Sistemas de manufactura relacionados con la ingeniería industrial (página 3)
Enviado por José Manuel Castorena Machuca
Flexible manufacturing (mass customization) is a new concept simultaneously incorporated with informatics technology development related on items design and manufacturing, as well as, control and servomechanism. This article includes a brief relation on basic concepts and techniques related with flexible manufacturing including an historical description of numerical control and it"s development, and concluding why TEC-Landivar is cutting edge educative technology, specifically remarking in FMS area.
KEYWORDS
Tools machinery. Computer Numerical Control Technology. CNC. Autocad™. Flexible Manufacture System. FMS. Computer Integrated ufacturing. CIM. Man.
FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEMS FMS
¿Queue entendemos por sistema de manufactura flexible (traducción libre de Flexible Manufacturing Systems)?
Para poder tener una mejor idea de esto, debemos recordar que la fabricación de piezas mecánicas sometidas a varios procesos, involucraban complejos sistemas de control y producción, tales como, proveer materias primas, materiales, órdenes de trabajo, entre otros. Uno de los principales problemas consistía en el cambio y ajuste de herramientas de trabajo, lo que evidentemente imposibilitaba poder obtener altos índices de productividad, debido a los tiempos de recambio de piezas, cambios de formato de máquinas, ajuste y reprogramación de proceso de máquina.
Figura No.1. Célula de fabricación Flexible
Con el aparecimiento de nuevos sistemas de control, gracias a los avances de la informática, fueron permitiendo una mejoría en la eficiencia de fabricación, desde el diseño del producto, maquinaria y herramienta, planeación del proceso, disponibilidad de materiales, control de la producción, automatización, etc.
Para que esto fuera posible, fueron sumándose una serie de avances tecnológicos, en la parte de Control Numérico como podremos notar con claridad al comparar la tecnología de los años ochenta con la tecnología actual.
Derivado de lo anterior, estamos en mejor posición para definir que es manufactura flexible: no es simplemente un concepto aislado sino más bien es la conjunción de tecnología, esfuerzo humano y forma de vida, integrado indudablemente por equipo seleccionado de alta tecnología. Cuya finalidad es responder a cualquier cambio que se presente precisamente de forma flexible, es decir adaptándose al cambio rápidamente.
ORIGEN DEL CONCEPTO
Este concepto nace de la necesidad continua de mejora que se establece en empresas Japonesas como Toyota, en donde logra imponerse, no solo un modelo de fabricación, sino una forma de excelencia de fabricación.
Podríamos decir que se fundamenta en algunos pilares básicos, como son: eliminación de desperdicios, mejora continua y participación consciente del trabajador, a pesar de que el accionar de las personas es reducida desde el punto puramente de control de operación, en el caso de una célula de fabricación como lo es el FMS. Esta concepción nos lleva a lo que hoy conocemos como fabricación flexible.
Qué objetivos se desean alcanzar con la manufactura Flexible:
Una marcada tendencia en la reducción de los costos de fabricación, al eliminar operaciones innecesarias, transporte materiales y producto terminado, desperdicio de materiales y disminución efectiva de piezas defectuosas.
Un incremento sustancial de los indicadores de Productividad, al incrementar los volúmenes de fabricación significativamente
Un grado significativo de Calidad del producto terminado.
Mejora el grado de satisfacción del cliente, al proporcionársele un producto de alta calidad y en tiempo,
Reduce significativamente el espacio necesario o área de trabajo necesaria para la operación de equipo y maquinaria.
Puede llevarse fácilmente al sistema JIT (Justo a tiempo) lo que puede eliminar o disminuir significativamente las áreas de almacenamiento de producto terminado y materias primas
Debido a que FMS es todo un concepto podemos concluir que la flexibilidad es un atributo general de su ámbito de acción, ya que hace flexible las aplicaciones tecnológicas, la fabricación, los productos, el diseño de productos y su adecuación a diferentes procesos.
Sí es importante destacar que su aplicación está orientada a la fabricación de elementos que necesitan procesos de trabajo de máquinas herramientas fundamentalmente. Lo anterior en contraste con lo que ocurre en el caso de una célula de fabricación CIM, de la que en la que fácilmente puede formar parte.
Figura No. 2. Esquema brazos robots
DESARROLLOS TECNOLÓGICOS QUE SON EL FUNDAMENTO DE FMS.
CAD: Computer Aided Disign, o traducido, como diseño asistido por computadora.
La alta velocidad de desarrollo y cálculo de operaciones, aunado al desarrollo acelerado de sistemas software ha permitido que esta herramienta poderosa dentro del campo de la ingeniería del diseño, permitiera el desarrollo de modelos, fáciles de visualizar, fáciles, de rehacer, y fáciles de dimensionar para equipararlos a escala con sistemas reales, esta es una herramienta fundamental en el desarrollo del concepto del FMS, sin este progreso tecnológico, el sistema no se hubiera desarrollado tan rápidamente,
Claro que esta herramienta es sumamente útil, siempre y cuando vaya acompañada de un ordenador cuyas características específicas, permita su operación correcta. Con esta herramienta CAD estamos en posición de poder hacer diseños sumamente rápidos, de orden estructural, geométrico, que nos permiten visualizar el objeto diseñado aun en forma tridimensional.
Se fundamenta en una base de datos de orden geométrico, como puntos, líneas, etc. Que perfectamente correlacionados por un interfaz gráfica, como decíamos anteriormente nos permite diseños en dos o tres dimensiones, permitiéndonos a la ves poder dimensionar, acotar e incluso preparar el sistema para el diseño real.
En pocas palabras, el CAD, sustituye la mesa de diseño y dibujo totalmente.
CAM: Computer aided Manufacturing.
Traducido libremente como manufactura asistida por computadora, paralelamente también aprovechándose las grandes ventajas de los sistemas computarizados, la planeación y programación de los métodos de fabricación también han sufrido si esa fuera la expresión correcta, rigurosos cambios, los que han facilitado sustancialmente a través de complejos programas informáticos, determinar, diagramas de flujo de operaciones eficientes, control de tiempos de operaciones eficaces y como resultado final productos de alta calidad.
Un avance tecnológico de gran actualidad para el diseño mecánico es el llamado AUTOCAD MECANICO que vino a facilitar enormemente las actividades de diseño de piezas complejas y sistemas mecánicos como se muestra en la siguiente grafica
Estos modernos sistemas están adaptados para ser utilizados con pc con requerimientos básicos específicos, según las necesidades del software.
CAD/CAM
Pronto habrían de encontrar su punto de encuentro estas dos grandes ventajas informáticas de producción, un diseño y un control eficiente de producción unificados por potentes ordenadores, fueron el impulso que da como resultado un concepto de manufactura flexible,¿ porque flexible?, ¡porque¡, todas las operaciones pueden ser monitoreadas en tiempo real, y así mismo corregidas simultáneamente, flexible en facilidades de nuevos diseños, flexible en distribución en planta, incorporación flexible de nuevos módulos o maquinas.
Se utiliza para cualquier tipo de producto que se desee fabricar, así como con cualquier sistema de producción, ya sea producción en línea, células de fabricación etc. Existen dos modalidades de este sistema, en línea y fuera de línea, y por supuesto el más eficaz es el sistema en línea, sobre todo si el sistema de control es de bucle cerrado.
Las aplicaciones del CAD/CAM son muy variadas, como ejemplo se puede citar: Análisis en diferentes ramas de ingeniería, control de procesos, control de calidad, y para efecto de nuestro tema en FMS o sea manufactura flexible.
Figura No. 4. Sistema de fresado tridimensional, taladrado y grabado
SMED: Single, Minute, Exchange Die,
Traducido libremente, Cambio rápido de herramienta o formato, esta es una de las grandes ventajas competitivas de la manufactura flexible, como lo indique anteriormente, uno de los mayores tiempos que se utilizaban para la fabricación de piezas mecánicas, eran el ajuste y el cambio de herramientas. Pero esto es solucionado a través de esa poderosísima herramienta, que en nuestro caso no es más que un sistema rotativo de portaherramientas de variadas formas y tamaños, requeridos según el diseño que permiten un acomodo instantáneo, según el programa de la herramienta adecuada para la operación que se desea realizar, sistema generalmente utilizado en un Torno CNC.
Lo anterior como puede observarse se refiere especialmente a un torno automatizado, pero el concepto es muy amplio, puede aplicarse a un sistema completo de fabricación, o a una célula de fabricación.
Ventajas del sistema
Reduce el tiempo de cambio de herramientas, dados, o formatos
Facilita la producción de lotes más pequeños
Facilita enormemente la automatización de equipo de fabricación.
Al reducirse considerablemente el tiempo de cambios de formato, se reduce considerablemente el costo de fabricación.
Figura No. 5. Fresadora CNC para superficies con materiales plásticos, aluminio, etc.
CNC: Por sus siglas en inglés, que significan control Numérico computarizado.
Este concepto surge inicialmente como sistema de Control numérico, muy probablemente su desarrollo se remonta a los años 50, como puede observarse no es realmente nuevo, pero fue un gran avance como método de control para fabricación de piezas fundamentalmente en la industria metalmecánica, lo que si verdaderamente ha transformado este concepto es el desarrollo de la informática y los avances en la electrónica industrial, sobre todo con el desarrollo de semiconductores y el desarrollo de microchip.
Como podremos ver en una secuencia de imágenes más adelante, el desarrollo del sistema CN. Ha sido sumamente interesante y como podremos ver la tecnología ha cambiado considerablemente, desde los primeros pasos en esta área tecnológica.
La Figura No. 6 nos muestra una máquina herramienta múltiple, que ya utilizaba el sistema numérico para control, obsérvese la versatilidad de sus operaciones, y con mucha atención el gran tamaño del panel de control y mando, el cual era programado con cintas magnéticas o cintas perforadas.
Figura No. 6
Máquina herramienta múltiple de cuatro husillos, para taladrar, cortar, roscar, fresar con equipamiento de control numérico y cambiador automático de herramienta. (Kearney & Treckere Co.)
Figura No. 7. Máquina punzonadora rotativa, que poseía una gran velocidad de perforación, con una mesa de sujeción y porta materiales
Figura No. 7. Punzonadora de torre con capacidad para 15 toneladas, con control numérico (Wiedemann Machina Co.)
En la Figura No. 8 Podemos observar una máquina de Rectificado
Figura No. 8
Maquina CN para rectificar y esmerilar superficies con avance en los planos XY (Thomson Grinder Co.)
En la Figura No. 9 podemos observar una enorme máquina para fresado de grandes partes, obsérvese la gran dimensión de los Tableros de control
Figura No. 9
En la Figura No. 10 podemos observar una maquina cepilladura de gran tamaño. Para planchas grandes y de grandes espesores
Figura No. 10. Cepilladura con puente múltiple, (Cincinnati Milling Machine Co.)
En la Figura No. 11 podemos observar de forma gráfica, una fresadora vertical, un torno revolver, y un taladro horizontal, como podemos ver el concepto del control numérico es exactamente el mismo que estamos utilizando hoy en día, un sistema de coordenadas cartesianas, cuyos puntos de control de deslizan a través de los ejes xy en el plano horizontal y el eje z en el plano vertical
En la Figura No. 12 podemos observar cómo se desarrollaba el proceso para llevar a cabo una operación entre puntos fijos, si observamos con detalle podremos darnos cuenta que el proceso básico no ha cambiado, lo que indudablemente hace la diferencia es la nueva tecnología.
El proceso constaba de varias etapas:
1. Primero se realizaba el proceso de diseño de la pieza en un banco de diseño manual
2. Se procedía a realizar el programa que pudiera ejecutar el diseño seleccionado
3. Se desarrollaba un modelo a mano para pasarlo a lo que era la máquina perforadora de tarjetas
4. Se utilizaba la máquina perforadora
5. Se obtenía la cinta conteniendo el programa a ejecutar
6. El Panel de control de maquina contenía la interfaz para trasladar los códigos a movimientos de maquina
7. Por último, la máquina herramienta que era la encargada de ejecutar las órdenes que recibe del programa maestro.
8. Se obtenía la pieza, según lo diseñado.
Figura No.12. Secuencia de operaciones para desarrollo de un trabajo en metales con sistema de control entre puntos fijos.
En la figura No. 13 podemos observar una máquina que se utilizaba para la perforación de cinta del programa.
Figura No. 13. Máquina de escribir con perforación automática de cinta (Friden Inc.)
En la figura No. 14 observamos un medio de grabado. Este fue un gran avance debido a que no solo se utilizaba como sistema de almacenamiento, si no como elemento lector del programa.
Figura No. 14
En la Figura No. 15 podemos observar cómo se volvía más complejo el proceso, ya que en esta aplicación ya se iba a realizar operaciones de contorneo de piezas, además de que ya se requería de la utilización de un computador para poder controlar todo el proceso.
Figura No. 15. Desarrollo de las operaciones para obtener un trabajo de contorneo.
En la figura No. 16 ya podemos observar un adelanto en el sistema de almacenamiento y lectura, porque el sistema ya era un cartucho con cinta magnética. Por su parte, en la Figura No. 17 observamos un diagrama esquemático de un transductor de posición: de una posición física a un valor numérico.
Figura No. 16. Cambio de cartucho con cinta magnética en equipo de traductor digital (Bunker-Ramo Co.)
Figura No. 17. Conmutador (American Machinist)
En la Figura No. 18 observamos un tablero de control con control numérico conteniendo el sistema electrónico de control con circuitos impresos y en la figura No. 19 observamos a un grupo de ingenieros desarrollando actividades de mantenimiento en un tablero de control electrónico con un osciloscopio portátil.
Figura No 18. Gabinete de control
Figura No. 19 (General Electric Co.)
(General Electric Co.)
MODERNAS MAQUINAS HERRAMIENTAS CON CONTROL CNC
Como podemos observar, el paso ha sido significativo a lo largo de aproximadamente 60 años; el sistema ahora se conoce actualmente como CNC, que como ya indicamos, significa Control Numérico Asistido por ordenador o Control Numérico Computarizado.
EQUIPOS MODERNOS CNC
En la Figura No. 20 observamos una moderna Fresadora Vertical CNC marca VIWA Mod. VF5BM49 con las siguientes características técnicas más importantes, para que nos sirvan como guía de comparación:
Fresadora con bancada fija
con capacidades media y pesadas
con amplio desplazamiento en xyz
peso aproximado de 3 toneladas
potente motor en cabezal de 5 HP
maquinado de alta velocidad
control y programación con PC
aplicación en moldes y troqueles, maquinado general
Equipamiento: 3 servomotores con encoder,
Figura No. 20 control manual remoto, sensores de posicionamiento general, encendido y apagado electrónico
Como podemos observar es una maquina sumamente versátil y de gran aplicación para la conformación de células de fabricación.
En la Figura No. 21 podemos observar una Fresadora vertical de torre, con las siguientes características técnicas más importantes:
Control en los tres ejes xyz
Movimiento simultaneo para generación de figuras complejas
Construcción sólida y versátil
Figura No. 21. Fresadora Vertical VIWA MODELO VF3K
Figura No. 22. Mesa CNC Router,
Figura No. 23. Servomotores DC (FANUC Ltd.) con corte por fresa
Figura No. 25. Torno CNC VIWA VTC 2440-T400
Brazo robótico
El brazo robotizado, constituye un elemento de gran importancia en un sistema automatizado tipo FMS, ya que es el elemento encargado del transporte del material hacia cada una de las operaciones asignadas. Un robot industrial desarrolla una gran cantidad de operaciones, generalmente las que requieren de mucha exactitud y en forma constante.
Los organismos internacionales como el Instituto de Robótica ha definido un robot industrial de la siguiente forma:
Manipulador multifuncional programable y servo-controlado, con ejes múltiples, capaz de manejar materiales, partes, herramientas, o dispositivos especializados mediante operaciones variables programadas para la realización de una gran variedad de tareas.
Existe una gran variedad de tipos de brazos robotizados, como podremos ver más adelante, y lo que los hace específicos es su aplicación, en algunos casos, su programación y tipo de control.
Los brazos robots, básicamente son simulaciones de un brazo humano, aunque por su versatilidad. Algunos, no solo se limitan al plano cartesiano, si no poseen características adicionales muy versátiles para un gran número de aplicaciones. Sus movimientos se logran a base de actuadores que pueden ser de orden neumático, hidráulico o eléctrico. En nuestro caso tenemos la ventaja que en el CIM contamos con robots con todos los tipos de actuadores.
Los brazos robotizados pueden ejecutar como indicaba una gran variedad de tareas, entre las que se pueden destacar: Pintura, ensamble, transporte, actividades de riesgo, soldadura, maquinado.
Figura No. 26. Brazo robot industrial Intelitek
Figura No. 27. Diferentes Brazos robotizados (Inertia Systems Inc.)
Ventajas tecnológicas
Definitivamente uno de los indicadores que se utiliza para catalogar el desarrollo de un país es su grado de tecnología, una industria con una gran cantidad de tecnología de punta define lo que llamamos un país industrializado, el uso de tecnología de punta en la fabricación de innumerable cantidad de productos, conlleva productos de alta calidad y lo más importante a un precio altamente competitivo, por lo anterior es de suma importancia para el desarrollo de nuestro país el hecho de que el TEC, con tecnología educativa de punta, nos permita, no solo observar cómo opera un brazo robotizado, si no también aprender a programarlo para que ejecute diversas operaciones.
Con todo lo anterior, estar técnicamente preparados para poder desenvolvernos en una industria con alta tecnología de fabricación.
TEC LANDIVAR Y FMS
Motiva compilar la información en este documento porque actualmente el TEC Landívar cuenta entre sus nuevos equipos de Tecnología Educativa con un sistema de FMS y un sistema CIM.
En este moderno laboratorio, todos los equipos son un símil de lo que son los equipos reales en una industria, como lo muestran las distintas imágenes que hemos mostrado, en este laboratorio, podemos aprender a programar las distintas operaciones tanto de la fresa como del torno y los accionamientos del Brazo robot. Una imagen tiene el equivalente a muchas palabras, a continuación una serie de imágenes del laboratorio de FMS y unas de los que constituye la célula de FMS del CIM.
Figura No. 28. Torno CNC ProLight 3000 de Intelitek con su respectivo ordenador para Programación y control FMS. TEC Landívar
Figura No. 29. Torno CNC, Vista en la que podemos observar el dado porta
herramientas y el cabezal
Figura No. 30. En esta toma podemos apreciar con más detalle el dado portaherramientas de cambio rápido tipo SMED
Figura No 31. En esta toma podemos observar con mucho detalla las características del cabezal de montaje o chuck tipo universal, con mordaza de accionamiento neumático
Figura No. 32. En esta toma podemos apreciar el control de mando de paro de emergencia, y un ajuste de velocidad, Torno CNC
Figura No. 33
. En esta imagen podemos observar la central de alimentación de materia prima para las operaciones del sistema FMS.
Figura No. 34. En esta toma podemos apreciar el brazo robotizado, que como lo indicamos anteriormente, cumple la función de transporte de material y alimentación para las dos estaciones de maquinado, el torno y la fresa CNC.
Figura No. 35. Aquí tenemos un acercamiento a lo que es el Gripper del brazo robot, en este caso se está utilizando un actuador neumático.
Figura No. 38. Vista frontal de Fresadora CNC Pro Light 1000 de Intelitek
Figura No. 39. Vista frontal de la estación de portaherramientas de la Fresadora CNC Pro Light 3000 Intelitek. FMS, TEC_ LANDIVAR
Figura 40. En esta figura podemos apreciar la estación de herramientas y la fresa sosteniendo una fresa lista para operar.
Figura No. 41. Es esta imagen podemos apreciar el sistema FMS completo. TEC-LANDIVAR
Conclusiones
Una de las finalidades de este documento era resaltar la importancia tan relevante que tienen Los laboratorios didácticos del TEC-LANDIVAR, en este caso especial, seleccione el Laboratorio de FMS y como complemento la Célula FMS del CIM. Espero despertar en el lector la inquietud para que se acerque a nuestros laboratorios y experimente la sensación de encontrarse en una fábrica Didáctica con tecnología de punta.
Plataforma Teórica
1.- Administración en las Organizaciones
Fremont E. Kast & James E. R.
Editorial Limusa, 2404
2.- Administración y Control de los Materiales
En una Empresa Manufacturera.
José Manuel Castorena Machuca
Editorial CECSA, 1987
3.- Enfoque de Sistemas
Gerez A. – Grijalva
Editorial Limusa, 2004
4.- Teoría General de Sistemas Aplicados
John P. Van Gigch
Editorial Trillas, 2005
5.- La Tecnología Educativa como apoyo en el Proceso de la Enseñanza y el Aprendizaje.
José Manuel Castorena Machuca.
Editorial ITSLP, 2006
6.- Bajo todos los cielos estrellados, reinarán siempre la Ética y los Valores.
José Manuel Castorena Machuca.
Editorial ITSLP, 2006.
7.- Apuntes de ingeniería de sistemas, jmcastorena, 2014, ITSLP.
8.- Imágenes tomadas de google.com, 2014. Insertadas solo para ilustrar algunos párrafos, si no son del agrado del lector, sírvase sustituirlas por las que más le acomoden de acuerdo a su referencia cultural y biológica para construir su propio conocimiento.
9.- 
10.- Producción, Conceptos, Análisis Y Control, 2008, Hopeman
11.- Niebel Benjamín, 2008, Ingeniería Industrial: Métodos, Estándares y Diseños del Trabajo,
12.- Krajewski J. Lee y Ritzman P. Larry, 2010, Administración de Operaciones. Estrategia y Análisis,
13.- referencias teóricas en la web
http://www.euskalit.net/pdf/folleto2.pdf
http://www.lajapyme.com/las5s/
http://es.wikipedia.org/wiki/5S#Etapas
http://www.monografias.com/trabajos58/metodo-cinco-s/metodo-cinco-s2
http://www.todoexpertos.com/categorias/ciencias-e-ingenieria/ingenieria-industrial/respuestas/793843/5-s-s
http://ingenieriametodos.blogspot.com/2008/04/las-cinco-s-5-s-los-cinco-pasos-del.html
http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/5slascincos/
ttp://www.mailxmail.com/curso-como-aumentar-productividad-lugar-trabajo-5-s/metodologia-implantacion-5s-personal-implicado-1
http://salud.edomex.gob.mx/html/blog_4/index.php?entry=entry080905-162641
http://www.gestiopolis.com/recursos5/docs/ger/cincos.htm
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/trabajos/adolmodin/adolmodin
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http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/sistemasdeproduccionfundamentos/default.asp
/trabajos13/sisprod/sisprod
http://www.es.thefreedictionary.com
CNC en www.sti-sl.es
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería en www.upiicsa.ipn.mx
ECC CONSULTORES en www.lean.6sigma.com
Manufactura Web en www.manufacturaweb.com
Autor:
Dr. José Manuel Castorena Machuca
ITSLP, Depto. De Ing. Industrial
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