3.1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA AVANZADA En la actualidad las tecnologías CAD/CAM/CAE están muy integradas, esto se observa en muchos software que nacieron como diseñadores CAD y que posteriormente incorporaron paquetes Análisis de esfuerzos CAE y de manufactura CAM. Estas se encuentran ya en una fase de madurez. Su utilidad es indiscutible y han abierto mejores herramientas para el diseño, análisis de esfuerzos y facilidad para fabricaciones complejas CAM.
Cuando hace falta un sistema de diseño, va asociada a rediseños que se realizan sobre la marcha, con la consiguiente pérdida de tiempo y dinero. Estas Tecnologías nos permiten el desarrollo de prototipos rápidos y económicos, muchas veces solo basta verlos en forma virtual y aplicándoles el análisis de elementos finitos CAE para cálculos de esfuerzos no es necesario fabricar un prototipo real.
Los equipos de informática que soportar programas de CAD, requieren de ordenadores más veloces, con más memoria y mayor potencia gráfica. Como tendencia de futuro, se confirmará la desaparición de prototipos reales, pues las imágenes virtuales en 3D reemplazaran a los cuerpos reales y bastara un Ok para iniciar la producción CAM.
Otra tendencia de futuro en el campo de los periféricos es la popularización de los dispositivos de escaneado en 3D. Hasta el presente, las tecnologías de Rapid Prototyping, aunque consolidadas, no se han utilizado intensivamente dado su elevado coste. Los aparatos de medición por Laser Scan o de reproducción tridimensionales de objetos compartirán un lugar en la oficina técnica del mañana.
Mayor integración con las tecnologías CAD y CAM, con una especial potenciación del CAE: actualmente la mayoría de los desarrolladores de CAD cubren con su producto las necesidades de diseño, ingeniería CAE y fabricación CAM de la empresa, ofreciendo soluciones compactas en los más diversos campos de las tecnologías asistidas por computador. Pero lo que actualmente es casi una yuxtaposición de módulos CAD, CAE y CAM, en el presente es una unidad total: en etapas tempranas del diseño se podrá verificar su funcionalidad y flexibilidad, contando además con tecnologías de Rapid Protyping de los utillajes de fabricación (Rapid Tooling).
La competencia es cada día mayor y el tiempo de lanzamiento del producto es primordial a la hora de conseguir mayores beneficios. Por último, podemos citar la ausencia, prácticamente total, de formación con herramientas CAE de los estudiantes de ingeniería. Uno de los éxitos educacionales consistirá en preparar a los estudiantes en el entorno industrial que le espera donde los sistemas integrados CAD/CAM/CAE están convirtiéndose en estándares.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 95 El futuro se muestra ambicioso tecnológicamente hablando, por la introducción de las Células de fabricación flexible y el gran avance de los Computadores y de los Robots. Todo ello lleva a pensar que la "Fábrica Automática" ya está presente.
3.2 Tecnologías CAD-CAE-CAPP-CAM-FMS- CAQ- ERP-MRP- PPS-CIM
Para iniciar y comprender estas tecnologías definiremos los términos como sigue:
1. CAD (Computer Aided Design): Diseño asistido por computadora. 2. CAE (Computer Aided Engineer): Ingeniería asistido por computadora.
3. CAPP (Computer Aided Process Planning): Planificación de procesos asistida
por computador.
4. CAM (Computer Aided Manufacturing): Manufactura asistida por Computadora. 5. FMS (Flexible Manufacturing System): Sistema Flexible de Manufactura.
6. CAQ (Computer Aided Quality): Control de Calidad asistido por computadora. 7. ERP (Enterprise Resource Planning): Es un software conjunto integrado de
finanzas, distribución y manufactura con interfases con algunas otras aplicaciones.
8. MRP (Material Requirement Planning): Es el método usado para derivar el
calendario maestro de la producción (MPS) a partir de pronósticos y/o órdenes de venta.
9. PPC (Production Planning and Control): Programa de Planificación de
Proyectos.
10. CIM (Computer Integrated Manufacturing): Manufactura integrado por
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1. CAD
: DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORAEl diseño asistido por computadora, es el desarrollo grafico de los objetos en forma plana 2D o en tres dimensiones 3D en forma de superficies o sólidos virtuales. Después todas las partes son ensambladas haciendo uso de librerías de elementos estándar y después es posible de simular su funcionamiento.
Ensamble de mecanismo de transmisión hecho en Inventor 2010.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 97 SOLID CONCEPT RHINO 4.0
Rhino 4.0, el programa de modelado de formas libres, es la herramienta de diseño de productos utilizada por gran parte de los ingenieros industriales en el proceso de investigación y diseño de un nuevo producto.
Rhino 4.0 permite editar los modelos 3D obtenidos de otros programas CAD/CAM, presentarlos en diferentes formatos como IGES, DWG, DXF, OBJ, etc. y unirlos para el posterior análisis y verificación.
Se citan a continuación las principales empresas desarrolladoras de software CAD, junto con el producto CAD que crean:
Autodesk • AUTOCAD V14/ Inventor 10
Geometric Software Solutions Co. Limited. . Solidworks Premium 2010 Sing Maker . Rhinosceros 4.0
Silicon Graphics • ALIAS WAVEFRONT ComputerVision • CADD 5
Dassault Systèmes • CATIA Mc Donell Douglas • Unigraphics
Hewlett Packard • PE-ME10, PE-SolidModeler Intergraph • EMS
Matra Datadivision • Euclid
Parametrics Technology C. • Pro/Engineer SDRC • IDEAS Master Series
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 98
2. CAE
: LA INGENIERÍA ASISTIDA POR COMPUTADORAComprende, el análisis virtual de los materiales utilizados en el diseño.
Estos programas permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc.
Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las interacciones entre estos elementos.
El CAE mecánico, en particular, incluye un análisis por elementos finitos (FEA, finite element analysis) para evaluar las características estructurales de una parte y programas avanzados de cinemática para estudiar los complejos movimientos de algunos mecanismos.
Los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas:
Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño. Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación.
Alto porcentaje de éxito.
Eliminación de la necesidad de prototipos. Aumento de la productividad.
Productos más competitivos.
Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación.
Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.
Cálculo de propiedades físicas: volumen, masa, centro de gravedad, momentos de inercia, etc.
Análisis tensional y cálculo mecánico y estructural: lineal y no lineal. Análisis de vibraciones.
Simulación del proceso de inyección de un molde: análisis dinámico y térmico del fluido inyectado (inyección virtual)
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 99 Simulación de procesos de fabricación: mecanizado, conformado de
chapas metálicas, soldaduras, análisis de fijaciones (fabricación virtual) Simulación gráfica del funcionamiento del sistema: Cálculo de
interferencias, estudios aerodinámicos, acústicos, ergonómicos, etc. (prototipo virtual)
3. CAPP
(Computer Aided Process Planning):PLANIFICACIÓN DE PROCESOS ASISTIDA POR COMPUTADOR. Es un sistema experto que captura las capacidades de un ambiente manufacturero específico y principios manufactureros ingenieriles, con el fin de crear un plan para la manufactura física de una pieza previamente diseñada.
Este plan especifica la maquinaria que se ocupará en la producción de la pieza, la secuencia de operaciones a realizar, las herramientas, velocidades de corte y avances, y cualquier otro dato necesario para llevar la pieza del diseño al producto terminado.
4. CAM
: MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORAEs la fabricación haciendo uso de maquinas herramientas a control numérico computarizado CNC. También hace uso de programas en lenguaje “G” o lenguajes conversacionales propios de algunos fabricantes de maquinas CNC.
En sus inicios de las maquinas CNC se hacia la programación manual, la cual era tediosa y con muchas probabilidades de error. Fueron los mismos usuarios que cansados de programar manualmente se dedicaron a desarrollar SOFTWARE que le facilite programar con mayor rapidez. Así se inicio la Tecnología de CAD-CAM.
La tecnología de CAD-CAM se aplica mucho en las empresas industriales modernas de los países desarrollados, como la Toyota, General Motors, Caterpilar, Nasa, Bosch, Mitsubishi, etc; por no mencionar muchas.
Esta tecnología de CAD- CAM, de programación, simulación y generación de programas NC que se usa con las maquinas CNC, han desplazado a las maquinas convencionales por tres simples razones:
Flexibilidad, es decir, se pueden hacer múltiples fabricaciones con un corto tiempo de cambio, solo para buscar el programa en la memoria.
Productividad, porque la velocidad de fabricación son de 5 a 20 veces más rápidos que las convencionales.
Repetitividad, es decir que las piezas fabricadas son constantes en la dimensión y con una precisión hasta de 0.005 mm a una temperatura 20°C. Costos, porque compiten en costos con las maquinas convencionales. Principales aplicaciones del CAD/CAM
Generación de programas de Control Numérico.
Simulación de estrategias y trayectorias de herramientas para mecanizado del producto diseñado (partiendo de un modelo CAD).
Programación de soldaduras y ensamblajes robotizados.
Inspección asistida por computadora. (CAI – Computer Aided Inspection) Ensayo asistido por computadora. (CAT – Computer Aided Testing)
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5. FMS
: SISTEMA FLEXIBLE DE MANUFACTURA(Ver tema 7.3 Sistemas de Manufactura Flexible FMS)
6.
CAQ: CONTROL DE CALIDAD ASISTIDA POR COMPUTADORA Es una tecnología no solo de mediciones automatizad, sino también de la gestión de los estándares y normas de calidad de los productos.Pocket ML, es una aplicación para el manejo de datos de manera móvil. Puede interactuar con diversos tipos de instrumentos de medida, como vernier, micrómetros, palpadores.
Elementos para la medición por coordenadas
La medición de la geometría de piezas se hace mediante: punto, línea, plano, círculo, cilindro, cono, esfera y toroide; y con estos elementos puede hacerse la medición completa de una pieza.
Las MMC (Maquinas de Medición por Coordenadas) cuentan con un sistema mediante el cual hacen contacto sobre las piezas a medir que es llamado sistema de palpación, cada vez que el sistema de palpación hace contacto sobre la pieza a medir, se adquiere un dato de medición (X,Y,Z), que puede ser procesado en un software que está almacenado en un ordenador.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 101 Se utiliza software para programar la medición de una o varias piezas iguales para el Control de Calidad al 100%.
Software de inspección y medición Brown & Sharpe PC-DMIS 3.5
Mediante DCI, pueden simular programas de medición de piezas usando un modelo de la pieza preciso descargado del sistema CAD.
Las ventajas de transferir los datos CAD a la MMC para la medición están mejorando la eficiencia de la programación y el rendimiento del sistema de medición. La utilización de datos provenientes del CAD también elimina algunos errores del operario asociados a la programación de MMC sin CAD además de permitir programar la MMC de un modo off-line, sin necesidad de tener la pieza ni estar conectada a la máquina de medir.
Sensor por cortina láser Brown & Sharpe HyScan, captura 10,000 puntos/seg. También existen unos brazos tipo pantógrafo de la compañía FARO, Laser Scan Arm que captura 19,000 puntos por segundo.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 102 GESTION DE LA CALIDAD
Business CAQ (control de la calidad asistido por ordenador) es un programa modular que conecta en red todas nuestras plantas. Este sistema nos permite comprimir información en una base de datos global y analizarla al momento. De este modo, podemos elaborar los estándares de calidad eficazmente y coordinar la planificación de la calidad y el análisis de procesos de todas nuestras fábricas.
A continuación analizamos la información generada por medio de Business CAQ, considerando los resultados para el desarrollo de soluciones en nuestros procesos, que están disponibles para todas las plantas en la base de datos común. De esta manera todos nuestros empleados disponen de la información actualizada.
Este sistema nos permite acumular la información y soluciones de mejoras en los procesos, que nos facilita la aplicación de nuestra estrategia de "error cero" y la reducción de costes.
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7. ERP
(Enterprise Resource Planning):Es un software conjunto integrado de finanzas, distribución y manufactura con interfaces con algunas otras aplicaciones.
Los ERP son software que ayudan a las compañías a planear sus recursos, no solo los materiales o de equipos, sino también los recursos humanos y los financieros.
La propia definición de ERP indica la necesidad de "Disponibilidad de toda la información para todo el mundo todo el tiempo".
Los objetivos principales de los sistemas ERP son: Optimización de los procesos empresariales.
Acceso a toda la información de forma confiable, precisa y oportuna (integridad de datos).
La posibilidad de compartir información entre todos los componentes de la organización.
Eliminación de datos y operaciones innecesarias de reingeniería. El propósito fundamental de un ERP es otorgar apoyo a los clientes del negocio, tiempos rápidos de respuesta a sus problemas, así como un eficiente manejo de información que permita la toma oportuna de decisiones y disminución de los costos totales de operación.
Los más conocidos son el SAP, Baan, QAD, SSA, Oracle, PeopleSoft, JD Edwards, Epicor Software y Visual Manufacturing
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8. MRP
(Material Requirements Planning)Es el método usado para derivar el calendario maestro de la producción (MPS) a partir de pronósticos y/o órdenes de venta
Un MRP genera simplemente planeaciones y requerimientos que bien no podrían ser alcanzados por la empresa. Es por eso que surge el MRPII, el cual maneja información de retroalimentación que le permite tener funciones como la planeación de capacidades, control de piso. También se tiene enlace con los sistemas financieros de la compañía. Generalmente los MRPII tienen 2 características básicas adicionales con respecto a los MRP:
• Un sistema financiero y operacional. Cubre los aspectos de negocios de la compañía como ventas, producción, ingeniería inventarios y contabilidad.
• Un simulador. Pueden simular planes de producción y la toma de decisiones administrativas.
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9. PPC
(Production Planning and Control):Planificación y Control de la Producción:
Designa la utilización de sistemas informáticos para organizar la producción, realizar el control y el seguimiento de las distintas fases de producción. Las funciones principales la planificación de la producción, de las cantidades, la programación de materiales, de los plazos y la capacidad necesaria para cumplir los pedidos. También abarca el "scheduling", compras y administración de inventarios, así como el seguimiento de las órdenes.
10.
CIM
(Computer Integrated Manufacturing):MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA
Es un sistema integrado total que enlaza varias tecnologías como CAD- CAE-CAPP-CAM-FMS-CAQ-ERP-MRP-PPS, capaz de gobernar desde una computadora a una o varias plantas.
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Niveles jerárquicos de un CIM
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 107 8.3 DESARROLLO DE LA MANUFACTURA INTEGRADA POR
COMPUTADORA
Existe un Sistema de Capacitación Modular, creado desde la Manufactura Convencional hasta la Manufactura Avanzada.
Este Sistema fue desarrollado por la Empresa Austriaca Emco Maier Corporation, con los fines de capacitar a su personal hacia el desarrollo de sistemas avanzados de Manufactura Integrados por Computadora CIM.
Para esto era necesario iniciar con el conocimiento básico de los Procesos de Manufactura y el Maquinado Convencional.
1. Procesos de Manufactura y el Maquinado convencional (Ver pág. 9-11)
Toda este bagaje de tecnología es utilizada igualmente en la Manufactura Asistida por Computadora CAM, porque es la automatización de la manufactura convencional.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 108 2. Maquinado CNC, es la operación de las maquinas CNC, es decir el encendido, referenciacion, setup o medición de herramientas y cero pieza, transmisión de programas de la PC a la maquina CNC.
Maquinado CNC 1: Operación de maquinas básicas de 2 y 2 ½ ejes. Maquinado CNC 2: Operación de maquinas intermedias de 3 ejes. Maquinado CNC 3: Operación de maquinas complejas de 4 y 5 ejes.
Operación de las Maquinas CNC
3. Tecnología CAD/CAM, comprende a la programación de maquinas CNC y tiene tres niveles:
Tecnología CAD/CAM 1: La programación de maquinas básicas de 2 y 2 ½ ejes.
Tecnología CAD/CAM 2: La programación de maquinas intermedias de 3 ejes.
Tecnología CAD/CAM 3: La programación de maquinas complejas de 4 y 5 ejes.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 109 4. Control de Calidad, está referida a verificar y mantener la calidad del
producto; tiene tres niveles:
Control de Calidad 1: Abarca a la Tecnología de Metrología, Tolerancias y ajustes e Inspección y Ensayo.
Metrología, técnica de mediciones.
Control de Calidad 2: Comprende el Control EstadísticoyTécnicas para mejorar la Calidad.
Control estadístico de la Calidad de la producción.
Control de Calidad 3: Aquí está comprendido los Sistemas de Calidad, Control de Calidad Automático (CAQ) y maquinas de medición automatizada.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 110 5. Mantenimiento, es la tecnología de mantener en estado optimo los recursos de maquinarias y equipos que se utilizan para el proceso de manufactura. Sus niveles son:
Mantenimiento 1: Estudia los Tipos de Mantenimiento, Especificaciones Técnicas para mantenimiento, Seguridad Industrial, Procedimiento para Montaje-Desmontaje
Mantenimiento Correctivo, Preventivo, Predictivo.
Mantenimiento 2: Abarca el Mantenimiento Inteligente y Mantenimiento Total, Software para control de Mantenimiento.
Software para control de Mantenimiento.
Mantenimiento 3: Comprende el Análisis y simulación de fallas con instrumentosespeciales,Detección y corrección de alarmas codificadas.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 111 6. Automatización, es la tecnología de aplicación de las técnicas e instrumentos modernos para desarrollar procesos de funcionamiento con auto control; es decir ante cualquier circunstancia u ocurrencia, autodefine la acción inmediata a realizar, con la lógica desarrollada por el programador. Tiene 4 niveles:
Automatización 1: Se ocupa de Mecanismos, Electro-Hidráulica y Electro- Neumática, Circuitos eléctricos y electrónicos.
Circuitos Electro-Hidráulicos.
Automatización 2: Estudia los Circuitos electrónicos II, Electrónica Digital, Electrónica Industrial.
Automatización 3: Se ocupa del estudio de la Tecnología de sensores, actuadores y mediciones, Controladores Lógicos Programables PLC, Ingeniería de Control, Microprocesadores y microcontroladores, Robótica I.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 112 Automatización 4: Abarca el Procesamiento de señales y comunicaciones, Robótica II, Inteligencia Artificial, la Nanoelectronica.
Un Sistema Robótico consiste en los siguientes componentes:
Robot KUKA KR 5 sixx, utilizado para montaje, desmontaje, inspección, pintura, etc.
7. Manufactura Flexible, es la aplicación de las tecnologías anteriormente mencionadas para de desarrollar los procesos de manufactura automatizadas, con el gobierno total de las computadoras.
Manufactura Flexible 1: Aquí se desarrolla Celdas de Manufactura Flexible FMC para la manufactura de familias de piezas.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 113 Manufactura Flexible 2: Se aplica a los Sistemas Flexibles de Manufactura FMS, las Líneas Transfer Flexibles FTL para la producción flexible desde mediana hasta alta producción.
Sistema Flexible de Manufactura FMS
Manufactura Flexible 3: Desarrolla un CIM (Manufactura Integrada por Computadora), es decir el desarrollo de manufactura integral de una a varias plantas. También su conexión con los proveedores, bancos, clientes.
Laboratorio CIM para la enseñanza de la Manufactura Integrada por Computadora, como de de las universidades URP, PUCP, U. Lima.
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 114 Proyecto Laboratorio CIM UNT
ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA 115 8.4 El mundo de la Robótica industrial
Los robots juegan un papel muy importante en las empresas manufactureras porque se encarga de realizar tareas donde exista riesgos de la persona humana, donde se realice tareas con mucho esfuerzo, donde se realice tareas complejas y donde exista tareas monótonas.