Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Inteligentní nástroje pro továrnu budoucnosti společnosti Airbus

Ve společnosti Airbus je řešen inovační projekt Factory of the Future, zaměřený na vývoj inteligentních pracovních nástrojů zvyšujících produktivitu operátorů, v jejichž pracovní náplni dominují manuální činnosti. Jako základ pro tyto inteligentní nástroje byla vybrána a úspěšně ověřena platforma NI System on Module od firmy National Instruments.

 
Výrobní prostředí letecké továrny v současné době v ničem nepřipomíná hektické a hlučné tovární prostředí minulosti. Moderní letecká výroba je díky použití nejmodernějších metod projektování, technologických postupů a výrobních zařízení výkonná, efektivně strukturovaná a organizovaná. A co zítra? Na budoucnost letecké výroby je zaměřen výzkumnětechnický projekt Factory of the Future, řešený ve společnosti Airbus za účelem podpořit nově koncipované metody podpory práce operátorů, které umožní zvýšit konkurenceschopnost výrobních procesů ve společnosti Airbus, v nichž v současnosti ještě stále dominuje čistě manuální práce.
 

Naděje do budoucna

Kyberfyzické systémy umožňují realizovat inteligentnější výrobu s důrazem na roli lidského operátora způsobem umožňujícím operátorům a strojům spolupracovat v tomtéž fyzickém prostředí. Projekt Factory of the Future předpokládá široké použití modulární platformy s vysokou úrovní abstrakce, založené na komerčně dostupných produktech (Commercial Off-The-Shelf – COTS). Jedněmi z velmi důležitých komponent umožňujících zvýšit výkonnost operátorů jsou v projektu Factory of the Future tzv. inteligentní pracovní nástroje (montážní, měřicí atd.). Tato chytrá zařízení jsou navržena tak, že mohou komunikovat s centrálním velínem, popř. lokálně s operátory či s ostatními nástroji, ale pouze v případech, kdy to vyžaduje situace a je třeba rozhodovat v reálném čase s využitím lokální či distribuované inteligence v síti.
 
Ve výrobním závodě mohou inteligentní nástroje zjednodušit proces výroby a zvýšit její výkonnost, neboť odstraní potřebu fyzických záznamů údajů a manuálů. Operátoři se při jejich použití mohou zcela soustředit na své provozní úkoly, při nichž musí mít volné ruce, aby mohli co nejefektivněji provádět určené produktivní fyzické montážní operace. Většina z předchozích iniciativ souvisejících s „bezpapírovou výrobou“ se soustředila na „potlačení papíru“ nebo na nahrazení papírů tablety, ale stále se vycházelo z využití tzv. pasivních, „mrtvých“ dat. Inteligentní nástroje nabízejí jinou cestu, a to „data v kontextu“, generovaná a používaná nepřetržitě – jinými slovy „živá data“.
 

Letecká výroba jako laboratoř nové techniky

Výstavba letadla zahrnuje desítky tisíc dílčích činností. K zajištění požadované kvality výroby je operátoři musí provádět ve stanoveném pořadí společně s mnoha kontrolami přímo na místě. Je-li do systému přidána inteligence, chytré nástroje „vědí“, jaké činnosti musí operátor provést jako následující, a automaticky se tomuto očekávání přizpůsobují svým odpovídajícím nastavením, což operátorovi usnadňuje práci. Po dokončení určité činnosti mohou chytré nástroje také zjistit a zaznamenat její výsledky, což zvyšuje efektivitu výrobního procesu.
 
Například na určité montážní podskupině letadla je asi 400 000 mechanických spojů, které je třeba utáhnout, k čemuž je v současné výrobě nezbytné mít více než 1 100 provedení utahovacích nástrojů. Operátor musí pozorně sledovat seznam předepsaných posloupných činností a každý spoj utáhnut správným utahovacím momentem při použití správného nástroje. Při tomto manuálním postupu existuje významné riziko vzniku lidské chyby, takže je nutné do výrobního procesu začlenit násobné kontrolní operace. Ty jsou důležité, protože je-li špatně dotažen byť i jen jediný spoj, může taková chyba z dlouhodobého hlediska vést ke ztrátám počítaným až ve stovkách tisíc dolarů. Inteligentní utahovací nástroj díky zpracování vizuálního vjemu z okolí ví, kterou činnost se operátor chystá vykonat, a automaticky nastaví správný utahovací moment. Nástroj zároveň může zaznamenat výsledek činnosti do centrální databáze jako potvrzení, že daný spoj byl správně proveden. S použitím údajů uložených v databázi centrálního systému pro řízení výroby (MES) a distribuované inteligence v nástrojích se mohou vedoucí výroby při kontrole kvality a certifikaci přesně zaměřit na ty postupy a procesy, které vyžadují prověření.
 

Inteligentní nástroje na bázi platformy NI SOM

Společnost Airbus začala s vývojem tří skupin inteligentních pracovních nástrojů, které pokrývají potřeby výrobních operací charakteru vrtání, měření, záznamu údajů o kvalitě a utahování spojů.
 
Jako základní platforma pro uvedené inteligentní nástroje byla vyzkoušena platforma NI System on Module (NI SOM) od firmy National Instrumens (NI), zvolená především pro již připravené vývojové prostředí nabízející urychlení procesu vývoje inteligentních nástrojů od návrhu přes tvorbu prototypů až po zavedení do používání. Před vlastním vývojem s použitím platformy NI SoM byl vytvořen prototyp založený na řídicí jednotce NI (cRIO-9068), který umožnil spojit duševní vlastnictví obsažené v současných softwarových knihovnách společnosti Airbus a algoritmy z prostředí open source a tak rychle ověřit základní koncepty. Flexibilita vyplývající z používání grafického i textového programování spolu s použitím komponent vyvinutých třetími stranami a přenesených na systémy Xilinx Zynq a NI Linux Real-Time OS nabízí právě tu úroveň abstrakce, která je potřebná pro vývoj zamýšlených inteligentních nástrojů. Kód takto vyvinutý ve společnosti Airbus lze nyní použít na platformě NI SOM jako hotový systém a není nutné začínat celý vývoj znovu od začátku.
 
V rámci vývojových prací bylo vyzkoušeno několik systémů kategorie SoM a jednodeskových počítačů, aniž by byl nalezen produkt schopný konkurovat platformě a úrovni integrace softwaru a hardwaru nabízených firmou NI. Lze odhadnout, že doba typicky potřebná k vývoji inteligentního pracovního nástroje na platformě NI SOM je oproti alternativním přístupům asi desetinová. Je to dáno větší produktivitou prostředků od firmy NI při navrhování systému, které je dosahováno především díky vlastnostem operačního systému NI Linux Real-Time OS a vývojového prostředí LabVIEW. Se softwarem, který již platforma NI SOM nabízí, se lze soustředit na hlavní funkce systému inteligentních nástrojů vyvíjeného ve společnosti Airbus, jako je např. zpracování obrazu při použití programovatelných hradlových polí (FPGA).
 

Souhrn

Projekt Factory of the Future, řešený ve společnosti Airbus, je dlouhodobý výzkumně-technický projekt důležitý z hlediska firemní konkurenceschopnosti, pokud jde o používané výrobní postupy. Při použitém inkrementálním přístupu k vývoji zamýšlených inteligentních montážních nástrojů, od počáteční studie proveditelnosti až po široké zavedení finálního produktu do výrobní praxe, je mimořádně důležitá schopnost rychlého vývoje. Celá iniciativa byla v průběhu posledních několika let pečlivě naplánována a s použitím produktů firmy National Instruments lze nyní vývojový proces urychlit a přenést vizi společnosti Airbus v oblasti podpory manuálních výrobních činností do reality.
 
Sébastien Boria,
R & D Mechatronics Technology Leader, Airbus
 
Obr. 1. Typický stav interiéru moderního dopravního letadla během montáže (zdroj: Airbus)
Obr. 2. Příklad základu inteligentního nástroje pro vizuální identifikaci místa (COTS – komerčně dostupný produkt)
Obr. 3. Příklad zpracování obrazu pro inteligentní měřicí nástroje