Dane inicjują czwartą rewolucję przemysłową

22

Nieustanne dążenia przemysłu wytwórczego w zakresie operacji obróbki skrawaniem do wytwarzania prawidłowo wykończonych elementów po określonych kosztach i w odpowiednim czasie dobiegły końca. Dopóki nie pojawi się przełomowe rozwiązanie w zakresie narzędzi, tradycyjne metody obróbki skupione wyłącznie na poprawie usuwania metalu pozwolą w najlepszym wypadku podnieść produktywność zaledwie o kilka procent.

Znaczącą poprawę produktywności, jakości i niezawodności w zakresie skrawania metali będzie można osiągnąć dzięki czwartej rewolucji przemysłowej, skupionej na szerokim wykorzystaniu danych i informacji. Nowe rozwiązania odzwierciedlają ostatni etap długiej ewolucji. Pierwsza rewolucja przemysłowa spowodowała odstąpienie od rzemieślniczego wytwarzania produktów we własnym zakresie i przeniesienie produkcji do fabryk, dzięki wykorzystaniu centralnych źródeł energii do zasilania maszyn produkcyjnych. Moc wytwarzana z pary lub przez koła wodne była przenoszona wałami lub pasami i napędzała maszyny produkcyjne. Następnie nastąpiło przejście na wygodniejszą i efektywniejszą energię elektryczną.

Pierwsze fabryki produkowały towary pojedynczo, jeden za drugim. Dopiero druga rewolucja przemysłowa zapoczątkowała produkcję masową, która zastąpiła produkcję jednostkową. Rozwój zintegrowanych systemów, takich jak linie montażowe i obrabiarkowe, oraz automatyzacja produkcji umożliwiły wytwarzanie dużych ilości identycznych części. Trzecia rewolucja w przemyśle wytwórczym zbiegła się w czasie z wprowadzeniem numerycznego sterowania maszynami, a później sterowaniem za pomocą komputerów, co pozwoliło zwiększyć dokładność i elastyczność, a także umożliwiło produkcję różnorodnych części w mniejszych seriach.

Obecnie przemysł wytwórczy w Europie przechodzi czwartą rewolucję przemysłową, określaną jako Przemysł 4.0, która łączy możliwości zbierania, przechowywania i udostępniania danych w procesie produkcyjnym. Sieciowe systemy cyberfizyczne analizują bieżące operacje, zbierają i porównują dane, a także przekazują informacje do centralnego serwera lub chmury w celu porównania ich z określonymi modelami obróbki skrawaniem. Systemy te wykorzystują uzyskane dane do bezpośredniego dostosowania parametrów, co pozwala zoptymalizować procesy obróbki skrawaniem.

Wczesne systemy kontrolne i sterujące
Idea produkcji opierająca się bezpośrednio na danych istnieje od dłuższego czasu. W latach osiemdziesiątych XX wieku naukowcy zajmujący się obróbka metali opracowali adaptacyjne systemy do monitorowania narzędzi i ich sterowania, których zadaniem było dokonywanie pomiarów warunków skrawania, porównywanie uzyskanych danych z normami ustalonymi dla procesu, a następnie dostosowywanie parametrów skrawania w celu ustabilizowania operacji i minimalizacji występowania nieprzewidzianych zdarzeń podczas obróbki.

Systemy te wykorzystywały czujniki i sondy do pomiaru czynników procesowych, takich jak siły skrawania, moc, moment obrotowy, temperatura, chropowatość powierzchni oraz poziom hałasu. Niestety możliwości czujników w tamtych czasach były niewystarczające, jeśli chodzi o szybkości i dokładności pomiaru, a komputerom brakowało szybkości i pamięci do przetwarzania dużych ilości danych w czasie rzeczywistym. Poza tym rozwiązania do akwizycji danych i zarządzania nim były w tamtych czasach bardzo drogie.

Te braki sprawiły, że regulacja parametrów w czasie obróbki była prawie niemożliwa. Uzyskiwane rezultaty były zero-jedynkowe. Jeśli zebrane dane przekraczały ustalone maksimum, obróbka była zatrzymywana. Maksima były ustalone bez wystarczającej wiedzy i doświadczenia w zakresie procesu skrawania. Oprócz braku zaawansowanej technologii przetwarzania danych, nie uwzględniono także kluczowej kwestii, jaką jest dynamiczny charakter różnych zjawisk fizycznych – temperatury, siły, obciążenia – w procesie skrawania, które nie mają stałej wartości, lecz nieustannie się wahają.

Jak widać na wykresach (Ilustracja 1.1/1.2) siły skrawania podczas przykładowej operacji wynoszą średnio 1000 Nm. Jednak przez połowę czasu ich wartość jest wyższa niż 1000 Nm, a przez pozostały czas jest niższa. Jeśli poziom odcięcia systemu jest ustawiony na 1000 Nm, obróbka zatrzymuje się, ponieważ siły wydają się być zbyt wysokie. (Należy pamiętać, że wykresy przedstawiają pomiary wykonane w ciągu ośmiu mikrosekund w celu zobrazowania szybkości zmian siły. Przetwarzanie danych z taką szybkością było w latach osiemdziesiątych XX wieku niemożliwe).

Ilustracja 1.1

Ilustracja 1.2

Obecnie, prawie 40 lat później, czujniki i komputery są dużo dokładniejsze, szybsze i tańsze, a cztery dekady badań pozwoliły nam zebrać bogatsze doświadczenie i lepiej zrozumieć kluczowe elementy obróbki.

Zbieranie danych i łączenie elementów
Niezwykle ważne jest zrozumienie ról poszczególnych elementów procesu. Istnieje ponad 80 czynników podlegającym pomiarom, które mają wpływ na operacje obróbki skrawaniem. W związku z tym kluczową sprawą jest zebranie tych wszystkich danych, połączenie ich ze sobą oraz uwzględnienie w procesie sterowania. Jeśli dany element nie zostanie uwzględniony, może to spowodować uzyskanie nieoczekiwanych lub przypadkowych rezultatów.

Po zebraniu i analizie danych ważne jest, aby ustalić priorytet wszystkich elementów w zależności od ich wpływu na cały proces. Oczywistym jest, że oprzyrządowanie ma bardzo istotny wpływ na proces. Do obróbki metali wykorzystuje się zespół narzędzi, na który składają się: obrabiarka, system CAM, narzędzie skrawające, osprzęt i mocowanie, chłodziwo, a w erze Przemysłu 4.0 także czujniki i układy do zbieranie i przesyłania danych (Ilustracja 2).

Ilustracja 2

Kluczowym elementem skrawania metalu jest interakcja narzędzia skrawającego z obrabianym elementem. Jednak w przypadku tradycyjnego podejścia do usprawniania procesów obróbki skrawaniem narzędzie skrawające jest często najmniej ważne. Podczas planowania produkcji danego elementu użytkownicy zazwyczaj najpierw wybierają obrabiarkę, osprzęt, układ chłodzenia i pozostałe wyposażenie, a dopiero na końcu narzędzie skrawające. Skutkuje to sytuacją, w której narzędzie skrawające musi nadrabiać braki nieoptymalnie wybranych elementów procesu obróbki.

Na przykład jeśli wybrana obrabiarka jest nieco niestabilna, konieczne będzie użycie narzędzia skrawającego, które wytwarza mniejsze siły skrawania, w celu kompensacji braku stabilności. Jednak narzędzie to może szybko się zużyć, gdy będziemy dążyć do osiągnięcia maksymalnej produktywności w przypadku obróbki konkretnego elementu. Efektem wyboru narzędzia skrawającego na samym końcu będzie w tym przypadku system produkcji niewykorzystujący pełnego potencjału.

Na szczęśc
ie wiele firm w przemyśle wytwórczym zdecydowało się na odwrócenie kolejności tego procesu. Warsztaty obróbki skrawaniem powinny wybierać narzędzie skrawające zaraz po określeniu kształtu, funkcji, materiału oraz wymaganej jakości danego produktu. Narzędzie skrawające — materiał, z jakiego jest wykonane, i geometria – powinno zapewniać największą produktywność oraz spełniać określone wymagania procesu. Następnie można przystąpić do wyboru pozostałych elementy procesu w celu stworzenia środowiska, w którym będzie można wykorzystać pełne możliwości narzędzia skrawającego.

Zrównoważone działanie
Po wybraniu elementów procesu obróbki skrawaniem należy zrównoważyć współdziałanie tych elementów w celu osiągnięcia maksymalnej produktywności i minimalnych kosztów. Wiąże się to z nieustannymi problemami dotyczącymi ilości produkowanych części i kosztów (Ilustracja 3).

Czynniki procesu obejmują wydajność narzędzia wraz z kosztami narzędzi i obróbki skrawaniem. Koszty te nie są jednak takie oczywiste, ponieważ uwzględniają koszty nieprzewidzianych problemów procesu obróbki skrawaniem, które skutkują produkcją części wybrakowanych lub o słabej jakości, jak również koszty związane z nieprzewidzianymi przestojami.

Ilustracja 3

Chociaż zaplanowane czynności, takie jak programowanie czy konserwacja, nie są częścią procesu obróbki skrawaniem, to inne czynniki, takie jak błędy operatora, złamanie narzędzia, uszkodzone elementy obrabiane czy problemy z systemem, niepotrzebnie wydłużają czas procesu i zwiększają wydatki. Narzędzia skrawające odpowiadają tylko w nieznacznym stopniu za spowolnienie procesu i czas przestoju, podobnie jak materiał obrabianego elementu czy anomalia procesu. Znacznie większy jest czas przestoju powodowany przez personel i systemy.

Koncepcja Przemysł 4.0 kładzie nacisk na zbieranie cyfrowych danych, Internet oraz przechowywanie danych w chmurze, lecz elementy te stanowią tylko część rozwiązania. Zebrane dane muszą zostać ostatecznie poddane analizie, a na jej podstawie należy utworzyć model fizyczny lub mapę, które definiują dany proces.

W systemach cyberfizycznych zebrane dane są porównywane z modelem i generowana jest informacja zwrotna umożliwiając modyfikację procesu w celu osiągnięcia żądanych rezultatów. Procesem nie steruje wyłącznie operator, lecz również komputer, który analizuje i porównuje dane względem modelu w czasie rzeczywistym.

W związku z tym model przechowywany w chmurze musi dokładnie opisywać elementy procesu. Stworzenie takiego modelu wymaga pełnego zrozumienia poszczególnych operacji. Niestety dokładne opisanie procesu obróbki skrawaniem jest dość trudne. Na przykład model musi uwzględniać właściwości dynamiczne obrabianego elementu, ponieważ zmiany twardości materiału powodują zmienne sił skrawania. Jednak pomiar twardości każdego elementu obrabianego jest niemożliwy. W niektórych przypadkach twardość materiału elementu obrabianego może być o dziesięć procent wyższa niż wartość nominalna, co powoduje zwiększenie sił skrawania również o dziesięć procent.

Zachowanie możliwości ludzkiego sterowania
Częściowym rozwiązaniem tego dylematu związanego ze sterowaniem procesem byłby model, który uczy się podczas procesu obróbki i polega na samomodyfikacji w celu zwiększenia dokładności opisu procesu. Niestety dostępna technologia nie jest jeszcze wystarczająco zaawansowana, aby to umożliwić.

Z tego względu inżynierowie produkcji muszą znać sposób, w jaki model został stworzony i zbudowany, aby określić, czy jest on odpowiedni do zarządzania procesem skrawania. Jeśli parametry wybrane w wyniku interakcji modelu z parametrami skrawania są wątpliwe, inżynier, który wie, na jakiej podstawie je wybrano, może zdecydować o ich odrzuceniu. System cyberfizyczny wprawdzie steruje procesem skrawania metalu, ale to inżynier produkcji ma nad nim pełną kontrolę.

Dzięki dekadom badań naukowych i polowych, firma Seco opracowała niezwykle dokładne modele procesu. Modele te nie mają zamkniętej formy, lecz zapewniają możliwość modyfikacji danych wejściowych i wyjściowych służących do sterowania procesem, gdyż ludzka myśl, doświadczenie i perspektywa są kluczowe dla sukcesu rewolucji przemysłowej określanej mianem Przemysłu 4.0.

Ilustracja 4

Ilustracja 5

Produkcja wraca do punktu wyjścia
Postęp w zakresie technologii wytwarzania w ostatnich trzech stuleciach spowodował znaczący wzrost produktywności, a w ostatnich latach znacząco zwiększył możliwość spełnienie określonych wymagań klientów.

Pierwsi producenci byli rzemieślnikami, którzy pracowali w domach i wyrabiali niezbędne rzeczy, takie jak ubrania, wyroby szklane, miski czy meble, na własny użytek. Każdy produkt wykonywano na zamówienie i był on jedyny w swoim rodzaju. Po zaspokojeniu własnych potrzeb rzutki rzemieślnik zaczynał wykonywać wiele kopii swoich własnoręcznie zrobionych rzeczy dla innych ludzi.

Następnie rzemieślnicy zaczęli pracować w grupach, we wspólnie użytkowanych obiektach, takich jak kuźnie czy piece szklarskie, co umożliwiło zwiększenie wydajności produkcji, jak również zapewniło inne korzyści, np. dzielenie się znanymi technikami. Produkcja wzrosła, gdy w fabrykach zaczęto korzystać z centralnych źródeł energii, takich jak koło wodne, para czy elektryczność, i rozdzielać energię w całej fabryce.

Na samym początku fabryki produkowały poszczególne części pojedynczo. Wytwarzanie wielu jednakowych produktów rozpoczęło się wraz z rozwojem linii montażowych, przy których każdy pracownik cały czas wykonywał jedną operację, a produkt przekazywano z jednego stanowiska na drugie, aż do momentu jego ukończenia. Zapoczątkowało to produkcję masową: stabilną produkcję dużej ilości identycznych – jak na ówczesne normy produkcyjne – produktów. Prawdopodobnie szczytowym rozwinięciem koncepcji linii montażowej jest automatyczna linia obrabiarek zespołowych (inaczej nazywana także linią obróbki przepływowej), która umożliwia całodobowe wytwarzanie tysięcy identycznych części przez wiele lat.

Wprowadzenie marketingu produktów zakłóciło rozwój produkcji masowej. Nieustanna konkurencja w gospodarkach kapitalistycznych spowodowała, że sprzedawcy zaczęli szukać sposobów na pozyskanie większej liczby klientów poprzez oferowanie odmiennych produktów spełniających wymagania mniejszych segmentów rynku.

Idealnym przykładem jest odstąpienie przez producentów samochodów od zapoczątkowanej przez Forda dla modelu T strategii marketingowej polegającej na produkcji wyłącznie czarnych samochodów i oferowanie klientom coraz szerszego wachlarza kolorów i opcji do wyboru. W celu spełnienia wymagań indywidualnych konsumentów producenci musieli wykazać się elastycznością i znaleźć sposoby efektywnego przestawiania się między
różnymi procesami produkcji. Numeryczne sterowanie maszynami za pomocą taśm perforowanych, a następnie sterowanie numeryczne z użyciem komputerów, umożliwiło szybkie i niezawodne zmiany procesów oraz narzędzi. W tym samym czasie zwiększyły się możliwości w zakresie automatyzacji, co pozwoliło skrócić czas przenoszenia części i manipulacji nimi oraz zmniejszyć koszty robocizny. W ciągu ostatnich kilku dekad gniazda produkcyjne i centra obróbcze CNC, które umożliwiają produkcję różnorodnych części, a przestawienie produkcji wymaga jedynie naciśnięcia kilku przycisków, zastąpiły niezawodne, ale trudne do przestawienia linie obrabiarkowe.

Trendy dające się zauważyć w marketingu produktów powszechnego użytku wyraźnie podkreślają korzyści elastycznego procesu produkcyjnego wspomaganego komputerowo. Poprzez proste przeprogramowanie poszczególnych elementów linii produkcyjnej sprzedawcy mogą znacząco rozszerzać zakres swojej marki. Trend zmierzający w kierunku indywidualizacji nie ogranicza się wyłącznie do producentów. Na przykład duzi sprzedawcy detaliczni otwierają mniejsze lub specjalistyczne sklepy, aby zapewnić konsumentom wygodę i preferowane przez nich produkty.

Indywidualne podejście do produkcji może stać się jeszcze bardziej popularne. Podobnie jak w przypadku rozwiązań zgodnych z koncepcją Przemysł 4.0 modele wykorzystujące dane znajdujące się w chmurze mogą na podstawie informacji marketingowych zarządzać przestawieniem produkcji, automatyzacją i poziomami zapasów. I podobnie jak w przypadku chmurowych systemów procesu skrawania sprzedawcy nadal muszą kontrolować takie systemy produkcyjne bazujące na informacjach marketingowych, aby mieć pewność, że decyzje podejmowane przez systemy są racjonalne.

W ostatnim czasie nowe techniki wytwarzania umożliwiają indywidualnym osobom produkować samodzielnie zaprojektowane części we własnym zakresie. Można więc stwierdzić, że ewolucja zatoczyła koło, ponieważ produkcja bazująca na informacjach cyfrowych pozwala wytwarzać jedyne w swoim rodzaju rzeczy bez udziału fabryki, podobnie jak wieki temu robili to rzemieślnicy, tyle że z nieporównanie większą precyzją, jakością i szybkością.

Autor:
Patrick de Vos, menedżer ds. korporacyjnej edukacji technicznej, Seco Tools