A promessa da automação de próximo nível

Compreendendo as realidades e evitando as armadilhas

Borda. Nuvem. Gêmeo digital. IA. AR. RV. Cobots. Uma vez que eles eram chavões. Agora, eles estão se tornando realidades técnicas em fábricas de média e grande escala na América do Norte. Os prazos para adoção variam de acordo com o setor da indústria, mas um estudo recente indicou que 76% dos fabricantes têm uma iniciativa de fábrica inteligente em andamento.

Quando implementadas corretamente, essas iniciativas transformarão nossas fábricas, tornando a produção de tudo, de alimentos preparados a jatos, mais eficiente, mais consistente e mais interconectada. A automação permite um nível de precisão e produtividade além das capacidades humanas, mesmo em ambientes que seriam considerados inseguros para humanos.

A frase-chave acima é “quando implementado corretamente”. Existem desafios e armadilhas potenciais. A Engenharia de Manufatura conversou com vários especialistas do setor para obter suas opiniões sobre onde estamos hoje, como será o amanhã e o que pode nos fazer tropeçar.

Os avanços são específicos para os setores

Quando perguntados sobre o nível atual de automação nas fábricas, nossos especialistas hesitaram em generalizar sobre a fabricação como um todo, optando por oferecer observações sobre setores específicos da indústria.

Por exemplo, o setor automotivo e aeroespacial são altamente automatizados, de acordo com Claude Dinsmoor, gerente geral de desenvolvimento de produtos da FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. e simplificado que seria impossível para os humanos voltar atrás e fazê-los hoje”, disse Dinsmoor.

David Suica, presidente da Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, vê uma implementação considerável de ferramentas de automação em nível de máquina ou célula. “A automação de máquinas específicas, ou mesmo células ou linhas, é predominante”, disse Suica. “Mas a maioria delas são ilhas de automação. A capacidade de ver uma fábrica em formato digital, para que a verdadeira produtividade possa ser visualizada, ainda está no futuro.”

De acordo com Andy Joseph, diretor de desenvolvimento de produtos, e John Lytle, gerente de engenharia de aplicação da Promess Inc., Brighton, Michigan, o grau de automação nos processos de montagem é menor do que no lado da usinagem. “Fazemos muito trabalho no setor automotivo e a automação da montagem de peças é um saco misto”, disse Lytle. “Por outro lado”, acrescentou Joseph, “fabricantes menores estão analisando tecnologias de automação que o setor automotivo implantou há anos. Estamos vendo uma grande mudança da hidráulica para atuadores servo-controlados que podem fazer parte da estratégia de automação do futuro.”

Em Praemo, Kitchener, Ontário, os diretores veem duas áreas de automação com trajetórias muito diferentes. Andy Henderson, diretor de tecnologia, disse que a automação física (automação de tarefas físicas e repetitivas) vem ocorrendo nos últimos 30 a 40 anos e há exemplos em praticamente todas as fábricas. A automação da tomada de decisões (automação dos processos de pensamento e insights humanos), por outro lado, é muito nova. “Máquinas específicas podem tomar decisões mundanas e repetitivas hoje”, disse Alex Kelly, diretor de arquitetura de soluções, “mas sua capacidade de aprender com eventos anteriores para que possam se adaptar a novas circunstâncias ainda não existe. Esse é o próximo nível – agir sobre os dados capturados de maneira automatizada.”

Facilitadores de inovação em automação

Quais são algumas das tecnologias mais recentes que preparam o cenário para a automação de próximo nível?

“A aceitação dos padrões de conectividade e troca de dados que funcionam nas iniciativas da Indústria 4.0 e da Internet das Coisas Industrial (IIoT) são fundamentais e necessárias”, disse Artur Gugulski, gerente regional de CNC do Centro-Oeste da Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. “Isso ajuda fabricantes e fornecedores a usar protocolos e padrões de comunicação abertos.”

“Na indústria de moldes e matrizes, por exemplo, estamos vendo sistemas de fabricação flexíveis que reduzem o tempo de sete semanas para sete dias”, disse Dan Zeman, gerente de automação da MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, uma subsidiária da Mitsubishi. “Uma tecnologia chave para permitir isso é o software de gerenciamento de trabalho, que coordena robôs e máquinas processando programas, dados e iniciando remotamente a máquina para permitir uma operação longa e não planejada. A outra coisa que é fundamental para a automação de próximo nível são as tecnologias que envolvem ferramentas, acessórios e suportes de trabalho paletizados. Com a paletização, um robô pode ser empregado para pegar uma ferramenta e colocá-la no mandril com muita facilidade e precisão. Você pode ir da fresagem à inspeção até a chumbada EDM em um processo contínuo com o robô transferindo [a peça de trabalho] de máquina para máquina. A operação pode ser agendada, priorizada e monitorada pelo software de gerenciamento para sequenciar com eficiência várias etapas.”

O fabricante de robótica FANUC está analisando várias tecnologias-chave que aumentam o desempenho humano, em vez de substituí-lo. De acordo com Dinsmoor, “Algumas das tecnologias empolgantes incluem visão de máquina (visão 3D), detecção tátil e de força e controle de força e poder, que são essenciais para cobots (robôs colaborativos que trabalham próximos aos humanos). Também de alto valor é a tecnologia de simulação na fase de projeto, que nos ajuda a construir uma solução virtual antes de comprometê-la com o aço. Com a simulação, os fabricantes podem reduzir o tempo de projeto e avaliar com segurança até uma dúzia de ‘candidatos de projeto’ para encontrar a melhor solução de automação.”

De acordo com Paul Boris, vice-presidente executivo da Praemo, se pensarmos na automação de próximo nível como equipar as máquinas para começar a tomar decisões por conta própria, isso requer um nível de inteligência na própria máquina. “Para aproveitar os diferentes algoritmos e os métodos para implantar esses algoritmos, contamos muito com a inteligência artificial (IA)”, disse ele. “A IA é a base que percorre muitas outras tecnologias importantes para nós.”

Uma das tecnologias mais interessantes que a Promess vê é o LiDAR (Light Detection and Ranging). “Sua característica principal é sua alta resolução espacial ao medir objetos 3D”, disse Joseph. “O LiDAR pode ser empregado em uma variedade de cenários de fabricação, incluindo segurança do operador, manuseio de peças robóticas, sistemas de orientação e aprendizado de máquina para otimizar processos de montagem.”

Zeman disse que o próximo avanço que a MC Machinery está procurando é na área de design. “A elaboração manual deu lugar a fazer tudo no PC e plotar no papel. Os plotters desapareceram agora que tudo se torna eletrônico. Eventualmente, em vez de apertar o botão 'imprimir', vamos apertar o botão 'construir' e o design irá direto para a fabricação."

Computação de borda e muito mais

Outras novas tecnologias mencionadas por nossos especialistas incluem computação de borda (processamento na fonte para acelerar as taxas de transferência e os tempos de resposta enquanto reduz a carga na largura de banda de uma fábrica); integração nativa com a nuvem; tecnologias para prever/prevenir falhas de ativos; realidade aumentada (AR) para montagem e manutenção; e realidade virtual (VR) para treinamento e simulação.

“Para alcançar a automação de próximo nível, várias coisas devem estar acontecendo ao mesmo tempo”, disse Suica, da Fastems. “A tecnologia VR será uma grande vantagem, pois permite uma visão multifacetada de sua fábrica em formato digital. De fato, ver uma fábrica em formato digital (ou seja, gêmeo digital) trará melhorias de produtividade. A visibilidade digital permite que gerentes e engenheiros vejam instantaneamente quais máquinas não estão apenas ligadas, mas quais máquinas estão cortando, que é a verdadeira medida da eficiência operacional. Também mostra os fluxos entre as máquinas – onde estão os distúrbios ou problemas.”

Com software, a tendência é continuar adicionando recursos. “Isso é bom”, apontou Dinsmoor da FANUC, “desde que não adicione camadas à arquitetura geral. Ao integrar mais funcionalidades em nosso robô, reduzimos as camadas de software e hardware necessárias. Protocolos abertos são essenciais para que isso aconteça em larga escala.”

De acordo com Zeman, da MC Machinery, os benefícios da automação vêm da combinação de várias etapas do processo a montante e a jusante. "Esta informação deve fluir sem problemas", disse ele. Ele falou sobre o esforço colaborativo entre fabricantes que estão adotando padrões abertos para coleta de dados e transferência de arquivos. “O resultado líquido é que um cliente pode integrar CAD/CAM, sistema de medição, fresadora e máquina EDM facilmente e obter excelentes resultados”, disse Zeman.

Lytle of Promess citou os avanços feitos nas comunicações máquina a máquina por meio de comunicações de plataforma aberta com arquitetura uniforme (OPC UA) e tecnologias Fieldbus para controle distribuído em tempo real. “Nossos clientes querem soluções que lhes permitam fazer a integração e reprogramação internamente”, disse ele. “Bibliotecas de máquina que fornecem blocos de construção com pouco conhecimento de programação necessário, e coisas como Open PLC, estão tornando isso uma realidade. No entanto, devo acrescentar que estamos nos estágios iniciais aqui.”

A avaliação de Suica do problema com as ilhas de automação é a existência de “pequenos pedaços de software que não conversam entre si”. Ele compara isso a sentar-se à noite para assistir TV e ter quatro controles remotos diferentes na sua frente – um para o receptor, um para o DVR, um para a TV e outro para o dispositivo de streaming. “Assim como você precisa de um controle remoto universal em casa, sua fábrica precisa de uma maneira universal de coletar dados e usá-los para realizar uma tarefa”, disse ele. “Isso está ficando mais fácil a cada dia devido a plataformas abertas, arquiteturas e bancos de dados, mas ainda deve ser planejado.”

Os fabricantes que esperam implementar um mecanismo analítico orientado por IA no futuro podem começar hoje, desbloqueando informações valiosas sem precisar preparar todos os dados existentes de uma maneira especial. Henderson, da Praemo, explicou que, ao empregar abordagens tradicionais, é necessário que os dados-chave sejam localizados, limpos, categorizados e harmonizados para se tornarem a base para a tomada de decisões.

“Infelizmente, mesmo dentro da mesma empresa, você encontrará cada local de fabricação fazendo suas próprias coisas – bancos de dados diferentes, sistemas ERP diferentes, tags diferentes, nomes diferentes”, disse ele. “Em vez de esperar para concluir a padronização dos dados, nos conectamos aos dados da maneira como existem e onde existem hoje. Comece rápido e obtenha algumas pequenas vitórias. Isso não apenas faz as coisas começarem mais rápido, mas também ajuda as empresas a lidar com as pessoas e as questões culturais que geralmente acompanham os projetos de automação em larga escala, sem os riscos ou medos inerentes.”

Robótica avançada simplificada

Os robôs de última geração não são apenas muito mais fáceis de programar, mas também mais fáceis de usar, com recursos como reconhecimento de voz e imagem para recriar tarefas humanas complexas. Os robôs colaborativos surgiram como uma tecnologia nova e de rápido crescimento que pode satisfazer a demanda por automação e flexibilidade na fabricação. Eles têm o potencial de ajudar os trabalhadores a realizar tarefas tediosas e melhorar a segurança no local de trabalho.

De acordo com Dinsmoor da FANUC, o trabalho de desenvolvimento de robótica avançada de sua empresa gira em torno de responder a esta pergunta:“Como pode ser o amanhã?” Tecnologias emergentes como visão, controle de potência e força, IA e aprendizado de máquina fazem parte da paleta de design. “Nossa intenção é tornar um robô mais fácil de aplicar e mais fácil de programar ou operar sem ter habilidades especializadas”, disse ele. “Assim como operar um smartphone que possui recursos incríveis que são principalmente transparentes para o usuário, melhorias no alcance, velocidade e carga útil são uma prioridade contínua.”

A FANUC tem incorporado dispositivos compatíveis com IIoT em seus robôs nos últimos cinco a sete anos para permitir o monitoramento remoto em direção ao objetivo de zero tempo de inatividade. “Temos lojas funcionando 24 horas por dia, 7 dias por semana, sem intervenção humana”, disse Dinsmoor, “então vemos a realidade”.

Iluminando as luzes apagadas

Nossos especialistas têm opiniões diferentes sobre a necessidade de obter uma operação sem luzes. Como Boris da Praemo colocou, “Lights-out é uma boa visão para todos os fabricantes, mas tem que permanecer enraizada na realidade. É mais benéfico para uma fábrica que fabrica produtos padrão e repetíveis. Sempre que você introduz variabilidade na equação, por meio de personalização ou outros fatores, o apagamento das luzes é muito menos alcançável. Achamos importante incluir inteligência em camadas, analisando dados de máquinas e processos à medida que surgem complexidades, alertando as equipes antes que problemas emergentes resultem em perdas de desempenho ou qualidade. Então, talvez o objetivo deva ser assistência inteligente em vez de autonomia operacional completa.”

Suica disse que a Fastems tem vários clientes que ficam sem luz (90 horas ou mais por semana) de forma consistente. “Isso requer que várias coisas aconteçam. Primeiro as máquinas e equipamentos devem ser robustos”, disse. “Então é um processo de identificar os elos mais fracos e eliminá-los. Em algumas fábricas, o elo mais fraco é o ferramental, em outra é a remoção de cavacos. O que quer que esteja bloqueando a máquina deve ser eliminado. Mas, independentemente de você conseguir ou não apagar as luzes, identificar e eliminar os elos fracos sempre levará a ganhos de produtividade.”

Gugulski, da Fagor, citou uma lista de solicitações “típicas” de clientes que estão se esforçando para apagar as luzes. “Coisas como sistemas de canal duplo e 10 eixos; detecção de colisão; segurança da máquina; escalas absolutas de vidro; termopares para compensação dinâmica de temperatura; controle tangencial; sondagem sofisticada; transformação de excentricidade; detector de movimento; e recursos para modificar programas em tempo real são todos requisitos para usinagem CNC sem luzes”, disse ele. “Isso é factível, mas complexo. Demonstramos a capacidade de interagir com diferentes componentes do processo de automação, incluindo leitores de código de barras, termopares para medições de temperatura, sistemas de segurança com câmeras, sondas controladas por rádio e sistemas CAM top de linha para cinco eixos programação de peças”.


Os senhores da Promess ouvem menos falar sobre luzes apagadas de seus clientes de montagem. “A interação humana é quase sempre necessária”, disse Joseph. “Na verdade, os cobots foram desenvolvidos para interagir com humanos.” De acordo com Lytle, “A necessidade de nossos clientes é de sistemas de montagem flexíveis – fazendo mais em uma estação. Muitas fábricas estão procurando que nossa prensa se torne um sexto eixo para um robô, outra aplicação de ponta de braço.”

Zeman, da MC Machinery, acrescentou:“Para operações sem iluminação em processos qualificados, por exemplo, nas indústrias aeroespacial e médica, tentamos ativamente trabalhar com nossos clientes no início do processo de desenvolvimento para garantir que os benefícios da automação possam ser incorporados no processo. A execução do primeiro artigo deve incluir automação, pois não pode ser facilmente adicionada posteriormente.”

Dar os próximos passos

A iniciativa da Indústria 4.0 requer digitalização básica. Sem digitalizar cada etapa, a eficiência operacional está sendo deixada de lado.

“Uma das primeiras coisas que recomendamos é uma auditoria de automação para examinar todas as áreas de processo na planta”, disse Dinsmoor da FANUC. “Pode haver um cliente com ideias muito específicas sobre o que deve ser automatizado e, ao fazer um passeio, encontramos oportunidades adicionais que são de alto valor e facilmente alcançáveis. Para uma planta que está começando a automatizar, essas vitórias iniciais e fáceis são as melhores. Os sucessos se alimentam uns dos outros e o retorno econômico muitas vezes pode ajudar a financiar a próxima oportunidade.”

Uma maneira pela qual a Praemo testa a água com clientes em potencial é começar rapidamente com um conjunto estático de dados históricos, de acordo com Henderson. “Usando dados estáticos, nosso mecanismo Razor pode analisar e fornecer insights para o gerenciamento da planta sem interromper a produção existente. Todos nós viemos de experiência em operações, então nossa ênfase é na prática. Sabemos por nossa experiência que a IA e o aprendizado de máquina simplificarão, acelerarão e reduzirão o custo de fabricação.”

Viabilidade técnica e viabilidade econômica são pré-condições necessárias para automatizar uma máquina ou linha. No entanto, eles estão longe de ser os únicos fatores, de acordo com Joseph of Promess. “Fora os problemas técnicos óbvios, o ponto-chave permanece:se você está analisando a automação hoje e tem dúvidas, com quem você quer trabalhar? Quem estará lá para apoiá-lo enquanto você faz a jornada?”