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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLIARIA DE INGENIERIA, CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION INTEGRACIÓN DE SOFTWARES CAD/CAPP/CAE PARA EL DISEÑO Y PLANEACION DE PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE RECIPIENTES A PRESION T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA INDUSTRIAL P R E S E N T A: FERNANDO GARCIA PINEDA MÉXICO, D.F. MAY 2005 BERTHA, FERNANDA Y ASAEL Mi familia, por su amor y comprensión. Son mi inspiración y mi estimulo para seguir viviendo, a mis hijos que día a día me dan el mejor regalo con sus grandes logros. iii A mi Madre y hermanos: Consuelo Pineda Pineda Ma. Elena García Pineda Miguel A. García Pineda Cruz Rosario García Pineda Ofelia García Pineda Martín de J. García Pineda Alberto García Pineda Sergio García Pineda Por su apoyo moral, estimulo para continuar y seguir superándome. iv A mis profesores: Dr. Zoilo Mendoza Núñez, M. en C. Maria Guadalupe Obregón Sánchez, Dr. Luciano Varela Coronel, Dr. Eduardo Gutiérrez González, M. en C. Manuel Guerrero Briceño, M. en C. Ulrich Scharer Sauberli Por su asesoría, conocimientos, sugerencias, cuestionamiento, estimulo y paciencia. A mis Amigos y compañeros: Ing. Miguel Martínez Guerrero, Ing. Javier Martínez Ponce, Ing. José Carrizales Padilla, Ing. Eduardo Cañedo Tostado, M. en C. Usiel Becerril Franco, M. en C. Miguel A. Munive. Por su compañía, estimulo, apoyo y paciencia. v RESUMEN La Manufactura moderna se ha desarrollado vertiginosamente en los últimos años, tanto de los procesos como de los productos, las culturas que han sabido hacer mejor las cosas son las que han sido las más exitosas. Actualmente se están dando una serie de cambios en la industria que obliga a las empresas a buscar diferentes alternativas, tanto administrativas como en la tecnológica, que les permita generar ventajas competitivas y tengan permanencia en el mercado. Así los manufactureros se ven inmersos en un ambiente cambiante y muy dinámico, fruto de la competitividad global. Uno de los cambios y como estrategia es tener una empresa con manufactura esbelta que esta diseñadas para eliminar los desperdicios del proceso de producción (y administración, para este trabajo de tesis) y reducir los niveles de inventarios, tomando en cuenta la necesidad de mejorar la calidad y tener la importancia de ser competitivo en servicio y precio. Si las compañías manufactureras desean competir con éxito, tanto en el país como en el extranjero hoy, necesitan responder con mayor agilidad a los cambios del mercado impuesto por la globalización. La demanda continua para el tiempo de entrega más corto y clientes de productos específicos invocan la necesidad por más concurrente en planear la información tecnológica (ingeniería) y logística (planeación de la producción) por lo que, los sistemas modernos de manufactura necesitan estar familiarizados y vinculados con todos los departamentos de la empresa, para satisfacer esa demanda, reduciendo el tiempo ciclo en la entrega de productos. Ahora que, al conjugar la tecnología moderna de manufactura, con los sistemas modernos de la informática para la producción (tales como el CNC, el AUTOCAD y el CAPP) como un marco de integración, se puede tener una empresa competitiva y esbelta que pueda hacerle frente a esa competencia globalizada que tanto daño ha hecho a las pequeñas y medianas empresas. Al tener esta integración de los softwares para el diseño y planeación de la producción en los recipientes a presión, se crea una ventaja competitiva para reducir el tiempo ciclo para su fabricación, aumentando la productividad de la organización, dándole al cliente una respuesta más rápida, con la meta de entregarle su producto en la fecha que ellos lo requieren. 1 ABSTRACT The modern manufacturing has been development vertiginously in the last years, such in process as products, the cultures who have known to make better things, are who has been the most successful in the whole world. Actually in the industries are giving a set of changes, and they are forcing to searching differents choices, such administratives as in the technology, what it allow to generate competitiveness advantages and they keep permanence in the market. This way the manufacturers are inside in a changing environment and very dynamic, fruit of the global competition. One of this changes and as strategic is have a enterprise with lean manufacturing what is designed for eliminate productions process’s wastes (and administration, for this thesis job) and reducing inventories levels, taking in count the necessity of improve quality and it have the importance of being competitive in service and price. If the manufactures companies wish to compete with success, such in the domestic market as in the abroad today, is necessary answer with best agility to changes in the markets excises for this global environment. The ongoing demand for shorter delivery times and client specific products does invoke the need for more concurrency in planning the technological (engineering) and logistic (production planning) information, thereby, the manufacturing moderns systems need to be familiarized and linked with all whole departments in the enterprise for satisfacting the demand, reducing the lead time for delivering products on time. Now, if we combine the manufacturing moderns technologies with informatics moderns systems for production’s area (as CNC, AUTOCAD and CAPP) like a integration frame, we can have a competitive and lean enterprise able to face this scope field global what so much have injured to the small and medium enterprises. At we have that integration of softwares to design and production planning in pressures vessels, we create a competitive advantage for reducing lead time in their fabrication, raising productivity to all whole organization, giving a faster answer at customer with the main goal to deliver products on time when they are needing it. 2 Página RESUMEN. 1 ABSTRACT 2 INDICE: 3 INTRODUCCIÓN. 4 OBJETIVO GENERAL. 6 OBJETIVOS ESPECIFICOS. 7 1. CONCEPTOS BASICOS EN PLANEACIÓN DE LA MANUFACTURA. 1.1 Ingeniería de Manufactura 8 1.2 Planeación tradicional de procesos. 10 1.3 Planeación de procesos para partes. 11 1.4 Producción económica. 12 2. EL SISTEMA CAPP Y SU INTEGRACIÓN. 13 2.1 Planeación de Procesos asistida por computadora (CAPP). 13 2.2 El CAPP y su entorno 16 2.3 Características del CAPP. 20 2.4 Clasificación de los sistemas de CAPP. 23 2.4.1.- Clasificación de los sistemas de CAPP en función de la forma de planificación. 23 2.4.2.- Clasificación de los sistemas CAPP en función de la forma de representar el conocimiento. 25 2.4.3.- Clasificación de los sistemas de CAPP en función del patrón de razonamiento. 26 2.5 Integración CAD - CAPP - CAM. 28 2.6 Descripción de algunos sistemas CAPP. 31 3. PROBLEMÁTICA DE LA PLANEACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN EN LAS PyMEs. 37 3.1 Los recipientes a presión. 37 3.2 Situación actual de la manufactura de recipientes a presión en las Pequeñas y Medianas empresas (PyMEs) 39 3.3 Análisis del proceso actual de Manufactura para fabricar recipientes en Pequeñas y Medianas Empresas. 40 3.4 Que ruta tomar. 44 4. SISTEMA CAPP PROPUESTO. 48 4.1 Metodología para la integración de softwares para un Sistema CAPP de Recipientes a Presión. 48 4.2 Integración de softwarespara el sistema CAPP de Recipientes a Presión. 52 5. APLICACION DEL CAPP PROPUESTO. 60 5.1 Aplicación del software propuesto de CAPP de Recipientes a Presión 60 5.2 Valuación de resultados con el sistema propuesto de CAPP. 65 CONCLUSIONES. 67 RECOMENDACIONES 70 BIBLIOGRAFÍA 71 GLOSARIO DE TERMINOS 73 3 INTRODUCCIÓN: Con el surgimiento de la revolución industrial, uno de los primeros problemas a solucionar era, es y será lo referente a la necesidad de aumentar la productividad para atender la demanda a precios que el consumidor pueda pagar. Con esto, la empresa evita ser víctima de sus competidores y no es desplazada del mercado, con lo que asegura su permanencia, por consiguiente su sobrevivencia y con posibilidad de crecimiento. Lo anterior en términos modernos simplemente quiere decir, ser productivos (hacer más al menor costo) y desde siempre es lo que ha estado en la mente de todas aquellas personas que tienen alguna relación con la producción (empresarios, economistas, ingenieros, técnicos, sociólogos, etc.). Para ello se han seguido diferentes estrategias, desde las formas más burdas de los primeros tiempos, hasta las más modernas de los tiempos actuales con el uso de la computadora Los procesos de Manufactura tocan nuestras vidas cada día, los Métodos de Manufactura influyen en la productividad industrial que, a su vez, ajusta nuestros estándares de vida. Los procesos modernos de manufactura deben estar en armonía con el diseño y el desarrollo de nuevos productos, esta es la base de cualquier progreso económico. La inyección de sangre nueva a cualquier empresa manufacturera, es la continua innovación de productos, mejorando procesos y productos a precios competitivos. De otra manera, la empresa se queda estancada y por último fracasa. Con estos esfuerzos, la productividad mejora, la empresa se vuelve más competitiva, y tendrá la captura de una mayor porción del mercado. 1 Los factores más importantes que caracterizan las actividades de las compañías son: la globalización, la gran dinámica del desarrollo científico y tecnológico, y la alta competitividad. Dichos acontecimientos influyeron de forma directa e indirecta en la reducción del ciclo de vida de los productos, además de requerir de una mejora continua en los métodos de administración ó una reestructuración, entre otras cosas2. De esta manera, la industria está siendo obligada a cambiar sus estrategias y métodos de funcionamiento y además, provoca la necesidad de buscar soluciones técnicas y organizacionales modernas, con la implantación de esquemas de mejora continua. El gran dinamismo en los cambios implica que este proceso tenga que ser constante. 1W. Niebel, Benjamin, Draper, Alan B, Wysk, Ricahrd A. Modern Manufacturing Process Engineering. Ed. McGrawn- Hill Book Company, 1989 Singapore. 2 Revista Manufactura, Revista mensual ,Año 9, Número 85, Ed. Seposa , México, 2002 4 La ingeniería de procesos actual debe estar intercomunicada con los sistemas de manufactura. Debe ser capaz de interconectar los sistemas de Planeación con la Ingeniería Industrial y los sistemas de medición, incluyendo tiempos de fabricación estándar. Además, con la interfase de sistemas de Planeación, Requerimientos de Materiales, con una Planeación de procesos automatizado y la Tecnología de grupo se puede lograr un ambiente de manufactura justo-a-tiempo La empresa siempre debe buscar el equilibrio entre el orden y el caos. Debe tener la habilidad para ajustarse a su entorno, basándose en su capital intelectual. Su sistema administrativo deberá ser de alto nivel, que podamos llamar: continuous improvement management ó mejoramiento continuo de la administración. Este método debe responder a los cambios permanentes del medio3. La implantación de un esquema de este tipo le permite a la empresa mantener y mejorar su posición competitiva en el mercado. Implementarlo significa entrar en un proceso de reestructuración constante, donde se destaca: lograr y mantener tal condición de la compañía que le permita responder a los cambios previstos e imprevistos, conseguir la satisfacción de los requerimientos de sus clientes en un ambiente de variaciones dinámicas en el mercado, llevar a cabo sus operaciones de manera esbelta y ágil, manteniendo la condición de la organización, contar con personal preparado que trabaje en base a su conocimiento, satisfacer los intereses de todos los involucrados en el funcionamiento de la corporación (accionistas, empleados, proveedores, etc.). Para alcanzar tales fines se recomienda dar algunos pasos básicos: Utilizar métodos rápidos para el diseño de productos y servicios, llevar a cabo procesos flexibles para producir y desarrollar servicios, emplear al personal que trabaje de manera multidisciplinaria y proveer una capacitación adecuada y continua, administrar correctamente el conocimiento y los cambios de manera constante, implementar la mejora y cambios continuos para lograr la coherencia interna y organizacional, impulsar la innovación, integrar todos los elementos que conforman a la entidad (gente, procedimientos y tecnologías), introducir sistemas de información abiertos y sensibles, obtener la diversificación y modularidad de las estructuras y crear canales híbridos de distribución. La selección de los métodos de administración se relaciona más con la corporación que con el estado donde funciona, así como con las condiciones culturales y políticas. Para el cumplimiento de los objetivos y paradigmas que enfrentan las compañías se requiere que los directivos contesten las siguientes preguntas: ¿Cómo deben de ajustarse a los cambios para poder enfrentarlos con éxito? 3 Revista Manufactura, Revista mensual, Año 9, Número 87, Articulo: Mejora Continua, Ed. Seposa, México, 2002. 5 y ¿cómo entonces deberán crear las condiciones para llevar a cabo procesos ininterrumpidos de innovación? Las respuestas a estas interrogantes y el cumplimiento de los objetivos y paradigmas requieren una incesante y compleja reestructuración, misma que permitirá desarrollar una gestión efectiva. Para lograrlo se necesitan métodos, filosofías y herramientas unidos en un conjunto, tomando en cuenta la secuencia de su implementación, y debido a la problemática de las PyMes (que es a la falta de infraestructura y recursos económicos), se podría implementar un sistema CAPP vinculando departamentos para que, el flujo de información de datos sea expedito y el proceso administrativo sea más dinámico. Como sabemos, la Ingeniería Industrial involucra la integración de los recursos que las compañías y la industria poseen en: el diseño de sistemas de manufactura, equipos, máquinas, manejo de materiales, procesos, información, energía y personas, además, combina relaciones humanas con los conocimientos tecnológicos necesarios para resolver los retos dentro de las organizaciones, evaluación y planeación de procesos, análisis de costos, y control de calidad. Debido a su alta interacción de los entes arriba mencionados en las empresas, con este trabajo, lo que se busca es conjugar los conocimientos del personal, la tecnología, y los sistemas modernos de manufactura (ó producción), a través de la informática como herramienta de enlace y auxiliados de paquetes de software de ingeniería como el CAD - CAM (CNC), el AUTOCAD y el CAPP, para poder tener una empresa competitiva y esbelta. Y explotando el gran avance tecnológico de la informática, se utilizan softwares como el Autocad, Autolisp, Visual Basic, Excel, Access y otros paquetes, que integrados, nos ayudarán para hacer un sistema de manufactura CAPP, que se podrá adaptar de acuerdo a las necesidades y recursos de la empresa en donde se quiera implantar, también se busca la manerade hacerlo flexible para cualquier empresa metalmecánica que se dedique a la manufactura de recipientes y que además esté interesada en implementar este sistema. Dentro de este amplio mundo de manufactura de productos y servicios, nos enfocaremos a los Recipientes a Presión, y dado que los sistemas existentes en el mercado ninguno tiene la vinculación de softwares, con el desarrollo de este trabajo se va a tener un sistema administrativo de manufactura más eficiente. Para este trabajo de tesis se tienen los siguientes objetivos: OBJETIVO GENERAL: Integrar los softwares CAD/CAPP/CAE para el diseño y planeación de procesos de producción de Recipientes a Presión. 6 Y como OBJETIVOS ESPECÍFICOS los siguientes: ♦ Estudiar el desarrollo de los sistemas CAPP (Computer Aided Process Planning), su origen, entorno y la relación que tienen con otros softwares de Ingeniería y Manufactura en una empresa, para una posible integración de los mismos. ♦ Integrar los softwares de Ingeniería (Autocad, CAE) para un Modelo de CAPP que asista al diseño y proceso de fabricación de Recipientes a Presión, para el cual se utiliza formulas del Código ASME como base para el diseño de recipientes, Visual Basic y Auto Lisp como lenguajes de programación, Excel como hoja de Cálculo y Access como base de Datos. ♦ Ejecutar una prueba piloto del Modelo CAPP creado, para su correspondiente evaluación, en la cual se consideran criterios relativos a la productividad, eficiencia, y costo-beneficio. En las pequeñas, medianas y en algunas grandes empresas, la administración y fabricación de los recipientes a presión y atmosféricos, es aún de forma manual, y lo que se busca, para este producto en particular, es que, tanto la información y la manufactura de los recipientes sean manejados en forma semi-automatizada, ya que de alguna forma, interviene la mano del hombre. Y con la integración de softwares para este sistema de manufactura CAPP, el manejo de información será más fluido y en menor tiempo, evitando que se obstaculice la información en un cierto proceso administrativo y con solo alimentar a la computadora con los datos técnicos del recipiente, se generan dibujos, hojas de proceso, y el mínimo de documentos pertinentes, para fabricar el recipiente en la línea de fabricación, pero además, obtenemos en base a las fórmulas y parámetros del Código ASME, los cálculos de diseño necesarios para tener la seguridad que el recipiente puede trabajar a las condiciones con las que fue diseñado. La tesis está estructurada de la siguiente manera: El Capítulo I, trata los conceptos básicos para la Planeación de la Manufactura tradicional. El Capítulo II, se describe que es el sistema CAPP, como se clasifican estos sistemas, la forma de la integración de los sistemas CAD-CAPP-CAM y se mencionan algunos sistemas CAPP comerciales que existen actualmente en el mercado con sus limitaciones. El Capítulo III, describe la problemática de la manufactura en la Planeación de la Producción de los Recipientes a Presión en las PyMEs. El Capitulo IV se describe la integración de los softwares para un sistema CAPP propuesto de Recipientes a Presión. Por último, en el Capitulo V se tiene una aplicación para poder valuar los resultados. Finalmente se presentan las conclusiones correspondientes, se da una recomendación para los futuros ingenieros que quieran ampliar este campo de estudio y la bibliografía utilizada. 7 1. CONCEPTOS BÁSICOS EN PLANEACIÓN DE LA MANUFACTURA. 1.1 Ingeniería de Manufactura Como definición se podría decir que la Ingeniería de Manufactura, " Es la ciencia que estudia los procesos de conformado y fabricación de componentes mecánicos con la adecuada precisión dimensional, así como de la maquinaria, herramientas y demás equipos necesarios para llevar a cabo la realización física de tales procesos, su automatización, planificación y verificación”.4 La Ingeniería de Manufactura es una función que lleva acabo el personal técnico, y esta relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada, el ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Entre las actividades usuales están las siguientes: 1) Planeación de los procesos 2) Solución de problemas y mejoramiento continuo. 3) Diseño para capacidad de manufactura. La planeación de procesos implica determinar los procesos de manufactura mas adecuados y el orden en el cual deben realizarse para producir una parte o producto determinado, que se especifican en la ingeniería de diseño. El plan de procesos debe desarrollarse dentro de las limitaciones impuestas por el equipo de procesamiento disponible y la capacidad productiva de la fabrica. Los procesos para realizar la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual, tal como se describe en la figura 1.1 (a). La manufactura se realiza siempre como una sucesión de operaciones. Cada una de ellas lleva al material a cada vez más cerca del estado final deseado. Económicamente, la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayor valor, a través de una ó más operaciones ó procesos de ensamble, como se muestra en la figura 1.1 (b). El punto clave es que, la manufactura agrega valor al material 4Groover, Mikell P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 1° Edición, Prentice-Hall Hispanoamericana, México, 2000. 8 original, cambiando su forma ó propiedades, ó al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. Cuando el material de hierro se convierte en acero, se le agrega valor, cuando la arena se transforma en vidrio, se le agrega valor, etc. 5. Materia Prima Procesos de Manufactura Material Procesado Desechos y Desperdicios Tecnología Herramienta Maquinaria Herramienta Mano de obra a) Fig. 1.1. Dos maneras de definir manufactura: a) Como un proceso técnico y b) como un proceso económico Fuente: P. Groover, Mikell, Fundamentos de Manufactura Moderna, 1° Edición, Prentice-Hall Hispanoamericana, 2000, México. Procesos de Manufactura Materia Prima Material en Proceso Material Procesado Valor Agregado b) La manufactura es generalmente una actividad compleja como se muestra en la figura 2, involucra gente que tiene un amplio rango de disciplinas y habilidades y una amplia variedad de 5 Groover, Mikell P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 1° Edición, Prentice-Hall Hispanoamericana, México, 2000. 9 maquinaria, equipo, herramientas y con varios niveles de automatización, incluyendo computadoras, robots, y equipo de manejo de materiales6. Diseño y Desarrollo de Productos Planeación de Procesos Compras Manufactura Servicios de Soporte Marqueting y Ventas Recursos Materiales, Capital Energía y Gente Control de Producción Embarques Figura. 2. El diagrama muestra las relaciones entre algunas actividades de manufactura, involucrando materiales, procesos, maquinaria y equipo. Fuente: Kalpakjian, Serope, Manufacturing, Engineering and Technology, 3° edition, Addison-Wesley Publishing, 1995, USA. 1.2 Planeación tradicional de procesos. Tradicionalmente, la planeación de procesos la lleva acabo ingenieros en manufactura que conocen los procesos particulares que se usan en la fabrica y son capaces de leer dibujos de ingeniería con base en su conocimiento, capacidady experiencia. Desarrollan los pasos de procesamiento que se requieren en la secuencia más lógica para hacer cada parte. A continuación se mencionan algunos detalles y decisiones requeridas en la planeación de procesos. · Procesos y secuencias. · Selección del equipo · Herramientas, matrices, moldes, soporte y medidores. 6Kalpajian, Serope, Manufacturing Engineering and Technology, 3th Edition, Addison-Wesley Publishing Company, United States of America, 1995. 10 · Herramientas de corte y condiciones de corte para las operaciones de maquinado. · Métodos. · Estándares de trabajo · Estimación de los costos de producción. · Estimación de materiales · Distribución de planta y diseño de instalaciones. 1.3 Planeación de procesos para partes. Los procesos necesarios para manufactura una parte especifica se determinan en gran parte por el material con que se fabrica la parte. El diseñador del producto selecciona el material con base en los requerimientos funcionales. Una vez seleccionado el material, la elección de los procesos posibles se delimita considerablemente. En este análisis de los materiales para ingeniería y para el procesamiento hay principalmente cuatro grupos de materiales. · Metales · Cerámicos · Polímeros · y Materiales compuestos. Una típica secuencia de procesamiento para fabricar una parte separada consiste en: 1.- Materia prima inicial. 2.- Procesos básicos 3.- Procesos secundarios 4.- Procesos para el mejoramiento de las propiedades 5.- Operaciones de acabado. Un proceso básico establece la geometría inicial de la parte, entre ellos están el colocado de metales, el formado y el laminado de chapas metálicas. En la mayoría de los casos, la geometría inicial debe refinarse mediante una serie de Procesos secundarios, estas operaciones transforman la forma básica en la geometría final. Hay una correlación entre los procesos secundarios que pueden usarse y el proceso básico que proporciona la forma inicial. La selección de ciertos procesos básicos reduce la necesidad de procesos secundarios, gracias a que con el modelo se obtienen características geométricas detallada de dimensiones precisas. 11 Después de operaciones de formado, por lo general se hacen operaciones para mejorar las propiedades, incluyen el tratamiento térmico en componentes metálicos y cristalería. En muchos casos, las partes no requieren estos pasos de mejoramiento de propiedades en su secuencia de procesamiento. Las operaciones de acabado son las ultimas de la secuencia; por lo general proporciona un recubrimiento en la superficie de la parte de trabajo(o ensamble) Entre estos procesos están la electro deposición y la pintura. 1.4 Producción económica. EL costo de un producto depende de las inversiones o gastos que se generan en cuanto al consumo de materias primas maquinas, mano de obra y otros gastos generales. Puede afirmarse que el objetivo de una producción económica radica en el generar un producto bajo cierto beneficio, Esto nos infiere que el costo debe ser aceptable y competitivo, también que debe existir una demanda para el producto ó más aun, esta demanda debe crearse. Desde que se empezaron a utilizar máquinas y herramientas, siempre ha habido un gradual pero constante avance hacia la construcción de maquinaria más eficiente, ya sea combinado con operaciones ó haciéndolas mas independientes de la operatividad humana. Reduciendo de modo los tiempos de maquinado y el costo de mano de obra, algunas se han convertido en máquinas completamente automáticas que su sistema de control es muy reducido. Esto ha hecho que se alcance grandes volúmenes de producción aun costo de mano de obra cada vez mas bajo, lo que es esencial para cualquier sociedad que desea gozar de un alto nivel de vida. El desarrollo de máquinas de alta producción va acompañado con el concepto de calidad de manufactura. La calidad y la precisión en las operaciones de manufactura demandan la existencia permanente de un control geométrico severo sobre las piezas que se pretenden sean intercambiables y que ofrezcan mejor servicio durante su operación. 12 2. EL SISTEMA CAPP Y SU INTEGRACIÓN 2.1 Planeación de procesos asistida por computadora (CAPP, al inglés Computer Aided Process Planning). Durante las últimas dos décadas, ha surgido un considerable interés en la planeación de procesos asistida por computadora (CAPP), que es la automatización de la función de planeación de procesos mediante sistemas de computación. Las personas con conocimientos especializados en los procesos de manufactura gradualmente desaparecen, por una parte, la gente especializada en Planeación de Procesos de Manufactura cada vez son menos ó insuficientes por atender las exigencias de la manufactura actual y por otro lado los indicadores de productividad, calidad y flexibilidad de los productos manufacturados son cada vez más altos. Para atender esas exigencias han surgido nuevos recursos ó tecnologías como son el Diseño y la Manufactura Asistida por Computadora (CAD / CAM), la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), la Calidad Asistida por Computadora (CAQ), la Planeación de Procesos Asistida por Computadora (CAPP), por mencionar algunos, y se han creado, precisamente para poder satisfacer esas nuevas exigencias y darle mayor velocidad a los cambios que surgen por estas necesidades. Se necesita un enfoque alternativo para la planeación de procesos, y los sistemas CAPP proporcionan esta opción. La asociación de ingenieros mecánicos americanos define el CAPP como la “determinación sistemática de los métodos y de los medios mediante los cuales un producto se fabricara de forma económica y competitiva”. Así como el CAD define QUE se debe de producir, y la Planificación de la Producción (programación o gestión de la producción) define CUANDO se debe fabricar. La preparación del trabajo determina COMO se debe fabricar y es una función de fabricación que se sitúa justo entre el CAD y la gestión de producción7. Los sistemas de planeación de procesos asistidos por computadora están diseñados con base en uno de los dos enfoques8: 1) Sistemas de recuperación. 2) Sistemas generadores. 7Código ASTM, Edición 1995. USA 8 Groover, Mikell P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 1° Edición, Prentice-Hall Hispanoamericana, México, 2000, paginas 973, 974 y 975. 13 1.- Sistemas CAPP de recuperación. Los sistemas CAPP de recuperación, también conocidos como sistemas CAPP variables, se basan en la tecnología de grupos y en la clasificación y codificación de partes. En estos sistemas, se almacena en archivos de computadora un plan de procesos estándar para cada número de código de parte. Los planes estándar se basan en los direccionamientos de partes actuales que se usan en la fábrica ó en un plan ideal preparado para cada familia. Los sistemas CAPP de recuperación operan como se indica en la figura 3. Figura 3. Operación de un sistema de planeación de procesos asistido por computadora del tipo de recuperación. Fuente: Fundamentos de Manufactura Moderna, Groover, Mikell P., México, 2000. El usuario empieza por identificar el código TG (Tecnología de grupos) del componente para el cual se va a determinar el plan de procesos. Se hace una búsqueda en el archivo de la familia de partes, para comprobar si existe una hoja de proceso estándar para el código de parte determinado. Si el archivo contiene un plan de procesos para la parte, se recupera y despliega para el usuario. El plan de procesos estándar se examina para determinar si se requieren modificaciones. Aunque la parte nueva tenga el mismo número de código, podrían requerirse diferencias menores en los procesos para hacer laparte. El plan estándar se edita de acuerdo con lo anterior. La capacidad 14 de alterar un plan de procesos existentes es la razón por la cual los sistemas CAPP de recuperación también se denominan sistemas variables. El paso final es el formateado de plan de procesos, el cual imprime la hoja de proceso en el formato conveniente. El formateador puede solicitar otros programas de aplicaciones: determinar las condiciones de corte para las operaciones de maquinas herramienta, calcular los tiempos estándar para operaciones de maquinado ó calcular estimados de costos. 2.- Sistemas CAPP generadores. Los sistemas CAPP generadores son una alternativa para los sistemas de recuperación. Más que recuperar y editar planes existentes de una base de datos, un sistema generador crea el plan de procesos usando procedimientos sistemáticos que puede aplicar un planificador humano. En un sistema CAPP completamente generador, la secuencia de procesos se planea sin asistencia humana y sin planes estándar predefinidos. El diseño de un sistema CAPP generador es un problema en el campo de los sistemas expertos, una rama de la inteligencia artificial. Los sistemas expertos son programas de computadora capaces de solucionar problemas complejos que normalmente requieren una persona con años de educación y experiencia. La planeación de procesos se adapta a tal definición. Se requieren varios ingredientes en un sistema CAPP completamente generador: 1) Base de conocimientos. El conocimiento técnico de la manufactura y la lógica que usan los planificadores de procesos exitosos deben capturarse y codificarse en un programa de computadora. Un sistema experto aplicado a la planeación de procesos requiere el conocimiento y la lógica de las personas que planean los procesos para incorporarlas en una base de conocimientos. Después, los sistemas CAPP generadores usan la base de conocimientos para solucionar problemas de planeación de procesos, esto es, para crear hojas de proceso. 2) Descripción de partes compatibles con computadoras. La planeación de procesos generadora requiere una descripción de la parte compatible con una computadora. La descripción contiene todos los datos pertinentes necesarios para planear la secuencia de procesos. Dos descripciones posibles son: a) El modelo geométrico de la parte desarrollado en un sistema gráfico computarizado durante el diseño del producto. b) Un número de código de tecnología de grupos de la parte que defina sus características en forma detallada. 15 3) Un motor de inferencia. Un sistema CAPP generador requiere la capacidad de aplicar la lógica de planeación y la identificación de los procesos que contiene la base de datos para una descripción de partes determinada. El sistema CAPP aplica su base de datos para solucionar un problema específico al planear el proceso para una parte nueva. Este procedimiento de solución de problemas se denomina el motor de inferencias en la tecnología de los sistemas expertos. Usando su base de datos y su motor de inferencia, el sistema CAPP sintetiza un nuevo plan de procesos para cada parte nueva que se le presenta. Entre los beneficios de un sistema se incluyen los siguientes: 1) La racionalización y la estandarización del proceso, esto es, la planeación automatizada produce planes de procesos más lógicos y consistentes que cuando se usa la planeación tradicional de procesos; 2) Aumenta la productividad de los planificadores de procesos, es decir, el enfoque sistemático y la disponibilidad de planes de procesos estándar en los archivos de datos permiten al usuario desarrollar una mayor cantidad de planes de procesos; 3) Se reduce el tiempo para preparar planes de procesos; mejora la legibilidad en comparación con las hojas de proceso preparadas en forma manual y 4) Existe una interfase en los programas CAPP con otros programas de aplicaciones, tales como la estimación de costos, de estándares de trabajo y demás. 2.2 El CAPP y su entorno. La situación actual del mercado obliga a los fabricantes a ofrecer productos de alta calidad y ajustados a las necesidades del cliente, en series cortas, con tiempos de vida del producto mas cortos y por supuesto, sin incrementar los costos. Para conseguir ese objetivo estratégico es necesario hacer entregas al cliente siguiendo políticas “justo a tiempo”, incrementar la flexibilidad en la producción y mejorar la organización de los flujos de información. Los ingenieros tienen hoy en día una gran variedad de sistemas de asistencia mediante ordenador (CAD, CAM, CAE,...) que les ayudan a conseguir los objetivos mencionados, durante el ciclo de vida del producto. Sin embargo, hasta ahora los sistemas asistidos por ordenador no cooperan, lo cual ocasiona fuertes redundancias de trabajo. Por ello, sé esta luchando con gran intensidad en la búsqueda de métodos eficaces de compartir la información entre ellos para mejorar la cooperación de estos sistemas. 16 Dentro de estos productos de asistencia al ingeniero, se encuentran los sistemas de preparación del trabajo asistida por ordenador o CAPP (Computer Aided Process Planning), sistema que se encarga de transformar el diseño del producto en la secuencia de operaciones necesaria para obtenerlo. Estos sistemas han sido objeto de profundo estudio en los últimos años, para tratar de conseguir sistemas que cumplan con las especificaciones de calidad que demandan las empresas. La comunicación entre el control de piso de la planta y la parte administrativa de una empresa ha pasado de ser un planteamiento utópico a una realidad cercana. Una plena unificación de la información generada en el piso de la planta con la de los niveles administrativos tiene un impacto muy positivo para ayudar a satisfacer con mayor rapidez los seis factores críticos de éxito de una corporación, considerados como los aspectos que debe hacer bien para que su permanencia y crecimiento en el mercado se desarrollen con eficiencia. Para que este escenario sea viable, se requiere de un flujo continuo de información entre ambos niveles, el administrativo y los procesos9. El primer factor se refiere a la promesa de entrega. Un cliente que recibe la mercancía solicitada en la fecha propuesta queda satisfecho y, con seguridad, continuará haciendo negocios con el proveedor cumplido. La única forma de asegurar una operación así es que el agente que toma la orden de venta tenga acceso en línea a la información de los inventarios y a la capacidad real de producción de la planta. El segundo tiene relación con la reducción del tiempo transcurrido entre la recepción de la orden de venta y la entrega del producto terminado (tiempo ciclo). Entre más corto sea el ciclo, la rotación de inventario se incrementa y se mejora de manera importante la productividad de los activos. Otro elemento tiene que ver con el deseo de la empresa de maximizar la utilización de sus activos durante el proceso de transformación, donde se engloban todos, incluyendo los servicios de producción, administración, ventas y mercadotecnia. El cuarto factor, la manufactura flexible, es un enfoque muy reciente y es una consecuencia de la diversidad de preferencias del consumidor moderno. Muchos productos tienen que fabricarse para satisfacer necesidades particulares de ciertos sectores de consumidores. Estas predilecciones tienden a cambiar con rapidez y así, la planta tiene que adaptarse para responder a esta situación. En 9Revista Manufactura, Artículo “Integración: El abismo de la dualidad”, Por: Modesto Vázquez C. Año 9, Número 88, Sep. 2002¸ México. 17 otras palabras, la manufactura flexible es la habilidad que tiene la planta para modificar su infraestructura de producción a cambios continuos e inesperados respecto a las tendencias del mercado. Un punto mása tomar en cuenta es la optimización de las cadenas de suministro, lo cual está vinculado con el equilibrio entre el suministro de insumos y la demanda de productos. El propósito es desplazar el artículo desde el punto de origen a su lugar de consumo, en la menor cantidad de tiempo y al menor costo posible. En ella intervienen diversos grupos de trabajo, muchas veces externos a la planta, tal como sucede con los proveedores y los distribuidores. Para optimizar las cadenas se necesita realizar negociaciones complejas que ayuden a reducir los costos operacionales y de inventarios, haciendo más eficientes los embarques y los servicios al cliente. El sexto y último ingrediente, la calidad, es también un asunto que ha cobrado gran relevancia para poder competir en mercados mundiales. La norma de calidad ISO-9000 es un requisito exigido por la mayoría de las empresas a los proveedores que quieran hacer negocios con ellas. Hay grupos certificadores, los cuales auditan periódicamente a las compañías para avalar el cumplimiento de las normas de calidad que ampara el certificado. Para lograr satisfacer los factores críticos mencionados, es necesario optimizar los flujos de información entre las diversas unidades que constituyen la planta. Como se mencionó antes, algunos de los factores, por ejemplo, las cadenas de suministro, rebasan el dominio de la propia corporación para ubicarse en entidades externas. Se requiere instalar una infraestructura de redes de cómputo y grandes bases de datos para conectar a los diversos equipos de trabajo, aunque muchas veces, éstos se encuentran ubicados en localidades remotas. Sólo así, es posible explotar toda la información de la planta de una manera racional. Algunos de los factores mencionados ya tenían un peso importante en el proceso de planeación, mucho antes de que las empresas se involucraran en una economía global. Por tal motivo, uno de los primeros esfuerzos para satisfacer las necesidades de información en la planta fueron los Sistemas de Manufactura Integrados por Computadora (CIM). Estos se iniciaron a principios de los ochenta en algunas industrias visionarias que deseaban beneficiarse de la tecnología de computación existente. Tenían como objetivo mejorar la manera como se recolectaba, analizaba y utilizaba la información de la planta para agilizar sus operaciones de producción. Algunos de los efectos esperados se referían hacia una mejora de la calidad de los productos, una 18 respuesta más rápida a las demandas del mercado, entre otros. Por desgracia, los resultados en la época no fueron nada satisfactorios, desde el punto de vista de rendimiento de la inversión. Un estudio de mercado de 1989 preveía un futuro a largo plazo muy prometedor para los sistemas de CAPP en Europa. Mientras que en 1988 había solamente 2300 instalaciones CAPP con menos de 5000 licencias, las previsiones indican que aproximadamente 24500 instalaciones CAPP, con unas 100000 licencias serán operativas en el año 2000. Estas previsiones se harán realidad si los sistemas de CAPP comerciales actualmente, son enriquecidos con funciones automáticas, y si son integrados con otros elementos CIM, en particular con el CAD, el CAM y con los sistemas de control de planta10. Particularmente en situaciones donde los tamaños de lote son pequeños y los plazos de entrega muy cortos, es muy complicado para el departamento de preparación del trabajo abastecer al taller con todos los datos que necesita en un funcionamiento diario. Como consecuencia, sistemas potencialmente de fabricación flexible pueden convertirse en inflexibles debido a la falta de datos. A menudo el tiempo de preparación del trabajo excede del tiempo de fabricación de un producto. Las máquinas complejas automatizadas son muy caras y deben de ser utilizadas en gran medida para rentabilidad su compra. Esto implica la urgencia de hacer las operaciones de fabricación más productivas y más predecibles. Las pruebas de mecanizado en vacío deberían de ser eliminadas en lo posible. Los programas de CN suministrados por el departamento de métodos deberían de ser geométricamente y tecnológicamente correctos. Él número de programas diferentes de CN y de instrucciones para los operadores que deben de ser generados son demasiados, incluso en talleres de tamaño medio. Esto se ve incrementado por la necesidad de replanificación dinámica de las rutas en el caso de un cambio en las prioridades, rechazos o avería en las máquinas. Esta replanificación dinámica es sólo posible si la tarea de preparación del trabajo puede ser repetida rápidamente para buscar una solución alternativa. La demanda de la alta flexibilidad y alta eficiencia entran en conflicto y por ello requieren potentes herramientas de soporte para la función preparatoria, como la preparación del trabajo y la programación de la producción, que deberán estar además integradas para poder obtener rápidos resultados y con un alto grado de cooperación. 10Ávila Rondón, Ricardo. L., “CAPP Tools Based on Form Features”, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Holguín, Cuba, 2000. 19 2.3 Características del CAPP. Para conseguir el objetivo de integración entre los sistemas de ayuda en la producción, con el consiguiente ahorro de trabajo redundante que se deriva de ello, es necesario automatizar la preparación del trabajo. Esta tarea, eslabón entre las fases de diseño (CAD) y la de fabricación (CAM, CIM, etc), es la encargada de transformar la descripción de la pieza de trabajo en una serie de operaciones, que una ves llevadas a cabo, dan como resultado final dicha pieza. Un sistema de CAPP automatiza, con la ayuda de un ordenador, la preparación del trabajo. Esta tarea suministra la información necesarias al resto de las fases de planificación en el taller, entre ellas el diseño y el sistema de planificación de la producción11. Funciones básicas de un sistema CAPP12. Para conseguir un plan de proceso se deben de realizar las siguientes tareas principales. 1. Introducción de la información geométrica y tecnológica (CAD/CAM). 2. Determinación de la secuencia de los módulos. 3. Determinación de la secuencia de operaciones. 4. Selección de la herramienta. 5. Selección de los parámetros del proceso. 6. Reordenamiento de las operaciones para minimizar los tiempos no productivos. 7. Estimación del tiempo y costo de proceso por operación y total por lote de fabricación. 8. Generación de los programas de control CN. 9. Salidas de datos impresas de los resultados. 10. Exportación de los datos de los resultados de los procesos con datos en común o a otras aplicaciones. El objetivo ideal es que un sistema de preparación del trabajo, sea capaz de enfrentarse a todas las tareas que impliquen tomas de decisión. La tarea anteriormente relacionada, por su compleja naturaleza, necesitan de una serie de mecanismos que puedan dar entre todos ellos, de forma de automatizada sobre soporte informativo, servicios a sus requisitos. 11 Bengoa G. A. Introducción a la preparación del trabajo asistido por ordenador. CYTED. Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo. RIBAMEC. Red Iberoamericana de Automatización de los Procesos de Mecanizado. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Del 13 al 16 de Julio de 1998 12 Idem 20 Los mecanismos necesarios son13: 1. Sistemas de conocimiento o sistema basado en reglas. 2. Sistemas de decisión basado en tablas. 3. Meta conocimiento. 4. Lenguaje de programación. 5. Sistemas para descripción de restricciones. 6. Sistemas para la descripción de objetivos. 7. Funciones genéricas de planificación. Estos sistemas, implementados sobre computadoras, pueden dar las capacidades necesarias para realizar un plande proceso con los requerimientos mínimos aceptables por el usuario. Estos requisitos son que la asistencia al usuario sea máxima y que el tiempo necesario en obtener un resultado con el suficiente grado de calidad sea mínimo. Se puede entender por calidad en “process planning” la obtención de un plan de proceso, capaz de realizar la pieza dentro de sus especificaciones dimensiónales y tolerancias, acercándose lo más posible al ideal que supone que el usuario no intervenga manualmente en el resultado final para dotarle de operaciones no contempladas por el sistema o para realizar ajustes en la salida de los resultados. Para implementar todas estas herramientas en un sistema de CAPP útil y competitivo, es muy conveniente que se den 2 elementos condicionantes básicos14: 1. El diseño de la pieza este basado en “features (características)”. 2. Exista una base de datos única que soporte el sistema y que permita la integración con otros sistemas. Estos elementos se describen a continuación: 1.- El diseño basado en “features (características)”. La interfase que comunicaba, hasta hace pocos años el CAD y la preparación del trabajo era el papel. Los planos dibujados mediante el sistema de CAD eran enviados al encargado de la producción, quien tenia que introducir nuevamente la información geométrica y tecnológica de la pieza, para realizar el plan de proceso. Esta redundancia es la que se quiere evitar mediante el diseño 13 Idem 14Ávila Rondón, Ricardo. L., “CAPP Tools Based on Form Features”, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Holguín, Cuba, 2000. 21 basado en “features”, ya que diseñando según esta filosofía, la información introducida por el diseñador, es valida para el planificador. Esta técnica del diseño basado en “features”, consiste en el diseño mediante elementos que el diseñador reconoce como objeto, p. Ej. Agujeros, planos, etc, y no dibujando líneas y curvas como en los sistemas tradicionales de CAD. Estos objetos son almacenados en una forma consistente con la forma de pensar del planificador, que observa la pieza como un conjunto de objetos (los “features”) a mecanizar, con unas características geométricas y tecnológicas asociadas. Este tipo de almacenamiento es necesario para conseguir automatizar la preparación del trabajo15. En los últimos años sé esta tratando de dar un paso mas dentro del diseño en base a “features”, propiamente dicho. Este consiste en estandarizar los modelos de almacenamiento de la información, de forma que a los diseños realizados por unos sistemas sean reconocidos por el resto, gracias a la utilización de criterios estándar. Este objetivo perseguido por la agencia internacional ISO, se plasma dentro del estándar STEP (Stándard for the Exchange of product Model Data). Aunque hay muchos desarrollos en marcha en todo el mundo utilizando el estándar STEP, algunos de ellos con productos comerciales como el GPPE 2.0 y otros en pleno desarrollo, como el proyecto FIRES de la UE, no se ha alcanzado todavía un grupo de madurez dentro de los desarrollos STEP. Con los sistemas de CAD tradicionales si es posible transportar la información de uno a otros, mediante formatos estandarizados como IGES, DXF, VDA. Sin embargo, no siguen la filosofía de almacenamiento basándose en “features”. Lo único que almacenan es información geométrica deslavazada, no es la adecuada para los sistemas modernos de diseño, CAPP, etc. es por esta razón que es tan necesario alcanzar la madurez en el estándar STEP. 2.- La base de datos para un sistema CAPP. Como se detalla más adelante en el apartado de la organización del conocimiento, una base de datos organizada y capaz de albergar en su interior toda la información tanto geométrica, como tecnológica y de los recursos de la planta, es imprescindible para dar soporte al sistema a la hora de la obtención de un plan de proceso. Esta base de datos, organizada convenientemente, es la que permitirá la integración de los sistemas de CAPP con los de CAD; con CAM y programación a detalle. 15Ávila Rondón, Ricardo. L., “CAPP Tools Based on Form Features”, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Holguín, Cuba, 2000. 22 2.4 Clasificación de los sistemas de CAPP16. Una vez llegado a la conclusión, de que los sistemas de CAPP deben de estar basados en un modelo de pieza basado en “features”, existen muchas formas de abordar la preparación automatizada del trabajo. Dependiendo de las distintas perspectivas desde las cuales se ataca el problema se pueden establecer diferentes clasificaciones de los sistemas CAPP. Los diferentes criterios de clasificación son: • La forma de planificación. • La forma de representar el conocimiento. • La forma en que es tratado el conocimiento. 2.4.1 Clasificación de los sistemas de CAPP en función de la forma de planificación. Son aproximadamente veinte los años que se lleva investigando sobre la mejor forma de automatizar la generación de planes de procesos. Son tres los caminos que se han explorado. a) Planificación por variantes. Como solución al problema, el planificador busca el plan de proceso de una pieza semejante ó un plan de proceso estándar que se establece para un conjunto de piezas agrupadas según el concepto de la familia. La clave de este tipo de preparación esta en establecer una adecuada aplicación de la tecnología de grupo. Para esto existen diferentes técnicas: a) Códigos de clasificación. Consiste en una secuencia de dígitos que caracterizan el tipo y forma de una pieza según un criterio preestablecido. La preparación de este tipo busca en la base de datos la pieza cuyo código sea el mas aproximado a la pieza cuyo plan estamos tratando de obtener, y recuperar su plan de proceso. El usuario deberá adaptar posteriormente el plan de proceso mediante un editor adecuado. b) Familia definidas por parametrización de las piezas. En un sistema que sigue esta filosofía existen una serie de familias identificadas para las cuales existe un plan de proceso generado. Para una pieza dada se obtiene su código correspondiente, y con él se localiza la familia mas aproximada. El plan de proceso de la familia es el que se asocia a la pieza. Este plan de proceso estándar, el plan de proceso maestro, es el que corresponde a la pieza mas complicada de la 16Ávila Rondón, Ricardo. L., “CAPP Tools Based on Form Features”, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Holguín, Cuba, 2000. 23 familia, aquella que incluye todas las características de la pieza que forma la familia. Posteriormente la planificación de una pieza consiste, en buscar el plan de proceso maestro de la familia a que pertenece la pieza, y a continuación sesgar dicho plan eliminando las partes que no son necesarias para esta pieza en concreto. c) Clasificación basada en “features (características)”. Consiste en buscar en la base de datos la pieza cuyos features sean los más aproximados a la pieza cuyo plan de proceso tratamos de conseguir. No se tienen en cuenta la forma general de la pieza ni sus dimensiones siempre que pueden ser amarradas en el mismo utillaje. Las ventajas de la preparación por variantes utilizando una clasificación basada en “features” tienen las siguientes ventajas añadidas. 1. Es sencillo de usar y de mantener. 2. Es posible abarcar todo el espectro de la pieza. b) Planificación generativa. El plan de procesos se genera, a partir de cero, siguiendo una lógica basada en un “conocimiento de preparación del trabajo”. Se produce una transformación de la geometría de la pieza en una secuencia de operaciones según una lógica marcada en ese conocimiento. Este conocimiento puede ser incorporado de dos maneras diferentes,selección de operaciones y determinación de operaciones. La selección de operaciones consiste en definir una serie de tablas de decisión organizada en forma de árbol, o de alguna otra manera, de forma que en función de la geometría de la pieza, la lógica de decisión indica la secuencia de operaciones que deben realizarse. Esta forma de abordar la generación de planes de proceso es válida para un limitado grupo de piezas, debido a las dificultades para expresar la lógica de decisión y mantenimiento de la misma en el caso de piezas algo complejas. Las ventajas de la planificación generativa de planes de trabajo son que el plan puede incorporar información detallada, como herramientas, condiciones de corte, etc., y que el proceso de generación puede ser automatizado enormemente. Sus desventajas, sin embargo, son la imposibilidad virtual de implementarlo para un amplio rango de piezas, ya que es difícil implementar una lógica de decisión valida para todos los casos, y la dificultad de mantenimiento que implica. 24 c) Planificación híbrida variativo-generativa. Utiliza una clasificación de las piezas en familias. Para cada familia de piezas (sistema variativo) el sistema tiene una lógica diferente de generación de planes de proceso (sistema generativo). Este sistema permite tomar las ventajas de ambos métodos y disminuir en cierta manera el impacto negativo que tienen las desventajas de ambos métodos. Trata de unir la simpleza en el mantenimiento y la universalidad de aplicación del sistema variativo, con la potencia de método generativo en automatizar la obtención del plan de procesos hasta muy alto nivel. Un sistema pionero en esta forma de abordar el problema es el sistema Vargen desarrollado por Carlier, todos los sistemas de CAPP en desarrollo actualmente están orientados a la planificación híbrida variativo-generativa17. 2.4.2 Clasificación de los sistemas CAPP en función de la forma de representar el conocimiento. Esta segunda forma de clasificación hace referencia a la forma de representar e interpretar el conocimiento. Cabe mencionar aquí la problemática introducida por el aprendizaje y la captura de la información. Usualmente los ingenieros de software asumen que el conocimiento de fabricación puede obtenerse entrevistando a una serie de expertos. El problema, es que normalmente, como resultado de estas entrevistas, solamente una parte del conocimiento es formalizada, y ésta extrapolada como verdadera a todo el universo de piezas. Los resultados obtenidos por este camino pueden no ser satisfactorios. Un buen sistema de CAPP requiere más que una simple adquisición de reglas provenientes de entrevistas con una serie de expertos. Necesita un conocimiento teórico profundo de los aspectos de la producción, y potentes modelos de conocimientos. Su ventaja es que producen una rápida respuesta y no tienen problemas de explosión combinatoria. El tiempo necesario en la ejecución del mecanismo crece linealmente con la cantidad de los datos almacenados. Al principio fueron utilizados lenguajes de programación de aplicación general, tales como PASCAL, C, FORTRAN, PL-1, incluso BASIC y COBOL. Sin embargo, posteriormente se trató de 17 Booch, G. Objet-Oriented Design with applications, The Benjamin / Cummins Publishing Company, Inc. Redwood City, CA. 1991. USA 25 mejorar el rendimiento de los sistemas que utilizan esta forma de representar el conocimiento. Para ello se diseñaron lenguajes de programación específicos para programas de almacenamiento de información. Estos programas tienen una mayor capacidad de manipulación de símbolos, razonamiento formal y recursión. Dos de los lenguajes de programación más populares, para programación de sistemas de almacenamiento de información, de forma procedural, son LISP y PROLOG. LISP fue diseñado en MIT hacia 1950. Es un lenguaje de almacenamiento de listas. La estructura fundamental es la “lista”. Una lista compuesta de una combinación de símbolos. Como lenguaje de programación funcional, LISP ofrece flexibilidad a la hora de escribir reglas, de forma que los programadores pueden especificar su propio marco de reglas. En las últimas décadas se han desarrollado muchos dialectos de LISP. Los dos más comúnmente utilizados son el INTER-LISP y MACLISP. De hecho, no hay mucha diferencia entre ellos ni clara superioridad de uno sobre el resto. La elección entre ellos es solo una cuestión de preferencias personales o de disponibilidad. La tendencia actual es la adopción de una versión estándar, el COMMON-LISP. PROLOG fue diseñado en Marsella en 1972 y desarrollado en Edimburgo, y su nombre proviene de PROgraming LOGic. Programar en PROLOG implica la escritura de formulas lógicas. Estas formulas indican relaciones lógicas en el problema. Las reglas de decisión se escriben de forma explícita, en forma lógica. Ambos lenguajes tienen sus ventajas y sus inconvenientes, pero los dos tienen un inconveniente serio desde el punto de vista de la computación matemática. Parece lógico que se dieran intentos de integrar las ventajas de ambos, de forma que se tomaran las características lógicas del PROLOG y las características funcionales del LISP. Entre estos podemos destacar el PROLOG, SDL, LOGLISP, etc. PROLOG permite combinar PROLOG, LISP y POP11 en un entorno integrado. También los paquetes de “software” escritos en C, ADA, PASCAL y FORTRAN pueden ser integrados en programas de POPLOG. La nueva versión de EXCAD, desarrollada en el UMIST utiliza PROLOG. 2.4.3 Clasificación de los sistemas de CAPP en función del patrón de razonamiento. Los sistemas de CAPP basados en “features” pueden clasificarse según la forma de tratar la información y el conocimiento de un “feature”. Básicamente existen dos aproximaciones: 26 a) Orientada a la producción: Obtiene la secuencia de operaciones analizando el estado final que se requiere alcanzar en un “feature”. Para cada “feature” se asocia una secuencia de operaciones en función de sus características geométricas finales. Algunos sistemas pioneros que siguieron esta filosofía son: MOPS, XPS-2. b) Orientada a la geometría: Se selecciona una operación para un “feature” dado en función de su geometría y se obtiene el estado resultante de efectuar esa operación. A cada paso del mecanizado se actualiza la geometría del “feature”. La organización de la información. La información, que puede ser almacenada de forma presedural, mediante tablas de decisión o de reglas, debe ser por otra parte almacenada según una estructura organizada. Esta organización de datos forma la base de datos del sistema y consta de los siguientes modelos: modelo de pieza y el modelo de conocimiento asociado a la pieza modelo de recurso y el modelo de conocimiento asociado, modelo de datos tecnológicos y como elemento director de todo lo anterior estará el meta-conocimiento. Estos modelos, forman la base de datos con la información mínima necesaria para satisfacer las necesidades de un sistema de CAPP. Modelo de la pieza. En él se almacena la información geométrica de la pieza. Este modelo estará diseñado de forma que permita el almacenamiento de la geometría basándose en el concepto de “feature”. Debe comprender además de la descripción geométrica de los “feature” y sus posibles direcciones de mecanizado, la información tecnológica de los mismos, como rugosidad o tolerancias, la descripción general de la pieza y la descripción de las relaciones de tolerancia entre los “features”. Modelo de datos tecnológicos. En él estará comprendida toda la información correspondiente a los procesos de mecanizado que el sistema sea capaz de resolver, como por ejemplo taladrado, fresado, planeado, etc., y a los parámetros de dichos procesos ( condiciones de corte, costes, etc.). Modelos derecursos. Comprende la información de las máquinas, herramientas y todo el equipamiento industrial auxiliar necesario, como utillajes, herramientas, programas de CN, etc. Los recursos pueden ser clasificados en tres grupos: Equipo principal. Modeliza las maquinas herramientas, salas de pinturas, tratamientos térmicos, etc. En particular, para las maquinas herramientas, se almacena información tecnológicas referentes a las atadas y a las capacidades de mecanizado de las mismas. En cuanto a las atadas en una estación de trabajo, se almacena la controlabilidad y precisión de los distintos ejes de la maquina y los 27 mecanismos de anclaje de que dispone. Las capacidades de mecanizado de una máquina hacen referencia a los límites en los parámetros de la pieza que se quiere mecanizar en ella, como longitud y peso máximo, potencia máxima, etc. Equipo auxiliar. Modeliza los utillajes, herramientas, equipos de medidas, líquido refrigerante, programas de control numérico, etc. Equipos de transporte. Modeliza las grúas, pallets, robots, AGVs, etc. 2.5 Integración CAD - CAPP - CAM. La palabra clave en la problemática de los sistemas de CAPP es integración. Es necesario integrar CAPP con los sistemas de CAD para evitar tener que introducir la misma información geométrica y tecnológica de dos sistemas diferentes, uno para diseño y otro para preparación del trabajo. Para conseguir la integración CAD-CAPP es conveniente que ambos sistemas estén soportados por la misma base de datos. Esto ahorrará mucho trabajo redundante y evitara muchos errores de consistencia en el flujo de información. Además, la necesidad de tener ventajas competitivas en el mercado, y actuar con la velocidad de reacción para satisfacer la necesidad de los clientes, reduciendo los tiempos de respuesta hacia los mismos, nos presenta un panorama más atractivo para que, ya sea, conservar el mercado y mejor aún, captar más clientes. Esto nos lleva a que, al tener esta perspectiva de mejoras en la información, y siguiendo la metodología para el proceso de diseño de un producto. Se tiene que, para poder reducir el tiempo ciclo se deben de integrar todos los procesos y esto se logra con la ayuda del sistema CAPP, como se muestra en la figura 4, logrando una vinculación e integración completa de los Procesos de Manufactura. 28 Figura 4. Integración del sistema CAPP con CAD y CAM. Fuente: Ávila Rondón, Ricardo. L., “CAPP Tools Based on Form Features”, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Holguín, Cuba, 2000. Por otra parte es necesario realizar la integración entre los sistemas CAPP y los de “scheduling” (distribución en el tiempo de las tareas en el taller teniendo en cuenta la limitación de la capacidad de los recursos en el mismo). Si se considera, por tanto, una integración CAPP con alternativas “scheduling” se podría mejorar la flexibilidad en la asignación de rutas y de recursos de fabricación (herramientas, utillajes, etc.). Esta da mayor libertad a la hora de tomar decisiones, posibilitaría una rápida respuesta a los problemas que pudieran ocurrir en el taller y que obligaran a una redistribución del trabajo. Mantener la flexibilidad es un aspecto clave para el correcto funcionamiento de los sistemas CIM. Los actuales sistemas de CAPP limitan en gran medida la flexibilidad de la fase de fabricación debido a que no se contemplan la existencia de alternativas de fabricación de un mismo producto. Investigadores industriales han mostrado que el 29% de los planes de proceso sufren variaciones en la fase de fabricación debido a problemas en el taller, problemas que se resuelven sin efectuar ningún tipo de consulta a los diseñadores del plan de proceso. Esto indican los beneficios que se pueden obtener generando planes de procesos alternativos. Este estudio del proceso del arte, analiza los diferentes trabajos que se han realizado en el campo de los sistemas CAPP en general y de los sistemas CAPP con alternativa en particular. Estos sistemas de CAPP con alternativas son denominados sistemas de preparación del trabajo no lineales 29 (NLPP, non linear process planning). Dentro de este análisis se han estudiado las necesidades de los sistemas de este tipo y de los enfoques que se han dado para cubrirlas. Hasta este punto se han analizado las necesidades de un sistema de CAPP que pueda funcionar de forma autónoma, integrado con el sistema CAD, que se encarga del suministro de la información relativa a la pieza. Sin embargo, las necesidades del sistema aumentan si queremos que funcione junto a un sistema de scheduling. Los sistemas de programación de la producción (scheduling) suelen tener dificultades para resolver las situaciones en las que se hace necesario una re-programación del taller. Estas son habituales, debido principalmente a averías, cuellos de botellas, cambios en la prioridad de los trabajos, entradas de ordenes urgentes, la falta de algún recurso, etc. Las tareas de CAPP y scheduling se podrán realizar de una manera más eficiente si ambas cooperan en busca de una solución integra. Estudios realizados comprueban que el costo que se logra reducir en la implantación del CAPP son18: • 58% de reducción en la preparación del proceso. • 10% se salva el trabajo directo. • 4% se ahorra en material. • 10% se salva en rechazo. • 12% se salva en herramientas. • 6% reducción de los trabajos en procesos. Adicionalmente, existen beneficios intangibles como: • Reduce la planificación del proceso y el tiempo perdido en la producción; respuesta rápida a los cambios en ingeniería. • Mayor consistencia de la planificación del proceso; acceso a información actualizada en una base de datos central. • Se logran procedimientos de estimación de costos. • Se evita cometer errores de cálculos. • Tecnologías más completas y detalladas. • Se posibilita el scheduling y el balance de carga y capacidad. 30 • Se crea un ambiente adecuado para introducir nuevas tecnologías a partir de otras ya probadas. 2.6 Descripción de algunos sistemas CAPP. En este punto se describen algunos sistemas de CAPP, cuya importancia sea destacable por su contribución a alcanzar el estado actual de conocimiento de este tipo de elemento de ayuda al ingeniero. Para cada uno de estos sistemas se indicará cuál es el área de la planificación a que va dirigido (planificación de secuencia de operaciones, planificación de las atadas en la maquina, selección de herramientas), la filosofía de generación ( por variantes, generativa, híbrida), el mecanismo de representación del conocimiento ( tabla de decisión, sistemas expertos basados en reglas de decisión, programación orientada a objetos), el mecanismo de razonamiento (orientado a la geometría, orientada a la producción) y demás características que consideramos importantes en la descripción del sistema. La lista que se señala aquí esta lejos de ser completa. En todo el mundo existen alrededor de 1000 prototipos de CAPP. Simplemente se señalan los que se han referido a este análisis del estado del arte, y algunos otros que por su importancia se pueden considerar representativos de una época o que en su época fueron pioneros a la hora de buscar soluciones al problema de la planificación de procesos19. AUTAP20: Es un sistema de CAPP desarrollado en la T.H. Aachen bajo la supervisión del catedrático W. Eversheim. Es un sistema de CAPP genérico y existen dos versiones del mismo, uno para ejes (AUTAP-1) y otra para formas rotacionales complejas (AUTAP-2), esta última basada en “features”. En ambos sistemas se introduce la información relevante de la pieza ( de un catalogo de componentes de eje en AUTAP-1 y de un catalogo de “feature” en AUTAP-2) y el plan de proceso es generado automáticamente mediante la evaluación de un árbol de decisión. No han tenido mucho éxito comercial. Se haninstalado únicamente en casos muy particulares y para aplicaciones muy especificas. La principal razón para este poco éxito es el tremendo esfuerzo 18Ávila Rondón, Ricardo, Process Planning Based on Form Features. II Conferencia Internacional de Robótica y Fábrica del Futuro. Pereira, Colombia 1997. 19Bengoa G. A. Introducción a la preparación del trabajo asistido por ordenador. CYTED. Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo. RIBAMEC. Red Iberoamericana de Automatización de los Procesos de Mecanizado. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Del 13 al 16 de Julio de 1998, 20 Idem., 31 que hay que hacer para introducir toda la lógica especifica de la empresa en el sistema. El sistema puede funcionar únicamente de una manera completamente automática y, por tanto, la lógica debe estar totalmente implementada en un interior. El operador no tiene posibilidad de completar o modificar en un plan de proceso. AVOPLAN21. Es un sistema generativo de CAPP que determina semiautomáticamente un plan de proceso completo, incluyendo planificación de secuencia de operaciones y de las operaciones mismas. Fue desarrollado en IFW, bajo la supervisión del catedrático Tonshoff. El usuario tiene un gran número de funciones para introducir datos y conocimientos en árboles de decisión, tablas de decisión, así como algoritmos. Para cada forma de almacenar el conocimiento se proporciona al usuario un lenguaje especial o una hoja de cálculo. La generación real la hace el usuario: éste introduce una nueva operación, por ejemplo torneado, y el sistema le hace una serie de cuestiones sobre la operación como el volumen a mecanizar, el amarre, la maquina seleccionada, etc... durante las cuales ésta asistido por la base de datos. Una vez definida la operación el usuario define los diferentes pasos de la misma, incluyendo la selección de la herramienta y el cálculo de los tiempos y de los costos. AVOPLAN es hoy en día un sistema comercial de CAPP que ha sido mejorado con capacidades de planificación por variantes e híbrida variativo – generativa. CAM-I’s CAPP22. Este sistema de CAPP se ha desarrollado en el marco de la investigación sobre planificación de procesos llevada a cabo en el CAM-I. Es un sistema de planificación variativo basado en un sistema de codificación de piezas. Sin embargo, el sistema es independiente del método de codificación. Que debe de ser definido externamente y, por tanto, no está limitado por él. CAM-HI’s CAPP está ampliado con el módulo ATS (Automatic Time Standard Calculation) que calcula los diferentes tiempos de las distintas operaciones. Ambos módulos pueden utilizarse combinados o de manera independiente. También permite que el usuario tome un plan de proceso de la base de datos, sin que éste sea sugerido por el sistema en función del código de la pieza, y lo modifique convenientemente. 21 Bengoa G. A. Introducción a la preparación del trabajo asistido por ordenador. CYTED. Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo. RIBAMEC. Red Iberoamericana de Automatización de los Procesos de Mecanizado. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Del 13 al 16 de Julio de 1998. 22Idem. 32 DCLASS23. DCLASS (Decisión Clasification Information Sistem) es un sistema de CAPP desarrollado en la universidad de Bringham Young, bajo la supervisión del catedrático Dell K. Allen. El software soporta un método para crear y manipular estructuras de datos para almacenar y posteriormente recuperar información, y capaz de tomar decisiones. Esta basado en la teoría de la clasificación y los árboles d decisión. Es un sistema gestor de árboles de decisión de una manera jerárquica, tal y como el usuario lo ha definido anteriormente. Las decisiones se toman automáticamente, cuando el sistema es capaz de hacerlo, en caso contrario el usuario debe tomarlas por sí mismo. En este caso el usuario está soportado por una base de datos tecnológica. KAPPS24. “Know-how and knowledge Asisted Production Planning System” (KAPPS), fue desarrollado por Iwata y Fukuda en la universidad japonesa de Kobe. Consta principalmente de cuatro sistemas: 1. Un sistema de CAD y una interfase con el usuario. 2. Un sistema de toma de decisiones. 3. El conocimiento y la base de datos. 4. Un sistema de adquisición de conocimiento. El sistema de almacenamiento de conocimiento son las reglas de decisión. El sistema genera planes de proceso siguiendo un método generativo. Es capaz de almacenar la superficie en bruto y la mecanizada, permite seleccionar las superficies de referencia, determinar relaciones de preferencia, seleccionar la maquina herramienta, determina condiciones de corte y selecciona la herramienta más adecuada así como los utillajes. MIPLAN25: Es un sistema de CAPP variativo desarrollado por TNO. Sigue el sistema de codificación MICLASS. Permite crear planes de procesos completamente nuevos, editar planes de procesos de piezas similares y buscar planes de estándar para piezas de familia o piezas específicas. 23 Bengoa G. A. Introducción a la preparación del trabajo asistido por ordenador. CYTED. Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo. RIBAMEC. Red Iberoamericana de Automatización de los Procesos de Mecanizado. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Del 13 al 16 de Julio de 1998. 24 Idem. 25 Bengoa G. A. Introducción a la preparación del trabajo asistido por ordenador. CYTED. Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo. RIBAMEC. Red Iberoamericana de Automatización de los Procesos de Mecanizado. Santa Cruz de la Sierra, Bolivia. Del 13 al 16 de Julio de 1998.. 33 El sistema MICLASS de codificación es útil para un amplio espectro de piezas (rotacionales, no rotacionales y planchas de acero). MITURN26: Es un sistema de CAPP generativo desarrollado por TNO. contempla las operaciones de taladrado y torneado. El usuario selecciona la máquina y la atada para mecanizar la pieza. El sistema determina la herramienta más adecuada para esta operación y las condiciones de corte. Obtiene como resultado la cinta de CN. Y de los más recientes sistemas de CAPP, orientados a la manufactura de productos desde su habilitado hasta su ensamble, en la última década tenemos: INTERLEX CAPP (FOR PCB ASSEMBLY)27: Este sistema tiene un uso más común en las siguientes áreas de ensamble de manufactura: • Tarjetas de circuitos integrados. • Alambres y Cableado y • Electro-mecánica. Este ultimo está desarrollado para un ensamble mecánico típico, donde el usuario llenará espacios para la entrada de datos en la pantalla de la siguiente manera: • El número de ensamble (definido por el usuario), • La descripción del ensamble (definido por el usuario) y • Lista de partes (archivo de referencia). La lista de partes contiene la lista de materiales para la organización del ensamble por número de partida, cantidad, número de parte ó descripción de parte y su típica extracción de MRP. Y se basa en estaciones de trabajo ó centros de trabajo, además de traer entidades graficas para ver el flujo de fabricación en las mismas estaciones de trabajo. CS/CAPP (FEATURES)28: Crea una ruta detallada de operaciones que puede ser exportada a un sistema ERP ó MRP. Cada parte/ensamble es manufacturado de una ó más formas que tiene una ruta que consiste en operaciones. Cada operación tiene su propio control de revisión y puede tener su propio ciclo de aprobación, puede tener inclusive una lista de pasos (instrucciones de trabajo). El
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