Titre : L'apport des VGA en industrie 4.0

De nos jours il est hors de question de parler de la production de masse, reproduire le même produit plusieurs fois est du passé. Le client ne souhaite en aucun cas voir le produit qu’il a acheté entrain de circuler partout où il va, la personnalisation des produits devient alors son premier argument d’achat. Mais qui dit personnalisation dit forcement production en petite série, ce qui dans l’organisation de production actuelle, engendre une hausse au niveau des prix. L’industrie 4.0 vient pour répondre à cette nouvelle exigence du client, en offrant la possibilité d’avoir des produits personnalisés tout en conservant les mêmes prix.

L’industrie du futur ou l’industrie 4.0, apporte une nouvelle vision sur la façon avec la quelle l’homme, la machine, le processus et le client interagissent. Les machines sont capables d’échanger des informations et de former des systèmes autonomes. Les progrès technologiques réalisés notamment en matière de cloud computing et de connectivité ont permis l’accélération de ce processus de transformation. Grâce à ces progrès industriels la production atteint une nouvelle dimension. Depuis l’invention de la machine à vapeur le progrès à passer des premiers convoyeurs et de l’automatisation croissante de la production au système moderne et interconnecté qu’on connait aujourd’hui. Machine, homme et procédés sont reliés entre eux et toutes les informations importantes sont traitées en temps réel.

La mise en pratique de cette nouvelle approche nécessite la gestion d’un large éventail de tâches et de compétences. Une des compétences clé est la maîtrise de la digitalisation du processus logistique au sein de l’entreprise (jumeau numérique). Parmi les activités logistiques les plus importantes dans l'entreprise est le processus d'approvisionnement. À l’heure actuelle, le processus d’approvisionnement utilise de plus en plus les différents systèmes automatisés, comme les véhicules à guidage automatique (VGA).Les VGA (AGV en anglais) sont des dispositifs essentiels pour réduire la pénibilité dans le travail et réduire les délais et la variabilité dans l’ensemble du processus de fabrication.

Historique des VGA

Les véhicules à guidage automatique ont fait apparition depuis les années cinquante. Toute l’histoire à commencer par un inventeur qui a mis au point une méthode permettant d’automatiser une dépanneuse embarquée utiliser dans cette époque dans les usines. À l’aide d’un fil électrique alimenté par un courant électrique, un champ magnétique est créé, des capteurs situés sur les dépanneuses permettaient la détection du champ et par conséquence d’arrêter le véhicule au bon endroit, ainsi le premier système de guide est né.

Les systèmes VGA existaient à ce niveau de technologie jusqu'au milieu des années soixante-dix. Le développement des systèmes électroniques de commandes a permis aux VGA d'accroître leur capacité et leur flexibilité. En conséquence, les applications ont explosé. Les véhicules pouvaient remorquer des charges dans des entrepôts, notamment la livraison des composants dans les chaînes de production, principalement au niveau des chaînes d’assemble dans le secteur automobile.

Aujourd'hui, la technologie à évoluer. Le principe de guidage à base de fil implanté dans le sol est toujours mis en application. Cependant, de nombreux autres systèmes de guidage sans fil ont apparu. Les véhicules sont maintenant équipés d'ordinateurs sophistiqués à bord pour communiquer, diriger et contrôler le système. De nouvelles configurations de véhicules ont également apparu.

Les systèmes de charge unitaire ont également été redéfinis à partir des générations précédentes. Plusieurs ponts de chargement, systèmes d’entraînement, montage sur mesure et chargement à la demande sont maintenant disponibles.

Les bénéfices d'un VGA

Les VGA sont des véhicules automatisés dédiés principalement aux opérations de manutention et les tâches répétitives à non-valeur ajoutée. Il existe plusieurs types d’VGA en industrie, leur architecture et outils de travail changent selon l’application et l’environnement de travail. Ces véhicules permettent d’augmenter le rendement de la logistique interne de l’entreprise et de visualiser le flux de matières tout en optimisant les coûts, les délais, l’espace et l’énergie.

D’un point de vue lean-manufacturing et excellence opérationnelle les VGA peuvent s’avérer indispensables pour l’optimisation du processus, l’VGA peut par exemple être un excellent moyen de manutention dans un système E-KANBAN, l’approvisionnement se fera automatiquement au moment voulu, le temps du déplacement de l’VGA étant fiable et connu à l’avance garanti l’efficacité du système. Comme bénéfices, les stocks et les encours sont réduits au minimum tout en assurant un approvisionnement efficace et optimisé en temps et en quantité de composants nécessaires à la production, en d’autre terme faire un approvisionnement juste-à-temps.

Les champs d’application de cette technologie sont multiples, et ce grâce à leur flexibilité mais également grâce aux normes appliquées dans les domaines de la logistique notamment en terme de taille de palettes de manutention (palette européenne par exemple). On peut trouver ces véhicules dans les secteurs de la logistique, l’automobile, l’aéronautique, pharmaceutique…

En industrie 4.0 les VGA peuvent prendre une nouvelle dimension grâce à la connectivité et l’IOT. Les capteurs installés tout au long de la chaîne de fabrication et sur le véhicule permettent de remonter les informations en temps réel. Cette connectivité permet l’interaction entre homme-machine (cobotique) et machine-machine. L’VGA dans cette optique n’est plus un simple organe préprogrammé mais devient un organe intelligent, flexible et agile, il peut à la fois collaborer avec un opérateur de production mais également collaborer avec un robot via une transmission de donnée (type Sigfox par exemple). Il pourra également être connecté avec les automates de l’entreprise et avec les systèmes de gestion de l’entreprise (ERP). En termes de fonctionnalités l’VGA connecté peut intégrer une maintenance prédictive, en analysant en permanent les données relatives au fonctionnement du véhicule et grâce aux algorithmes de l’intelligence artificielle intégrés, le véhicule peut d’une façon autonome, prédire une défaillance et renvoyer en conséquence une alerte à la maintenance, permettant des interventions plus efficaces tout en réduisant les temps d’intervention et d’immobilisation du véhicule. Ainsi en termes des coûts de la maintenance ceci permet une réduction considérable vue que l’entretien du véhicule ne se base plus sur du préventif systématique (changer les pièces sur intervalle de temps prédéfinie MTBF), mais plutôt sur une surveillance des signaux.

Autre enjeu stratégique pour l’entreprise auquel l’VGA peut apporter des solutions est la gestion et l’optimisation des stocks. En effet la maîtrise des stocks est indispensable pour une efficacité opérationnelle, dans la majeure partie des cas la mauvaise gestion du stock vient d’un manque d’information. L’VGA à l’aide de l’IA, permet d’optimiser le stock et de prioriser les actions en fonction de l’état de ce dernier. Il peut également envoyer des alertes dans le cas d’une pénurie de matière première.

Les VGA et le E-commerce

Depuis l'arrivée sur le marché du premier véhicule à guidage automatique (AGV), les responsables logistiques se sont penchés de plus en plus vers l'automatisation afin d’améliorer l’efficacité de leur système de gestion du stock, notamment à travers l’optimisation des tâches telles que le transport, le stockage et le retrait des produits, la collecte et la palettisation.

Les AGV ont connu un réel développement au fil des années. Cependant l’explosion du e-commerce à augmenter la barre des demandes des responsables logistiques, ces derniers devient très exigent. Le cahier des charges d’un système de gestion d’entrepôt devient de plus en plus lourd. La technologie doit toutefois surmonter ses nouvelles contraintes et dépasser encore une fois ses limites.

L’entreprise chinoise Geek + spécialisée dans la fabrication d’VGA industriel nous démontre la force des VGA dans le e-commerce. Sur un entrepôt dans la ville Kunshan exploitant environ 120 VGA, ce dernier est capable de traiter plus de 100 000 commandes par jours avec un effectif ne dépassant pas les 20 salariés. Sans les VGA, ce travail aurait dû nécessiter jusqu'à 600 personnes pour le faire.

Contrairement aux AGV traditionnels qui suivent une trajectoire bidirectionnelle prédéterminée, les AGV destinés au e-commerce, nécessite d’être plus sophistiqués. La prochaine génération de véhicules robotisés devra intégrer plusieurs autres fonctionnalités notamment la collecte et l'emballage de petits articles toute en assurant la sécurité des produits manipulés. La flexibilité est un atout majeur, le VGA doit être multitâche, agile et connecté. Une fois qu'il a terminé sa tâche, par exemple, un système de gestion de niveau supérieur va lui attribuer automatiquement une autre tâche qui peut être dans un autre endroit.

Les VGA et la sécurité

Les véhicules à guidage automatique sont au cœur de la transformation digital et numérique ou ce qui communément appelé industrie 4.0, ces engins apportent des réponses concrètes aux problématiques liées à la santé et pénibilité notamment lorsque il s'agit des opérations de manutention. Ainsi d’un point de vue économique, permettent de réaliser des gains considérables en matière de temps perdu et de qualité de service notamment dans les secteurs de la logistique. Ce pendant qui dit automatisation dit risques.

Les véhicules à guidage automatique dans la majeure partie des applications en milieu industriel, évoluent dans des zones de déplacement partagées avec celles de l’humaine, les produits transportés peuvent être de toutes natures avec différents gammes de poids. Cette coexistence machine-homme, est soumise à une réglementation qui exige, dans tous les cas de figures à ce que la sécurité de l’homme prime sur tous les autres aspects. Tous les capteurs servant à prévenir les risques doivent être de type à sécurité positive.

Réglementation et normalisation

La réglementation de l’utilisation des chariots automoteurs à renter en vigueur depuis le 1^er janvier 1995, la directive n° 89/392/CEE dite directive « machine » est applicable aux véhicules à guidage automatique ayants une capacité inférieure à 10 tonnes. La directive 2006/42/CE est la dernière version de la directive machine. Le marquage CE sur la machine, garanti le respect de la directive.

Les systèmes de sécurité

La conception d’un système de contrôle de la sécurité, doit tenir compte du type d’application et des résultats de l’analyse du risque établi conformément à la norme EN 1050. En plus des alarmes sonores/lumineuses et les arrêts d'urgence classiques qui concernent généralement tous les types de machines automatisés, les VGA intègrent d'autres systèmes de sécurité active/passive. En industrie on trouve principalement deux types de systèmes de sécurité :

1- Les pare-chocs sensibles à la pression qui permettent d’émettre un signal d’arrêt dès qu’un objet rentre en contact avec eux. La force de contact lors d’une collision appelée force maximale admissible, elle doit être la plus faible possible. Un pare-choc sensible est caractérisé par un certain nombre de paramètres à savoir la surface sensible effective qui doit couvrir toute la largeur du véhicule et sa charge, la force d’actionnement qui ne doit pas dépasser 250N, la distance de surcourse, la distance d’actionnement et le nombre d’actionnements prévisibles dans l’environnement de fonctionnement.

2- Les capteurs de proximité qui permettent la détection d’un obstacle à une distance relativement proche. Ces capteurs sont généralement utilisés comme moyen auxiliaire avec les pare-chocs lors des applications nécessitants une grande vitesse de déplacement.

Plusieurs facteurs influent sur le choix d’un pare-choc sensible :

La vitesse de fonctionnement : c’est est la vitesse maximale de fonctionnement/exploitation de l’engin. Celle-ci est imposée par la cadence de travail, cependant elle peut être réduite selon le cas considéré.

La distance d’arrêt du véhicule : c’est la distance que parcours le véhicule après une demande d’arrêt transmis via un signal généré par les capteurs du véhicule. Cette donnée est primordiale, elle varie en fonction de la vitesse d’approche, du temps de réponse du système (processeur) et de l’efficacité du système de freinage. L’environnement de l’évolution du véhicule (en termes de nature du sol (glissance, planéité...) et de charge utile maximale du véhicule) doit être pris en considération, ainsi un coefficient de sécurité doit être appliqué afin de tenir compte de la dégradation des consommables (roues, freins…). Les incertitudes des mesures ainsi que la sensibilité des capteurs doivent au minimum satisfaire les exigences de le l’indice IP 54.

La procédure pour le choix d’un pare-choc sensible pour un VGA

1- La première donnée à déterminer est la vitesse du fonctionnement du véhicule.

2- La distance de sur-course doit être déterminée, pour cela des tests sont effectués dans les conditions les plus défavorables prévues pendant le fonctionnent du véhicule (vitesse de fonctionnement maximale, charge utile maximale, température, état du sol…). La distance maximale obtenue lors du test est considérée.

3- Le calcul de la force maximale admissible, celle-ci doit être la plus faible possible et strictement inférieur à 400N quel que soit le type du VGA.

4- Un diagramme de force-distance fournis par le constructeur, permet à l’utilisateur de choisir le type convenable de la protection qui permet de garantir la distance de sur-course exigée sans que la force maximale ne soit dépassée. Les paramètres du véhicule notamment la vitesse de fonctionnement et le système de freinage doivent être ajustés si toute fois l’utilisateur n’arrive pas à atteindre une vitesse de sur-course admissible.

Les systèmes de recharge

Il existe principalement 3 systèmes de recharge des VGA. Chaque système a ses avantages et inconvenants. Il est important de déterminer le temps de travail journalier du (des) VGA pour déterminer le type de recharge le plus adapté. En effet il est plus facile d’envisager un changement de batterie manuel pour un véhicule qui doit travailler 2 heures par jour (ceci est un exemple, un VGA travaillant 2h par jour serait sous-utilisé et donc surdimensionné) que pour un VGA qui fonctionne en continu pour une usine qui travail en 3/8.

Le premier type de rechargement de batterie est le plus économique. Il s’agit du système le moins automatisé et le plus simple à mettre en œuvre. Il s’agit d’un changement de batterie manuel. Le terme manuel est employé ici par contradiction avec le terme automatisé et ne doit pas être pris au sens littéral. En effet les batteries peuvent être si volumineuses qu’il faut un engin motorisé pour les monter dans l’appareil. Les constructeurs utilisant ses technologies, tendent à privilégier les petites batteries multiple affin de réduire les besoins de moyens de manutention sur ce genre de produits.

Le second type de recharge de batterie est appelé biberonnage. Cette technologie nécessite une communication entre le système de gestion de production assisté par ordinateur ou GPAO et le VGA. Le VGA se rend tout seul à une borne de rechargement et branche tous seul à celle-ci dès qu’il n’est pas occupé à travailler. Dès que le GPAO ou un opérateur lui indique qu’il doit travailler, la recharge s’arrête, le véhicule se débranche de sa base de chargement et va accomplir la mission qui lui a été confiée. Ce type de rechargement occupe entre 20 et 30% du temps du VGA, plus qu’avec un changement de batterie mais à l’avantage d’être complètement autonome et ne requière pas l’achat de batteries supplémentaires.

Le troisième type le plus courant de rechargement de véhicule automatisé et le rechargement par changement de batterie automatique. Cette approche requière un banc de changement de batterie robotisé qu’il faut prendre en compte lors de l’achat d’un VGA que l’on doit faire fonctionner de cette façon. Cette technique est la plus encombrante, la plus chère et la plus complexe mais elle est la plus rapide, ce qui veut dire que le temps de travail disponible du VGA est plus important. Cette technologie requière une usine 4.0 avec un système de GPAO communicant et une centrale de recharge robotisée intelligente (elle doit non seulement communiquer avec les véhicules pour connaitre leur emplacement et se préparer à les recevoir mais aussi ordonnancer les recharges de batteries pour augmenter leurs durées de vie.)

Intégration des VGA dans un procces industriel

Pour intégrer un ou plusieurs VGA dans une infrastructure industrielle, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs. En effet un VGA en surcharge et un VGA inefficace qui risque de pénaliser la production. Un VGA en sous charge ne sera pas rentabilisé aussi vite qu’un VGA moins performant mais moins cher. Un VGA incapable de se déplacer dans son environnement est inutile.

Les prix des VGA pouvant varier de quelques dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers d’euros l’unité, il est important d’étudier l’adéquation de l’offre et la demande industrielle qui se trouve derrière.

Il faut aussi se poser la question de l’infrastructure adaptée au robot ; de la même façon que dans un projet de maintenance on adapte le travail à l’homme, dans un projet de développement industriel, on développe l’infrastructure autour du processus.

La mission du VGA

La première chose à déterminer est le rôle du VGA dans le process. Le premier pas vers l’intégration d’une nouvelle technologie dans l’industrie 4.0 et de définir la mission que cette technologie va remplir.

Cette étape est celle qui va déterminer le type de VGA vers lequel l’entreprise va s’orienter ; VGA type tortue pour un travail de picking ou un VGA chariot élévateur automatique pour un travail en logistique par exemple.

Cette étape est également l’étape où l’on détermine les types d’accessoires pour le VGA. En effet, en fonction de la mission à accomplir dans le process, le VGA peut avoir besoin d’être équiper d’équipement spécifique à sa tâche. On peut penser à l’adjonction d’un aspirateur pour le cas d’un VGA que l’on destine au nettoyage.

Il est également possible à ce stade de déterminer si le process nécessite un nombre déterminé d’VGA pour répondre à des taches particulières réalisés en parallèle (approvisionnement matière et nettoyage d’une zone dans le même temps ou si il est possible d’envisager les tâches en série (approvisionnement des éléments de montage sur une ligne de production par exemple)).

Le nombre de VGA

Le choix d’avoir du nombre de VGA se base sur 3 critères ;

1) Doit-on réaliser les tâches en parallèle ou en série ?

2) Quelle est la capacité de travail du VGA ?

3) Quelle est la charge de travail que l’on souhaite déléguer au VGA ?

Les tâches pouvant être réalisées en série requière moins de VGA. En Effet le VGA ne se fatigue pas et peut enchaîner les tâches tant qu’il lui reste de la batterie disponible pour boucler son travail.

La capacité de travail du VGA peut être calculée en nombre d’actions effectuées en un temps donné ou l’inverse c'est-à-dire le temps de cycle. C’est souvent cette dernière donnée que l’on calcul théoriquement puis que l’on mesure en pratique. Le temps théorique est toujours plus court que le temps réel car il ne tient pas compte des éléments tels que les espaces non dégagés, les temps d’attentes derrière les opérateurs, les défaillances, etc. L’intégration des technologies tout-connecté tendent cependant à réduire l’écart entre la capacité théorique du VGA et sa capacité réelle. En effet les industries 4.0 ramassent des données en temps réel qui permettent de modéliser précisément l’état du site.

Le calcul du temps de cycle théorique est utilisé pour le choix du VGA. Pour le calculer il est nécessaire d’être en possession des données suivantes ;

-La distance Le entre le départ du VGA et la zone de chargement de ce dernier.

-La distance Ld entre le point de chargement du VGA et la zone où il délivre son matériel.

-La vitesse Vv à vide autorisée du VGA

-La vitesse Vc en charge autorisée du VGA

-Le temps Tl de chargement du VGA

-Le temps Td de déchargement du VGA

Le temps de cycle TC est alors calculé de la façon suivante ;

${\textstyle Tc=({\frac {Le}{Vv}})+Tl+({\frac {Ld}{Vc}})+Td}$

On estime ensuite combien de cycles doivent être effectués en une journée et on en déduit le nombre d’heure que le VGA devrai travailler pour réaliser ce nombre de cycle. On appelle cette duré la charge de travail WL (pour Work-Load en anglais). On estime ensuite le temps ou le VGA est disponible, le temps ou il travail réellement (pas en train de se recharger ou en train d’être réparé ou maintenu), le AT (pour Available-Time en anglais). Le nombre de VGA nécessaire n est alors ;

$n={\frac {WL}{AT}}$

Conclusion et perspectives

Le VGA est un outil formidable pour les industriels qui souhaitent s’affranchir des inconforts liés à la gestion manuelle des flux physiques. Il permet d’automatiser ce qui ne peut être câblé c’est-à-dire le transport physique de matériel. A l’heure du tout numérique il est essentiel de ne pas oublier les tâches physiques qui ne peuvent être réalisés par des robots fixes. En effet les VGA sont le pendant mobiles des robots. Mais là ou les robots peuvent être programmer pour effectuer une suite de mouvements donnés, l’VGA lui se doit de prendre des « décisions » basés sur une priorisation ou sur l’environnement. Ainsi le VGA est capable de naviguer entre différentes zones avec des procédures collaboratives qui lui permettent dans la plupart du temps d’interagir avec des humains à la façon d’un cobot. L’investissement d’un ou plusieurs VGA (certaines entreprises comme Amazon sont en possession d’une véritable flotte de VGA).

Il faut rester conscient que si ce type de technologie est aujourd’hui bien rodé, nous en sommes encore au balbutiement des connexions infrastructure objet.

Perspectives

Il est possible d’aller dans plusieurs directions pour que la science des VGA avance. Les politiques étatiques sont déjà en train de favoriser le marché de la robotisation et le business pour les roboticiens seuls s’élève à plusieurs milliards d’euro sur un horizon de 2ans. Le secteur des VGA est un secteur porteur et plusieurs constructeurs à la base non spécialisés comme Norcan ou Fenwik se lance dans la course en proposant des solutions innovantes et économiques.

Il est possible de chercher dans la direction d’une navigation plus précise qui permettra des mouvements plus fluides au VGA. Cela permettra de déplacer les objets plus vite et de transporter les objets les plus fragiles. L’interface homme machine serait également grandement améliorée.

Un autre point d’avancement possible est l’évolution des interactions inter véhicules. En effet il est aujourd’hui très compliqué de faire communiquer deux VGA, surtout si ils n’ont pas la même fonction.

Notes et références

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