Desarrollar herramientas inteligentes para la fábrica del futuro de Airbus

Sébastien Boria, Airbus

"Evaluamos varios dispositivos System-on-Module (SOM) y PCs de una sola tarjeta (SBCs) embebidas y no hay comparación con la integración de software que ofrece NI. Calculamos que nuestro tiempo de entrega con el NI SOM es una décima parte del tiempo que al usar métodos alternativos, debido a los beneficios de productividad del enfoque de NI para el diseño del sistema, particularmente con NI Linux Real-Time y el Módulo LabVIEW FPGA."

- Sébastien Boria, Airbus

El desafío:

La fabricación y el ensamble de aeronaves, que implica decenas de miles de pasos que deben seguir los operadores, y que reparar un solo error en el proceso podría costar cientos de miles de dólares, hace que el margen de error sea muy pequeño.

La solución:

Agregar inteligencia a las herramientas y a los sistemas de planta para ayudar a simplificar el proceso de producción y mejorar la eficiencia de la producción, administrando y verificando las tareas que el operador. Usando el NI System-on-Module, podemos rápidamente generar prototipos de estas herramientas inteligentes.

 

La planta de producción aeroespacial actual no se parece en nada a las bulliciosas y ruidosas instalaciones de producción del pasado. Las últimas técnicas, diseños y equipos hacen que la fabricación moderna sea eficiente, organizada y estructurada. ¿Y que pasará mañana? El futuro de la fábrica de aeronaves es un proyecto de investigación y tecnología destinado a impulsar las tecnologías emergentes para mejorar la competitividad de los procesos de fabricación de Airbus donde las operaciones manuales siguen predominando en la actualidad.

 

Los sistemas ciber-físicos y Big Analog Data™ permiten una producción más inteligente y centrada en el operador que permite que los operadores y las máquinas colaboren en el mismo entorno físico. La fábrica del futuro también implica amplio uso de una plataforma modular con un alto nivel de abstracción basada en módulos comerciales. Uno de los componentes clave para mejorar la eficiencia en la fábrica del futuro son las herramientas más inteligentes. Estos dispositivos inteligentes están diseñados para comunicarse con una infraestructura principal o localmente con operadores u otras herramientas, pero únicamente cuando es necesario, brindan conocimiento de la situación y toman decisiones en tiempo real basadas en inteligencia local y distribuida en la red.

 

En el caso de una instalación de fabricación, las herramientas inteligentes pueden ayudar a simplificar el proceso de producción y mejorar la eficiencia, eliminando los registros de datos físicos y los manuales. Los operadores deben concentrarse en sus tareas operativas, durante las cuales deben tener las manos libres para usar las herramientas adecuadas. La mayoría de las iniciativas anteriores vinculadas a los "proyectos sin papel" se centraron en la "supresión del papel" o en reemplazar el papel por tabletas, pero aún consumían "datos pasivos/muertos". Las herramientas inteligentes permiten otra alternativa, "datos en contexto" que se generan y consumen continuamente, en otras palabras, "datos en vivo".

 

Desarrollar un avión implica decenas de miles de pasos que los operadores deben seguir con muchas comprobaciones para garantizar la calidad. Al agregar inteligencia al sistema, las herramientas inteligentes entienden las acciones que el operador debe realizar a continuación y ajustan automáticamente las herramientas a la configuración adecuada, lo que simplifica la tarea para el operador. Una vez que se completa la acción, las herramientas inteligentes también pueden monitorear y registrar los resultados de la acción, lo cual mejora la eficiencia del proceso de producción.

 

Como ejemplo, un subconjunto dado de un avión tiene aproximadamente 400,000 puntos que deben ajustar, lo que requiere más de 1,100 herramientas de ajuste básicas en el actual proceso de producción. El operador tiene que seguir de cerca una lista de pasos y asegurarse de que la configuración de la ley de torsión sean adecuados para cada ubicación utilizando la herramienta correcta. Debido al proceso manual, el error humano agrega mucho riesgo a la producción. Esto es significativo ya que incluso una sola ubicación que se ajusta incorrectamente podría costar cientos de miles de dólares a largo plazo. Una herramienta inteligente de ajuste entiende qué tarea está a punto de realizar el operador, utilizando la visión para procesar su entorno y establecer automáticamente la torsión. Y el dispositivo puede registrar el resultado de la tarea en una base de datos central para garantizar que la ubicación se haya configurado correctamente. Con la base de datos del sistema central de ejecución de fabricación (MES) y la inteligencia distribuida de los dispositivos, los gerentes de producción pueden identificar con precisión los procesos que deben revisarse durante el control de calidad y la certificación.

 

 

Airbus está lanzando el desarrollo de tres familias de herramientas inteligentes que realizan diferentes procesos de fabricación: perforación, medidas y registro de datos de calidad y ajustes.

 

Herramienta de perforación

  • Procesa el entorno con algoritmos de visión
  • Verifica qué material está a punto de cortarse
  • Actualiza las condiciones de corte de la perforadora en cada capa de material
  • Monitorea la profundidad de perforación
  • Registra los resultados de la perforadora en la ubicación actual
  • Monitorea el estado del sistema
  • Realiza comprobaciones/calibraciones automáticas

 

Herramienta de medidas 

  • Procesa el entorno con algoritmos de visión
  • Recupera valores de medidas aceptables desde una base de datos
  • Verifica que la medida esté dentro de los parámetros
  • Registra los resultados y proporcione acciones de seguimiento si es necesario
  • Realiza comprobaciones/calibraciones automáticas

 

Herramienta de validación de calidad (basada en decisiones humanas) 

  • Procesa el entorno con algoritmos de visión
  • Realiza interacción humana nativa (rastreo de dedos, rastreo de ojos, control de voz)
  • Registra los resultados y proporcione acciones de seguimiento si es necesario

 

Herramienta de ajuste 

  • Procesa el entorno con algoritmos de visión
  • Establece las leyes de torsión/velocidad/ángulo adecuadas para la ubicación
  • Monitorea la torsión aplicada a los sujetadores
  • Registra la torsión dada en una base de datos central de MES o en un sistema de planificación de recursos empresariales
  • Realiza comprobaciones/calibraciones automáticas

 

 

Probamos NI SOM como la plataforma base para todas estas herramientas inteligentes debido a la arquitectura ubicua y el framework que proporciona para acelerar el proceso de desarrollo desde el diseño hasta la generación de prototipos y la implementación. Antes de desarrollar en NI SOM, pudimos crear un prototipo basado en un controlador NI CompactRIO (cRIO-9068) que nos permitió integrar IP de bibliotecas Airbus existentes y algoritmos de código abierto para validar nuestros conceptos rápidamente. La flexibilidad de usar programación gráfica y textual junto con la reutilización de desarrollo de terceros adaptado sobre Xilinx Zynq y NI Linux Real-Time OS ofrece el nivel perfecto de abstracción para desarrollar estas herramientas. Ahora podemos reutilizar el código que habíamos desarrollado en NI SOM como una solución implementada en lugar de tener que reiniciar todo nuestro proceso de diseño.

 

Evaluamos varios SOMs y PCs embebidas de una sola tarjeta (SBC), y no hay comparación con el enfoque de diseño basado en plataforma y la integración de hardware y software que ofrece NI. Calculamos que nuestro tiempo de entrega con el NI SOM es una décima parte del tiempo que usar métodos alternativos, debido a los beneficios de productividad del enfoque de NI para el diseño del sistema, particularmente con NI Linux Real-Time y el Módulo LabVIEW FPGA. Con el software ya provisto por NI SOM, podemos enfocarnos más en las características clave de nuestro sistema, como el procesamiento de imágenes en FPGAs.

 

La fábrica del futuro en Airbus es un proyecto incremental de investigación y tecnología a largo plazo que es fundamental para nuestra competitividad en los procesos de fabricación. El rápido desarrollo es fundamental para nuestro enfoque incremental de la nueva tecnología, desde el desarrollo inicial de la prueba de concepto hasta la difusión de objetos reales. Hemos planeado cuidadosamente esta iniciativa durante los últimos años y, con la tecnología de NI, podemos acelerar nuestro proceso de desarrollo y hacer realidad nuestra visión.

 

Información del autor:

Sébastien Boria
Airbus

Figura 1. Entorno típico de ensamble de aeronaves
Figura 2. Ejemplo de bases de herramientas inteligentes/ubicación embebida por visión
Figura 3. Algoritmos de visión para herramientas de medida inteligentes