Proceso GT basado en concepto de celdas y programación de producción

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Proceso de automatización mediante tecnología de grupos

Proceso de automatización mediante tecnología de grupos

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El proceso se inicia con la organización y disposición de las máquinas (layout), basado en el concepto de celdas de manufactura en la empresa Mecanizados CNC Ltda., dedicada a la fabricación de productos del sector metalmecánico.

Una vez determinada la mejor ubicación de los equipos se procede a programar la producción. Se establece el orden de elaboración de los productos y el adecuado montaje de las herramientas en las máquinas de la celda, cuyo objetivo es la minimización de montajes para mejorar los índices de productividad en 15%.

Por qué hacerlo
La organización de los procesos de manufactura es de vital importancia para la competitividad de las empresas y por medio de esta se logran los objetivos de productividad y eficiencia. Además, se disminuyen los costos de fabricación utilizando los mismos medios con los que se contaba antes de la organización.

Un proceso de manufactura se debe concebir de manera organizada y eficiente desde el principio, lo cual facilitará la implementación de sistemas automatizados a medida que el sistema lo requiera.

La flexibilidad como concepto fundamental en los actuales procesos productivos es la habilidad para adaptarse a los continuos cambios del mercado.

La máxima escala evolutiva de los actuales procesos de producción automatizados está representada por las células integrales de manufactura (CIM), y el objetivo de este artículo es sentar las bases en este largo proceso de automatización.

Fundamentos
La principal ventaja de la implementación de la tecnología de grupos (Group Technology, GT) radica en que un sistema de manufactura puede ser descompuesto en subsistemas o familias de partes con similitudes de forma, diseño y producción [1]. La manufactura de celdas es una aplicación de la tecnología de grupos a los procesos industriales; su principal objetivo es reducir tiempos de montaje y tiempos de flujo, para minimizar así inventarios y costos en proceso y optimizar tiempos de respuesta.

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Como norma esencial, el proceso de automatización en producción no empezará antes de definir exactamente el problema. De esta manera, el ingeniero estará compenetrado con la situación, conocerá en detalle el proceso, se enterará de los recursos disponibles, tendrá en cuenta los volúmenes de producción, los plazos de entrega determinados con los clientes y estará al tanto de las especificaciones de calidad. La Figura 1 ilustra el diagrama de flujo con el cual se inicia el proceso de automatización.

Realizado el primer paso en el proceso de automatización, se procede a efectuar el diseño de celdas de manufactura, basado en los conceptos de tecnología de grupos. El objetivo es procesar varias familias de partes en un grupo de máquinas CNC dentro de una celda, en la que el esfuerzo en transporte de material es minimizado.

Ejemplo de aplicación industrial
La empresa colombiana Mecanizados CNC Ltda., dedicada al sector metalmecánico, tiene entre sus líneas de fabricación una que corresponde a la transformación del acero inoxidable, orientada hacia el área de arquitectura interior (Figura 2). El objetivo del presente ejercicio es sentar las bases de organización del proceso de fabricación para satisfacer la demanda de los productos.

A. Diseño de celdas de manufactura
Se determina la totalidad de los productos que serán fabricados por la celda de manufactura y los procesos inherentes para su elaboración, según la Tabla 1. Se organiza una matriz que identifica los procesos a los que cada uno de los productos es sometido; por medio de unos (1) y ceros (0) se identifica si al producto se le practica un proceso o no. El método de “rankeo”, Rank Order Clustering (ROC), (King, 1980), determina la sensibilidad de peso específico tecnológico de cada una de las columnas y cada una de las filas.

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Se ordenan las filas en orden decreciente de acuerdo con la sensibilidad de peso específico tecnológico y a continuación se organizan las columnas en orden decreciente. Se repiten estos dos pasos hasta que la matriz no sufra más modificaciones. El resultado de esta operación se puede observar en la Tabla 2. Una vez la matriz ha sido organizada, se determinan las posibles celdas de manufactura. Una celda de manufactura es un conjunto de partes y máquinas que tienen en común el proceso de fabricación y, por tanto, con base en esta matriz se determinará el montaje y ubicación en planta (layout) de las máquinas.

En este caso se observa en la matriz la formación de varias posibles celdas de manufactura:

La matriz completa puede ser considerada una sola celda de manufactura, compuesta por las cuatro máquinas.
Dos celdas de trabajo compuestas por celda uno (M2, M3 y P2, P4, P5, P6) y celda dos (M1, M4 y P8, P3, P1, P7).
La tercera posibilidad corresponde a cuatro celdas de trabajo que atraviesan la matriz en diagonal, y corresponden a las celdas cruzadas por una línea diagonal en la Tabla 2.

Evaluación del diseño de celdas
Una vez se han establecido las celdas de manufactura, se procederá a la evaluación de la mejor opción para el montaje en planta, con base en la matriz antes desarrollada (Tabla 2); se pueden definir diferentes configuraciones de celdas. Criterios como el de minimización de costos de transporte de material intracelda e intercelda, así como la eficacia de la combinación de celdas, son la base para escoger la mejor configuración.

La disposición de las máquinas en una celda, así como la disposición de las celdas y el transporte de material entre estos sistemas, empieza a ser ahora la prioridad.

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Evaluación de costos de transporte
Cuando de la matriz se extractan diferentes tipos de configuraciones de celdas (como en este caso), esta herramienta sirve para escoger entre una de las posibles configuraciones con base en el menor costo de transporte de materiales dentro del proceso productivo.

El costo total para movimientos interceldas e intraceldas está dado por la relación (1). **B2BIMGEMB**1**

donde:
m = número de celdas.
C₁ = costo de movimiento intercelda.
C₂ = costo de movimiento intracelda.
N_i = número de movimientos entre celdas para una configuración establecida.
**B2BIMGEMB**2**

Evaluación de eficacia tecnológica
Otro de los elementos utilizados para escoger entre diferentes tipos de configuraciones de celdas es el de la eficacia, determinado por la relación (2).
**B2BIMGEMB**3**

Donde Ψ = número de elementos excepcionales / número total de operaciones, y
Ø = número de vacíos en los bloques diagonales / número total de operaciones.

Resultado de la evaluación
Se presenta el resumen de la evaluación en la Tabla 3. Si bien el costo de una celda (montaje en rectángulo), es igual al de un montaje con dos celdas, la eficacia del primero es mayor que la del segundo, por lo cual se escoge el montaje con una sola celda.

Su layout o montaje en planta se ilustra en la Figura 3. En este caso se formó una única celda de manufactura, denominada celda 1 en la Figura 3. La celda 2 y la celda 3 son ilustrativas e indican la disposición en que se ubicarían diferentes celdas de manufactura en la planta, si la matriz así lo hubiera indicado. Las flechas dentro de la celda 1 indican los movimientos intracelda (intracell movements); las flechas que unen las celdas entre sí se denominan movimientos interceldas (intercell movements).

Programación de una orden de manufactura
Con la totalidad de productos fabricados en la empresa Mecanizados CNC Ltda. y mediante la gestión que utiliza la teoría de tecnología de grupos se definió el tipo de montaje en planta, pero los productos no se fabrican en un orden determinado sino que se elaboran de acuerdo con los requerimientos de ventas y los lotes solicitados por el cliente. A continuación, en la Tabla 4, se ilustra un ejemplo de la programación de producción del 28 de julio de 2003. Con la orden de producción, el objetivo es realizar los productos en el menor tiempo posible, minimizando el número de montajes de las máquinas, con una adecuada administración de las herramientas.

Todas las partes para ser elaboradas pasan primero por el proceso de máquina 1 (Tabla 2), pero no necesariamente por los procesos realizados en las máquinas 2, 3 y 4.

Con base en lo anterior se realiza el análisis de orden de producción, inicialmente para el proceso de máquina 1; esto implica plantear una matriz de partes Vs. Herramientas, y mediante el procedimiento ROC, se ordenan las filas y columnas según la sensibilidad de peso específico tecnológico, para obtener la matriz ilustrada en la Tabla 5.

La máquina 1 (torno CNC), tiene un magazine de doce puestos de herramientas, de los cuales seis pueden ser barras de torneado exterior y seis para el montaje de herramientas de torneado interior, como brocas, machos y barras alesadoras. Analizando la matriz organizada por el método ROC se puede dividir la orden de producción en dos lotes; primero se montarían las herramientas (H7, H1, H6, H5, H3, H4, H8, H9, H10, H15 y H11) para fabricar las partes (P1, P3, P10, P2, P4, P5, P13, P14); en el segundo lote se montarían las herramientas (H12, H13, H14, H2, H16, H17), para fabricar las partes (P7, P11, P8, P9, P12, P6).

El operario montará el primer lote de herramientas y las dejará debidamente compensadas; realizará entonces el primer lote de partes sin necesidad de volver a montar herramientas durante este período. Al terminar el primer lote de partes, desmontará de la máquina las herramientas (H1, H3, H4, H9, H10, H15) y las reemplazará por las herramientas (H12, H13, H14, H2, H16, H17); este cambio se hace porque el torno cuenta con un magazine para 12 herramientas; no se pueden realizar todos los productos con un solo montaje de herramientas, pero con dos montajes se realizará la totalidad de la producción.

El paso siguiente es ordenar cada lote de partes según el diámetro de material (Tabla 4), para disminuir el número de reglajes de la mordaza y cambio de bujes de la máquina. De esta forma, el orden de producción del primer lote sería: (P2, P3, P1, P4, P5, P10, P13, P14); después del segundo montaje de herramientas, el lote de producción se ordenaría de la siguiente forma: (P11, P12, P6, P7, P9, P8).

De esta manera se reducen los tiempos muertos de alistamiento de la máquina: debe tenerse en cuenta que el tiempo de alistamiento de mordazas y bujes es menor que el tiempo utilizado en montar y compensar una herramienta, por lo cual se tomó como prioridad el minimizar los montajes de herramientas.

El objetivo es analizar diferentes opciones de programación de la producción y escoger la que en conjunto dé un tiempo menor de respuesta. Resulta importante notar que la máquina 1 es la máquina más utilizada y que la totalidad de los productos pasa por ella.

Con la nueva organización de las máquinas y el nuevo sistema de programación de la producción por medio de tecnología de grupos se mejoraron los índices de productividad en 15%; esta mejora se obtuvo, principalmente, por la reducción de tiempos muertos en montaje de herramienta y alistamiento de la máquina. Esto equivale a ganar cuatro días de producción por mes para la empresa Mecanizados CNC Ltda.

Conclusiones
La automatización de un proceso se inicia con la organización de la producción y es necesario que el ingeniero conozca muy bien el problema al cual se enfrenta, que comprenda el proceso de fabricación y la situación actual de la empresa, las expectativas hacia el futuro y el presupuesto con el que se cuenta. De esta forma, podrá dar una solución adecuada y a la medida de la situación industrial específica.

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La flexibilidad es la piedra angular de las células integrales de manufactura (CIM), y de acuerdo con el grado de flexibilidad requerido, se genera la complejidad del sistema automatizado. A mayor grado de flexibilidad, mayor complejidad en la automatización.

La tecnología de grupos (Group Technology, GT), es una sencilla y potente herramienta que ayuda a la programación de actividades en una celda de manufactura. Con basada en ella se pueden definir las celdas de manufactura en un proceso, así como lotes de producción y administración de herramientas en un sistema automatizado, para lograr el incremento de la productividad y la disminución de costos.

Es muy importante realizar un análisis del montaje en planta y las implicaciones que este puede tener en el costo del sistema. Un sistema mal distribuido generará gastos innecesarios en transporte de material, así como gastos adicionales en infraestructura.

La programación de la producción en un sistema automatizado es bastante compleja y maneja gran cantidad de variables. A medida que se exijan más requisitos en la programación –por ejemplo, se necesite que el sistema responda a cambios inesperados en la producción, a fallo de máquinas, a programaciones de mantenimiento–, el sistema se torna más confuso, y para solucionar estos problemas se han aplicado técnicas como lógica difusa, redes neuronales y algoritmos genéticos, entre otros.

El proceso que se acaba de iniciar en Mecanizados CNC Ltda. va enfocado a lograr automatizaciones progresivas –como los sistemas flexibles de manufactura (FMS)–, en un proceso metódico y adecuado al grado de crecimiento de una empresa.