5G: de la nube a la zona de trabajo de la máquina-herramienta

Si las descargas ultrarrápidas y la transmisión de video son las únicas capacidades que se le vienen a la mente al pensar en 5G, podría ser el momento de pensar de nuevo y más detenidamente.

Una capacidad inalámbrica tan rápida y confiable como las conexiones por cable es deseable por razones obvias. Sin embargo, las ventajas van más allá de la flexibilidad y la comodidad. En el 5G Industry Campus Europe, un espacio expansivo para la investigación y la colaboración en Aachen, Alemania, las aplicaciones están redefiniendo el papel de la robótica, en parte al hacer que los brazos industriales de potencia sean tan seguros como sus primos “colaborativos”.

Otras investigaciones, como el uso de sensores montados en piezas de trabajo y portaherramientas para correcciones automáticas en los procesos de vibración y desgaste del filo de corte, aplican 5G en el nivel de encuentro de la herramienta con el metal.

Creado por la empresa sueca de telecomunicaciones Ericsson y el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (Fraunhofer IPT), un instituto de investigación alemán, el campus también es un campo de pruebas 5G a una escala más amplia. Además de una red exterior expansiva, la cobertura se extiende a lo largo de más de 1,850 metros cuadrados de espacio interior, incluido el propio taller de máquinas CNC de Fraunhofer IPT.

Esta cobertura se divide en varias redes, pero solo con fines de prueba. Posiblemente, 5G podría permitir que cada robot, máquina-herramienta o prácticamente cualquier otro activo, incluso en las fábricas más grandes, intercambie datos de manera segura, confiable y casi en tiempo real en una sola red, sin ninguna degradación en el rendimiento.

En la medida en la que los talleres de máquinas CNC adopten 5G, estas primeras aplicaciones demostrarán la posibilidad innegable de una transformación potencialmente drástica en el piso de producción.

“Es posible que pueda encontrar otras formas de lograr los mismos fines para casos de uso individuales —dice Andreas Thuelig, gerente del programa 5G de Ericsson para Europa—. Pero si se toma la vista del piso de producción completo con todos sus dispositivos, todas sus tareas y necesidades, no hay otra manera de reunir todo esto en una red con un grado de servicio garantizado”.

¿Qué es 5G?

5G significa quinta generación; es decir, el último estándar de tecnología inalámbrica para redes celulares definido por un consorcio de la industria de las telecomunicaciones. Los dispositivos 5G se definen, en gran medida, por el uso de ondas de radio de alta frecuencia.

Las frecuencias más altas permiten transmitir paquetes de datos más grandes en cada onda (el ancho de banda es mayor); reducir el tiempo necesario para transmitir paquetes de datos entre dos puntos (la latencia es menor); y limitar el riesgo de desconexiones o interrupciones en el flujo de datos (la confiabilidad de la conexión puede superar el 99,9 %). Mayor ancho de banda, menor latencia y superior confiabilidad hacen que la eliminación de alambres y cables sea más práctica, en toda la instalación o en el nivel de la estación de trabajo individual.

Muchos sensores 5G que intercambian datos de manera confiable en la misma red, sin degradación en el rendimiento, podrían permitirle a un fabricante crear un verdadero gemelo digital.

No todas las redes 5G son iguales. Por ejemplo, la transmisión de video casi instantánea es un ejemplo de banda ancha móvil mejorada, o eMBB. Muchos de los diversos medidores y monitores “inteligentes” que constituyen el “internet de las cosas” utilizan redes masivas de comunicación tipo máquina (mMTC).

Los proyectos discutidos en este artículo (así como las aplicaciones críticas para la misión o la seguridad, como el control remoto de equipos quirúrgicos o, quizás algún día, automóviles autónomos) son más exigentes. Solo sirven las redes de comunicaciones de baja latencia ultrafiables (URLLC).

Por ejemplo, la investigación con el fabricante de automóviles alemán Audi involucra celdas nómadas de ensamblaje con robot, esencialmente robots sobre ruedas, que se pueden mover según sea necesario para ayudar a los trabajadores con las tareas de ensamblaje.

En una demostración, un robot móvil que instala un airbag en un volante no es un modelo colaborativo, sino un modelo totalmente industrial que podría causar daños, lesiones o algo peor si no se controla. El sistema que realiza la verificación es una cortina de luz en el lado abierto de la celda que detiene todo movimiento cuando se rompe.

Esta aplicación demuestra el potencial de 5G para los protocolos estándar de la industria como PROFINET y PROFISAFE, extremadamente exigentes en términos de confiabilidad y latencia de límite superior de un canal de comunicación, dice Thuelig.

“Las interrupciones en el proceso de ensamblaje solo deben ser causadas por incidentes de seguridad reales para proteger a los trabajadores, no por la llegada tardía de paquetes de datos o incluso paquetes de datos perdidos en su canal de comunicación”, explica.

Con una red privada 5G URLLC y el software adecuado, los sensores montados en el portaherramientas podrían permitir que los CNC reaccionen cuando el husillo gira.

Otras aplicaciones en el campus europeo involucran vehículos guiados automatizados (AGV) de manejo de materiales diseñados para mezclarse libremente con el tráfico humano. Las conexiones confiables en tiempo real a los sensores LIDAR (detección de luz y rango) en las intersecciones, y entre sí, brindan a estos sistemas un nivel de “inteligencia” que les permite moverse y reaccionar más rápido en varias pruebas de “cruce seguro”.

Igual de notable es el hecho de que una flota completa de estos AGV puede ejecutarse junto con otras aplicaciones 5G en la misma fábrica, todas en la misma red. Esto es factible gracias a otras dos ventajas clave de 5G: capacidad bruta para admitir más dispositivos, y dividir la red en subsecciones con ancho de banda dedicado a aplicaciones específicas.

5G en el mecanizado CNC

Una tarea común en el mecanizado CNC es calcular e ingresar compensaciones: ajustes de parámetros realizados para garantizar que la máquina-herramienta CNC tenga en cuenta la longitud del portaherramientas, la desalineación y el desgaste de la herramienta al determinar la ubicación del filo de corte en relación con el resto de la zona de trabajo.

Incluso si la tarea se puede automatizar, el avance del desgaste de la herramienta inevitablemente se refleja en los resultados del mecanizado antes de que pueda detectarse y corregirse con una nueva compensación. Sin embargo, Fraunhofer y Ericsson han demostrado que no tiene por qué ser así. Con una red privada 5G URLLC y el software adecuado, los sensores montados en el portaherramientas podrían permitir que los CNC reaccionen a medida que el husillo gira.

Específicamente, los investigadores utilizaron sensores de emisión acústica (AE) habilitados para 5G con el fin de medir la frecuencia de las ondas sonoras (generadas por la deformación del material) que irradian hacia arriba a través del sujetador desde la zona de corte. El análisis constante del flujo de datos permite detectar picos en la lectura que indican la rotura de la herramienta y devolver los datos al CNC. Los investigadores señalan que esta capacidad puede ser particularmente útil con brocas pequeñas y herramientas de fresado.

Los datos del sensor de emisión acústica podrían incluso usarse para rastrear el desgaste de la herramienta y corregir los parámetros del proceso antes de la rotura. Sin embargo, correlacionar constantemente la condición actual de una herramienta de corte específica con una “huella digital” específica en el espectro de emisión acústica es una tarea difícil, posiblemente adecuada para el aprendizaje de máquina, porque la huella digital es muy específica de la aplicación.

La geometría del filo de corte, el material de la pieza de trabajo y los parámetros del proceso afectan la lectura del sensor. “Lo hemos usado en un proceso de perforación simple hasta ahora, pero nos enfocamos en el desarrollo del sensor y aún no tenemos pruebas extensas ni recopilación de datos —dijo Niels König, del Instituto Fraunhofer, por correo electrónico—. Esto es parte de los próximos pasos”.

No hay rival para la velocidad, flexibilidad o confiabilidad de 5G, todo lo cual ayudará a difundir nuevas aplicaciones más allá de las exposiciones comerciales y los laboratorios.

Cualquiera que sea el resultado de una mayor investigación, las oportunidades para los sensores 5G de emisión acústica en el mecanizado CNC incluyen más que la supervisión de roturas y desgaste de herramientas. Según los investigadores, la detección de contacto con el material podría proporcionar un medio alternativo de control de colisiones con el husillo.

Los sensores de emisión acústica también pueden aportar una nueva opción para detectar faltas de homogeneidad en el material de la pieza de trabajo en función de los cambios en las condiciones de corte. Otra aplicación potencial es el “control de brechas”: la práctica de ralentizar la herramienta en el enfoque para compensar cualquier “brecha” entre las condiciones de corte del mundo real y las condiciones ideales que asume la planificación del proceso.

Otro proyecto de Fraunhofer implicó el montaje de sensores 5G directamente en la pieza de trabajo. En este caso, los investigadores utilizaron acelerómetros para monitorear la vibración con ruido (una forma autoinducida de vibración en el mecanizado) durante las operaciones de fresado de cinco ejes de discos con álabes (rodetes) para turbinas. La idea era identificar con mayor rapidez los mejores parámetros para un proceso que puede tomar más de veinte horas por pieza de trabajo y representar la mitad del costo de producción de un rodete. El 5G lo entregó y mostró potencial para reducir las tasas promedio de reprocesos de los rodetes, del 25 al 15 %. “No se pueden obtener estos datos de la máquina o del sistema de control —dice Thuelig—. Debes tener sensores en la pieza de trabajo”.

Conectando los puntos

Los sensores 5G no necesitan limitarse a sensores de emisión acústica y acelerómetros. Por ejemplo, los sensores de fuerza de corte de tres grados de libertad podrían ayudar a prevenir la desviación de la herramienta. Los sensores de posición podrían evitar errores de sujeción de la pieza de trabajo, mientras que los sensores térmicos podrían ayudar a prevenir el sobrecalentamiento de los elementos de la máquina.

Los sensores de deformación podrían alertar sobre niveles de fuerza que causarían la deformación del eje. Los sensores en las máquinas-herramienta y otros equipos podrían facilitar el monitoreo de condición y el mantenimiento predictivo. Agregar sensores proporcionaría a los brazos robóticos una nueva capacidad para interpretar y reaccionar al entorno circundante al aprovechar la inteligencia artificial (IA) basada en la nube o en el edge.

La infraestructura subyacente para todas estas aplicaciones sería esencialmente la misma que la tecnología de la generación anterior (de hecho, 5G está diseñado para coexistir con 4G/LTE). En el sistema Radio Dot, de Ericsson, los datos fluyen desde los sensores del piso del taller hasta las pequeñas antenas en forma de disco en el techo (los “puntos”) y luego hacia adelante (a través de un cable de fibra óptica) a la estación base y la red más amplia del taller.

En el caso de los sensores de emisión acústica montados en el portaherramientas, los datos regresan a la estación de trabajo donde se recopilaron para el procesamiento edge en el sistema de monitoreo Genior Modular (GEM), de Marposs Monitoring Solutions.

Este sistema se enlaza directamente con la máquina-herramienta mediante conexiones de bus de campo. También se vincula a una PC separada que proporciona la interfaz hombre-máquina para rastrear el proceso y almacenar los datos para un análisis posterior.

Sin embargo, la documentación de Fraunhofer señala que escalar el sistema probablemente sería más fácil con una versión virtualizada del sistema de monitoreo GEM, es decir, solo el componente de software, basado en una nube de fábrica privada, con “puertas de enlace” de hardware que proporcionan la conexión directa a las máquinas-herramienta.

Otras aplicaciones en la nube podrían dedicarse a cualquier cosa, desde métricas de estado del equipo hasta información de orientación para una flota de vehículos guiados automatizados. En esta macroescala, 5G se vuelve útil no solo para la automatización de la producción, sino también para la logística de producción.

Por ejemplo, Theulig señala que muchos sensores 5G que intercambian datos de manera confiable en la misma red, sin degradación en el rendimiento, podrían permitirle a un fabricante crear un verdadero gemelo digital de su proceso (es decir, lo virtual cambia junto con la realidad) para empoderar a los gerentes de taller y los sistemas de gestión. “¿Qué máquina corre el riesgo de estar inactiva por repuestos? —pregunta hipotéticamente—. ¿Qué estación de ensamblaje corre el riesgo de ser superada? ¿Qué va a pasar a continuación, en horas, días o semanas?”.

Hacia la preparación del taller para el 5G

Parte del obstáculo para hacer que el 5G sea práctico en el monitoreo del proceso de mecanizado en tiempo real está relacionado con el hardware, dice Thuelig. Los sensores y acelerómetros de emisión acústica en Fraunhofer IPT se configuraron para la investigación del instituto.

Cada sensor, a su vez, está conectado a un enrutador equipado con un módem 5G. Sin embargo, se investiga el desarrollo de plataformas multisensor que integren acelerómetros, giroscopios, micrófonos, sensores de temperatura y humedad, así como toda la electrónica necesaria, en un solo dispositivo compacto. Esto presenta desafíos de miniaturización que los socios fabricantes de dispositivos de Ericsson trabajan arduamente para resolver, dice él.

Mientras tanto, los estándares 5G avanzan. La última actualización, que incluye funciones críticas para las redes URLLC, se presentó a principios de 2020. También avanzan las densas redes de infraestructura de cable necesarias para respaldar las redes públicas 5G que podrían usarse para coordinarse con otras empresas y unidades comerciales.

Las predicciones sobre el futuro pueden ser impresionantes, pero es imposible ignorar el potencial de la 5G para la manufactura. Otras aplicaciones que se exploran incluyen el uso de gafas o auriculares computarizados para facilitar el entrenamiento complementado con realidad aumentada.

 Estos dispositivos conectados también podrían emplearse para diagnosticar componentes equipados con sensores dentro del equipo, o para hacer prácticas las visitas a las instalaciones desde fuera del sitio (o incluso algo más complicado, como una caminata Gemba). Las máquinas-herramienta pueden, incluso, ser atendidas por brazos robóticos que se mueven de una máquina a otra por sí mismos.

De hecho, los fabricantes de máquinas-herramienta ya trabajan en esto. Por ejemplo, el estand de Makino en la EMO de 2019 presentó el iAssist, un AGV con un robot colaborativo inalámbrico en la parte superior, que movía automáticamente las herramientas y piezas de trabajo según fuera necesario entre los equipos de prealistamiento y mecanizado en una celda simulada. Dichas aplicaciones no necesariamente requieren 5G; de hecho, esta demostración debutó en EMO 2017.

Sin embargo, no hay rival para la velocidad, flexibilidad o confiabilidad de 5G, todo lo cual puede ayudar a difundir esta y otras aplicaciones nuevas, más allá de las exposiciones y los laboratorios.