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.
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Fig. 1. Pieza prismática 1 con
características de forma.
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"
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.
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"
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.
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
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
Av. Tecnológico # 420 Col. Maravillas. C.P.
72220