Wspomaganie procesów produkcyjnych w przemyśle 4.0 technikami poszerzonej rzeczywistości

Przemysł w sposób niemal ciągły przechodzi kolejne ewolucje, które niosą ze sobą wiele wyzwań i możliwości. Czwarta rewolucja przemysłowa, znana również jako Przemysł 4.0, to także rozwój systemów przetwarzania i wymiany danych, zaawansowanych systemów wizualizacji w tym technologii immersyjnych (poszerzonej rzeczywistości – ang. Augmented Reality, AR oraz wirtualnej rzeczywistości – ang. Virtual Reality, VR) jak również elastycznych systemów produkcyjnych, które mają na celu usprawnienie interakcji między człowiekiem a maszyną (Human-Machine Interface, HMI) oraz zwiększenie elastyczności procesów produkcyjnych (ang. Flexible Manufacturing Systems, FMS).

Poszerzona rzeczywistość

W kontekście Przemysłu 4.0 poszerzona rzeczywistość odnosi się do szeregu technologii, które pozwalają łączyć świat rzeczywisty z wirtualnym, dostarczając użytkownikom danych i informacji o znaczeniu przemysłowym w czasie rzeczywistym [1]. Dziś AR to technologie, które syntezują elementy wirtualne z rzeczywistym środowiskiem. Umożliwiają pracownikom korzystanie z informacji, wskazówek i danych, wiedzy w czasie rzeczywistym poprzez wyświetlanie ich na urządzeniach takich jak wyświetlacze HMD (ang. Head Mounted Display) lub urządzeniach mobilnych (smartfony i tablety), co przyczynia się do usprawnienia procesów produkcyjnych i podnoszenia efektywności pracy.

W odróżnieniu od technologii wirtualnej rzeczywistości w systemach AR wszelkie informacje dostarczane dla użytkownika są prezentowane w jego rzeczywistym otoczeniu, a nie w wirtualnym, tj. komputerowo generowanym otoczeniu. Użytkownik może zatem wykonywać normalne czynności w swoim rzeczywistym środowisku. System AR tylko go wspomaga zgromadzonymi w odpowiednich repozytoriach danymi i informacjami. Dane i informacje mogą być reprezentowane w różnorodnej postaci: od informacji tekstowych, po obrazy i grafiki 2D, aż po złożone modele 3D.

Technologia AR – historia

Historia zastosowania technologii AR w przemyśle sięga roku 1990. Wtedy firma Boeing wprowadziła innowacyjne zastosowanie AR do układania wiązek przewodów w procesie montażu samolotów (rys. 1) [2]. Dzięki wykorzystaniu AR, pracownicy otrzymywali wskazówki dotyczące lokalizacji i połączeń skomplikowanych instalacji a także wiązek przewodów bez konieczności korzystania z tradycyjnych, czasochłonnych metod. Technologia AR pozwalała na wyświetlanie ścieżek. Wskazywała w ten sposób miejsca w których mają być precyzyjnie układane wiązki i przewody w samolotach.  Układanie wiązek przy użyciu AR było bardziej efektywne czasowo i skuteczne, przyczyniając się do zwiększenia wydajności produkcji samolotów.

Była to też metoda, która istotnie ograniczała ryzyko popełnienia błędu na etapie produkcji. Działanie systemu AR bazowało na użyciu danych z procesu projektowania w etapie wytwarzania. Technicy odpowiedzialni za procesy montażu realizowali je zgodnie z zamysłem projektantów.  Ta innowacyjna metoda zastosowania AR w układaniu wiązek przewodów była kamieniem milowym w rozwijaniu technologii w przemyśle lotniczym.

Zastosowanie technologii AR

W późniejszych latach także w innych branżach przemysłu zaczęto stosować proste systemy AR do wspomagania procesów produkcyjnych i obsługowych. Przykładem są systemy ARVIKA [3] i STARGATE [5]. Przykłady zastosowania systemu ARVIKA obejmują pomoc w procesie projektowania instalacji fabrycznych, konserwacji i naprawach śmigłowców jak również obsłudze i naprawach otwieranych dachów samochodów marki BMW. System STARGATE służył podobnie jak ARVIKA do wspomagania użytkowników podczas montażu, demontażu oraz konserwacji skomplikowanych urządzeń technicznych, głównie silników odrzutowych. Wskazywał on użytkownikowi kolejne kroki, elementy oraz narzędzia biorące udział w procesach produkcyjnych czy później związanych z utrzymaniem ruchu.

Dziś w praktyce przemysłowej ciężko wyobrazić sobie sprawne procesy opracowania środków technicznych i później ich utrzymania w sprawności bez skutecznego transferu danych i informacji między różnymi interesariuszami w fazach od przedprodukcyjnych, aż do tych poprodukcyjnych. Ograniczenia w tej dziedzinie prowadzą często do utrudnienia wprowadzania nowych wariantów produktów na rynek, a potem serwisowania tak licznych wariantów danego środka technicznego (maszyny czy urządzenia). Aby sprostać tym wyzwaniom, technologia poszerzonej rzeczywistości (AR) wyłoniła się jako obiecująca metoda wspomagająca transfer danych i informacji pomiędzy kluczowymi etapami życia środków technicznych: projektowania, wytwarzania (w tym w ramach procesów montażowych), a następnie, utrzymania w sprawności i serwisowania.

Nowoczesne systemy AR

Przykładem nowoczesnego a także innowacyjnego rozwiązania wspomagania procesów przemysłowych jest system ARKITE [6], który bazuje na rzeczywistości poszerzonej i projekcji danych i informacji bezpośrednio na stanowisku pracy użytkownika. System ten dokonuje efektywnej prezentacji instrukcji w ramach procesów produkcyjnych (głównie montażu według zasady krok po kroku), informując operatora o kolejnych etapach procesu i ostrzegając go przed ewentualnymi błędami. W najbardziej zaawansowanym wariancie systemu (wariant ARKITE Validate) dokonywać można walidacji poprawności wykonanych przez użytkownika czynności. Dzięki temu unika się kosztownych pomyłek i minimalizuje się straty materiałowe.

System ten jako przemysłowy demonstrator technologii wdrożono w Centrum Przemysłu 4.0 Politechniki Śląskiej we współpracy z firmą Despol Techniki Montażowe jak również ARKITE NV. Demonstracyjne stanowisko pracy powstało w ramach projektu Project Based Learning (PBL) pn. “Projekt, budowa i uruchomienie stanowiska testowania operacji produkcyjnych wspomaganych technikami poszerzonej rzeczywistości”. Dla swoich aplikacji przemysłowych także wiele firm (m.in. Volvo Cars Gent, Atlas Copco, Webasto, Benteler, Alro) zdecydowało się na wdrożenie technologii AR do wspomagania procesów produkcyjnych [6].