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Diseño de Sistemas de Fabricación

Automatización Industrial

INDICE

• Introducción.

• Técnicas de procesos.

• Objetivos.

• Tipos de plantas.

• Sistemas de Fabricación Flexible.

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INTRODUCCIÓN

• Industrias de manufactura o fabricación.• Procesos que producen y/o proveen de

bienes y/o servicios.– Primaria.

• Cultivan y explotan recursos naturales.

– Secundaria.• Convierten las salidas de las primarias en

productos.

– Terciaria.• Sector servicios.

INTRODUCCIÓN

• Industria secundaria:– Procesos industriales: químicos,

farmacéuticos, metales básicos, petróleo, comida, bebidas, generación o transformación de energía, etc …

– Industria de productos discretos: automóviles, aviones, computadoras, todo tipo de maquinaria (que a su vez se incorpora en la producción para mejorar los procesos), dispositivos domésticos y de consumo, etc …

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INTRODUCCIÓN

• Haciendo un poco de historia:– Diseño de ingeniería a partir de elementos

básicos de dibujo.

– La programación de la secuencia de tareas se hacía de forma manual.

– Los diseños se “traducían” en una máquina de escribir con salida de cinta perforada.

– La cinta perforada era interpretada por enormes armarios de control que a su vez gobernaban el funcionamiento de las máquinas de proceso.

INTRODUCCIÓN

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INTRODUCCIÓN

• Aparición del soporte de cinta magnética.

INTRODUCCIÓN

• Armarios de control donde se ubicaban las PCBs con los programas de fabricación.

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TÉCNICAS DE PROCESOS

• CNC: Computer Numerical Control– Máquinas programables para labores de

producción y procesado.– Fundamentalmente funciones de mecanizado:

cortadoras, tornos, fresadoras, punzonadoras, esmeriladoras, …


• CAD: Computer Aided Design.– Diseño por computador de los productos a fabricar.– Diseño de modelos de una manera fácil de visualizar y

modificar.– Sustitución de la mesa de diseño (elementos de digujo.– Integración de los procesos de diseño y validación

(simulación).• CAM: Computer Aided Manufacturing

– Fabricación por computador de los productos diseñados.– Obtención de diagramas de flujo para conseguir procesos

eficientes.– Control de tiempos de ejecución.– Aumento de la calidad de los productos.

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• CIM: Computer Integrated Manufacturing– Integración de las técnicas de diseño y

fabricación en la automatización de procesos.

– Origen de los Sistemas de Fabricación Flexible.

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

• Pregunta clave

COMO HACERLO??

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

PREGUNTAS CLAVES

QUE

QUIEN

DONDECOMO

CUANDO

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS - OBJETIVOS

• Aumentar la productividad y la competitividad.• Mejorar las condiciones de trabajo de los operarios.• Automatizar labores complejas, tanto físicas como

intelectuales.• Aumentar la disponibilidad de los productos:

cantidades necesarias en los momentos precisos.• Simplificar los mantenimientos, de forma que el

operario no requiera de grandes conocimientos del proceso productivo.

• Integración de la producción y la gestión.• Mejora de la calidad de los productos.

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NIVELES DE AUTOMATIZACIÓN

• Operación manual: se elaboran productos sin recurrir a sistemas automáticos. El ser humano utiliza herramientas y es responsable de la ejecución secuencial de las diferentes tareas involucradas. Ejemplo: dar forma o acabado con una lima.

• Mecanizado: la máquina realiza la operación, sin embargo el ser humano gobierna la máquina y es responsable de seguir el orden correcto de operaciones. Ejemplo: mecanizado de piezas con torno manual.

• Automatización parcial: la máquina realiza secuencia de operaciones limitada y necesita de la intervención humana para completar la tarea, ya sea para alimentar la máquina o retirar los productos finalizados. Ejemplo: dobladora automática.

NIVELES DE AUTOMATIZACIÓN

• Automatización total: la máquina es completamenteautónoma y no requiere de la intervención humana enninguna de las etapas del proceso. El ser humanosólo realiza labores de supervisión y mantenimientopreventivo.

• Integración total: las máquinas son capaces deinteractuar mediante un sistema de control distribuido,el operador humano sale completamente de la plantade producción, para ocupar puestos en el control ymonitorización a distancia. Utilización decomunicaciones a nivel de proceso y de gestión.

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ESTRATEGIAS

• Producción por lotes o automatización fija.

• Automatización programada.

• Filosofías de producción mixta: Fabricación Flexible.

AUTOMATIZACIÓN FIJA

• Se fabrica un único producto.

• Volumen de producción elevado.

• El diseño está encaminado a maximizar la producción del producto objetivo con un alto rendimiento de proceso.

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FABRICACIÓN POR LOTES

• Origen de la fabricación en cadena primeros del siglo XX: Ransom Eli Olds.

Olds Curved Dash 6C 1904


• Sin embargo, a quien se recuerda como innovador de la fabricación en serie es a Henry Ford quien obtuvo la primera serie de producción comercial de automóviles con el Ford T.

Ford T 1908

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• También denominada producción en serie o fabricación en serie.

• Se apoya en el concepto de cadena de montaje o línea de ensamblado.


• Delega al operario o a la máquina la especialización en una tarea concreta.

• Estrategia enfocada a la maximización del número de unidades producidas.

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AUTOMATIZACIÓN PROGRAMADA

• Bajo volumen de producción.• Encaminada exclusivamente a la

variedad, no a la cantidad.• El volumen de producción no es un

objetivo.• Adaptación a la variedad mediante la

modificación en el software de producción• Alternativa encaminada a soluciones

particulares especializadas.

SISTEMAS MIXTOS

• Debe incluirse la variedad de producto como un requisito ineludible.

• Pero al mismo tiempo, se integra en la estrategia, y por tanto se fija como objetivo: el volumen de producción.

• En el ideal, se trata de conseguir la variabilidad de productos sacrificando al mínimo los volúmenes de producción.

• Requiere de automatización de alto nivel, integrando diferentes tecnologías y sistemas para intentar aglutinar lo mejor de las dos anteriores filosofías.

• Origen y base de los Sistemas de Fabricación Flexible (FMS).

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SISTEMAS DE FABRICACIÓN FLEXIBLE

(FMS)FLEXIBLE

MANUFACTURING SYSTEM

SISTEMAS DE FABRICACIÓN FLEXIBLE (FMS)

• Un Sistema de Fabricación Flexible (FMS) se concibecomo una celda de maquinaria altamenteautomatizada, que incluye un sistema de transporte yalmacenamiento de material, controlada por unsistema de control distribuido.

• Un FMS consta de un grupo de máquinas controladaspor computador y un conjunto de sistemasautomáticos de carga y descarga, de operacióndirecta sobre el material, todo ello, controlado por uncomputador supervisor.

• Los elementos de este sistema son flexibles yversátiles, lo que permite una adaptación a lafabricación rápida en función de la demanda deproducción.

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SISTEMAS DE FABRICACIÓN FLEXIBLE (FMS)

ORIGEN DE LOS FMS

• A partir de los 80, diversificación deproducto, necesidad de adaptación a lademanda.

• Mayor calidad de la producción.

• Ciclo de vida corto de los productos.

• Competitividad de la producción.

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ORIGEN DE LOS FMS

• A partir de los 80, diversificación de producto,necesidad de adaptación a la demanda.

• Mayor calidad de la producción.• Ciclo de vida corto de los productos.• Competitividad de la producción.

Variedad del

Producto

1 100 10 000 1 000 000

Cantidad de Producción

Bajo

Medio

Alto

CARACTERÍSTICAS DE LOS FMS

• Se denomina flexible debido a que es capaz de realizardistintas piezas o productos diferentes de formasimultánea, en sus puestos de trabajo.

• Dependiendo de la demanda es capaz de variar entrediferentes tipos de productos y la tasa de producción delos mismos.

• Es el más apto para producciones en las que deseemosun compromiso entre variedad de productos y volumende producción.

• Ningún FMS puede ser completamente flexible, siemprese podrá encontrar alguna restricción.

• Los productos que se produzcan serán de una familiaparecida, variando tamaños, modelos y procesos,siempre dentro de unos límites.

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QUÉ LO HACE FLEXIBLE

• La flexibilidad es aportada por los elementosdel sistema de fabricación, desde lamaquinaria hasta el sistema de transporte.

• Requisitos mínimos de un FMS para serflexible:– Identificar y distinguir los diferentes productos

procesados por el sistema.

– Facilitar de manera rápida y fácil la realización decambios tanto físicos como lógicos.

FLEXIBILIDAD DE UN FMS

Para conocer si un sistema automatizado es o no flexible:

• Test de variedad de productos.– ¿Puede el sistema procesar diferentes tipos de piezas en un modo

de producción que no sea por lotes?

• Test de cambio de programación o producción.– ¿Puede el sistema realizar cambios en la producción programada y

cambios en cualquier parte del producto o de las cantidades fabricadas?

• Test de recuperación de errores:– ¿Se puede recuperar el sistema satisfactoriamente de roturas o

errores de funcionamiento sin que esto conlleve la interrupción completa de la producción?

• Test sobre la posibilidad de ampliar la gama de fabricación de piezas o partes producidas.

– ¿Se pueden añadir nuevas piezas diseñadas al sistema de fabricación de manera relativamente fácil?

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CELDA DE FABRICACIÓN

FLEXIBILIDAD DE LOS FMS

• Sistema de fabricación automático.– Todas las acciones son llevadas a cabo sin la necesidad de un ser humano.

• ¿Puede el sistema procesar diferentes tipos de piezas en un modo de producción que no sea en serie?

– Sí. Capaz de fabricar varios tipos de piezas diferentes a la vez y en el número deseado.

• ¿Puede el sistema realizar cambios en la producción programada y cambios en cualquier pieza producida o de las cantidades fabricadas?

– Sí. Existen dos máquinas, se puede variar la relación variedad producción en función de la demanda y realizar cambios en la fabricación de las piezas.

• ¿Se puede recuperar el sistema satisfactoriamente de roturas o errores de funcionamiento sin que esto conlleve la interrupción completa de la producción?

– Sí. Una máquina puede dejar de funcionar por avería sin que se paralice la producción, ya que trabajan de forma independiente. El robot dejaría piezas únicamente en la máquina que está en funcionamiento.

• ¿Se pueden añadir nuevas piezas diseñadas al sistema de fabricación de manera relativamente fácil?

– Sí. Se podrían añadir nuevas piezas sin problema aunque tendríamos que realizar ajustes en el brazo y en la cinta.

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TIPOS DE FLEXIBILIDAD

Un FMS puede distinguirse dependiendo del tipo de trabajo que realiza.– Operaciones de fabricación.

– Operaciones de montaje o ensamblaje.

TIPOS DE SISTEMAS

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CELDA DE UNA ÚNICA MÁQUINA O ESTACIÓN

• Formada por un centro de mecanizado CNC combinado con un sistema de almacenamiento para operaciones que no necesitan atención.

• Funcionamiento muy sencillo. Se toma una pieza sin trabajar de la unidad de almacenamiento, se trabaja y se descarga.

• Posibilidad de fabricación por lotes, fabricación flexible o una combinación de las dos.

• Fabricación por lotes cuando se fabrica un único producto. Una vez alcanzada la producción deseada se cambia el tipo de producto y se realiza la misma operación.

• Flexibilidad del sistema muy limitada. Al ser una única máquina, ante fallos, no se cumplirá el tercer criterio ya que se interrumpirá la producción.

• La flexibilidad es aportada por los elementos del sistema de fabricación, desde la maquinaria hasta el sistema de transporte.

• Requisitos mínimos de un FMS para ser flexible: – Identificar y distinguir los diferentes productos

procesados por el sistema.

– Facilitar de manera rápida y fácil la realización de cambios tanto físicos como lógicos.

QUÉ LO HACE FLEXIBLE

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• Número de máquinas.

• Nivel de flexibilidad.

CLASIFICACIÓN DE LOS FMS




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• Celda de una única máquina (SMC).

• Celda de fabricación flexible (FMC).

• Sistema de fabricación flexible (FMS).

NÚMERO DE MÁQUINAS

• Formada por un centro de mecanizado CNC combinado con un sistema de almacenamiento para operaciones que no necesitan atención.

• Funcionamiento muy sencillo. Se toma una pieza sin trabajar de la unidad de almacenamiento, se trabaja y se descarga.

• Posibilidad de fabricación por lotes, fabricación flexible o una combinación de las dos.

• Fabricación por lotes cuando se fabrica un único producto. Una vez alcanzada la producción deseada se cambia el tipo de producto y se realiza la misma operación.

• Flexibilidad del sistema muy limitada. Al ser una única máquina, ante fallos, no se cumplirá el tercer criterio ya que se interrumpirá la producción.

CELDA DE UNA ÚNICA MÁQUINA (SMC)

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CELDA DE UNA ÚNICA MÁQUINA (SMC)

• Consiste en dos o tres estaciones de procesos (normalmente maquinaria tipo CNC) y un sistema de transporte.

• El sistema de transporte está conectado a una estación de carga y descarga.

• Capacidad de almacenamiento limitada.

CELDA DE FABRICACIÓN FLEXIBLE (FMC)

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Celda de fabricación flexible (FMC)

• Sistema formado por cuatro o más estaciones de procesamiento conectadas mecánicamente mediante un sistema de transporte común y electrónicamente con un sistema de control distribuido.

CELDA DE FABRICACIÓN FLEXIBLE (FMC)

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• Una FMC tiene de dos a tres máquinas, mientras que un FMS tiene un número mayor o igual que 4.

• Un FMS tiene al menos una estación de trabajo que da soporte a la producción pero no participa realmente en ella. Esta estación lleva a cabo funciones de coordinación entre otras.

• Un FMS tiene un sistema de control más sofisticado que incluye funciones no presentes en las celdas como diagnósticos y herramientas de monitorización.

DIFERENCIAS ENTRE FMC Y FMS

CAPACIDADES

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• FMS dedicados o sistemas de fabricación especial.

• FMS de orden aleatorio.

NIVEL DE FLEXIBILIDAD

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• El término dedicado viene de la fabricación de una pequeña familia de productos.

• Especialización exhaustiva tanto del proceso como de la maquinaria.

• La fabricación de una pequeña familia de productos implica que la maquinaria utilizada es muy similar, lo que proporciona facilidad para realizar un trabajo con otra máquina en caso de avería o no disponibilidad.

• Este grado de especialización produce un aumento en la productividad y flexibilidad del proceso.

FMS DEDICADOS

• FMS que realizan una gran variedad de productos.• La variedad implica elevar el grado de complejidad

de los procesos y la necesidad de tener el soporte de un sistema de control y maquinaria de propósito general.

• El sistema de control ayuda a realizar los cambios en las configuraciones y la gestión de la producción.

• La maquinaria de propósito general aporta la flexibilidad necesaria al sistema.

FMS DE ORDEN ALEATORIO

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• El FMS dedicado es menos flexible pero posee un mayor margen de productividad.

• FMS de orden aleatorio presenta mayor flexibilidad pero menor margen de producción.

• Dependiendo de los objetivos de cada empresa se optará por un sistema u otro tendiendo en cuenta las cualidades de cada uno.

DIFERENCIAS

RELACIÓN ENTRE FMS

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• Estaciones de trabajo.

• Sistemas de transporte y almacenamiento de material.

COMPONENTES DE UN FMS



COMPONENTES DE UN FMS

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• Estación de carga y descarga.

• Estación de mecanizado.

• Estación de ensamblaje.

• Otras estaciones de procesamiento.

• Otros equipos y estaciones.

ESTACIONES DE TRABAJO

• Es el nexo de unión entre el FMS y el resto de la fábrica.• La materia prima entra en el proceso por este punto y sale

transformada en un producto.• Método de carga más habitual es el manual aunque también

puede ser automático.• Si el material es de elevado peso hay sistemas auxiliares para

los operarios, como grúas mecánicas y otros tipos de dispositivos.

• La estación suele incluir una unidad de registro de entrada de piezas y una comunicación monitorizada entre el sistema informático y el operador.

• Las instrucciones deben ser dadas al operador teniendo en cuenta qué productos deben ser cargados en los pales con el fin de cumplir las demandas estipuladas.

• Los pales deben llevar la materia correcta a cada máquina.• Todas las situaciones deben estar bajo control, pales mal

posicionados, elementos extraños en zonas de trabajo de maquinaria, etc.

ESTACIÓN DE CARGA Y DESCARGA

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• Es la aplicación más común de un FMS.• Entendemos como operación de mecanizado toda acción que se realiza

sobre un material y éste sufre transformaciones.• La maquinaria más utilizada en esta estación son los centros de

mecanizado CNC.• Almacena las herramientas, las sustituye y realiza cargas/descargas de

pales.• Todas ellas se realizan de forma automática.• Los centros de mecanizado normalmente se utilizan con piezas de tipo

prismática.• Para piezas rotativas, si lo necesitan, se usan los “centros con ángulo”,

mientras que si necesitan varias herramientas rotativas se usan los centros “mill & turn” (fresadoras y taladros).

ESTACIÓN DE MECANIZADO

• Existen FMS que son diseñados para realizar este tipo de operaciones.

• Estos diseños se realizan con el objetivo de suprimir la mano de obra humana en procesos de producción en serie.

• Los encargados de realizar el trabajo normalmente son brazos robots, los cuales, son capaces de adaptarse a los diferentes productos, son flexibles a cambios en la secuencia de producción y tienen un grado de precisión muy bueno.

ESTACIÓN DE ENSAMBLAJE

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OTRAS ESTACIONES DE PROCESAMIENTO

• En los FMS la materia prima no tiene porque entrar preparada para trabajar directamente sobre ella. Un ejemplo puede ser el metal. Este material debe sufrir un proceso de transformación para obtener unas características iniciales (si se quieren producir tornillos no se necesita una barra de acero de dos metros sino trozos proporcionales).

• Existen estaciones de trabajo automáticas que realizan este tipo de trabajo. Estas están formadas por hornos donde se calienta el metal, presas y forjas para dar forma y otra que se encarga de realizar cortes.

OTROS EQUIPOS Y ESTACIONES

• Realizan trabajos de inspección. Hay tres tipos básicos:– Máquinas de medición de coordenadas.

– Inspección mediante sondas.

– Sistemas de visión.

• A estos tres grupos se les puede añadir operaciones como limpieza y/o colocación de pales, sistemas de refrigeración, etc.

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COMPONENTES

• Permiten movimiento libre y aleatorio de los productos entre las estaciones.

• Establecen rutas alternativas en el proceso de fabricación que impiden que se pare la producción.

• Permiten varias configuraciones de productos en el transporte.– Productos prismáticos se usan módulos de pales. – Productos rotativos los que realizan el transporte suelen ser robots.

• Almacenamiento temporal. Cada estación tiene una pequeña cola para aquellas partes que están esperando para ser procesadas. Este sistema incrementa el rendimiento de la máquina.

• Facilitar los accesos para la carga y descarga. El sistema de transporte debe incluir zonas para estaciones de carga y descarga.

• Compatibilidad con el sistema de control.• Puede ser controlado por un sistema de control que guíe el

proceso hacia varias estaciones, zonas de carga y descarga, y zonas de almacenamiento.

SISTEMAS DE TRANSPORTE Y ALAMACENAMIENTO DE MATERIAL

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• Distribución en línea.

• Distribución en bucle.

• Distribución escalada.

• Distribución en campo abierto.

CONFIGURACIONES

• Está basada en una única línea de transferencia alrededor de la cual se sitúan las estaciones de trabajo, que ejecutan los planes de proceso de cada tipo de pieza o producto.

DISTRIBUCIÓN EN LÍNEA

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DISTRIBUCIÓN EN LÍNEA

• Está compuesta por un sistema de carga y descarga. Este introduce las piezas en el proceso unidireccional hasta que vuelven a salir.

• Se cuenta con un sistema secundario que evita que se obstaculice el bucle con total facilidad.

DISTRIBUCIÓN EN BUCLE

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DISTRIBUCIÓN EN BUBLE

• Consiste en intercalar subbucles dentro de un bucle principal.

• Esta configuración facilita el traslado de las piezas de una máquina a otra.

• Se reduce del tiempo necesario para realizar la operación.

• Se reduce la distancia recorrida por la pieza y minimiza la necesidad de un sistema anticongestión.

DISTRIBUCIÓN EN ESCALADA

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DISTRIBUCIÓN EN ESCALADA

• Consiste en múltiples bucles y escalas. • Este tipo de distribución es, generalmente,

apropiada para procesar una familia numerosa de productos.

• La cantidad de tipos de máquinas diferentes se puede limitar, y se dirigen productos a aquellas estaciones que están libres.

DISTRIBUCIÓN EN CAMPO ABIERTO

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DISTRIBUCIÓN EN CAMPO ABIERTO

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