Desbloqueando Eficiência CNC: Abrace o Controle Conectado

A Internet e computação baseada em nuvem estão mudando como fabricantes operam máquinas-ferramenta CNC. Sua oficina está pronta para isso?

Portas Ethernet começaram a aparecer em tornos CNC e centros de usinagem há mais de 20 anos. O padrão de comunicação de máquina-ferramenta MTConnect fez sua estreia oficial nos EUA no IMTS 2010 em Chicago. Fabricantes começaram a falar sobre computação em nuvem e Internet Industrial das Coisas (IIoT) logo depois, termos que se tornaram mainstream quando o economista alemão Klaus Schwab publicou um artigo em 2015 afirmando que o mundo havia entrado na Quarta Revolução Industrial.

Bem-vindos a 2021. Deveria ser evidente agora para proprietários de oficinas, programadores CNC e engenheiros de manufatura que a indústria de usinagem mudou significativamente nas últimas duas décadas. Máquinas-ferramenta CNC são muito mais inteligentes do que eram, capazes de gerar quantidades significativas de dados sobre tudo que acontece atrás do vidro. Software de manufatura também ficou mais inteligente, oferecendo interoperabilidade e capacidades baseadas em nuvem apenas sonhadas na virada do século.

Se toda essa mágica técnica é boa ou não é debatível. Alguns podem argumentar que a vida no chão de fábrica já é desafiadora o suficiente – quem precisa de Big Data e máquinas inteligentes quando mal há horas no dia para entregar peças? Outros veem Industry 4.0 e tudo que ela implica como o caminho claro para fabricantes, e qualquer um que não a abrace logo estará fora do negócio.

Ganhando FOCAS

A verdade está em algum lugar no meio. Paul Webster, diretor de Engenharia F.A. na FANUC America Corp., sediada em Rochester Hills, Michigan, observou que máquinas-ferramenta CNC estão prontas para rede e Internet desde antes do Y2K. Oficinas que escolhem ignorar essa capacidade ainda estão funcionando muito bem, obrigado, e continuarão a fazê-lo por anos. E, no entanto, poucos argumentariam que conectividade de máquina-ferramenta e a maior visibilidade aos processos de usinagem assim habilitada nunca é uma coisa ruim, e pode fazer a diferença entre um trabalho lucrativo e um que você preferiria esquecer.

"Introduzimos nossa API FOCAS (interface de programação de aplicações) no início dos anos 90, bem como portas de fibra óptica e depois Ethernet, então conectar um CNC tem sido fácil por bastante tempo agora", ele disse. "A parte difícil sempre foi descobrir quais dados você precisa e o que você vai fazer com eles uma vez que os tenha."

Estes dados incluem históricos de alarmes, configurações de override de taxa de avanço e fuso, temperaturas de motor servo e fuso, consumo de energia, variáveis macro, e muito mais, todos os quais podem ser extraídos da máquina-ferramenta de forma contínua e automática. Adicione a isso várias entradas fornecidas pelo operador – número do trabalho, status de produção, consumo de ferramenta de corte, e até informações de qualidade da peça – e obter uma imagem completa das atividades no chão de fábrica não se torna mais difícil do que olhar para o painel de qualquer software de monitoramento que reúne estes dados.

No caso da FANUC, este é o MT-LINKi, uma plataforma de análises agnóstica de marca capaz de monitorar mais de 1.000 máquinas-ferramenta CNC de uma vez, bem como FASData, um programa de monitoramento de produção. Outros construtores de controles oferecem soluções similares, assim como muitos construtores de máquinas-ferramenta, fornecedores de ferramentas de corte e desenvolvedores de software terceirizados. Todos fornecem os meios para reunir o que é admitidamente uma montanha de dados e apresentá-los de forma que faça sentido para humanos, dando-lhes a capacidade de reagir a tendências e problemas potenciais muito antes que possam impactar negativamente níveis de produção.

O Dilema da Nuvem

A questão então se torna: qual é o melhor lugar para armazenar esses dados e abrigar o software usado para analisá-los? Ambos devem estar localizados na nuvem em uma instalação de hospedagem externa e gerenciados por especialistas dedicados de hardware e software? Ou uma instalação "on-premise" é mais apropriada, usando qualquer talento de TI interno que a oficina possui?

Webster e os outros entrevistados para este artigo concordaram amplamente que, embora o primeiro seja frequentemente a abordagem mais segura e custo-efetiva, muitas oficinas permanecem receosas sobre programas de peças e dados de produção deixarem sua instalação. Gisbert Ledvon, diretor de desenvolvimento de negócios para máquinas-ferramenta na Heidenhain Corp., baseada em Schaumburg, Illinois, concorda. Ele observou que clientes podem instalar o software StateMonitor da empresa onde quiserem, mas promove instalações on-site sempre que possível.

"Nossa filosofia é que clientes devem proteger sua propriedade intelectual, e para nós, isso significa conectar suas máquinas-ferramenta e sistemas de software a uma rede corporativa devidamente segura", ele disse. "Houve muitas instâncias onde oficinas foram hackeadas e forçadas a fazer pagamentos de resgate. Admitidamente, estes ataques são tipicamente realizados através de e-mail e não através do controle da máquina-ferramenta, mas é uma preocupação mesmo assim. É por isso que a NTMA (National Tooling and Machining Association) começou a oferecer seminários mostrando fabricantes como podem se proteger contra estes tipos de cibercrime."

Apesar disso, Ledvon admite que a nuvem é uma tendência tecnológica que só ganhará impulso. O que é necessário para mitigar quaisquer riscos associados são boas práticas de higiene de TI. Instale um firewall robusto entre a rede da oficina e o mundo exterior. Evite conexões diretas CNC-para-nuvem baixando arquivos externos, programas de software e patches para um servidor interno seguro, então verifique-os com software antivírus antes da distribuição. Treine todos os usuários de computador como gerenciar senhas, identificar e-mails e sites maliciosos, e proteger informações corporativas. A lista continua.

"Considerando que o controle é o centro nervoso de qualquer máquina-ferramenta, não sinto que a conveniência do acesso à nuvem valha o risco de exposição à Internet", disse Ledvon. "Nada disso impede fabricantes de implementar uma estratégia Industry 4.0, no entanto. De forma alguma, eles devem conectar suas máquinas-ferramenta em rede e começar a coletar dados para análise. Fazendo isso, obterão as informações necessárias para configurar máquinas mais rápido, reduzir tempos de ciclo, maximizar vida da ferramenta, e ganhar todas as outras vantagens oferecidas pelos controles CNC e sistemas de software atuais."

Talento Nativo

Outro componente da Industry 4.0 é o gêmeo digital, que neste caso refere-se a uma representação virtual, mas altamente precisa e abrangente de uma máquina-ferramenta CNC. Segundo Vivek Furtado, chefe de digitalização – máquinas-ferramenta para Siemens Industry Inc., Elk Grove Village, Illinois, gêmeos digitais agilizam o design e implantação de máquinas CNC, tornando fabricantes mais eficientes.

"Nosso controlador SINUMERIK One é conhecido como nativo digital, pois foi construído do zero para suportar o gêmeo digital e outras tecnologias habilitadoras", ele disse. "Ele dá a fabricantes de máquinas-ferramenta CNC a capacidade de criar uma versão virtual de um torno ou centro de usinagem contendo toda sua cinemática e características operacionais. Isso reduz muito tempo de engenharia e custos de desenvolvimento, e assegura que o produto atenderá às necessidades do usuário final."

Controladores capazes de gêmeo digital servem a outros propósitos. Eles aceleram o treinamento de novos funcionários e reduzem a chance de um deles colidir uma máquina-ferramenta cara. Permitem que estimadores cotem trabalhos com mais precisão, engenheiros desenvolvam processos de manufatura otimizados, e programadores CNC validem G-code e seleção de ferramenta de corte antes de enviar trabalho para o chão de fábrica. Uma vez lá, tornam a operação da máquina-ferramenta mais fácil com gráficos aprimorados e maior usabilidade.

Qualquer um com um sistema CAM de alta gama ou software PLM pode dizer que pode realizar a maior parte disso sem um controle CNC avançado. E embora não se possa argumentar que estas e outras plataformas de software aumentaram dramaticamente suas capacidades nos últimos anos, máquinas-ferramenta que participam do fio digital fornecem às oficinas uma ferramenta importante, que melhora a troca de dados e fecha o ciclo na interoperabilidade.

Adapte e Supere

Além do gêmeo digital, Furtado sugeriu que controladores CNC estão se tornando muito mais inteligentes e amigáveis, com funções e recursos que qualquer usuário de smartphone reconhecerá. "A maioria de nós lembra que uma vez usávamos nossos telefones para ligar para pessoas", ele disse. "Hoje, eles permitem monitorar sua saúde, buscar informações, fazer pedidos de produtos, e assim por diante. Novas gerações de controladores oferecem funcionalidade similar. Eles são capazes de processar informação e preparar dados de formas que permitem que sejam mais efetivamente utilizados por seus operadores humanos, ou por outros sistemas."

Esta inteligência se estende ao processo de usinagem também. Siemens, FANUC, e provedores de soluções terceirizados como Caron Engineering oferecem capacidades de controle adaptativo que monitoram continuamente cargas de fuso e eixo, vibração da máquina, e fatores similares que afetam vida da ferramenta de corte e qualidade da peça. Estes sistemas inteligentes então ajustam parâmetros de usinagem em tempo real, otimizando remoção de material e eliminando problemas potenciais.

A Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois, é outra provedora de controle com olho no prêmio Industry 4.0. Harsh Bibra, gerente geral para América do Norte na Fagor, explicou que seu ARFS (Controle Adaptativo de Avanço e Velocidade em Tempo Real) faz tudo isso e mais, mas observou que este tipo de tecnologia baseada em sensores também pode ser usado para manutenção preditiva.

"Também oferecemos nosso Pacote de Conectividade i4.0", ele disse. "Isso permite aos usuários coletar dados de usinagem, claro, mas também fazer coisas como enviar alertas baseados em condição, ajustar a máquina-ferramenta e atualizar seu firmware, alterar configurações de parâmetros, e assim por diante, tudo a partir de um dispositivo móvel ou computador remoto."

O Maior Gargalo

Bibra vê grandes mudanças à frente. Além do uso aumentado de sensores e acelerômetros capazes de IIoT em máquinas-ferramenta, junto com controladores mais inteligentes, as próprias fábricas se tornarão mais inteligentes. Inteligência artificial (IA) bem além das capacidades adaptativas mencionadas se tornará prevalente, abrindo portas para tomada de decisão automatizada necessária para manufatura lights-out generalizada.

Tudo isso ganhará velocidade literalmente dado o desenvolvimento e subsequente lançamento de redes celulares 5G, sugeriu Bibra. Estas não apenas aumentarão largura de banda da Internet e reduzirão latência, mas possivelmente aliviarão os medos de hacking mencionados anteriormente. "Controles do futuro serão equipados com 5G, e os dados que geram podem então ser enviados sem fio a velocidades de até 10 gigabits por segundo (Gbit/s) para os chamados dispositivos de borda", ele disse. "Esperamos que dentro de alguns anos, esta tecnologia transformará fundamentalmente como fabricantes coletam informações do chão de fábrica."

O lado negativo da Industry 4.0 é a falta de trabalhadores qualificados capazes de entender e trabalhar com tecnologia avançada. Bibra disse que requalificação será necessária à medida que fabricantes se tornam mais experientes em tecnologia. No entanto, quaisquer preocupações sobre conhecimento tribal e perda de experiência devido a rotatividade e aposentadoria de funcionários devem se tornar história antiga.

Visitando a Loja

Jim Kosmala, vice-presidente de engenharia e tecnologia na Okuma America Corp., Charlotte, N.C., atribui grande parte da conectividade aumentada de hoje ao uso de controles baseados em PC. "Muitas pessoas esquecem que a Okuma não é apenas um construtor de máquinas-ferramenta, mas também fabrica seus próprios sistemas servo e controladores. Estes rodam no Microsoft Windows e usam um chip Intel, ambos os quais fornecem conectividade fácil."

Controles baseados em PC também tornam fácil instalar vários programas de software no controle – no início da pandemia de COVID, por exemplo, clientes da Okuma podiam colaborar com outros usando Microsoft Teams, compartilhando telas ou dando controle remoto a outros conforme necessário. "Essa é toda a ideia por trás da nossa App Store", disse Kosmala. "Usuários podem baixar e instalar o que precisarem diretamente no controle OSP, eliminando a necessidade de um PC separado. Representa possibilidades inteiramente novas para colaboração e conectividade."

Um destes apps é o Connect Plan da Okuma, que permite usuários monitorar máquinas-ferramenta CNC e coletar dados operacionais. Funciona com a maioria das marcas ou vintages de máquina-ferramenta, bem como robôs e outras formas de automação. Segundo Kosmala, no entanto, o Connect Plan usa um algoritmo de IA para olhar as informações disponíveis e identificar tendências que um humano poderia perder.

Considere o gerente de um departamento de torneamento, que nota após semanas olhando relatórios de coleta de dados e painéis que um certo torno sempre inicia 10 minutos atrasado cada manhã graças ao hábito de café do operador, ou que a temperatura do fuso na retífica mais próxima do departamento de expedição cai toda vez que abrem a porta de carregamento. Kosmala explicou que a IA capta estas tendências muito mais rapidamente que um humano, dando supervisores a capacidade de abordar áreas problemáticas potenciais mais cedo. O que é mais, esta informação é armazenada em um banco de dados, então quando o supervisor deixa a empresa, não há perda de conhecimento.

"Deming nos disse que sem dados, você é apenas outra pessoa com uma opinião", disse Kosmala. "A IIoT e Industry 4.0 são sobre coletar esses dados e fazer uso deles, finalmente transformando-os em conhecimento. Esse é o primeiro passo para qualquer um nesta jornada. Agora temos videoconferência virtual, e a capacidade de verificar status da máquina ou níveis de produção de qualquer lugar, e acesso a ferramentas remotas que simplificam automação. Se você pode fazer isso sem ter que entrar na planta, tanto melhor. Tudo é sobre aumentar eficiência e tempo de atividade da máquina, ambos mais facilmente alcançados usando controles CNC modernos."