לפרוץ את גבולות האפשר באוטומציה תעשייתית – תעשייה דור 4

בעתיד תהליכים הנדסיים יצטרכו להתבצע באופן אינטואיטיבי יותר, ביעילות רבה יותר ובמהירות רבה יותר. רכיבי האוטומציה הבודדים יהיו אינטליגנטיים יותר ומתקני הייצור יהפכו לגמישים יותר ויפעלו בצורה רשתית. מתקני ייצור הופכים להיות יותר ויותר מורכבים, כך שלצורך התכנון והבנייה שלהם נדרשים ידע ומאמצים רבים יותר מאשר פעם. יש צורך לפתח דרכי שליטה ובקרה שיוכלו לנהל סביבת מפעל מורכבת יותר. מצד אחד יש לפשט את תהליך ההנדסה של המפעל ולהפוך אותו ליעיל הרבה יותר ומצד שני, לפתח רכיבים עם זיכרון דיגיטלי – שהם הצעד הראשון בדרך לרכיבים חכמים לתעשייה דור 4.0.

בעשורים הבאים נהיה עדים לשינוי חסר תקדים שיתרחש בתהליכי ייצור ובמגזר האוטומציה כולו. כבר היום תכנון של תהליכי ייצור עוברים טרם הקמתם שלבי הדמיה, פיתוח ואופטימיזציה באופן וירטואלי המתקרב מאוד למציאות. נתוני ייצור אמינים ושימוש בתוכנת CAD מאפשרים לדמות באופן די מספק חומרים, זרימת אנרגיה, לחצים, וכדומה. השימוש במידע מאפשר גמישות יוצאת דופן בתכנון של תהליכי הייצור והעבודה החדשים. לדוגמא, נתונים מבעוד מועד בנוגע לדרישות צריכה מופרזות של אוויר, מים וחשמל או היווצרות צפויה של פליטות מהקמתו ותפעולו של מתקן ייצור עתידי עשויים להוביל לפיתוח גישה חליפית וחכמה יותר לצריכה של אנרגיה.

לצד החשיבות של הדמיה מהימנה ומקיפה בתהליך התכנון ההנדסי, היבט מרכזי נוסף של התעשייה החדשה הוא תקשורת מכונה-מכונה. נתונים הנוצרים על ידי מערכות מבוזרות במטה החברה ישלחו היישר לתחנת עבודה בתוך מתקן הייצור. שם, בתוך מחזור הייצור, נתונים אלה יהיו נגישים לכל מוצר, רכיב או מכונה באמצעות תקשורות אלחוטיות כגון  (Radio-frequency identification) או  (Near field communication) ובהגעתם לתחנת העבודה הקרובה, מתאפשר הלכה למעשה קיום של שלב ייצור בודד. כך, על-ידי שימוש בטכנולוגיה עתירת מידע ניתן יהיה לייצר מוצר מותאם אישית לדרישות הלקוח באותה העלות ובאותה רמת יעילות של ייצור סדרתי קונבנציונלי.

בעוד אנו רוצים להגביר את היעילות והגמישות של מתקני הייצור, השימוש בדיגיטציה מספק לנו דרכים טובות למדי ליצירת נתונים ותקשורת של נתונים בזמן אמת בכל רמות הייצור. העלייה העצומה הן בכמות הנתונים המיוצרים והן במורכבות ההיבט הרשתי במפעלים, דורשת פיתוח של מוצרים חדשים שיצליחו לשלוט ולתפעל ביתר קלות את זרימת הנתונים האדירה הזו.

רכיבים לתעשייה דור 4.0

על מנת לאפשר הדמיה וירטואלית מלאה של מתקן ייצור טרם בנייתו, רכיבי התעשייה החדשים חייבים מראש לשלב את כל המידע הדרוש לפעולתם בבקרים שבהם ישולבו. מיזוג המידע האינטגרטיבי הזה עם ממשקים אדפטיביים שימזערו את הצורך בהרכבה, בקונפיגורציה או באינטגרציה של מערכות, הוא ההיבט המרכזי בהטמעתם של רכיבי התעשייה החדשים כיישומים מוכנים לייצור (“Plug and produce”).

איך יראה העתיד של שילוב רכיבים אלה בתעשייה? מתקני ייצור שכל מרכיב או חלק בהן ניתן לשינוי או התאמה מחדש ללא כל קושי היות וכל התהליכים במתקן יתוכננו וייבדקו במלואם באופן וירטואלי לפני הפיכתם למציאות תעשייתית.

כמה רחוק היום שבו תעשייה דור 4.0 תהיה סטנדרט עולמי ותהליכי ייצור מבוססי תקשורת מכונה-מכונה יהיו דבר שבשגרה? הפיתוחים הביונים האחרונים של Festo מעידים שייתכן והתרחיש קרוב מתמיד: נמלים רובוטיות הפועלות בשיתוף פעולה, פרפרים מכאניים המתעופפים בחלל אחד על ידי תקשורת GPS, גריפר שאוחז כל אובייקט, בכל צורה ובכל טקסטורה לפי עקרון האחיזה של לשון הזיקית ויישום סופר-מוליכות (Superconductivity) בעל פוטנציאל השפעה אדיר על תהליכי אוטומציה בתעשייה.

BionicANTs – כשמלאכת מחשבת פוגשת עבודת נמלים

היישום הביוני דמוי הנמלים לוקח בחשבון לא רק את מבנה הנמלה העדין או את יכולות המשא של כל נמלה בודדת אלא מתחשב כחלק מרכזי של המודל בהתנהגות השיתופית של הנמלים ככלל ובכך מתרגם את העיקרון הביולוגי לתוך עולם הטכנולוגיה על-ידי אלגוריתמים מורכבים של בקרה.

הנמלים הביוניות מתקשרות זו עם זו ומתאמות הן את פעולותיהן והן את תנועותיהן. כל נמלה פועלת כיחידה אוטונומית של קבלת החלטות, אך תמיד ממוקדת במטרה המשותפת וכך כל נמלה ביונית מצליחה למלא את תפקידה במאמץ הקבוצתי לעבר פתרון המשימה שעל הפרק.

הייחודיות במבנה הנמלה הביונית

יישום חדש לטכנולוגיית פייזו (piezo) – רכיבי אלו נשלטים בצורה מהירה ומדויקת, הם צורכים מעט מאוד אנרגיה, כמעט חסיני-שחיקה לחלוטין ואינם מצריכים הרבה מקום. שלושה מתמרי פייזו קרמים מתכופפים (piezo-ceramic) המתפקדים הן כמפעיל והן כאלמנט עיצובי, מוטמעים על כל ירך של הנמלה. על ידי הסטת החלק המתכופף העליון של המתמר, מרימה הנמלה את רגלה ועם זוג הפייזו התחתון, כל רגל יכולה להיות מוסטת במדויק קדימה ואחורה. כדי להגביר את העילוי הנמוך יחסית של הרגליים, פותח מחבר גמיש, המגדיל משמעותית את צעדיה של הנמלה.

עבודה משולבת של מצלמה וחיישן רצפה – מצלמת סטריאו תלת-מימדית ממוקמת בראש הנמלה ומשמשת לזיהוי האובייקט ולהתמצאות. חיישן אופטו-חשמלי בבטן הנמלה משתמש במבנה הרצפה וקובע את מיקומה ביחס לקרקע. שילוב המערכות מאפשר ניווט מדויק של הנמלה במרחב.

שימוש בטכנולוגיות ייצור חדשות – ‘דבקוק לייזר סלקטיבי’ (SLS – Selective Laser Sintering) היא טכניקת ייצור ייחודית המבוססת על המסה בלייזר של אבקת פוליאמיד שכבה אחר שכבה. הנמלים הביוניות הן יישום ראשון מסוגו שבו שולבו רכיבי דבקוק (Sintering) עם טכנולוגיית 3D MID ().

FlexShapeGripper – אחיזה בהשראת לשון הזיקית

אלמנט האחיזה הוא חלק מהותי מתהליכי האוטומציה התעשייתית במתקני ייצור. טכנולוגיות חדשות לאחיזה, הרמה והנחה של חפצים הן בסיס לפיתוח והתקדמות של תחום האוטומציה בתעשייה.

מה מיוחד במבנה הגריפר שמאפשר לו לאחוז חפצים בטווח הצורות והטקסטורות הרחב ביותר הקיים היום?

הגריפר מורכב מבוכנת אוויר-אוויר, אשר תא אחד שלה מתמלא באוויר דחוס בעוד התא השני באופן קבוע מלא במים. התא השני מצויד בכיסוי סיליקון אלסטי, המשתווה ללשון של הזיקית. הנפח של שני התאים מתוכנן כך שהוא מאפשר את העיוות של חלק הסיליקון בעת אחיזת חפץ. הבוכנה, אשר מפרידה בין שני התאים, מהודקת על ידי מוט דק בצידו הפנימי של מכסה הסיליקון.

על מנת לאפשר את האחיזה מערכת ניהול מנחה את הגריפר לעבר האובייקט, כך שהוא נוגע בקצהו עם כיסוי הסיליקון, עם נגיעתו באובייקט, תא הלחץ העליון נפרק, הבוכנה נעה כלפי מעלה באמצעות תמיכת קפיץ וחלק הסיליקון המלא מים מושך עצמו פנימה. במקביל, מערכת הניהול מנחה את הגריפר במסלול נוסף סביב האובייקט, ובעשותו כן, כיסוי הסיליקון עוטף את עצמו סביב האובייקט הנאחז, שיכול להיות בכל צורה שהיא. הסיליקון האלסטי מאפשר התאמה מדויקת למגוון רחב של צורות גיאומטריות שונות. החיכוך הסטטי הגבוה של החומר יוצר כוח החזקה חזק במיוחד.

הן האחיזה ומנגנון השחרור מופעלים במנגנון פניאומטי. לא דרושה כל אנרגיה נוספת לתהליך האחיזה. הכוח וגמישות הצורה של כיסוי הסיליקון ניתן להגדרה באופן מדויק למדי באמצעות שימוש בשסתום פרופורציונאלי. בנוסף, הדבר מאפשר לגריפר החדש לאחוז בהליך אחד מספר חלקים בו-זמנית.

רשת למידה ביונית

רשת הלמידה הביונית היא מחלקה מולטידיסיפלינרית הפועלת במטה Festo בגרמניה ומקדמת חדשנות ושיתוף פעולה אקדמיה-תעשייה. בשיתוף פעולה עם סטודנטים, אוניברסיטאות מובילות, מוסדות וחברות פיתוח, Festo מממנת ומפתחת פרויקטים רוויי טכנולוגיה. המטרה היא להפוך תהליכי תנועה אוטומטיים ליעילים ואפקטיביים יותר בעזרת השראה מהטבע ושילוב חוכמת המדע עם חוכמת ההנדסה. רשת הלמידה הביונית מציגה גישות מרתקות, יצירתיות ויוצאות דופן לפתרון משימות מורכבות שלחלקן, טרם נמצא פתרון לפני כן.

(1) טכנולוגיית  (Moulded Interconnect Devices) מציגה מסלולים מוליכים הפרושים בגלוי על פני השטח ומתפקדים כמעגלים מודפסים למכלולים אלקטרונים ומכאטרוניים. מסלולים אלה פועלים ללא צורך בכבלים ומצריכים מעט מאוד עבודת הרכבה.

הכתבה נמסרה באדיבות פסטו ישראל