo-gecontroleerde actuatoren die deel kunnen uitmaken van de automatiseringsstrategie van de toekomst."

Bij Praemo, Kitchener, Ontario, zien de principes twee gebieden van automatisering met heel verschillende trajecten. Andy Henderson, chief technology officer, zei dat fysieke automatisering (automatisering van fysieke en repetitieve taken) al de laatste 30-40 jaar plaatsvindt en voorbeelden in praktisch elke productiefabriek te vinden zijn. Beslissings-automatisering (automatisering van menselijke denkprocessen en inzichten), aan de andere kant, is erg nieuw. "Specifieke machines kunnen vandaag de dag saai en repetitieve beslissingen nemen," zei Alex Kelly, director of solutions architecture, "maar hun vermogen om te leren uit eerdere gebeurtenissen zodat ze zich kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden is er nog niet. Dat is het volgende niveau – actie ondernemen op data die op een geautomatiseerde manier vastgelegd is."

Automatiseringsinnovatie Enablers

Wat zijn enkele van de nieuwere technologieën die het toneel zetten voor next-level automatisering?

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

"In de vorm- en matrijsindustrie, zien we bijvoorbeeld flexibele productiesystemen die de tijd terugbrengen van zeven weken tot zeven dagen," zei Dan Zeman, automation manager voor MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, een dochter van Mitsubishi. "Een sleuteltechnologie om dit mogelijk te maken is werkmanagementsoftware, die robots en machines coördineert door programma's, data, en het op afstand starten van de machine te verwerken om lange, onbegeleide operatie toe te laten. Het andere wat kritiek is voor next-level automatisering is de technologieën rondop gepalletiseerde gereedschappen, fixateurs, en werkhouderij. Met palletisering kan een robot ingezet worden om een gereedschap op te pikken en in de span te plaatsen heel eenvoudig en nauwkeurig. U kunt van frezen naar inspectie naar de sinker EDM in één continu proces gaan met de robot die [het werkstuk] van machine naar machine overdraagt. De operatie kan gepland, geprioriteerd, en gemonitord worden door managementsoftware om meerdere stappen efficiënt te sequencen."

Robotica-fabrikant FANUC kijkt naar diverse sleuteltechnologieën die menselijke prestaties versterken, in plaats van te vervangen. Volgens Dinsmoor, "Sommige van de opwindende technologieën omvatten machinevisie (3D visie), tast- en krachtsensing, en kracht-en-krachtcontrole, wat essentieel is voor cobots (collaboratieve robots die in nabijheid van mensen werken). Ook van hoge waarde is simulatiem technologie in het ontwerpfase, wat ons helpt een virtuele oplossing te bouwen voordat we het in staal vastleggen. Met simulatie kunnen fabrikanten hun ontwerptijd verminderen en veilig tot een dozijn 'ontwerpkandidaten' evalueren om de beste automatiseringsoplossing te vinden."

Volgens Paul Boris, executive vice president voor Praemo, als we next-level automatisering zien als het uitrusten van machines om namens zichzelf beslissingen te nemen, vereist dat een niveau van intelligentie in de machine zelf. "Om te profiteren van de verschillende algoritmen, en de methodes voor het deployen van die algoritmen, vertrouwen we zwaar op kunstmatige intelligentie (AI)," zei hij. "AI is de fundering die door heel veel andere technologieën belangrijk voor ons loopt."

Eén van de interessantere technologieën die Promess ziet is LiDAR (Light Detection and Ranging). "De primaire kenmerk is zijn hoge ruimtelijke resolutie bij het meten van 3D-objecten," zei Joseph. "LiDAR kan ingezet worden in een verscheidenheid aan productiescenario's, inclusief operatorveiligheid, robotische onderdeelhantering, geleidingssystemen, en machine learning voor het optimaliseren van assemblageprocessen."

Zeman zei dat de volgende vooruitgang die MC Machinery zoekt, in het gebied van ontwerp zit. "Handmatig tekenen maakte plaats voor alles op een PC te doen en op papier te plotten. 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 het ontwerp gaat rechtstreeks naar productie."

Edge Computing En Meer

Andere nieuwe technologieën genoemd door onze experts omvatten edge computing (verwerking aan de bron om overdrachtssnelheden en responstijden te versnellen terwijl de belasting op de bandbreedte van een fabriek verminderd wordt); native integratie met de cloud; technologieën om asset-fouten te voorspellen/te voorkomen; augmented reality (AR) voor assemblage en onderhoud; en virtual reality (VR) voor training en simulatie.

"Om next-level automatisering te bereiken, moeten verschillende dingen tegelijkertijd gebeuren," zei Suica van Fastems. "VR-technologie zal een groot voordeel zijn omdat het een multi-faceted visie van uw fabriek in digitale vorm toelaat. Feitelijk, een fabriek in digitaal formaat zien (i.e. digital twin) zal productiviteitsverbeteringen brengen. Digitale zichtbaarheid stelt managers en ingenieurs in staat om direct te zien welke machines niet alleen aanstaan, maar welke machines snijden, wat de echte maatstaf is van operationele efficiëntie. Het toont ook de stromen tussen machines – waar de storingen of problemen zijn."

Met software is de neiging om capaciteiten toe te voegen. "Dit is prima," wees Dinsmoor van FANUC erop, "zolang het geen lagen aan de totale architectuur toevoegt. Door meer functionaliteit in onze robot te integreren, verminderen we daadwerkelijk de lagen van software en hardware die vereist zijn. Open protocollen zijn essentieel voor dit op grote schaal te laten gebeuren."

Volgens MC Machinery's Zeman, komen de voordelen van automatisering van het combineren van meerdere processtappen up- en downstream. "Deze informatie moet naadloos vloeien," zei hij. Hij sprak over de collaboratieve inspanning tussen fabrikanten die open standaarden voor dataverzameling en bestandsoverdracht omarmen. "Het netto resultaat is dat een klant CAD/CAM, meetsysteem, frezen, en EDM-machine gemakkelijk kan integreren en uitstekende resultaten verkrijgen," zei Zeman.

Lytle van Promess citeerde de vooruitgang in machine-tot-machine communicatie via Open Platform Communications met Uniform Architecture (OPC UA) en Fieldbus-technologieën voor real-time gedistribueerde controle. "Onze klanten willen oplossingen die hen in staat stellen de integratie en herprogrammering intern te doen," zei hij. "Machine libraries die building blocks bieden met weinig programmeerkennis vereist, en dingen als Open PLC, maken dit een realiteit. Ik moet echter toevoegen dat we nog in de allerbeginfasen zitten."

Suica's evaluatie van het probleem met eilanden van automatisering is het bestaan van "kleine beetjes software die niet met elkaar praten." Hij vergelijkt het met 's avonds zitten om TV te kijken en vier verschillende afstandsbedieningen voor je te hebben – één voor de ontvanger, één voor de DVR, één voor de TV, en nog een voor het streaming-apparaat. "Net zoals je een universele afstandsbediening thuis nodig hebt, heeft uw fabriek een universele manier nodig om data te verzamelen en het te gebruiken om een taak te bereiken," zei hij. "Dit wordt elke dag makkelijker door open platforms en architecturen en databases, maar het moet nog gepland worden."

Fabrikanten die hopen een AI-gedreven analytische motor in de toekomst te implementeren, kunnen vandaag beginnen met het ontgrendelen van waardevolle inzichten zonder al de bestaande data op een speciale manier voor te bereiden. Henderson van Praemo legde uit dat bij het gebruik van traditionele benaderingen, er een vereiste is dat sleuteldata moet worden gelokaliseerd, gereinigd, gecategoriseerd, en geharmoniseerd om de fundering te worden voor besluitvorming.

"Helaas, zelfs binnen hetzelfde bedrijf, zult u elke productielocatie zien die zijn eigen ding doet – verschillende databases, verschillende ERP-systemen, verschillende tags, verschillende namen," zei hij. "In plaats van te wachten op dataverstandaardisering, verbinden we met de data zoals het bestaat, en waar het bestaat, vandaag. Begin snel en krijg kleine winsten. Niet alleen zet dit dingen sneller in gang, het helpt bedrijven de mensen- en culturele kwesties aan te pakken die vaak grote automatiseringsprojecten begeleiden, zonder de inherente risico's of vreezen."

Geavanceerde Robotica Gemaakt Eenvoudig

Next-generation robots zijn niet alleen veel eenvoudiger te programmeren, maar ook eenvoudiger te gebruiken, met mogelijkheden als stem- en beeldherkenning om complexe menselijke taken te recreëren. Collaboratieve robots zijn uitgegroeid als een nieuwe en snelgroeiende technologie die de vraag naar automatisering en flexibiliteit in productie kan bevredigen. Ze hebben het potentieel om werknemers te assisteren die saai taken doen en de werkplekveiligheid te verbeteren.

Volgens Dinsmoor van FANUC, richt het geavanceerde robotica-ontwikkelwerk van zijn bedrijf zich op 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. "Onze intentie is om een robot eenvoudiger toe te passen en eenvoudiger te programmeren of te bedienen zonder gespecialiseerde vaardigheden," zei hij. "Veel zoals het bedienen van een smartphone die verbluffende mogelijkheden heeft die meestal transparant zijn voor de gebruiker, zijn verbeteringen in bereik, snelheid, en payload een continue prioriteit."

FANUC heeft de laatste vijf tot zeven jaar IIoT-compliant apparaten in zijn robots ingesloten om remote monitoring toe te laten met als doel nul downtime. "We hebben winkels die 24/7 draaien zonder menselijke ingriping," zei Dinsmoor, "dus we zien de realiteit."

Licht Op Lights-Out

Onze experts hebben uiteenlopende meningen over de noodzaak om lights-out operatie te bereiken. Zoals Boris van Praemo het formuleerde, "Lights-out is een goed visioen voor alle fabrikaten om te streven, maar het moet geworteld blijven in de realiteit. Het is het meest voordelig voor een fabriek die standaard, herhaalbare producten produceert. Wanneer u variabiliteit in de vergelijking introduceert, door customisatie of andere factoren, is lights-out veel minder haalbaar. We denken dat het belangrijk is om intelligentie in te lagen, data van machines en processen te analyseren complexiteit opkomt, teams te alerteren voordat opkomende issues resulteren in prestatie- of kwaliteitsverlies. Dus, misschien zou het doel intelligente assistentie moeten zijn in plaats van complete operationele autonomie."

Suica zei dat Fastems verschillende klanten heeft die lights-out (90 uur of meer per week) consistent draaien. "Dat vereist verschillende dingen. Eerst moeten de machines en apparatuur robuust zijn," zei hij. "Dan is het een proces van het identificeren van de zwakste schakels en ze te elimineren. In sommige fabrieken is de zwakke schakel tooling, in een ander is het spanverwijdering. Wat ook de machine blokkeert, moet geëlimineerd worden. Maar of u nu lights-out bereikt of niet, het identificeren en elimineren van de zwakke schakels zal altijd tot productiviteitswinst leiden."

Gugulski van Fagor citeerde een lijst van "typische" verzoeken van klanten die naar lights-out streven. "Dingen als dual-channel, 10-as systemen; botsingdetectie; machineveiligheid; glas absolute schalen; thermocouples voor dynamische temperatuurcompensatie; tangentiële controle; gesofisticeerde tasten; uitlooptransformatie; bewegingsdetectie; en functies om programma's on-the-fly te wijzigen zijn alle vereisten voor lights-out CNC-bewerking," zei hij. "Dit is haalbaar, maar complex. We hebben de capaciteit gedemonstreerd om te interacteren met verschillende componenten van het automatiseringsproces, inclusief barcode-readers, thermocouples voor temperatuurmettingen, veiligheidssystemen met camera's, radio-gecontroleerde tasten, en top-of-the-line CAM-systemen voor vijf-as onderdelenprogrammering."

De heren bij Promess horen minder praten over lights-out van hun assemblageklanten. "Menselijke interactie is bijna altijd vereist," zei Joseph. "Feitelijk, cobots zijn ontwikkeld om met mensen te interacteren." Volgens Lytle, "De behoefte van onze klanten is voor flexibele assemblagesystemen – meer doen op één station. Veel fabrieken zoeken naar onze pers om een zesde as te worden voor een robot, nog een end-of-arm applicatie."

Zeman van MC Machinery voegde toe, "Voor lights-out operaties op gekwalificeerde processen, bijvoorbeeld in de aerospace en medische industrieën, proberen we actief met onze klanten vroeg in het ontwikkelproces te werken om te waarborgen dat de voordelen van automatisering in het proces geïncorporeerd kunnen worden. De first-article run moet automatisering bevatten, omdat het niet gemakkelijk later toegevoegd kan worden."

De Volgende Stappen Zetten

De Industry 4.0-initiatief vereist basisdigitalisering. Zonder elke stap te digitaliseren, wordt operationele efficiëntie op tafel gelaten.

"Eén van de eerste dingen die we aanbevelen is een automatiseringsaudit om alle procesgebieden in de fabriek te bekijken," zei FANUC's Dinsmoor. "Er kan een klant zijn met heel specifieke ideeën over wat geautomatiseerd moet worden, en tijdens een wandeling vinden we additionele kansen die hoge waarde hebben en gemakkelijk haalbaar zijn. Voor een fabriek die net begint met automatiseren, zijn deze vroege en makkelijke winsten het beste. De successen voeden elkaar en de economische terugverdien kan vaak de volgende kans helpen financieren."

Een manier waarop Praemo het water test met potentiële klanten is om snel te beginnen met een statische set historische data, volgens Henderson. "Met statische data, kan onze Razor-engine analyseren en inzichten leveren aan fabriekmanagement zonder verstoring van bestaande productie. We komen allemaal uit operationele achtergronden, dus onze nadruk ligt op het praktische. We weten uit onze ervaring dat AI en machine learning productie zal vereenvoudigen, versnellen, en de kosten verlagen."

Technische haalbaarheid en economische levensvatbaarheid zijn noodzakelijke voorwaarden voor het automatiseren van een machine of lijn. Toch zijn ze ver verwijderd van de enige factoren, volgens Joseph van Promess. "Naast de duidelijke technische kwesties, blijft het sleutelpunt: als u kijkt naar automatisering vandaag en vragen heeft, met wie wilt u werken? Wie zal er zijn om u te ondersteunen terwijl u de reis maakt?"