Sistema de Ayuda a la Decisión (DSS) para la conformación de piezas troqueladas . Planteamiento bajo enfoque CAPP (Computer Aided process Planning)

En el presente trabajo se pretende desarrollar y concretar una herramienta informática que asista al ingeniero de planificación en el momento de decidir el proceso de fabricación de las piezas que se deben troquelar. El objetivo del presente trabajo es implementar sobre una aplicación informática los trabajos realizados bajo un enfoque de planificación de procesos (CAPP) que considere las variables tecnológicas (caracterización de las piezas y parámetros de los recursos) para determinar las rutas óptimas en el proceso de troquelar. Se destaca que la base del sistema ha sido la determinación de las features como conjuntos de información necesarios para poder planificar conveniente las formas de fabricar más satisfactoria con los recursos disponibles por el sistema productivo. Los resultados que se han hallado corresponden a la determinación de los mejores procesos de fabricación y su cuantificación para poder compararlos.

Palabras clave: Planificación de procesos, CAPP, troquelado

Como Planificación de Procesos se entiende el acto de preparar instrucciones de operaciones detalladas para convertir un diseño de ingeniería en una pieza final [1], lo que implica la necesidad de traducir las especificaciones de diseño de una pieza a instrucciones de operaciones de fabricación requeridas, para convertir desde una materia primera de partida en una pieza en su estado final [2].

La Planificación de Procesos contiene una riqueza de datos de fabricación considerable, como la identificación de máquinas, herramientas, bridas, selección de parámetros de mecanizado (en el caso de arranque de viruta), operaciones, etc [3], [4]. Todos estos datos deben de ser evaluados para seleccionar una secuencia de operaciones que conformará lo que se denomina hoja de ruta. La secuencia es obtenida acorde a objetivos particulares, omo puede ser el tiempo más corto y/o el mínimo coste.

Esta situación ha llevado al desarrollo de los sistemas Computer Aided Process Planning (CAPP), que cada vez más toman más importancia frente a los métodos tradicionales de planificación de procesos

Inicialmente, el inicio del CAPP se sitúa como un puente entre diseño y fabricación, conectando el vacío existente entre el CAD y el CAM [2], [5], [6], [7], [8], [11]. Los sistemas CAPP han evolucionado partiendo del enfoque tradicional / manual hacia dos enfoques reconocidos en la literatura: el enfoque variante y el enfoque generativo, así como combinaciones de ambos enfoques. Para más información sobre los diferentes enfoques nos remitimos al trabajo de G.-Romeu [9] donde se ha llevado a cabo una vasta recopilación.

El resultado o la salida de un sistema CAPP, como ya se ha dicho, es una hoja de ruta. La hoja de ruta es la secuencia de operaciones de fabricación donde están detalladas todas las características de las mismas. Esta secuencia tiene que ser resultado de unos objetivos fijados y por lo tanto la óptima. No obstante el plan de procesos óptimo podría no garantizar el mejor desempeño de la pieza en la planta, debido que provoque la sobrecarga de una máquina o la infrautilización de algunas máquinas provocando cuellos de botella [10]. De ahí la necesidad de señalar que la generación de un único plan no es recomendable. En el presente artículo se estudia el proceso de troquelar, y más concretamente la operación de corte. Es un proceso con unas características diferentes a los procesos de arranque de viruta, no obstante es posible enfocarlo bajo una perspectiva CAPP, parecida a los procesos de arranque.

En los objetivos se concreta el trabajo que se pretende llevar a cabo. A partir de les características de una pieza y de los recursos disponibles se pretende desarrollar un DSS (Decission Suport System) capaz de proporcionar diferentes alternativas de fabricación para cada una de las máquinas. Además, para cada opción planteada, que indique el desperdicio, el coste de la pieza, la ocupación de los recursos utilizados y el diseño del utillaje para troquelarla.

En el mercado actual existen máquinas troqueladoras que ya incorporan un software parecido de forma opcional. Aún así debido a su alto coste, este software permite obtener, a partir de un utillaje único, un proceso con un aprovechamiento máximo del material. Éste se consigue con un sistema de palpado que resigue el contorno de la pieza a troquelar. Estos sistemas sólo sirven para la máquina donde están instalados. El sistema a diseñar puede añadir un nuevo objetivo consistente en flexibilizar el proceso de troquelado a todas las máquinas que se pudiesen incorporar al sistema productivo.

El proceso de troquelado es un proceso de corte con el que se obtienen piezas de diferentes formas a partir de un material en bobina o en plancha pero siempre actuando sobre dos dimensiones

Las operaciones que son necesarias en el proceso de troquelado se pueden diferenciar en dos grupos: operaciones de preparación y operaciones de corte. Las operaciones están catalogadas en la Tabla 1. Cabe destacar dos aspectos concernientes al proceso:

1) Se puede aplicar la materia primera en formato bobina o en formato plancha y

2) La diferencia en el proceso si se trata de cortar el material a corte completo o sólo a medio corte.

En la mayoría de casos, a medio corte, se trata de material adhesivo y posteriormente la salida del producto acabado que se llevará a cabo mediante bobinas.

Operaciones de preparación

Colocación del troquel

Preparación de la materia prima*

Ajuste del corte

Operaciones de corte

Operación de troquelado

Cambio de materia prima*

Cambio de bobina del producto acabado**

* se diferenciará si es en formato plancha o bobina

** sólo si el producto es a medio corte y en tal formato

Tabla 1: operaciones del proceso de troquelado

El objetivo es poder tratar la variable principal (troqueladas por minuto) que caracteriza el recurso, condicionada por la pieza y por las características de la orden de trabajo. En cierto modo se trata de buscar las features (sets de información) necesarias para incluirlas en el sistema de decisión. Es necesario caracterizar el diseño a troquelar para poder determinar la ruta de fabricación óptima para llevar a cabo su proceso de fabricación.

Para el diseño del troquel se partirá de las principales características geométricas de la pieza y los atributos de la orden de fabricación que acompañe la pieza a troquelar, que se ajusta a la definición de features enunciada anteriormente. Para la determinación de los parámetros de todo el proceso se debe añadir la parametrización de los recursos. Tanto o más importante que la caracterización de la orden de trabajo será la caracterización de los recursos que llevarán a cabo la fabricación. Se separan en dos grupos: los referidos directamente a la pieza y a las características de las órdenes de trabajo: A) En cuanto a la pieza se tiene: Ancho y Largo (en el caso rectangular), o diámetro (en el caso circular) y espesor en ambos casos para controlar la tercera dimensión y B) En cuanto a la caracterización de las órdenes, afectarán al concepto de aprovechamiento o desperdicio del proceso de fabricación. Se tendrán en cuenta:

1) Número de piezas

2) Gap, separación mínima entre figuras circulares de los utillajes. Suele ser 3 mm, pero debe ser mayor en caso de materiales muy gruesos.

3) Margen entre golpes (Cadencia), distancia de seguridad para evitar troquelar en la pieza anterior

4) Longitud interior

5) Pieza adhesivada

6) Medio corte

7) Número de bobinas de Producto Acabado

Es importante caracterizar los recursos mediante los parámetros comunes de las máquinas troqueladoras. Estos parámetros serán los que marcarán las restricciones de las rutas de fabricación posibles en función de las órdenes de fabricación a desarrollar. En la Tabla 2 se muestra una relación de los parámetros que actuarán como restricciones de las decisiones.

A parte del uso de los parámetros de las máquinas para las restricciones de las rutas de fabricación es necesario determinar la variable principal para calcular el tiempo de operación de troquelado: el número de golpes por minuto.

A partir de los resultados de la aplicación de las restricciones a las órdenes de trabajo y los recursos disponibles, se implementó un algoritmo que recorre las posibles combinaciones de posición y colocación del utillaje para las diferentes máquinas troqueladoras y materia primas compatibles. El siguiente paso consistirá en calcular el coste asociado a cada una de las opciones que son consideradas como las mejores. Cuando se hayan evaluado todas las posibilidades, incluso considerando los posibles semielaborados, se deberá calcular el coste de la orden de trabajo que se está buscando. Este coste total se compondrá del coste de la materia prima, el coste de la mano de obra y el coste de la máquina.

CARACTERIZACIÓN DE LOS RECURSOS

Ancho útil de la alimentación MP

Obertura máxima de los corrones

Presión de corte

Largo útil de corte

Dimensiones de anclaje del troquel

Unidad mínima de desplazamiento vertical

Posibilidad de troquelar en lateral

Tabla 2: Caracterización de los recursos (máquinas troqueladoras)

Con el coste de las posibles opciones de trabajo calculadas, es posible establecer los criterios de elección del Sistema de Ayuda a la Decisión. El criterio principal será el coste unitario de cada pieza, no obstante se pueden sacar otras salidas de la aplicación desarrollada que pueden caracterizar la productividad de cada proceso: factor de

El establecimiento de un marco de decisión claro ha aumentado el tiempo de determinación de las alternativas de producción y de los utillajes a utilizar para cada recurso. A su vez se ha sistematizado el sistema de Decisión por la cual cosa se permite incluir la experimentación del planificador de procesos dentro del entorno de un sistema de información. No obstante, la traducción de estas ventajas aportadas en valores monetarios es muy difícil de hallar.

Es evidente que la aparición de los sistemas CAPP han supuesto un conjunto de ventajas. A destacar: Reducción de tiempo de producción, Promoción de la estandarización, Reducción del trabajo manual y de los errores manuales, Mejora en la productividad de planificación de procesos. [3],[4]

A la vez, se constata que la implantación o penetración de los sistemas CAPP comercialmente sufre un retardo y se produce de una manera lenta. La literatura no revela nada de los sistemas utilizados en la industria con resultados aplicables, no se ha producido una metodología de implantación sólida a pesar de la existencia de muchos sistemas de cada enfoque (variante y generativo) [2] [5] [6] [12]. Su restringida aplicación invita a pensar en la necesidad de una mejora substancial y la generalización de todas sus capacidades

No obstante se continua centrándose en el arranque de viruta y muchas preguntas queden sin respuesta y muchos temas aun han de ser resueltos. En casi las dos décadas de investigación en CAPP, aún no se ha producido una metodología de implantación sólida y los expertos se preguntan si realmente se entiende la Planificación de Procesos para transformarla en una forma asistida por ordenado [6].

[1] Gu, P., Norrie, D.H. "Intelligent Manufacturing Planning" Ed. Chapman & Hall (1995)

[2] Steudel H. "Past, present and future the CAPP systems." International Journal of Production Research, 22 (2) 253-266 (1984)

[3] Ulusoy,Gündüz Uzsoy, Reha "Computer-Aided Process Planning and Material Requirements

[4] Granville C., "Computer-Aided Process Planning" Computer-Aided Engineering 8 (8) 46-48 (1989)

[5] ElMaraghy H.A. "Evolution and future perspectives of CAPP." Annals of the CIRP 42 (2) Keynote paper 739-751 (1993)

[6] Quiao,Li-Hong, Yang,Zhi-Bing, Wang, Ben "A Computer-Aided Process Planning Methodology" Computers in Industry 25 (1) 83 (1994)

[7] Dhamjia,D, Koonce,A., Judd,R.P. "Development of a Unified Data Meta-Model for CAD-CAPP-MRP-NC verification integration." Computers and Industrial Engineering 33 (1-2) 19-22 (1997)

[8] Aldakhilallah K.A. and Ramesh R. "Integrated Framework for Automated Process Planning: design and analysis" International Journal of Production Research, 36 (4) 939-956 (1998)

[9] García-Romeu ,M.L Report de Recerca "Antecedents i Tendències de la Planificació de Processos Assistida per Ordinador. (2001)

[10] Hou, T. Wang,B. "Integration of a CAPP system and an FMS" Computers and Industrial Engineering 20 (2) 231-242 (1991)

[11] Jagirdar,R. Jain, V.K. Dhande,S.G "Characteritzation of shearing features for sheet metal components in 2-D layout" International Journal of Production Research, 34 (1) 157-191 (1996)

[12] Gu,Z, Zhang,Y.F, Nee,A.Y.C. "Identification of important features for mahining operations sequence." International Journal of Production Research, 35 (8) 2285-2307 (1997)

[13] Antonio, X. "Disseny assistit per ordinador del procés de troquelat" PFC, Enginyeria Industrial (2001).