Redefinición de procesos de fabricación en convergencia a industria 4.0

Resumen

Las industrias aeronáutica y espacial no han estado tradicionalmente muy ligadas a los procesos productivos de las industrias de fabricación de otros sectores ajenos al mundo aeroespacial. Industrias de producción manufacturera como la de vehículos, artículos electrónicos, o el textil (por citar sólo algunos), no gozan en general de la presencia de técnicas y tecnologías aeroespaciales dentro de sus procesos. Sí existe en muchos casos transferencia de tecnología, ya que mucha de la investigación desarrollada dentro del ámbito aeroespacial es de aplicabilidad a otros sectores, pero efectivamente no son muchos los casos de uso de utilización de artefactos aéreos dentro de una fábrica de producción industrial. El concepto de Industria 4.0, más allá de haberse convertido en una denominación “de moda”, responde al paradigma de la conjunción de una serie de tecnologías introducidas dentro de un proceso industrial (los habilitadores) que, bien ya existían en otras industrias como la Informática (como el Big Data), bien son nuevos en su uso generalizado (como la impresión 3d). En los últimos años se ha experimentado una creciente utilización de muchos habilitadores de Industria 4.0 en diferentes sectores, con una demostrada mejora en indicadores de producción, y la posibilitación de existencia de nuevos productos. La presente tesis doctoral pretende ofrecer una visión acerca de cómo es posible obtener una redefinición de ciertos procesos industriales en una fábrica genérica de producción manufacturera, bajo la óptica del paradigma de Industria 4.0, y en convergencia a la cuarta revolución industrial. Se utilizará una fábrica concreta de reacondicionamiento de ordenadores sobre la que desarrollar el proyecto, que consiste en la utilización de medios y tecnologías aeroespaciales para proveer los servicios de aprovisionamiento interno de piezas ligeras, por medio de dron. El caso de estudio contemplará la solución al problema de negocio para solventar la necesidad de transportar piezas de ordenador desde un almacén hasta la zona de la fábrica donde es necesaria, fruto de una incidencia en las operaciones de reensamblaje de ordenadores. Se resolverán los retos a los que la utilización de este tipo de solución aeroespacial da lugar, siempre bajo una óptica tecnológica del paradigma de Industria 4.0 El punto de inicio es, como no podía ser de otra manera, una fábrica de producción industrial, en la cual se desarrollan procesos de manufactura. En este caso, se ha optado por una fábrica dedicada a la reparación y reacondicionamiento de ordenadores (PC y portátiles), que provienen de operaciones de renting en grandes clientes del sector de la banca. Retornan para recibir una limpieza, reparación (en su caso), y reacondicionamiento según unas nuevas características, con la sustitución de ciertas piezas y la adición de otras, de cara a cumplir con los requisitos explícitos en los pedidos de nuevos clientes, a un precio competitivo (típicamente en PYMES, cooperativas, etc.) Dicho proceso se organiza por medio de unos preparadores de material, que preparan pallets conteniendo los ordenadores a reacondicionar, con todas las piezas que es necesario incorporar de cara a cumplir las especificaciones solicitadas en los pedidos de cliente. El material se mueve en pallets utilizando los habituales transpaletas desde el almacén (donde se preparan los pallets) hasta la mesa de trabajo del operario al que corresponde trabajar sobre dicha orden de fabricación, según organiza el responsable de producción en cada momento (quien distribuye las órdenes de fabricación entre los operarios atendiendo a criterios de plazo, experiencia, y demás). Cuando no hay ninguna incidencia, el operario trabaja sobre los ordenadores y piezas que recibe sin tener que moverse de su mesa de trabajo; al finalizar con una orden de trabajo, continúa trabajando sobre la siguiente orden mientras un operario de movimiento logístico interno recoge el pallet recién terminado y lo mueve, bien a su siguiente etapa, bien a la zona de embalaje y expedición, para su entrega a cliente final. Pero en el proceso productivo no es infrecuente encontrarse con incidencias, de origen múltiple: ordenadores a los que falta alguna pieza, o que ha sido sustituida en el proceso de renting por otra, o que tenga algún defecto, o que la pieza nueva a aportar esté defectuosa, no sea compatible, falte, y otros casos similares. Las incidencias tienen que ser resueltas, generalmente atendidas por el jefe de turno, y en general conllevan el traslado de una nueva pieza desde el almacén hasta la mesa de trabajo del operario. La incidencia suele dar lugar a una parada de trabajo del operario mientras se gestiona la reposición de la pieza, una búsqueda de pieza por parte del jefe de turno; en ocasiones, es incluso del propio operario, si sucede más de una incidencia simultánea, el que se desplaza al almacén para obtener la pieza con el fin de evitar la espera por el jefe de turno (algo que no es anormal). En definitiva, una rotura de la continuidad del proceso, que además provoca retrasos significativos, cuando las dimensiones de la planta son tales que las distancias recorridas por los operarios son importantes. Las soluciones de aprovisionamiento de materiales y piezas existentes en la industria en general pueden no ser óptimas para el caso de aprovisionamiento de pieza ligera, como es el caso, dado que, con carácter general, suelen tener un tamaño considerable (lo cual es costoso en términos de aprovechamiento de superficie de planta), tener proyectos de desarrollo costosos, y costes de mantenimiento no despreciables. Para casos en los que las piezas a transportar son pesadas, las tradicionales cintas de movimiento, mesas de aire, o incluso los rodillos, suelen ser una buena solución; sin embargo, cuando la pieza es ligera (un procesador, una memoria, una tarjeta gráfica), la inversión, el mantenimiento, y el espacio perdido, tienen un impacto elevado. En ese contexto, se buscan alternativas para el traslado de pieza ligera en el interior de la planta, por un mecanismo que sea autónomo, rápido, de un coste moderado o bajo, y que tenga un pequeño impacto sobre el layout de la planta de producción, a nivel suelo; el espacio en la superficie de la planta es un bien preciado y costoso, de forma que minimizar el impacto de utilización de suelo de fábrica en cualquier proyecto es interesante y necesario. Es aquí, precisamente, donde tenemos el punto de encuentro entre la necesidad de negocio en el sector industrial, y las tecnologías aeroespaciales. Los sistemas aéreos no tripulados (SANT) resultan una atractiva opción por su rapidez, por sus capacidades autónomas, su coste moderado (o bajo, en algunos casos), y por su capacidad de utilizar espacios de la fábrica para su vuelo que habitualmente no tienen uso, o al menos no provocan interferencia con el trabajo en planta: las alturas perimetrales. Es cierto que un SANT, al que por deformación coloquial denominaremos dron, no dispone en general de unas altas capacidades de transporte de peso, e incluso no son muchos los casos de uso en los que se les ve como transportadores de material; no es menos cierto, en cualquier caso, que para situaciones en las que la pieza a transportar no supera unos cientos de gramos, o incluso en otros no llega ni a la centena, resultan una alternativa muy tentadora. En ese sentido, pues, se realizará un diseño de la solución de negocio en el que los sistemas aéreos no tripulados se conviertan en ese sistema autónomo que transporte la pieza ligera, por el interior de la fábrica, desde el almacén hasta la mesa del operario que declare una incidencia sobre el ERP. A lo largo del proyecto se van dando solución a los retos que una propuesta como ésta genera, desde la solución organizativa a la problemática del posicionamiento. Cada uno de esos retos es abordado bajo el paraguas del paradigma de Industria 4.0, utilizando tecnologías como visión artificial para la maniobra de aterrizaje, la hiper conectividad a través de una red inalámbrica mallada preparada para evitar las interferencias electromagnéticas de un ambiente industrial, la robótica móvil colaborativa, y la digitalización de los procesos productivos. El espíritu de transformación de la fábrica de producción hacia una digitalización de procesos es la guía que lidera las soluciones tecnológicas que se han diseñado para cada reto, dentro del proyecto conjunto, híbrido entre el mundo productivo industrial, la digitalización por medio de las tecnologías de la información y comunicaciones, y el mundo aeroespacial. El primer reto a abordar es precisamente la redistribución en planta, y el rediseño del flujo de trabajo para tener en cuenta el aprovisionamiento aéreo. Se proporcionará una mesa de aterrizaje para que la aeronave de transporte pueda aterrizar de forma segura, verticalmente, desde un pasillo confinado transversal, y proporcionar la pieza requerida al operario que la ha solicitado por medio de una incidencia en el sistema de información. El segundo reto a abordar ha sido precisamente el diseño del SANT (dron), tanto desde el punto de vista mecánico, como de selección de componentes. Este diseño es el fruto de un proceso de varios pasos. Como punto de partida se ha utilizado la idea de un cuadricóptero, por disponer de una combinación ideal entre velocidad, maniobrabilidad y peso. En primer lugar, se ha estimado la masa del dron completo, como suma de la masa del dron vacío, de la cubeta (o caja de transporte, que alojará la pieza a llevar desde el almacén hasta el operario), y la masa de la pieza precisamente a transportar. La masa de los elementos a transportar se consideró como el peor caso de la pieza con mayor tamaño, y de mayor peso, más dos piezas extra (de peso la media de los restantes tipos de piezas). Con respecto al chasis, se realizó un diseño minimalista obteniendo la inspiración de uno comercial, y teniendo en cuenta los tamaños de los elementos de control y piezas a tener que transportar. Utilizando el software e-calc, y a través de una serie de iteraciones, se procedió a determinar los elementos estándar que podrían mantener, bajo un peso del orden de los 2 kg, una configuración capaz de maximizar el rango de vuelo, con capacidad de transporte según las especificaciones. Se ha mantenido una relación empuje/peso de al menos dos, de forma que la aeronave tuviese una cierta agilidad para sus maniobras dentro del espacio de vuelo. En segundo lugar, se realizó el diseño mecánico de la cubeta o caja de transporte. Partiendo de las dimensiones máximas de la pieza más grande a transportar, se diseñó un mecanismo basado en dos piezas que encajan para proporcionar cubeta de transporte y patas del dron. El diseño está pensado para ser ejecutado en impresión 3d, lo cual facilita el reemplazo sencillo en la propia fábrica ante roturas o deformaciones fruto de potenciales “accidentes” aéreos que pudieran suceder. Por otra parte, la impresión 3d permite una serie de mejoras, como el tapado de los huecos de aligerado de material (consiguiendo la reducción de peso en la estructura reticulada sin deformar el flujo aerodinámico en las patas), y está totalmente alineado con el paradigma de Industria 4.0. Otro aspecto a destacar es la inclusión de un refuerzo en la zona central de la estructura de las patas, para soportar adecuadamente las tensiones fruto del peso del conjunto, y mantener las deformaciones en un nivel razonable dentro de su límite elástico; se utilizó la herramienta FEM de SolidWorks para conseguir un diseño óptimo entre una resistencia razonable para las solicitaciones esperadas, y un peso no excesivo como para ser aerotransportado. La cubeta fue ensayada desde el punto de vista aerodinámico bajo SolidWorks Flow Simulation para mejorar el paso del flujo que inyectan los rotores sobre el par patas-cubeta, incluyendo unas aberturas laterales para el desalojo de dicho flujo. El ensamblado final de patas y cubeta de transporte responde a las necesidades de soportar las cargas esperadas, bajo un peso admisible, y ofreciendo una reducida resistencia aerodinámica. En tercer lugar, se buscó aumentar la autonomía de la aeronave por medio de la inclusión de un ala. El objetivo era claro: mantener la maniobrabilidad y las capacidades de despegue y aterrizaje vertical (proporcionadas por la configuración de cuadricóptero), pero a la vez obtener las ventajas de una aeronave de ala fija en cuanto a la sustentación obtenida por el perfil aerodinámico, lo cual redunda en un aumento del tiempo de vuelo, una mejora de autonomía. Se han estudiado una serie de perfiles aerodinámicos muy conocidos dentro del mundo del aeromodelismo, para encontrar uno que sirviese de base para el ala, proporcionando unas características aerodinámicas óptimas. Se ha utilizado el software de simulación XFLR5 para, dentro del perfil de vuelo a velocidad nominal, revisar el comportamiento de cada uno de los perfiles bajo estudio. Por medio de un batch analysis en XFLR5 Xfoil Direct Analysis, se obtuvieron las polares de los perfiles Reynolds, revisando las evoluciones de los coeficientes de drag (resistencia) y lift (sustentación) frente al ángulo de ataque. La idea subyacente era la de obtener los cuatro puntos básicos de mínima resistencia, máxima esbeltez, mínima velocidad de descenso, y el ángulo de ataque límite, o de entrada en pérdida. Bajo esa óptica, el perfil WACO fue seleccionado como base para el ala 3d. Dicha ala fue de nuevo simulada en XFLR5 utilizando el módulo Wing and Plane Design para determinar la sustentación esperada en el mejor de los casos, bajo los diferentes perfiles de velocidades. Una vez estimada por simulación la sustentación que podría generar el ala, se procedió a realizar la simulación CFD del conjunto completo utilizando la herramienta de Solid Works, para estimar por software cuál podría ser la mejora en sustentación esperada. Los resultados inicialmente fueron inferiores a los esperados (previamente proporcionados por XFLR5), lo cual se determinó debía a dos motivos. Por un lado, que en XFRL5 no es viable simular piezas como la cubeta y patas, que tienen un impacto importante en la reducción de la aerodinámica del conjunto; este factor ya era esperado, y no dio lugar a cambios de diseño. Por otro lado, se observó, por medio del Flow Analysis cómo las partículas de aire no evolucionaban en la salida del perfil como se esperaba, generando una sustentación extra. Se determinó que el motivo era que el ángulo de ataque efectivo que “veían” las partículas de flujo entrante era inferior que el calculado, dado el natural cabeceo de la aeronave, debido a su condición de cuadrimotor. Para solventar esta problemática, ya detectada en investigaciones anteriores, se procedió a mantener el ángulo de ataque constante por medio de un montaje rotatorio con servomotor, pilotado por la controladora de vuelo. En cuarto lugar, se abordó la problemática del posicionamiento. Como es conocido, la tradicional señal que suele realizar el guiado de aeronaves de esta tipología en exteriores (GPS), no es, en general, utilizable en interiores (donde la señal puede no llegar, o recibirse bajo condiciones inutilizables). Es por ello que fue necesario diseñar un sistema de localización de la aeronave en entornos de interiores. Con la idea de reducir costes, además, se ha buscado una solución que no tuviese un impacto presupuestario alto, recordando además que debía tratarse de una solución embarcable. El vuelo de la aeronave se ha previsto dentro de un pasillo confinado, para cumplir con las expectativas al respecto de este tipo de aeronaves dentro de una fábrica industrial según los habituales requerimientos de los departamentos de prevención de riesgos laborales. Así, se ha evitado el sobrevuelo de drones sobre los operarios utilizando un pasillo de vuelo confinado según el perímetro de la fábrica; dicha zona se utiliza en general para bandejas de cables, conductos de aspiración, impulsión, etc., habiendo en general siempre espacio para un pasillo confinado de las características del diseñado. Por medio de un elemento en “L” girado 90° a derechas hecho en chapa de aluminio (como los habituales “pantalones” de las conducciones de aire acondicionado), se consigue confinar el vuelo por la parte superior y lateral izquierda. La propia pared de la nave industrial proporciona el límite por el lateral derecho; en la zona inferior, una red con ganchos desmontables garantiza, por una parte, el hecho de que un fallo en el vuelo no provoque un accidente; por otra parte, provee un mecanismo para recuperar el dron ante una pérdida de control, con una relativa accesibilidad. La nave estaría recorrida también de forma transversal por una serie de pasillos a los que se accede desde diferentes puntos del pasillo perimetral, y que además disponen de una serie de aberturas en las verticales de las mesas de aterrizaje de dron para pueda descender y entregar el material. El mecanismo de localización se basa en la utilización de un sistema de visión artificial, por medio de una cámara de bajo coste, una estrategia de navegación basada en recorrer pasillos perimetral y transversales, y una serie de marcadores. En las paredes de los pasillos confinados perimetral y transversal se situaron, a distancias oportunas obtenidas por experimentación, marcadores ArUco impresos, ubicados en posiciones conocidas y almacenadas en la base de datos de navegación. El sistema aéreo no tripulado, utilizando una ligera cámara embarcada y un computador basado en el conocido system-on-chip Raspberry Pi, va “detectando” los marcadores dentro del plan de vuelo que esperar recorrer entre origen y destino, como una sucesión de nodos. El ordenador de a bordo, una Raspberry Pi, ejecuta una variación del algoritmo de Dijkstra para obtener la ruta desde la posición de espera del dron, al lado del almacén de piezas, hasta la mesa del operario que ha generado la incidencia. Recorrerá el pasillo perimetral hasta alcanzar la embocadura que conduce al pasillo transversal que conduce a la mesa del operario, atravesará dicho pasillo transversal, y al llegar a la vertical sobre la mesa de aterrizaje de destino, se detendrá, para realizar la maniobra de aterrizaje. En quinto lugar, se ideó una solución para el aterrizaje, de nuevo bajo el reto de no poder contar con una señal GPS válida dentro de las instalaciones donde se produce el vuelo. Además, se tuvo en cuenta que la solución de localización no podría proporcionar la precisión que se requiere para aterrizar con seguridad en la mesa provista al efecto al lado de la estación de trabajo del operario de ensamblaje. De hecho, la idea es que el sistema de localización guiase a la aeronave hasta la abertura en la red de seguridad del pasillo perimetral que está sobre la mesa de aterrizaje, de forma que, al detectar la abertura, el sistema de aterrizaje tomase el control, realizase el ajuste de aproximación fino, y luego iniciase el descenso. Se decidió utilizar un sistema de visión artificial empleando una cámara de bajo coste, ligera, pero de una definición y capacidad de integración con el computador más que suficiente (la cámara oficial de Raspberry). El sistema basaría su guiado en unos marcadores de referencia que permitirían no sólo detectar la mesa de aterrizaje en su ubicación precisa, sino también proporcionar una estimación de la pose. Dadas las importantes distancias a las que los pasillos de vuelo pueden encontrarse (las naves industriales pueden tener una altura respetable), se detectó experimentalmente que una solución que garantizase correctamente la precisión requerida en el punto de aterrizaje, podría no ser detectable con una cámara económica y ligera a la altura de pasillo transversal; por otra parte, unos marcadores de referencia que fueran fácilmente y de forma segura detectados desde la altura de pasillo de velo, quedarían fuera del campo de visión de la cámara a partir de cierta distancia en el descenso. De esa manera, el sistema completo está compuesto por un mecanismo de largo alcance (utilizando una marca circular de gran tamaño y perfectamente visible desde la altura de vuelo), y un sistema de corto alcance (empleando marcadores ArUco, y un doble sistema de determinación del punto de aterrizaje). El sistema de largo alcance comenzará a buscar, en cuanto el sistema de RFID indique cercanía a la zona de abertura, el punto adecuado de descenso. Se obtendrán fotogramas sobre los que se, por medio de unas transformaciones morfológicas, se buscará el contorno circular que tiene el marcador de larga distancia. Una vez localizado, comenzará el descenso, que será controlado por el marcador de larga distancia mientras se comienza a buscar los marcadores de corto alcance. En cuanto se detectan los cuatro marcadores, el guiado pasa a estar proporcionado por los mismos, ya que en breve el tamaño del círculo exterior pasará a dejar de ser visible. Los marcadores se han rotado para que, detectando sus esquinas superiores izquierda, se calcule el centro deseado de aterrizaje como la intersección de las dos diagonales que forman, resolviendo el modelo de cámara pinhole a través del algoritmo EPnP. El tercer reto consistía en proporcionar una conectividad a todos los sistemas previamente citados. La aeronave de transporte no tripulada, por su propia definición requiere que dichas comunicaciones se produzcan de forma inalámbrica: la recepción de las órdenes de gestión de incidencia desde el ERP de la compañía, el envío de la telemetría, estado y localización del dron de vuelta al ERP, y los comandos de interfaz “hombre-máquina” (HMI, como “dron a la espera de pieza”, “pieza entregada a dron”, “dron en ruta”, “dron en destino”, “dron a la espera de que le retiren pieza”, “dron de vuelta”, “dron retornado”), son mensajes que tienen que ser intercambiados entre el ERP y el SANT. Se han evitado soluciones tradicionales de Wifi industrial, por ser habitualmente costosas en ambientes fabriles con naves de tamaño medio y grande. El habitual ruido electromagnético de la maquinaria presente, la gran cantidad de conducciones presentes, las distancias que comúnmente superan las distancias permisibles para UTP, dan lugar en muchas ocasiones a tiradas de fibra, racks intermedios con bandejas, transductores, GBIC, switches, tiradas de cobre, y un largo etcétera que suelen elevar los costes radicalmente. Dadas las bajas necesidades de ancho de banda, el objetivo de controlar los costes, y las habituales configuraciones de puesto de trabajo en industrias como la presentada, se ha optado por crear una red mesh de reenvío de mensajes ESP8266 para la comunicación con un nodo router que resultaría el único elemento cableado, directamente vinculado a la LAN. El cuarto reto era el de proveer un ambiente adecuado para el hangar de las aeronaves no tripuladas, por medio de tecnologías verdes. En una instalación industrial habitual las temperaturas suelen ser a primera hora de la mañana muy parecidas a las del exterior en la estación fría, dado que los sistemas de aislamiento no están habitualmente pensados para proporcionar confort. Las temperaturas extremas son habitualmente un problema para la duración de las baterías, de forma que intentar obtener una solución no contaminante, sin consumo de energía eléctrica, y que provocase una mejora en el potencialmente frío ambiente, era un complemento imprescindible para la viabilidad de la solución. Se ha utilizado un panel PV-T flexible sobre una estructura a colocar en la cubierta de la nave, de forma que una pequeña extracción de aire generaba, por convección, una corriente de aire que se había calentado en el panel; todo el sistema es controlado por un microcontrolador Arduino para ver las evoluciones de temperaturas interior y exterior, a lo largo de todo un año. Los resultados de los experimentos realizados han demostrado la viabilidad de este tipo de soluciones que, si bien se ha pensado sobre un caso de uso concreto, podría ser fácilmente sustituida por otra industria en la cual se desarrollasen procesos productivos con carácter general.