Diseño de Sistemas de Fabricación - ELAI-UPM

16/05/2013
Diseño de Sistemas de
Fabricación
Automatización Industrial
INDICE
•
•
•
•
•
Introducción.
Técnicas de procesos.
Objetivos.
Tipos de plantas.
Sistemas de Fabricación Flexible.
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INTRODUCCIÓN
• Industrias de manufactura o fabricación.
• Procesos que producen y/o proveen de
bienes y/o servicios.
– Primaria.
• Cultivan y explotan recursos naturales.
– Secundaria.
• Convierten las salidas de las primarias en
productos.
– Terciaria.
• Sector servicios.
INTRODUCCIÓN
• Industria secundaria:
– Procesos industriales: químicos,
farmacéuticos, metales básicos, petróleo,
comida, bebidas, generación o
transformación de energía, etc …
– Industria de productos discretos: automóviles,
aviones, computadoras, todo tipo de
maquinaria (que a su vez se incorpora en la
producción para mejorar los procesos),
dispositivos domésticos y de consumo, etc …
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INTRODUCCIÓN
• Haciendo un poco de historia:
– Diseño de ingeniería a partir de elementos
básicos de dibujo.
– La programación de la secuencia de tareas se
hacía de forma manual.
– Los diseños se “traducían” en una máquina de
escribir con salida de cinta perforada.
– La cinta perforada era interpretada por enormes
armarios de control que a su vez gobernaban el
funcionamiento de las máquinas de proceso.
INTRODUCCIÓN
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INTRODUCCIÓN
• Aparición del
soporte de cinta
magnética.
INTRODUCCIÓN
• Armarios de control donde
se ubicaban las PCBs con
los programas de
fabricación.
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TÉCNICAS DE
PROCESOS
• CNC: Computer Numerical Control
– Máquinas programables para labores de
producción y procesado.
– Fundamentalmente funciones de mecanizado:
cortadoras, tornos, fresadoras, punzonadoras,
esmeriladoras, …
TÉCNICAS DE
PROCESOS
• CAD: Computer Aided Design.
– Diseño por computador de los productos a fabricar.
– Diseño de modelos de una manera fácil de visualizar y
modificar.
– Sustitución de la mesa de diseño (elementos de digujo.
– Integración de los procesos de diseño y validación
(simulación).
• CAM: Computer Aided Manufacturing
– Fabricación por computador de los productos diseñados.
– Obtención de diagramas de flujo para conseguir procesos
eficientes.
– Control de tiempos de ejecución.
– Aumento de la calidad de los productos.
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TÉCNICAS DE
PROCESOS
• CIM: Computer Integrated Manufacturing
– Integración de las técnicas de diseño y
fabricación en la automatización de procesos.
– Origen de los Sistemas de Fabricación
Flexible.
AUTOMATIZACIÓN DE
PROCESOS
• Pregunta clave
COMO HACERLO??
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AUTOMATIZACIÓN DE
PROCESOS
QUE
CUANDO
QUIEN
PREGUNTAS
CLAVES
COMO
DONDE
AUTOMATIZACIÓN DE
PROCESOS - OBJETIVOS
• Aumentar la productividad y la competitividad.
• Mejorar las condiciones de trabajo de los operarios.
• Automatizar labores complejas, tanto físicas como
intelectuales.
• Aumentar la disponibilidad de los productos:
cantidades necesarias en los momentos precisos.
• Simplificar los mantenimientos, de forma que el
operario no requiera de grandes conocimientos del
proceso productivo.
• Integración de la producción y la gestión.
• Mejora de la calidad de los productos.
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NIVELES DE
AUTOMATIZACIÓN
• Operación manual: se elaboran productos sin recurrir a
sistemas automáticos. El ser humano utiliza herramientas y
es responsable de la ejecución secuencial de las diferentes
tareas involucradas. Ejemplo: dar forma o acabado con una
lima.
• Mecanizado: la máquina realiza la operación, sin embargo el
ser humano gobierna la máquina y es responsable de seguir
el orden correcto de operaciones. Ejemplo: mecanizado de
piezas con torno manual.
• Automatización parcial: la máquina realiza secuencia de
operaciones limitada y necesita de la intervención humana
para completar la tarea, ya sea para alimentar la máquina o
retirar los productos finalizados. Ejemplo: dobladora
automática.
NIVELES DE
AUTOMATIZACIÓN
•
•
Automatización total: la máquina es completamente
autónoma y no requiere de la intervención humana en
ninguna de las etapas del proceso. El ser humano
sólo realiza labores de supervisión y mantenimiento
preventivo.
Integración total: las máquinas son capaces de
interactuar mediante un sistema de control distribuido,
el operador humano sale completamente de la planta
de producción, para ocupar puestos en el control y
monitorización
a
distancia.
Utilización
de
comunicaciones a nivel de proceso y de gestión.
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ESTRATEGIAS
• Producción por lotes o automatización fija.
• Automatización programada.
• Filosofías de producción mixta:
Fabricación Flexible.
AUTOMATIZACIÓN FIJA
• Se fabrica un único producto.
• Volumen de producción elevado.
• El diseño está encaminado a maximizar la
producción del producto objetivo con un
alto rendimiento de proceso.
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FABRICACIÓN POR
LOTES
• Origen de la fabricación en cadena
primeros del siglo XX: Ransom Eli Olds.
Olds Curved Dash 6C 1904
FABRICACIÓN POR
LOTES
• Sin embargo, a quien se recuerda como innovador
de la fabricación en serie es a Henry Ford quien
obtuvo la primera serie de producción comercial
de automóviles con el Ford T.
Ford T 1908
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FABRICACIÓN POR
LOTES
• También denominada producción en serie
o fabricación en serie.
• Se apoya en el concepto de cadena de
montaje o línea de ensamblado.
FABRICACIÓN POR
LOTES
• Delega al operario o a la máquina la
especialización en una tarea concreta.
• Estrategia enfocada a la maximización del
número de unidades producidas.
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AUTOMATIZACIÓN
PROGRAMADA
• Bajo volumen de producción.
• Encaminada exclusivamente a la
variedad, no a la cantidad.
• El volumen de producción no es un
objetivo.
• Adaptación a la variedad mediante la
modificación en el software de producción
• Alternativa encaminada a soluciones
particulares especializadas.
SISTEMAS MIXTOS
• Debe incluirse la variedad de producto como un
requisito ineludible.
• Pero al mismo tiempo, se integra en la estrategia, y
por tanto se fija como objetivo: el volumen de
producción.
• En el ideal, se trata de conseguir la variabilidad de
productos sacrificando al mínimo los volúmenes de
producción.
• Requiere de automatización de alto nivel, integrando
diferentes tecnologías y sistemas para intentar
aglutinar lo mejor de las dos anteriores filosofías.
• Origen y base de los Sistemas de Fabricación Flexible
(FMS).
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SISTEMAS DE
FABRICACIÓN FLEXIBLE
(FMS)
FLEXIBLE
MANUFACTURING SYSTEM
SISTEMAS DE FABRICACIÓN
FLEXIBLE (FMS)
• Un Sistema de Fabricación Flexible (FMS) se concibe
como una celda de maquinaria altamente
automatizada, que incluye un sistema de transporte y
almacenamiento de material, controlada por un
sistema de control distribuido.
• Un FMS consta de un grupo de máquinas controladas
por computador y un conjunto de sistemas
automáticos de carga y descarga, de operación
directa sobre el material, todo ello, controlado por un
computador supervisor.
• Los elementos de este sistema son flexibles y
versátiles, lo que permite una adaptación a la
fabricación rápida en función de la demanda de
producción.
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SISTEMAS DE FABRICACIÓN
FLEXIBLE (FMS)
ORIGEN DE LOS FMS
• A partir de los 80, diversificación de
producto, necesidad de adaptación a la
demanda.
• Mayor calidad de la producción.
• Ciclo de vida corto de los productos.
• Competitividad de la producción.
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ORIGEN DE LOS FMS
• A partir de los 80, diversificación de producto,
necesidad de adaptación a la demanda.
• Mayor calidad de la producción.
• Ciclo de vida corto de los productos.
• Competitividad de la producción.
Variedad del
Bajo
Medio
Producto
Alto
1
100
10 000
1 000 000
Cantidad de Producción
CARACTERÍSTICAS DE
LOS FMS
• Se denomina flexible debido a que es capaz de realizar
distintas piezas o productos diferentes de forma
simultánea, en sus puestos de trabajo.
• Dependiendo de la demanda es capaz de variar entre
diferentes tipos de productos y la tasa de producción de
los mismos.
• Es el más apto para producciones en las que deseemos
un compromiso entre variedad de productos y volumen
de producción.
• Ningún FMS puede ser completamente flexible, siempre
se podrá encontrar alguna restricción.
• Los productos que se produzcan serán de una familia
parecida, variando tamaños, modelos y procesos,
siempre dentro de unos límites.
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QUÉ LO HACE FLEXIBLE
• La flexibilidad es aportada por los elementos
del sistema de fabricación, desde la
maquinaria hasta el sistema de transporte.
• Requisitos mínimos de un FMS para ser
flexible:
– Identificar y distinguir los diferentes productos
procesados por el sistema.
– Facilitar de manera rápida y fácil la realización de
cambios tanto físicos como lógicos.
FLEXIBILIDAD DE UN FMS
Para conocer si un sistema automatizado es o no flexible:
•
Test de variedad de productos.
–
•
¿Puede el sistema procesar diferentes tipos de piezas en un modo
de producción que no sea por lotes?
Test de cambio de programación o producción.
–
•
¿Puede el sistema realizar cambios en la producción programada y
cambios en cualquier parte del producto o de las cantidades
fabricadas?
Test de recuperación de errores:
–
•
¿Se puede recuperar el sistema satisfactoriamente de roturas o
errores de funcionamiento sin que esto conlleve la interrupción
completa de la producción?
Test sobre la posibilidad de ampliar la gama de fabricación de
piezas o partes producidas.
–
¿Se pueden añadir nuevas piezas diseñadas al sistema de
fabricación de manera relativamente fácil?
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CELDA DE FABRICACIÓN
FLEXIBILIDAD DE LOS FMS
•
Sistema de fabricación automático.
– Todas las acciones son llevadas a cabo sin la necesidad de un ser humano.
•
¿Puede el sistema procesar diferentes tipos de piezas en un modo de
producción que no sea en serie?
– Sí. Capaz de fabricar varios tipos de piezas diferentes a la vez y en el número
deseado.
•
¿Puede el sistema realizar cambios en la producción programada y
cambios en cualquier pieza producida o de las cantidades fabricadas?
– Sí. Existen dos máquinas, se puede variar la relación variedad producción en función
de la demanda y realizar cambios en la fabricación de las piezas.
•
¿Se puede recuperar el sistema satisfactoriamente de roturas o
errores de funcionamiento sin que esto conlleve la interrupción
completa de la producción?
– Sí. Una máquina puede dejar de funcionar por avería sin que se paralice la
producción, ya que trabajan de forma independiente. El robot dejaría piezas
únicamente en la máquina que está en funcionamiento.
•
¿Se pueden añadir nuevas piezas diseñadas al sistema de fabricación
de manera relativamente fácil?
– Sí. Se podrían añadir nuevas piezas sin problema aunque tendríamos que realizar
ajustes en el brazo y en la cinta.
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TIPOS DE FLEXIBILIDAD
TIPOS DE SISTEMAS
Un FMS puede distinguirse dependiendo del
tipo de trabajo que realiza.
– Operaciones de fabricación.
– Operaciones de montaje o ensamblaje.
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CELDA DE UNA ÚNICA
MÁQUINA O ESTACIÓN
• Formada por un centro de mecanizado CNC combinado con
un sistema de almacenamiento para operaciones que no
necesitan atención.
• Funcionamiento muy sencillo. Se toma una pieza sin trabajar
de la unidad de almacenamiento, se trabaja y se descarga.
• Posibilidad de fabricación por lotes, fabricación flexible o una
combinación de las dos.
• Fabricación por lotes cuando se fabrica un único producto.
Una vez alcanzada la producción deseada se cambia el tipo
de producto y se realiza la misma operación.
• Flexibilidad del sistema muy limitada. Al ser una única
máquina, ante fallos, no se cumplirá el tercer criterio ya que
se interrumpirá la producción.
QUÉ LO HACE
FLEXIBLE
• La flexibilidad es aportada por los elementos
del sistema de fabricación, desde la
maquinaria hasta el sistema de transporte.
• Requisitos mínimos de un FMS para ser
flexible:
– Identificar y distinguir los diferentes productos
procesados por el sistema.
– Facilitar de manera rápida y fácil la realización
de cambios tanto físicos como lógicos.
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CLASIFICACIÓN DE
LOS FMS
• Número de máquinas.
• Nivel de flexibilidad.
CLASIFICACIÓN DE
LOS FMS
• Número de máquinas.
• Nivel de flexibilidad.
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NÚMERO DE
MÁQUINAS
• Celda de una única máquina
(SMC).
• Celda de fabricación flexible
(FMC).
• Sistema de fabricación flexible
(FMS).
CELDA DE UNA ÚNICA
MÁQUINA (SMC)
• Formada por un centro de mecanizado CNC combinado con un
sistema de almacenamiento para operaciones que no necesitan
atención.
• Funcionamiento muy sencillo. Se toma una pieza sin trabajar de
la unidad de almacenamiento, se trabaja y se descarga.
• Posibilidad de fabricación por lotes, fabricación flexible o una
combinación de las dos.
• Fabricación por lotes cuando se fabrica un único producto. Una
vez alcanzada la producción deseada se cambia el tipo de
producto y se realiza la misma operación.
• Flexibilidad del sistema muy limitada. Al ser una única máquina,
ante fallos, no se cumplirá el tercer criterio ya que se
interrumpirá la producción.
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CELDA DE UNA ÚNICA
MÁQUINA (SMC)
CELDA DE FABRICACIÓN
FLEXIBLE (FMC)
• Consiste en dos o tres estaciones de
procesos (normalmente maquinaria tipo
CNC) y un sistema de transporte.
• El sistema de transporte está conectado
a una estación de carga y descarga.
• Capacidad de almacenamiento limitada.
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Celda de fabricación
flexible (FMC)
CELDA DE FABRICACIÓN
FLEXIBLE (FMC)
• Sistema formado por cuatro o más
estaciones de procesamiento
conectadas mecánicamente mediante
un sistema de transporte común y
electrónicamente con un sistema de
control distribuido.
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DIFERENCIAS ENTRE
FMC Y FMS
• Una FMC tiene de dos a tres máquinas,
mientras que un FMS tiene un número mayor
o igual que 4.
• Un FMS tiene al menos una estación de
trabajo que da soporte a la producción pero
no participa realmente en ella. Esta estación
lleva a cabo funciones de coordinación entre
otras.
• Un FMS tiene un sistema de control más
sofisticado que incluye funciones no
presentes en las celdas como diagnósticos y
herramientas de monitorización.
CAPACIDADES
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CLASIFICACIÓN DE
LOS FMS
• Número de máquinas.
• Nivel de flexibilidad.
NIVEL DE FLEXIBILIDAD
• FMS dedicados o sistemas de
fabricación especial.
• FMS de orden aleatorio.
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FMS DEDICADOS
• El término dedicado viene de la fabricación de
una pequeña familia de productos.
• Especialización exhaustiva tanto del proceso
como de la maquinaria.
• La fabricación de una pequeña familia de
productos implica que la maquinaria utilizada es
muy similar, lo que proporciona facilidad para
realizar un trabajo con otra máquina en caso de
avería o no disponibilidad.
• Este grado de especialización produce un
aumento en la productividad y flexibilidad del
proceso.
FMS DE ORDEN
ALEATORIO
• FMS que realizan una gran variedad de productos.
• La variedad implica elevar el grado de complejidad
de los procesos y la necesidad de tener el soporte
de un sistema de control y maquinaria de
propósito general.
• El sistema de control ayuda a realizar los cambios
en las configuraciones y la gestión de la
producción.
• La maquinaria de propósito general aporta la
flexibilidad necesaria al sistema.
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DIFERENCIAS
• El FMS dedicado es menos flexible pero posee un
mayor margen de productividad.
• FMS de orden aleatorio presenta mayor flexibilidad
pero menor margen de producción.
• Dependiendo de los objetivos de cada empresa se
optará por un sistema u otro tendiendo en cuenta
las cualidades de cada uno.
RELACIÓN ENTRE FMS
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COMPONENTES DE UN
FMS
• Estaciones de trabajo.
• Sistemas de transporte y
almacenamiento de material.
COMPONENTES DE UN
FMS
• Estaciones de trabajo.
• Sistemas de transporte y almacenamiento
de material.
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ESTACIONES DE
TRABAJO
•
•
•
•
•
Estación de carga y descarga.
Estación de mecanizado.
Estación de ensamblaje.
Otras estaciones de procesamiento.
Otros equipos y estaciones.
ESTACIÓN DE CARGA Y
DESCARGA
• Es el nexo de unión entre el FMS y el resto de la fábrica.
• La materia prima entra en el proceso por este punto y sale
transformada en un producto.
• Método de carga más habitual es el manual aunque también
puede ser automático.
• Si el material es de elevado peso hay sistemas auxiliares para
los operarios, como grúas mecánicas y otros tipos de
dispositivos.
• La estación suele incluir una unidad de registro de entrada de
piezas y una comunicación monitorizada entre el sistema
informático y el operador.
• Las instrucciones deben ser dadas al operador teniendo en
cuenta qué productos deben ser cargados en los pales con el
fin de cumplir las demandas estipuladas.
• Los pales deben llevar la materia correcta a cada máquina.
• Todas las situaciones deben estar bajo control, pales mal
posicionados, elementos extraños en zonas de trabajo de
maquinaria, etc.
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ESTACIÓN DE
MECANIZADO
• Es la aplicación más común de un FMS.
• Entendemos como operación de mecanizado toda acción que se realiza
sobre un material y éste sufre transformaciones.
• La maquinaria más utilizada en esta estación son los centros de
mecanizado CNC.
• Almacena las herramientas, las sustituye y realiza cargas/descargas de
pales.
• Todas ellas se realizan de forma automática.
• Los centros de mecanizado normalmente se utilizan con piezas de tipo
prismática.
• Para piezas rotativas, si lo necesitan, se usan los “centros con ángulo”,
mientras que si necesitan varias herramientas rotativas se usan los
centros “mill & turn” (fresadoras y taladros).
ESTACIÓN DE
ENSAMBLAJE
• Existen FMS que son diseñados para realizar este
tipo de operaciones.
• Estos diseños se realizan con el objetivo de
suprimir la mano de obra humana en procesos de
producción en serie.
• Los encargados de realizar el trabajo normalmente
son brazos robots, los cuales, son capaces de
adaptarse a los diferentes productos, son flexibles
a cambios en la secuencia de producción y tienen
un grado de precisión muy bueno.
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OTRAS ESTACIONES
DE PROCESAMIENTO
• En los FMS la materia prima no tiene porque entrar
preparada para trabajar directamente sobre ella. Un ejemplo
puede ser el metal. Este material debe sufrir un proceso de
transformación para obtener unas características iniciales
(si se quieren producir tornillos no se necesita una barra de
acero de dos metros sino trozos proporcionales).
• Existen estaciones de trabajo automáticas que realizan este
tipo de trabajo. Estas están formadas por hornos donde se
calienta el metal, presas y forjas para dar forma y otra que
se encarga de realizar cortes.
OTROS EQUIPOS Y
ESTACIONES
• Realizan trabajos de inspección. Hay tres
tipos básicos:
– Máquinas de medición de coordenadas.
– Inspección mediante sondas.
– Sistemas de visión.
• A estos tres grupos se les puede añadir
operaciones como limpieza y/o colocación de
pales, sistemas de refrigeración, etc.
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COMPONENTES
• Estaciones de trabajo.
• Sistemas de transporte y
almacenamiento de material.
SISTEMAS DE TRANSPORTE Y
ALAMACENAMIENTO DE MATERIAL
• Permiten movimiento libre y aleatorio de los productos entre las
estaciones.
• Establecen rutas alternativas en el proceso de fabricación que
impiden que se pare la producción.
• Permiten varias configuraciones de productos en el transporte.
– Productos prismáticos se usan módulos de pales.
– Productos rotativos los que realizan el transporte suelen ser robots.
• Almacenamiento temporal. Cada estación tiene una pequeña
cola para aquellas partes que están esperando para ser
procesadas. Este sistema incrementa el rendimiento de la
máquina.
• Facilitar los accesos para la carga y descarga. El sistema de
transporte debe incluir zonas para estaciones de carga y
descarga.
• Compatibilidad con el sistema de control.
• Puede ser controlado por un sistema de control que guíe el
proceso hacia varias estaciones, zonas de carga y descarga, y
zonas de almacenamiento.
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CONFIGURACIONES
•
•
•
•
Distribución en línea.
Distribución en bucle.
Distribución escalada.
Distribución en campo abierto.
DISTRIBUCIÓN EN
LÍNEA
• Está basada en una única línea de transferencia
alrededor de la cual se sitúan las estaciones de
trabajo, que ejecutan los planes de proceso de
cada tipo de pieza o producto.
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DISTRIBUCIÓN EN
LÍNEA
DISTRIBUCIÓN EN
BUCLE
• Está compuesta por un sistema de carga y
descarga. Este introduce las piezas en el
proceso unidireccional hasta que vuelven a
salir.
• Se cuenta con un sistema secundario que
evita que se obstaculice el bucle con total
facilidad.
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DISTRIBUCIÓN EN
BUBLE
DISTRIBUCIÓN EN
ESCALADA
• Consiste en intercalar subbucles dentro de un
bucle principal.
• Esta configuración facilita el traslado de las piezas
de una máquina a otra.
• Se reduce del tiempo necesario para realizar la
operación.
• Se reduce la distancia recorrida por la pieza y
minimiza la necesidad de un sistema
anticongestión.
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DISTRIBUCIÓN EN
ESCALADA
DISTRIBUCIÓN EN
CAMPO ABIERTO
• Consiste en múltiples bucles y escalas.
• Este tipo de distribución es, generalmente,
apropiada para procesar una familia
numerosa de productos.
• La cantidad de tipos de máquinas diferentes
se puede limitar, y se dirigen productos a
aquellas estaciones que están libres.
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DISTRIBUCIÓN EN
CAMPO ABIERTO
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