Automação, robótica e a fábrica do futuro

Por Jonathan Tilley

Tecnologias mais baratas, mais capazes e mais flexíveis estão acelerando o crescimento de unidades de produção totalmente automatizadas. O principal desafio para as empresas será decidir qual a melhor maneira de usufruir o poder dessas tecnologias.

Em uma fábrica da Fanuc em Oshino, no Japão, robôs industriais produzem robôs industriais, supervisionados por uma equipe de apenas quatro funcionários por turno. Em uma fábrica da Philips que produz barbeadores elétricos na Holanda, os robôs ultrapassam os nove funcionários de produção em uma proporção de mais de 14 para 1. Em 2013, a fabricante de câmeras Canon começou a eliminar progressivamente o trabalho humano em várias de suas fábricas.

Esse conceito de produção com as “luzes apagadas” - no qual as atividades de manufatura e os fluxos de materiais são tratados de forma totalmente automatizada - está se tornando uma característica cada vez mais comum da manufatura moderna. Em parte, a nova onda de automação será impulsionada pelas mesmas coisas que levaram inicialmente a robótica e a automação ao local de trabalho: livrar trabalhadores humanos de trabalhos insalubres, tediosos ou perigosos; melhorar a qualidade, eliminando erros e reduzindo a variabilidade dos processos; e cortar custos de fabricação, substituindo pessoas cada vez mais caras por máquinas cada vez mais baratas. Entretanto, os sistemas de automação mais avançados da atualidade dispõem de recursos adicionais que possibilitam seu uso em ambientes que antes não eram adequados para esses métodos e que permitem a captura de fontes de valor totalmente novas na manufatura.

Preços dos robôs em queda

À medida que a produção de robôs aumentou, os custos caíram. Nos últimos 30 anos, o preço médio dos robôs foi reduzido pela metade em termos reais, e ainda mais em relação aos custos de mão de obra (Quadro 1). Como a demanda das economias emergentes incentiva que a fabricação de robôs seja deslocada para regiões com custos mais baixos, provavelmente essas máquinas se tornarão ainda mais baratas.

Automation, robotics, and the factory of the future

Talento acessível

Também está se tornando mais fácil encontrar pessoas com as habilidades necessárias para projetar, instalar, operar e manter sistemas robóticos de produção. No passado, engenheiros especializados em robótica eram profissionais raros e caros. Hoje, esses assuntos são amplamente ensinados em escolas e faculdades em todo o mundo, em cursos especialmente dedicados a essas disciplinas ou como parte de uma formação mais geral sobre tecnologias de manufatura ou projeto de engenharia para manufatura. A disponibilidade de softwares, tais como pacotes de simulação e sistemas de programação off-line que podem testar aplicativos robóticos, reduziu o tempo e os riscos de engenharia. Além disso, a tarefa de programar robôs ficou mais fácil e mais barata.

Facilidade de integração

Os progressos no poder da informática, nas técnicas de desenvolvimento de software e nas tecnologias de rede tornaram a montagem, instalação e manutenção de robôs mais rápidas e menos dispendiosas. No passado, por exemplo, sensores e atuadores tinham de ser conectados individualmente a controladores de robôs com uma fiação dedicada por meio de racks para cabeamento, conectores e caixas de junção, mas agora, a tecnologia plug-and-play é usada, de forma que os componentes possam ser conectados usando uma fiação de rede mais simples. Os componentes se identificam automaticamente ao sistema de controle, reduzindo bastante o tempo de configuração. Esses sensores e atuadores também podem fazer um automonitoramento e informar seu status ao sistema de controle, para auxiliar no controle do processo e coletar dados para manutenção, e também para fins de melhoria contínua e resolução de problemas. De forma semelhante, outras normas e tecnologias de rede facilitam a conexão de robôs a sistemas de produção mais amplos.

Novos recursos

Os robôs também estão ficando mais inteligentes. Enquanto os primeiros robôs seguiam cegamente o mesmo caminho e as iterações posteriores usavam lasers ou sistemas de visão para detectar a orientação de peças e materiais, as gerações mais recentes de robôs são capazes de integrar as informações obtidas de vários sensores e adaptar seus movimentos em tempo real. Isso permite que eles, por exemplo, usem retroalimentação de força para imitar as habilidades de um trabalhador especializado em aplicações de moagem, rebarbação ou polimento. Os robôs também podem utilizar uma tecnologia computacional mais poderosa para analisar grandes quantidades de dados (big data). Por exemplo, eles podem usar análise espectral para verificar a qualidade de uma solda enquanto o trabalho está sendo feito, reduzindo drasticamente a quantidade necessária de inspeção após a fabricação.

Os robôs assumem novas funções

Atualmente, esses fatores estão ajudando a impulsionar a adoção do uso de robôs nos tipos de aplicações nos quais eles já se destacam: atividades de produção repetitivas e de grande volume. À medida que diminuem os custos e a complexidade de automatizar tarefas com robôs, provavelmente os tipos de empresas que já usam essa tecnologia vão usá-la ainda mais. Nos próximos cinco a dez anos, no entanto, esperamos uma mudança mais profunda nos tipos de tarefas que serão viáveis para os robôs, tanto do ponto de vista técnico quanto do econômico (Quadro 2). Alguns exemplos estão relacionados a seguir.

Automation, robotics, and the factory of the future

Produção de baixo volume

A flexibilidade inerente de um dispositivo que pode ser programado de forma rápida e fácil diminuirá bastante o número de vezes que um robô precisa repetir uma determinada tarefa para justificar os custos de compra e comissionamento. Isso reduzirá o volume mínimo de produção e fará com que os robôs se tornem uma opção econômica para tarefas de nichos específicos, nas quais os volumes anuais de produção são medidos em dezenas ou centenas, em vez de milhares ou centenas de milhares. Isso também tornará os robôs atraentes para empresas que trabalham com lotes pequenos e uma variedade significativa de produtos. Por exemplo, os produtos que operam em trilhos flexíveis, utilizados atualmente no setor aeroespacial, podem se mover em uma fuselagem usando sistema de visão para direcionar seu trabalho. A economia de custos proporcionada por esse modelo de automação de baixo volume beneficiará muitos tipos diferentes de organizações: pela primeira vez, pequenas empresas poderão ter acesso à tecnologia robótica e as maiores poderão aumentar a variedade de ofertas de produtos.

Provavelmente, novas tecnologias irão simplificar ainda mais a programação de robôs. Atualmente já é comum ensinar robôs a realizar tarefas fazendo com que executem uma série de movimentos, mas o rápido avanço da tecnologia de reconhecimento de voz fará, por exemplo, com que em breve também seja possível dar instruções verbais a eles.

Tarefas extremamente variáveis

Avanços na inteligência artificial e na tecnologia em sensores permitirão que os robôs lidem com um grau muito maior de variabilidade entre tarefas. A capacidade de adaptar suas ações em resposta a mudanças no ambiente criará oportunidades para automação em áreas como o processamento de produtos agrícolas, onde há uma variabilidade significativa entre as peças. No Japão, testes já demonstraram que os robôs podem reduzir o tempo necessário para a colheita de morangos em até 40%, usando um sistema estereoscópico de imagem para identificar a localização das frutas e avaliar seu grau de maturação.

Esses mesmos recursos também irão impulsionar a melhoria da qualidade em todos os setores. Os robôs poderão compensar possíveis problemas de qualidade durante a fabricação. Entre os exemplos, estão a alteração da força usada para montar duas peças com base nas diferenças dimensionais entre elas ou a seleção e combinação de componentes de diferentes tamanhos para obter as dimensões finais corretas.

Os dados gerados por robôs e as técnicas avançadas de análise para usá-los da melhor maneira também serão úteis para entender as alavancas subjacentes de qualidade. Se for identificada uma associação entre exigências de torque maiores do que o normal durante a montagem e falhas prematuras do produto em campo, por exemplo, os processos de manufatura podem ser adaptados para detectar e corrigir tais problemas durante a produção.

Tarefas Complexas

Hoje, os robôs de uso geral podem controlar seus movimentos em até 0,1 milímetro, mas algumas configurações atuais têm uma precisão repetível de 0,02 milímetro. Provavelmente, as próximas gerações oferecerão níveis ainda mais altos de exatidão. Tais recursos permitirão que eles participem de tarefas cada vez mais delicadas, como passar linhas por buracos de agulhas ou montar dispositivos eletrônicos altamente sofisticados. Os robôs também estão se tornando mais bem coordenados, com a assistência de controladores que podem, simultaneamente, conduzir dezenas de eixos, permitindo que vários robôs trabalhem juntos na mesma tarefa.

Por fim, as tecnologias avançadas de sensores e a potência computacional necessária para analisar os dados desses sensores permitirão que os robôs realizem tarefas que antes exigiam profissionais altamente qualificados, como a lapidação de pedras preciosas. As mesmas tecnologias podem até mesmo permitir atividades que hoje não podem ser feitas, como, por exemplo, o ajuste da espessura ou a composição dos revestimentos em tempo real conforme são aplicados para compensar desvios no material subjacente, ou a “pintura” de circuitos eletrônicos na superfície de estruturas.

Trabalho lado a lado com as pessoas

As empresas também terão muito mais liberdade para decidir quais tarefas devem ser automatizadas com o uso de robôs e quais devem ser realizadas manualmente. Graças a sistemas de segurança avançados, os robôs podem assumir novas posições ao lado de seus colegas de trabalho humanos. Se os sensores indicarem o risco de uma colisão com um operador, o robô irá desacelerar automaticamente ou alterar seu caminho para evitar o acidente. Essa tecnologia permite o uso de robôs para tarefas individuais em linhas de montagem manuais. Além disso, a remoção de cercas de segurança e intertravamentos resulta na redução de custos – uma vantagem para empresas menores. A capacidade de colocar robôs e pessoas lado a lado e realocar tarefas entre elas também contribui para aumentar a produtividade, uma vez que permite às empresas reequilibrar as linhas de produção de acordo com as flutuações da demanda.

Os robôs que podem operar com segurança perto de pessoas também abrirão o caminho para aplicações da robótica longe do chão de fábrica, que é um ambiente rigidamente controlado. Os varejistas da internet e empresas de logística já estão adotando formas de automação robótica em seus armazéns. Imagine os ganhos em produtividade para uma transportadora se um robô, a bordo do veículo, puder fazer uma organização prévia dos pacotes entre os pontos de entrega.

Sistemas ágeis de produção

Os sistemas de automação estão se tornando cada vez mais flexíveis e inteligentes, adaptando seu comportamento de forma automática para maximizar a produção ou minimizar o custo por unidade de produto. Sistemas especializados utilizados em linhas de envase e embalagem de bebidas podem ajustar automaticamente a velocidade de toda a linha de produção para adequar-se a qualquer atividade que tenha sido identificada como a restrição crítica para um determinado lote. Na produção automotiva, sistemas especializados podem fazer pequenos ajustes na velocidade da linha para melhorar o equilíbrio geral das linhas individuais e maximizar a eficácia de todo o sistema de manufatura.

Embora a grande maioria dos robôs utilizados atualmente ainda opere em aplicações de produção de alta velocidade e alto volume, os sistemas mais avançados podem fazer ajustes durante o funcionamento, alternando perfeitamente entre tipos de produtos sem a necessidade de parar a linha para alterar programas ou reconfigurar ferramentas. Muitas tecnologias de produção atuais e emergentes, desde o corte com Controle Numérico Computadorizado (CNC) até a impressão 3D, permitem que a geometria do componente seja ajustada sem a necessidade de troca de ferramentas, possibilitando a produção em lotes de apenas um item. Um fabricante de componentes industriais, por exemplo, utiliza comunicação em tempo real feita por meio de etiquetas de Identificação por Radiofrequência (RFID) para ajustar os formatos dos componentes de acordo com as exigências de diferentes modelos.

Com a substituição de esteiras transportadoras fixas por veículos guiados automatizados (AGVs), as fábricas podem facilmente reconfigurar o fluxo de produtos e componentes entre diferentes estações de trabalho, permitindo que sequências de fabricação com etapas de processo totalmente diferentes sejam realizadas de forma completamente automatizada. Esse tipo de flexibilidade oferece uma série de benefícios: possibilita prazos de entrega menores e um elo mais estreito entre a oferta e a demanda, acelerando a introdução de novos produtos e simplificando a fabricação de produtos altamente personalizados.

Tomando as decisões certas sobre automação

Com tanto potencial tecnológico a seu alcance, como as empresas decidem sobre a melhor estratégia de automação? Pode ser muito fácil se deixar levar pela automação por si só, mas essa abordagem quase sempre resulta em projetos que custam muito, levam muito tempo para serem implementados e não cumprem seus objetivos de negócios.

Uma estratégia de automação bem-sucedida exige boas decisões em diversos níveis. As empresas devem escolher quais atividades serão automatizadas, qual nível de automação deve ser usado (de simples controladores lógicos programáveis até robôs altamente sofisticados guiados por sensores e algoritmos adaptativos inteligentes) e quais tecnologias devem ser adotadas. Em cada um desses níveis, as empresas devem garantir que seus planos atendam aos seguintes critérios:

A estratégia de automação deve estar alinhada aos negócios e à estratégia de operações. Como mencionamos acima, a automação pode atingir quatro objetivos principais: maior segurança para o trabalhador, redução de custos, melhoria da qualidade e aumento da flexibilidade. Quando bem feita, a automação pode proporcionar melhorias em todas essas áreas, mas o equilíbrio dos benefícios pode variar com diferentes tecnologias e abordagens. O equilíbrio certo para qualquer organização dependerá de sua estratégia geral de operações e de seus objetivos de negócios.

Os programas de automação devem começar com uma articulação clara do problema. Também é importante expressar os motivos que fazem da automação a solução correta. Todo projeto deve ser capaz de identificar onde e como a automação pode oferecer melhorias e mostrar como tais melhorias se vinculam à estratégia geral da empresa.

A automação deve mostrar um claro retorno do investimento. As empresas, especialmente as de grande porte, devem tomar cuidado para não especificar demais, complicar demais, nem gastar demais nos investimentos em automação. A escolha do nível certo de complexidade para atender às necessidades atuais e de um futuro próximo requer um profundo entendimento dos processos e sistemas de manufatura da organização.

Plataforma e integração

As empresas enfrentam uma pressão crescente para maximizar o retorno de seus investimentos de capital e reduzir o tempo necessário para conduzir novos produtos desde o projeto até a produção em escala total. O desenvolvimento de sistemas de automação adequados apenas para uma única linha de produtos é uma prática contrária a esses dois objetivos, exigindo ciclos repetidos, demorados e caros de projeto, aquisição e comissionamento de equipamentos. Uma abordagem mais apropriada é o uso de sistemas de produção, células, linhas e fábricas que possam ser facilmente modificados e adaptados.

Assim como as estratégias de plataforma e modularização simplificaram e reduziram o custo da gestão de carteiras de produtos complexos, uma abordagem de plataforma se tornará cada vez mais importante para os fabricantes que buscam maximizar a flexibilidade e as economias de escala em suas estratégias de automação.

Plataformas de processos – assim como um braço robótico equipado com uma pistola de solda, fonte de alimentação e componentes eletrônicos de controle - podem ser padronizadas, aplicadas e reutilizadas em diversas aplicações, simplificando a programação, a manutenção e o suporte ao produto.

Os sistemas de automação também precisarão estar fortemente integrados aos outros sistemas da organização. Tal integração começa com a comunicação entre as máquinas no chão de fábrica, uma tarefa que se torna mais simples com o uso de modernas tecnologias de redes industriais. Porém, a integração também deve se estender para a organização como um todo. A integração direta com sistemas de Projeto Assistido por Computador, Engenharia Integrada por Computador e Planejamento de Recursos Empresariais irá agilizar o projeto e a implantação de novas configurações de fabricação, além de permitir que sistemas flexíveis respondam em tempo quase real a mudanças na demanda ou na disponibilidade de material. Dados sobre as variáveis de processo e desempenho de fabricação que estejam fluindo em outra direção serão registrados para fins de garantia de qualidade e usados para embasar melhorias de design e futuras gerações de produtos.

A integração também irá continuar fora da fábrica. As empresas não exigirão apenas uma estreita colaboração e uma contínua troca de informações com clientes e fornecedores; elas também precisarão desenvolver relacionamentos com os fabricantes de equipamentos de processamento, que cada vez mais irão deter muito do know-how e da propriedade intelectual necessários para que os sistemas de automação funcionem de forma ideal. A tecnologia exigida para permitir essa integração está se tornando cada vez mais acessível, graças à disponibilidade de arquiteturas abertas e protocolos de rede. Porém, para equilibrar custos, benefícios e riscos, serão necessárias mudanças na cultura, nos processos de gestão e nas mentalidades.


Sistemas de automação mais baratos, mais inteligentes e mais adaptáveis já estão transformando a manufatura de muitas formas diferentes. A implementação da tecnologia se tornará um processo mais simples, mas a tomada de decisões de negócios não será. Para captar o valor total das oportunidades apresentadas por esses novos sistemas, as empresas precisarão adotar uma abordagem holística e sistemática, alinhando estreitamente sua estratégia de automação às necessidades atuais e futuras do negócio.

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