La planeación de procesos consiste en decidir cuál es la secuencia óptima de operaciones a seguir para manufacturar una pieza; lo cuál representa un proceso complejo que requiere de una gran variedad de conocimiento de diseño y manufactura. Así mismo, la utilización de sistemas computarizados como es el caso de los sistemas CAPP (Planeación de Procesos Asistida por Computadora), son fundamentales para la automatización de las tareas de manufactura, ya que proporcionan a las empresas mejorar la productividad y calidad de los productos terminados. Este trabajo está orientado al estudio de la planeación del proceso para la manufactura de una pieza prismática del sistema SIM (Sistema Integrado de Manufactura) del Instituto Tecnológico de Puebla, partiendo de un modelo sólido dibujado, utilizando AutoLISP (interface de programación en AutoCAD) para la programación. El objetivo es obtener la mejor manera de manufacturar la pieza prismática en una fresadora de control numérico, partiendo del sólido dibujado previamente en AutoCAD (Diseño Asistido por Computadora). Lo anterior con la finalidad de generar una herramienta de apoyo, que aporte información de utilidad en la fabricación de piezas, generación del modelo gráfico y elaboración de la hoja de proceso.
El presente trabajo, aborda como primera instancia con una introducción del tema de estudio, posteriormente se dan a conocer los antecedentes y conceptos básicos utilizados en la planeación de procesos; en la tercera sección se dan a conocer los requerimientos a considerar en la implementación del sistema. Por último en los apartados 4 y 5, se plantean las conclusiones del trabajo y las referencias consultadas.
La planeación de procesos (PP) es considerada como la parte medular del diseño e implementación de los sistemas de Manufactura (SM). Consiste en la generación de un plan preliminar y detallado de los procesos y operaciones asociado con la transformación de materias primas.
La transformación de materias primas y la obtención de productos manufacturados requieren del estudio y análisis de actividades tales como: operaciones de manufactura, selección y distribución de maquinaria, herramentales, manejo de materiales, tiempos y movimientos, control y sincronización de procesos entre otras. Todas estas actividades son desarrolladas en la Planeación de Procesos.
El incremento de los niveles de producción demandados por el mercado, las elevadas normas de calidad en los productos, así como la diversidad de artículos, son tres factores que deben ser considerados en el estudio de la PP. Para el estudio de los actuales Sistemas de Manufactura es necesario integrar a la PP disciplinas tales como Automatización Industrial, Robótica, Inteligencia Artificial, Simulación Computacional, entre otras.
Para el auxilio de la PP diversas herramientas computacionales han sido desarrolladas. El CAD/CAM (Diseño y Manufactura asistidos por computadora) y el CAPP (Planeación de Procesos Asistida por Computadora) son paquetes computacionales que se utilizan para auxiliar las actividades del diseño, la manufactura y la Planeación de Procesos, siendo el diseño Asistido por Computadora CAD un elemento fundamental en la nueva tecnología de los sistemas de manufactura integrados por computadora CIM.
Considerando lo anterior y debido a que en el Instituto Tecnológico de Puebla (I.T.P) existe un grupo de trabajo sobre manufactura integrada por computadora (CIM) y sistemas flexibles de manufactura (FMS) cuyo interés comprende los proyectos de investigación relacionados con el análisis, diseño y la mejora de sistemas y/o dispositivos relacionados con dichas tecnologías. El trabajo desarrollado en este tipo de investigación, nace considerando que en la industria manufacturera moderna, la única manera de mantenerse en el mercado es mediante la automatización del sistema manteniendo la flexibilidad. Por lo cual, es necesario utilizar la manufactura asistida por computadora y el presente trabajo pretende abordar una de las tecnologías del CAM : la planeación del proceso asistida por computadora (CAPP) basándose en la utilización del Diseño Asistido por computadora (CAD) y el estudio de las características para la representación del producto.
Conociendo lo anteriormente expuesto y ya que la planeación automatizada de las piezas obtenidas en los procesos de producción, facilitan la transición del diseño a la manufactura al reducir o eliminar la necesidad del trabajo tradicional o de dibujos de producción, además de representar un enfoque eficiente; ya que genera la reducción de costos en la fabricación, aumento de la productividad y calidad, selección óptima de rutas de trabajo, reducción en tiempos de ejecución y mayor flexibilidad al proceso; se ha decidido desarrollar una herramienta de apoyo a las actividades de planeación, procesamiento y control en la simulación de los procesos de producción realizados en el laboratorio de Manufactura del I.T.P.
Actualmente el uso extensivo de los sistemas CAD ha significado un avance muy grande en el diseño de la Ingeniería Mecánica, ya que permite hacer cambios y modificaciones en tiempo real de manera rápida y económica.
2. Antecedentes y conceptos básicos
Uno de los avances más importantes dentro del ciclo de manufactura que incorpora la automatización de los trabajos, es la Planeación de Procesos Asistida por Computadora (CAPP, por sus siglas en inglés) que tiene sus orígenes en la década de los 50’s, donde se vió la introducción del Control Numérico (NC) y el Lenguaje de programación APT [1]; y el cuál consiste en un sistema de cómputo inteligente que sirve para determinar la secuencia óptima de operaciones para la manufactura de una pieza.
Así la planeación de procesos es definida como: "El subsistema responsable de realizar la conversión de datos de diseño a instrucciones de trabajo" [2].
Spur y Optiz [3][4] fueron los primeros en escribir sobre la automatización de sistemas de manufactura y el papel que la planeación de procesos podría jugar en estos sistemas.
Spur fué quizás el primero en definir los métodos de planeación de procesos variante y generativo y la mecanización e implementación de cada uno de estos sistemas de planeación.
Es reconocido que existen tres tipos de sistemas CAPP: variante, generativo y automático [5], siendo una de sus principales tareas la determinación de las secuencias de maquinado en la manufactura de piezas o componentes. Las investigaciones relacionadas con sistemas CAPP iniciaron en la decada de 1970, enfocados a los sistemas variantes, así posteriormente se desarrollaron en 1980 los de tipo generativo [6,7]. El sistema QTC (célula de maquinado rápido) desarrollado en la universidad Purdue es uno de los muy pocos sistemas CAPP automatizados presentados en la literatura.
En el sistema variante (llamado también sistema derivativo), los archivos de cómputo contienen un plan patrón de proceso para la pieza que se va a fabricar. Con el número de clave de la pieza se hace la búsqueda de un plan regular, el cual se basa en su forma y sus características de manufactura. El plan regular se llama, se presenta para su revisión y se imprime en forma de hoja de proceso.
En el sistema generativo, se genera en forma automática el plan de proceso para fabricar determinada pieza. Sin embargo el sistema es complicado porque debe contener conocimientos claros y detallados de la forma y dimensiones de la pieza, las posibilidades de proceso, la selección de métodos, maquinaria y herramientas de manufactura y el orden de las operaciones que serán desarrolladas. Estas funciones de las computadoras caen dentro del campo de los sistemas expertos.
El sistema generativo es capaz de crear un nuevo plan, en lugar de tener que usar y modificar uno existente (como lo debe hacer un sistema variante). Sus ventajas son: a) Flexibilidad y consistencia en la planeación de proceso para piezas nuevas y b) mayor calidad general de planeación, por la capacidad de la lógica de decisiones en el sistema, para optimizar la planeación y utilizar la tecnología actualizada de manufactura.
Por lo anterior la planeación de procesos es considerada como el puente crítico entre el diseño y la manufactura. Es decir, la información del diseño (aspectos o notas de manufactura: dimensiones, tolerancias, acabados, especificaciones, etc.) puede ser trasladada al lenguaje de manufactura (materia prima, procesos, maquinaria, herramientas de corte, parámetros de corte, etc.) únicamente a través de la planeación de procesos. Así mismo el diseño automatizado (CAD) y la manufactura (CAM), hoy en día implementados, requieren para su integración de la planeación de procesos automatizada.
El presente trabajo está enfocado al grupo de trabajo CIM-2000 de Instituto Tecnológico de Puebla ( I.T.P.), el cual es un sistema diseñado para la enseñanza del concepto CIM mediante el uso de diferentes equipos o estaciones de trabajo con principios de funcionamiento diversos (neumáticos, hidráulicos, eléctricos) controlados por computadora y cuya distribución es de tipo celular.
El sistema actualmente manipula dos diferentes tipos de materia prima:
- Piezas prismáticas 77mm X 50mm X 20mm.
- Piezas cilíndricas de 22 mm de diámetro.
Para la realización de este trabajo, el estudio se enfocará a la estación de maquinados (estación FMS), la cual consta de los siguientes componentes:
- Un Manipulador Eléctrico Mitsubishi.
- Una máquina de Torno de Control Numérico por Computadora (CNC).
- Máquina Fresadora de Control Numérico (CNC): Realiza el maquinado de piezas prismáticas.
- Mesa de inspección.
Cabe señalar que el estudio de la planeación de procesos estará limitado a la manufactura de piezas prismáticas, por lo que se utilizará únicamente la máquina fresadora de CNC de la estación de maquinado del sistema CIM.
1) Los materiales a utilizar para la fabricación de piezas serán aluminio y Nylamid.
2)Se trabajará un solo tipo de materia prima:
- Piezas prismáticas con dimensiones: 77mm X 50mm X 20mm.
Las características geométricas a obtener, serán formas básicas permitidas por el equipo de fabricación tales como: desbastes, barrenos, fresados, etc. Como se muestran en las Figuras 1 y 2.
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Fig. 1. Pieza prismática 1 con características de forma.
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Fig. 2. Pieza prismática 2 con características de forma.
4)Las máquinas herramientas a utilizar para el desarrollo de las operaciones, será principalmente la estación de maquinados, formada por un torno y una fresadora de CNC, así como las herramientas de corte adecuadas (brocas, fresas, etc.) como se ve en la Figura 3.
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Fig. 3. Estación FMS del sistema CIM del I.T.P.
5) La secuencia óptima de los procesos de maquinado, las operaciones y herramientas a utilizar, los parámetros de maquinado y el tiempo establecido para cada operación; se definirán a partir de las características de diseño y manufactura de las piezas, dando origen con la selección de esta información a la generación de las hojas de proceso, como se muestra en la Figura 4.
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Fig. 4. Modelo de hoja de proceso para la fabricación de piezas.
6) La obtención de los modelos gráficos se realizará en el módulo de programación de AutoLISP Figura 5, con el cuál se diseñará un menú desplegable y cuadros de diálogo que permitan dibujar la pieza prismática y realizar cambios en las características físicas o geométricas de las piezas, para construir finalmente las hojas de proceso.
Fig. 5. Módulo de programación AutoLISP.
Dentro de la manufactura de piezas o componentes en la industria metalmecánica (automotriz, aeroespacial, etc.) los avances están enfocados en mejorar el nivel de integración de la planeación de procesos. Este trabajo está basado en generar una herramienta de apoyo que aporte información de utilidad respecto al método manual en la fabricación de piezas, además de reducir el tiempo de planeación del proceso y procurar en cierta medida la automatización de las tareas, considerando que con el uso completo y efectivo de estos sistemas se podría ahorrar hasta un 40% del tiempo utilizado en la planeación.
Respecto a las limitaciones presentadas, se encuentra la complejidad de formas o características geométricas que se pueden obtener en las piezas, por lo cual se enfoca específicamente a formas básicas. Por otro lado queda abierta la posibilidad de continuar trabajando sobre esta línea de investigación, en lo que se refiere a la generación de bases de datos que puedan detallar aún más la información de fabricación (herramientas, procesos, parámetros, etc) para la manufactura más eficiente de las mismas.
En relación a la aplicación de esta herramienta el objetivo es incorporarla a las actividades de simulación del sistema CIM del I.T.P., sin que esto signifique que no se pueda trasladar con sus adaptaciones específicas, a empresas dedicadas a la manufactura de partes o componentes.
[1]APT or automatically programmed tool is a set of computer programs used to create machine control information for NC machines.
[2]Link, C. H. (1976). "CAM-I Process Planning Program".
[3]Optiz, Herwart (1974). "Planning Flexible Manufacturing Systems", Unpublished Research Paper.
[4]Spur, G. (1974). "Automation of Manufacturing Planning", A paper presented at CIRP conference in Chicago.
[5]Chang, T. C. (1990). "Expert Process Planning for Manufacturing". Reading, MA, USA: Addisson – Wesley Publishing.
[6]T. C. Chang, (1986). "An Introduction to Automated Process Planning Systems". Englewood Ciffs, Nj, sa: Prentice-Hall
[7] Wang, H.P. & Li, J. K. (1991). "Computer-Aided Process Planning", Amsterdam: Elsevier.
- Tajadura Zapinain, J. A., Manso Irurzun, B. & Fernández, J. L. (1999). Programación con Autocad. Mc Graw Hill Interamericana de España. Págs. 85-154, 322-344
- http://www3.ujl.es/~huerta/dfao/apuntes/tema7.pdf
- http://www2.ing.puc.cl/icmcursos/procesos/apuntes/.cap4/41/411/.traslate
- Kalpakjian, S. (1989). Manufacturing Engineering and Technology. Addison -Wesley Publishing Company. Pages 1183-1186, 1214-1216.
- Groover, M. P. (1980). Automation Production Systems, and Computer- Integrated Manufacturing. Prentice Hall.
- Chang, T. C. & Wysk R. A. (1985). Computer – Aided Process Plan. New Jersey: Prentice Hall. Pages 1-16, 205-210.
- http:/ www.memagazine.org/backissues/back.html
- http://bc.unam.mx (Elsevier , IEEE Xplore)
DATOS DEL AUTOR:
Eduardo Alfaro Pérez
Estudios realizados: Licenciatura en Ingeniería Mecánica, 4º Semestre de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica (Opción Manufactura), en el Instituto Tecnológico de Puebla.
Alumno de la Maestría en Ciencias en Ingeniaría Mecánica del Instituto Tecnológico de Puebla
MC. Sergio Javier Torres Méndez
Profesor de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Puebla
CATEGORIA DEL ARTÍCULO: Automatización en la planeación de procesos.
Instituto Tecnológico de Puebla
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