Automação de Próximo Nível: Transformando Jargões em Ganhos Reais na Manufatura

Entendendo as realidades e evitando as armadilhas

Edge. Cloud. Gêmeo digital. IA. RA. RV. Cobots. Antes eram jargões. Agora, estão se tornando realidades técnicas em plantas de manufatura de médio a grande porte na América do Norte. Cronogramas para adoção variam de acordo com o setor industrial, mas um estudo recente indicou que 76% dos fabricantes têm uma iniciativa de fábrica inteligente em andamento.

Quando implementadas corretamente, estas iniciativas transformarão nossas plantas – tornando a produção de tudo, desde alimentos preparados a jatos, mais eficiente, mais consistente e mais interconectada. 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 implementadas corretamente". Existem desafios e armadilhas potenciais. A Manufacturing Engineering conversou com vários especialistas da indústria para obter suas visões sobre onde estamos hoje, como o amanhã pode parecer e o que poderia nos fazer tropeçar.

Avanços São Específicos por Indústria

Quando questionados sobre o nível atual de automação em plantas de manufatura, nossos especialistas hesitaram em generalizar sobre manufatura como um todo, optando por oferecer observações sobre setores industriais específicos.

Por exemplo, automotivo e aeroespacial são fortemente automatizados, segundo Claude Dinsmoor, gerente geral de desenvolvimento de produto da FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. "Existem muitas etapas de produção na manufatura de um automóvel ou SUV que são tão intricadamente automatizadas e otimizadas que seria impossível para humanos voltarem e fazê-las hoje", disse Dinsmoor.

David Suica, presidente da Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, vê implementação considerável de ferramentas de automação no nível de máquina ou célula. "Automação de máquinas específicas, ou até mesmo células ou linhas, é prevalente", disse Suica. "Mas a maioria destas 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."

Segundo Andy Joseph, diretor de desenvolvimento de produto, e John Lytle, gerente de engenharia de aplicações da Promess Inc., Brighton, Michigan, o grau de automação em processos de montagem é menor que no lado de usinagem. "Fazemos muito trabalho em automotivo e a automação de montagem de peças é uma mistura", disse Lytle. "Do outro lado", adicionou Joseph, "fabricantes menores estão olhando para tecnologias de automação que automotivo implantou por anos. Estamos vendo uma grande mudança de hidráulica para atuadores controlados por servo que podem ser parte da estratégia de automação do futuro."

Na Praemo, Kitchener, Ontario, os diretores veem duas áreas de automação com trajetórias muito diferentes. Andy Henderson, diretor de tecnologia, disse que automação física (automação de tarefas físicas e repetitivas) tem ocorrido nos últimos 30-40 anos e existem exemplos em virtualmente toda planta de manufatura. Automação de tomada de decisão (automação de processos de pensamento e insights humanos), por outro lado, é muito nova. "Máquinas específicas podem realizar tomada de decisão mundana e repetitiva 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 está lá. Esse é o próximo nível – tomar ação sobre dados capturados de forma automatizada."

Habilitadores da Inovação em Automação

Quais são algumas das tecnologias mais novas que preparam o palco para automação de próximo nível?

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

"Na indústria de moldes e matrizes, por exemplo, estamos vendo sistemas de manufatura 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 software de gerenciamento de trabalho, que coordena robôs e máquinas processando programas, dados, e iniciando a máquina remotamente para permitir operação longa e desatendida. A outra coisa crítica para automação de próximo nível são as tecnologias em torno de ferramentas, dispositivos de fixação e fixação paletizados. Com paletização, um robô pode ser empregado para pegar uma ferramenta e colocá-la no mandril muito fácil e precisamente. Você pode ir de fresamento a inspeção à EDM de imersão em um processo contínuo com o robô transferindo [a peça] de máquina para máquina. A operação pode ser agendada, priorizada e monitorada por software de gerenciamento para sequenciar eficientemente múltiplas etapas."

O fabricante de robótica FANUC está olhando para várias tecnologias-chave que aumentam o desempenho humano, em vez de substituí-lo. Segundo Dinsmoor, "Algumas das tecnologias emocionantes incluem visão de máquina (visão 3D), sensoriamento tátil e de força, e controle de potência e força, que são essenciais para cobots (robôs colaborativos que trabalham em proximidade a humanos). Também de alto valor é tecnologia de simulação no estágio de design, que nos ajuda a construir uma solução virtual antes de comprometê-la ao aço. Com simulação, fabricantes podem reduzir seu tempo de design e avaliar com segurança até uma dúzia de 'candidatos de design' para encontrar a melhor solução de automação."

Segundo Paul Boris, vice-presidente executivo da Praemo, se pensarmos em automação de próximo nível como equipar 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, dependemos fortemente de inteligência artificial (IA)", disse ele. "IA é a base que atravessa muitas outras tecnologias importantes para nós."

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

Zeman disse que o próximo avanço que a MC Machinery procura está na área de design. "Desenho manual deu lugar a fazer tudo em PC e plotar em papel. Plotters agora desapareceram conforme tudo vai eletrônico. Eventualmente, em vez de apertar o botão 'imprimir', apertaremos o botão 'construir' e o design irá direto para manufatura."

Computação de Borda (Edge Computing) e Mais

Outras novas tecnologias mencionadas por nossos especialistas incluem computação de borda (processamento na fonte para acelerar taxas de transferência e 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 (RA) para montagem e manutenção; e realidade virtual (RV) para treinamento e simulação.

"Para alcançar automação de próximo nível, várias coisas devem acontecer ao mesmo tempo", disse Suica da Fastems. "Tecnologia RV será uma grande vantagem pois permite uma visão multifacetada de sua fábrica em forma digital. Na verdade, ver uma fábrica em formato digital (ou seja, gêmeo digital) trará melhorias de produtividade. Visibilidade digital permite que gerentes e engenheiros vejam instantaneamente quais máquinas não apenas estão ligadas, mas quais estão cortando, que é a verdadeira medida de eficiência operacional. Também mostra os fluxos entre máquinas – onde estão as perturbações ou problemas."

Com software, a tendência é continuar adicionando capacidades. "Isso é bom", apontou Dinsmoor da FANUC, "desde que não adicione camadas à arquitetura geral. Integrando mais funcionalidade em nosso robô, na verdade reduzimos as camadas de software e hardware necessárias. Protocolos abertos são essenciais para que isso aconteça em grande escala."

Segundo Zeman da MC Machinery, os benefícios da automação vêm da combinação de múltiplas etapas de processo a montante e a jusante. "Esta informação deve fluir perfeitamente", disse ele. Ele falou sobre o esforço colaborativo entre fabricantes que estão abraçando padrões abertos para coleta de dados e transferência de arquivos. "O resultado líquido é que um cliente pode integrar CAD/CAM, sistema de medição, fresamento e máquina EDM facilmente e obter excelentes resultados", disse Zeman.

Lytle da Promess citou os avanços feitos em comunicações máquina a máquina via Open Platform Communications 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 realidade. No entanto, devo adicionar que estamos nos estágios iniciais aqui."

A avaliação de Suica sobre o problema com ilhas de automação é a existência de "pequenos pedaços de software que não conversam entre si". Ele equipara a sentar 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 e arquiteturas abertas e bancos de dados, mas ainda deve ser planejado."

Fabricantes que esperam implementar um motor analítico impulsionado por IA no futuro podem começar hoje desbloqueando insights valiosos sem ter que preparar todos os dados existentes de uma forma especial. Henderson da Praemo explicou que ao empregar abordagens tradicionais, há um requisito de que dados-chave precisam ser localizados, limpos, categorizados e harmonizados para se tornarem a base para tomada de decisão.

"Infelizmente, mesmo dentro da mesma empresa, você encontrará cada local de manufatura fazendo sua própria coisa – bancos de dados diferentes, sistemas ERP diferentes, tags diferentes, nomes diferentes", disse ele. "Em vez de esperar para completar a padronização de dados, conectamos aos dados da forma como eles existem, e onde eles existem, hoje. Comece rápido e obtenha algumas pequenas vitórias. Não só isso faz as coisas começarem mais rápido, ajuda empresas a abordar as questões de pessoas e cultura que frequentemente acompanham projetos de automação em grande escala, sem os riscos ou medos inerentes."

Robótica Avançada Simplificada

Robôs de próxima geração não são apenas muito mais fáceis de programar, mas também mais fáceis de usar, com capacidades como reconhecimento de voz e imagem para recriar tarefas humanas complexas. Robôs colaborativos emergiram como uma tecnologia nova e de rápido crescimento que pode satisfazer a demanda por automação e flexibilidade na manufatura. Eles têm o potencial de auxiliar trabalhadores em tarefas tediosas e melhorar a segurança no local de trabalho.

Segundo Dinsmoor da FANUC, o trabalho de desenvolvimento de robótica avançada de sua empresa gira em torno de responder a esta pergunta: "Como o amanhã pode parecer?" Tecnologias emergentes como visão, controle de potência e força, IA e aprendizado de máquina são todas parte da paleta de design. "Nosso objetivo é tornar um robô mais fácil de aplicar e mais fácil de programar ou operar sem ter habilidades especializadas", disse ele. "Muito como operar um smartphone que tem capacidades incríveis que são na maior parte transparentes para o usuário, melhorias em 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 monitoramento remoto em direção à meta de tempo de inatividade zero. "Temos oficinas rodando 24/7 sem intervenção humana", disse Dinsmoor, "então vemos a realidade."

Iluminando o Lights-Out

Nossos especialistas têm visões diferentes sobre a necessidade de alcançar operação lights-out. Como Boris da Praemo colocou, "Lights-out é uma boa visão para todos os fabricantes almejarem, mas tem que permanecer enraizada na realidade. É mais benéfico para uma planta que está fabricando produtos padrão e repetíveis. Sempre que você introduz variabilidade na equação, através de personalização ou outros fatores, lights-out é muito menos alcançável. Acreditamos que é importante adicionar inteligência em camadas, analisando dados de máquinas e processos conforme complexidades surgem, alertando 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 rodando lights-out (90 horas ou mais por semana) consistentemente. "Isso requer várias coisas acontecerem. Primeiro, a maquinaria e equipamento devem ser robustos", disse ele. "Então é um processo de identificar os elos mais fracos e eliminá-los. Em algumas fábricas, o elo fraco é ferramentas, em outra é remoção de cavacos. O que quer que esteja travando a máquina deve ser eliminado. Mas quer você alcance lights-out ou não, identificar e eliminar os elos fracos sempre levará a ganhos de produtividade."

Gugulski da Fagor citou uma lista de requisições "típicas" de clientes que almejam lights-out. "Coisas como sistemas de duplo canal, 10 eixos; detecção de colisão; segurança de máquina; escalas absolutas de vidro; termopares para compensação dinâmica de temperatura; controle tangencial; sondagem sofisticada; transformação de runout; detecção de movimento; e recursos para modificar programas on-the-fly são todos requisitos para usinagem CNC lights-out", 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 de ponta para programação de peças de cinco eixos."

Os senhores da Promess ouvem menos conversa sobre lights-out de seus clientes de montagem. "Interação humana é quase sempre necessária", disse Joseph. "Na verdade, cobots foram desenvolvidos para interagir com humanos." Segundo Lytle, "A necessidade de nossos clientes é por sistemas de montagem flexíveis – fazendo mais em uma estação. Muitas plantas estão procurando que nossa prensa se torne um sexto eixo para um robô, outra aplicação de fim de braço."

Zeman da MC Machinery adicionou, "Para operações lights-out em processos qualificados, por exemplo nas indústrias aeroespacial e médica, ativamente tentamos trabalhar com nossos clientes cedo no processo de desenvolvimento para garantir que os benefícios da automação possam ser incorporados no processo. A primeira peça tem que incluir automação, pois não pode ser facilmente adicionada em uma data posterior."

Dando os Próximos Passos

A iniciativa Indústria 4.0 requer digitalização básica. Sem digitalizar cada passo, eficiência operacional está sendo deixada na mesa.

"Uma das primeiras coisas que recomendamos é uma auditoria de automação para olhar 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 walk-through, encontramos oportunidades adicionais que são de alto valor e facilmente alcançáveis. Para uma planta apenas começando a automatizar, estas vitórias iniciais e fáceis são as melhores. Os sucessos se alimentam uns dos outros e o retorno econômico frequentemente pode ajudar a financiar a próxima oportunidade."

Uma forma que a Praemo testa as águas com clientes potenciais é começar rápido com um conjunto estático de dados históricos, segundo Henderson. "Usando dados estáticos, nosso motor Razor pode analisar e fornecer insights à gestão da planta sem interrupção na produção existente. Todos viemos de backgrounds operacionais, então nossa ênfase é no prático. Sabemos por nossa experiência que IA e aprendizado de máquina vão simplificar, acelerar e reduzir o custo da manufatura."

Viabilidade técnica e viabilidade econômica são pré-condições necessárias para automatizar uma máquina ou linha. Ainda assim, estão longe de ser os únicos fatores, segundo Joseph da Promess. "Fora das questões técnicas óbvias, o ponto-chave permanece: se você está olhando para automação hoje e tem perguntas, com quem você quer trabalhar? Quem estará lá para apoiá-lo enquanto você faz a jornada?"