Práctica 1.

SISTEMAS DE MANUFACTURA FLEXIBLE Objetivo: Presentar un panorama general sobre Sistemas de Manufactura Flexible y la importancia de las máquinas herramientas de control numérico computarizado en dichos sistemas. 1. Antecedentes. Un Sistema de Manufactura Flexible puede definirse como un grupo de máquinas dedicadas a manufacturar piezas o realizar ensambles y que proporcionan flexibilidad debido tanto al flujo variable de material entre estaciones como a las diferentes combinaciones en que pueden emplearse dichas estaciones. El sistema completo es manejado por computadoras, las cuales pueden manufacturar colectivamente diferentes partes y productos desde el inicio al final. Las máquinas herramientas empleadas en un sistema de manufactura flexible usualmente son centros de mecanizado de control numérico computarizado, CNC, pero también pueden emplearse otros equipos como estaciones de inspección o de ensamblado e incluso equipo para acabado superficial. El concepto de sistema de manufactura flexible está caracterizado por la capacidad de integrar estaciones de trabajo, manejo automático de materiales y control computacional. El empleo de sistemas de manufactura flexible conlleva el uso de otros sistemas, como son la tecnología de grupo (GT, Group Technology), que permite clasificar piezas con características de fabricación similares, la tecnología JIT (Just In Time, justo a tiempo), que permite que las materias primas lleguen al lugar indicado en el momento preciso, los sistemas MRP (Material Requirements Planning), planeación de requerimientos de productos), donde el material entrante es seleccionado para llegar al lugar correcto a la hora indicada, y finalmente los sistemas CAD, con el fin de permitir el uso de datos y especificaciones milimétricas del diseño en la programación de máquinas de control numérico (NC) e inspección automática. Los sistemas de manufactura flexible se presentan como una solución parcial al problema de producción de mediano volumen, la cual alcanza a nivel de países industrializados el 40% de la producción total. Los productos hechos en masa alcanzan solo el 25% del total. La tabla 1 muestra una comparación de realidades a este respecto. Una representación gráfica de flexibilidad en la producción versus capacidad de producción para FMS, así como para otros sistemas, puede verse en el gráfico de la Figura 1. Los sistemas de manufactura flexible se emplean principalmente para manufacturar partes prismáticas que requieren operaciones de taladrado, fresado, ranurado o torneado. El empleo de sistemas de manufactura flexible reduce los costos de mano de obra directa, pero aumenta los de mano de obra indirecta, debido al mayor nivel de complejidad del hardware. También se reducen los tiempos de producción, debido a la mayor eficiencia de uso de las máquinas, la cual puede alcanzar el 85%, valor considerado excelente.

Tabla 1. Comparación de sistemas de máquinas herramientas.

Producción de partes Producción en lotes Producción en masaVolumen anual de producción 1 a 10000 5000 a 200000 más de 100000

Motivación primordial Capacidad Flexibilidad Volumen Costo por parte Muy alto Bajando Mínimo

Herramientas de corte Estándar Algunas especiales Personalizadas Manejo automático de partes Raro En alguno casos Siempre

Flexibilidad para hacer partes: Totalmente diferentes

Similares, poco diferentes

Si Si

Posible

Si, si estaba planeado

Imposible

Muy limitada Posib. de cambiar materiales Si Limitada Extremadamente

limitada Posib. implementación gradual Si Posible Difícil Máquinas herr. recomendadas CNC Centro CNC, FMC, FMS Líneas de producción

Aplicaciones típicas Aviación, moldes y herramientas

Agricultura, motores y maquinaria todo tipo

Industria automotriz, distintas aplicaciones

Figura 1. Comparación manufactura flexible

Al planear la instalación de un sistema de manufactura flexible es necesario ceñirse a un modelo de implementación existente, el cual puede ser enfatizado en alguno de sus puntos por alguna empresa en particular; sin embargo, la experiencia ha demostrado que ninguno de los pasos puede saltarse por completo. Este modelo se presenta a continuación: 1. Definir qué se va a producir y si la planta y el personal está capacitado para eso 2. Establecer familias de partes entre los productos o componentes 3. Determinar el volumen a producir en el corto plazo (el primer año) 4. Pronosticar el volumen a producir a 10 años plazo 5. Analizar a profundidad las capacidades del personal, contratos y un futuro jefe del proyecto

6. Analizar ofertas de equipos y sistemas, elegir con ayuda pagada la mejor opción 7. Hacer una evaluación general del proyecto, incluyendo los costos. Los sistemas pueden

costar de uno a veinte o más millones de dólares 8. Mandar a pedir (comprar) el sistema 9. Anticipar la puesta en marcha, tanto dentro como fuera de la planta, hablando con

proveedores y distribuidores 10.Desarrollar las rutinas del sistema, establecer mantenimientos, preparar el área de instalación

y visitar al constructor del sistema, con el fin de chequearlo y mostrarlo a sus futuros operarios

11.Instalar el sistema 12.Realizar post auditorías o revisiones periódicas, tanto con el constructor como con los

operarios, con el fin de comprobar si los planes originales se están cumpliendo a cabalidad Tras los primeros cinco pasos se podrá asegurar si la empresa es candidata a usar un sistema de manufactura flexible o no. Si lo es, la información obtenida será de gran importancia al implementar el resto del programa. La implementación de un sistema de manufactura flexible debería cumplir con algunas especificaciones, y aunque éstas no son absolutamente necesarias, se aconseja su uso: • Se deben establecer caminos para desarrollar subsistemas comunes de control de estadísticas

y administración del mantenimiento, de tal manera que éstos estén integrados con los otros subsistemas

• Se debe usar un software común para integrar los sistemas actuales • Se debe usar convenciones (software) comunes para las interfaces hombre/máquina, de tal

manera que los operadores, inspectores y mantenedores usen el mismo procedimiento al interactuar con todas las máquinas

• Se debe usar una base de datos administrativa • Se debe usar equipo computacional común para la información gráfica y de texto • Las especificaciones de control de programación deben estar estandarizadas con el fin de

incorporar interfaces de comunicación con los proveedores y distribuidores El uso de robots se ha intensificado últimamente, a tal punto que hoy son vistos simplemente como máquinas herramientas CNC, que son incorporadas al sistema de manufactura. Los robots se usan para el manejo de materiales, fijación de piezas en las máquinas y otros procesos. Muchos distribuidores proveen los robots como parte integral de los sistemas, y en esto hay que tener precaución, pues los robots no son siempre compatibles.

2. Celdas de manufactura flexible Una celda de manufactura flexible es un grupo de máquinas relacionadas que realizan un proceso particular o un paso en un proceso de manufactura más largo. Puede ser, por ejemplo, una parte de un sistema de manufactura flexible. Una celda puede ser segregada debido a ruido, requerimientos químicos, requerimientos de materias primas, o tiempo de ciclos de manufactura. El aspecto flexible de una celda flexible de manufactura indica que la celda no

está restringida a sólo un tipo de parte o proceso, mas puede acomodarse fácilmente a distintas partes y productos, usualmente dentro de familias de propiedades físicas y características dimensionales similares. Una celda de manufactura flexible es un centro simple o un pequeño conjunto de máquinas que unidas producen una parte, subensamble o producto. Una de las distinciones entre una celda y un sistema es la falta de grandes manipuladores de material entre las máquinas de una celda. Las máquinas en una celda están usualmente ubicadas de manera circular, muchas veces con un robot en el centro, el cual mueve las partes de máquina en máquina. El conjunto de máquinas en una celda se complementa para efectuar una actividad básicamente relacionada, como mecanizado, taladrado, terminación superficial o inspección de una pieza. Un Sistema de manufactura flexible puede contener múltiples celdas, las cuales pueden realizar diferentes y variadas funciones en cada celda o en una máquina o centro en particular.

Figura 2. Celda Flexible

Las celdas de mecanizado son generalmente más baratas para instalar y desarrollar, permitiendo al usuario implementar tecnología de manufactura flexible de manera gradual. En la planeación de la instalación de un FMC, varias áreas deben ser tomadas en consideración: • Área de trabajo directo: Selección de máquinas que funcionarán sin operador, minimización

de tiempos de preparación y tiempo perdido • Área de trabajo indirecto: Inspección, manejo y envíos • Área de máquinas: Herramientas, enfriadores y lubricantes • Área de manejo de materiales y papeleo: Movimientos de partes, programación de trabajos,

tiempos perdidos 3. Control numérico computarizado. Se considera de Control Numérico por Computador a todo dispositivo capaz de dirigir el posicionamiento de un órgano mecánico móvil mediante órdenes elaboradas de forma totalmente automática a partir de informaciones numéricas en tiempo real.

Entre las operaciones de maquinado que se pueden realizar en una máquina CNC se encuentran las de torneado y de fresado. Sobre la base de esta combinación es posible generar la mayoría de las piezas industriales.

Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especifican el movimiento de la herramienta de corte. El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por una computadora.

En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos laterales del carro y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la torre. En el caso de las fresadoras se controlan además los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Z. Para ello se incorporan motores eléctricos en los mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la fresadora; dependiendo de la capacidad de la máquina. Esto puede no ser limitado únicamente a tres ejes.

La programación en el control numérico puede hacerse de forma manual o automática. En la programación manual, el programa se escribe únicamente por medio de razonamientos y cálculos que realiza un operario. En la programación automática los cálculos los realiza una computadora, que suministra en su salida el programa de la pieza en lenguaje máquina. Por esta razón recibe el nombre de programación asistida por computador.

El programa de mecanizado comprende todo el conjunto de datos que el control necesita para la mecanización de la pieza. Al conjunto de instrucciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se le denomina bloque o secuencia y se numeran para facilitar su búsqueda. Una secuencia o bloque de programa debe contener todas las funciones geométricas, funciones máquina y funciones tecnológicas del mecanizado. De tal modo, un bloque de programa consta de varias instrucciones.

El comienzo del control numérico ha estado caracterizado por un desarrollo anárquico de los códigos de programación. Cada constructor utilizaba el suyo particular. Posteriormente, se vio la necesidad de normalizar los códigos de programación como condición indispensable para que un mismo programa pudiera servir para diversas máquinas con tal de que fuesen del mismo tipo. Los caracteres más usados comúnmente, regidos bajo la norma DIN 66024 y 66025 son, entre otros, los siguientes:

• N: es la dirección correspondiente al número de bloque o secuencia. Esta dirección va seguida normalmente de un número de tres o cuatro cifras. En el caso del formato N03, el número máximo de bloques que pueden programarse es 1000 N999).→(N000

• X, Y, Z: son las direcciones correspondientes a las cotas según los ejes X, Y, Z de la máquina herramienta. Dichas cotas se pueden programar en forma absoluta o relativa, es decir, con respecto al cero pieza o con respecto a la última cota respectivamente.

• G: es la dirección correspondiente a las funciones preparatorias. Se utilizan para informar al control de las características de las funciones de mecanizado, como por ejemplo, forma

de la trayectoria, tipo de corrección de herramienta, parada temporizada, ciclos automáticos, programación absoluta y relativa, etc. La función G va seguida de un número de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones preparatorias diferentes.

Ejemplos: G00: El trayecto programado se realiza a la máxima velocidad posible, es decir, a la velocidad de desplazamiento en rápido. G01: Los ejes se gobiernan de tal forma que la herramienta se mueve a lo largo de una línea recta. G02: Interpolación circular en sentido horario. G03: Interpolación circular en sentido antihorario. G33: Indica ciclo automático de roscado. G40: Cancela compensación. G41: Compensación de corte hacia la izquierda. G42: Compensación de corte a la derecha. G77: Es un ciclo automático que permite programar con un único bloque el torneado de un cilindro, etc.

• M: es la dirección correspondiente a las funciones auxiliares o complementarias. Se usan para indicar a la máquina herramienta que se deben realizar operaciones tales como parada programada, rotación del husillo a derechas o a izquierdas, cambio de útil, etc. La dirección m va seguida de un número de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones auxiliares diferentes. Ejemplos: M00: Provoca una parada incondicional del programa, detiene el husillo y la refrigeración. M01: Alto opcional. M02: Indica el fin del programa. Se debe escribir en el último bloque del programa y posibilita la parada del control una vez ejecutadas el resto de las operaciones contenidas en el mismo bloque. M03: Permite programar la rotación del husillo en sentido horario M04: Permite programar la rotación del husillo en sentido antihorario, etc.

El sentido de giro del usillo es visto por detrás de la máquina, no de nuestro punto de vista como en los tornos convencionales.

M05: Parada del cabezal M06: cambio de herramienta (con o sin parada del programa) en las máquinas de cambio automático no conlleva la parada del programa

• F: es la dirección correspondiente a la velocidad de avance. Va seguida de un número de cuatro cifras que indica la velocidad de avance en mm/min.

• S es la dirección correspondiente a la velocidad de rotación del husillo principal. Se programa directamente en revoluciones por minuto, usando cuatro dígitos.

• I, J, K son direcciones utilizadas para programar arcos de circunferencia. Cuando la interpolación se realiza en el plano X-Y, se utilizan las direcciones I y J. Análogamente, en el plano X-Z, se utilizan las direcciones I y K, y en el plano Y-Z, las direcciones J y K.

• T es la dirección correspondiente al número de herramienta. Va seguido de un número de cuatro cifras en el cual los dos primeros indican el número de herramienta y los dos últimos el número de corrección de las mismas.

4. Diseño y manufactura asistidos por computadora. El diseño asistido por computadora, CAD, es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus

respectivas actividades. Estas herramientas se pueden dividir básicamente en programas de dibujo en dos dimensiones (2D) y modeladores en tres dimensiones (3D). Las herramientas de dibujo en 2D se basan en entidades geométricas vectoriales como puntos, líneas, arcos y polígonos, con las que se puede operar a través de una interfaz gráfica. Los modeladores en 3D añaden superficies y sólidos. En la Figura 3 se observan un ejemplo de diseño realizado en un sistema CAD.

Figura 3. Modelo de un diseño asistido por computadora. El usuario puede asociar a cada entidad una serie de propiedades como color, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, etc., que permiten manejar la información de forma lógica. Además pueden asociarse a las entidades o conjuntos de éstas otro tipo de propiedades como material, etc., que permiten enlazar el CAD a los sistemas de gestión y producción. De los modelos pueden obtenerse planos con cotas y anotaciones para generar la documentación técnica específica de cada proyecto. Los modeladores en 3D pueden, además, producir visualizaciones fotorealistas del producto, aunque a menudo se prefiere exportar los modelos a programas especializados en visualización y animación, como Maya, Softimage XSI o 3D Studio Max. La Manufactura Asistida por Computadora, CAM, se puede definir como el uso de sistemas informáticos para la planificación, gestión y control de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o indirecta entre el sistema informático y los recursos de producción. Así pues, las aplicaciones del CAM se dividen en dos categorías:

• Interfaz directa: Son aplicaciones en las que la computadora se conecta directamente con el proceso de producción para monitorizar su actividad y realizar tareas de supervisión y control. Así pues estas aplicaciones se dividen en dos grupos:

o Supervisión: implica un flujo de datos del proceso de producción al computador con el propósito de observar el proceso y los recursos asociados y recoger datos.

o Control: supone un paso más allá que la supervisión, ya que no solo se observa el proceso, sino que se ejerce un control basándose en dichas observaciones.

• Interfaz indirecta: Se trata de aplicaciones en las que la computadora se utiliza como herramienta de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una conexión directa con el proceso de producción.

La planificación de procesos es la tarea clave para conseguir la automatización deseada, sirviendo de unión entre los procesos de CAD y CAM. El plan de procesos determina de forma detallada la secuencia de pasos de producción requeridos para fabricar y ensamblar, desde el inicio a la finalización del proceso de producción. En la práctica, el CAD/CAM se utiliza de distintas formas, para producción de dibujos y diseño de documentos, animación por computadora, análisis de ingeniería, control de procesos, control de calidad, etc. Por tanto, para clarificar el ámbito de las técnicas CAD/CAM, las etapas que abarca y las herramientas actuales y futuras, se hace necesario estudiar las distintas actividades y etapas que deben realizarse en el diseño y fabricación de un producto. Para referirnos a ellas emplearemos el término ciclo de producto, que aparece reflejado en la Figura 4. Para convertir un concepto o idea en un producto, se pasa por dos procesos principales, el de diseño y el de fabricación. A su vez, el proceso de diseño se puede dividir en una etapa de síntesis, en la que se crea el producto y una etapa de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez finalizadas estas etapas se aborda la etapa de fabricación en la que, en primer lugar se planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios, pasando después a la fabricación del producto. Como último paso se realiza un control de calidad del producto resultante antes de pasar a la fase de distribución y mercadeo.

Figura 4. Ciclo de producto típico

Debido a la demanda del mercado de productos cada vez más baratos, de mayor calidad y cuyo ciclo de vida se reduce cada vez más, se hace necesario el uso de computadoras para satisfacer estas exigencias. Mediante el uso de técnicas de CAD/CAM se consigue abaratar costos, aumentar la calidad y reducir el tiempo de diseño y producción. Dentro del ciclo de producto descrito se ha incluido un conjunto de tareas agrupadas en proceso CAD y otras en proceso CAM, que, a su vez, son subconjuntos del proceso de diseño y proceso de fabricación respectivamente. La Figura 5 muestra ambos procesos con más detalle. Las herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las tablas 2 y 3.

Figura 5. Procesos CAD y CAM

Tabla 2. Herramientas CAD para el proceso de diseño.

FASE DE DISEÑO HERRAMIENTAS CAD REQUERIDAS Conceptualización del diseño Herramientas de modelado geométrico

Modelado del diseño y simulación Herramientas de modelado geométrico, animación, ensamblaje y aplicaciones de modelado específicas

Análisis del diseño Aplicaciones de análisis generales, aplicaciones a medida Optimización del diseño Aplicaciones a medida, optimización estructural Evaluación del diseño Herramientas de acotación, tolerancias, listas de materiales Informes y documentación Herramientas de dibujo de planos y detalles, imágenes color

Tabla 3. Herramientas CAM para el proceso de diseño.

FASE DE DISEÑO HERRAMIENTAS CAD REQUERIDAS Planificación del proceso Herramientas CAPP, análisis de costos, especificación de materiales y herramientas Mecanizado de piezas Programación de control numérico Inspección Aplicaciones de inspección Embalaje Simulación y programación de robots

5. Actividades a realizar. En esta sección del curso se utilizará el software para el modelado geométrico de las piezas a maquinar, la generación del código de programación para la máquina CNC y la verificación de errores. Se utilizará también el simulador para observar el proceso de maquinado de la pieza.

a. Investigar las características más importantes de Mastercam X y Vericut v6.2, así como su costo y distribuidores en el país o en el extranjero donde se pueda conseguir.

b. Investigar otros programas de software para CAD/CAM y simulación CNC, sus características, costo y distribuidores.

c. Comparar estos otros programas con los seleccionados para este curso.

d. Investigar si existen alternativas de software libre, sus características y compárelos con el software seleccionado para el curso.

e. Elabore tablas comparativas con los resultados obtenidos. El Instituto Tecnológico de Celaya dispone de algunas máquinas de control numérico en diferentes laboratorios, como el de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Industrial.

f. Investigar las marcas, modelos y características de dichas máquinas de control numérico disponibles en el Instituto, y en lo posible costo y distribuidores.

g. Investigar si existen otras máquinas con características similares de otros fabricantes, su costo y distribuidores.

h. Investigar si es posible adaptar un control numérico a un torno o fresadora convencionales, cómo se haría, si existen controles numéricos comerciales que puedan adaptarse para tal fin, marcas, modelos, características y distribuidores y un costo aproximado de tal proyecto suponiendo que ya se dispone de la máquina-herramienta convencional que se desea automatizar.

i. Realizar un cuadro comparativo con dichos resultados. El corredor industrial del Bajío cuenta con varias empresas de manufactura que utilizan celdas de manufactura flexible.

j. ¿Qué empresas en la región considera que utilizan Sistemas de Manufactura Flexible? Anote sus observaciones y conclusiones.