Ch. 16 Sistemas de Manufactura Flexible (FMS) Jesús Leal Javier Serrano Eduardo Patrón

¿Qué es un FMS? Es una celda altamente automatizada de Tecnología de Grupos, que consiste de un grupo de estaciones de trabajo de procesos, interconectadas por un sistema automático de carga, almacenamiento y descarga de materiales. Flexible porque es capaz de procesar varios productos y cantidades de producción que pueden ser ajustadas en respuesta a los comportamientos de la demanda

¿Qué es un FMS? Rangos de automatización relativos a producción : Se encuentra en el nivel medio Variedad del Producto Bajo Medio Alto 1 100 10 000 1 000 000 Cantidad de Producción

¿Por qué flexible? Habilidad para identificar y distinguir entre las diferentes partes o productos procesados por el sistema. Rápido cambio de las intrucciones de operación Rápido cambio de la configuración física “ La flexibilidad es un atributo que aplica a los sistemas manuales y automatizados”

Ejemplo No es por lotes Ej. Embotelladora

¿Cuándo es flexible? Prueba de variedad de partes. ¿Puede el sistema procesar diferentes productos en un modo de no-lote? Prueba de cambio de progamación. ¿Puede el sistema aceptar cambios en la programación de la producción? Prueba de recuperación de errores. ¿Puede el sistema recuperarse de fallas y daños, mientras la producción no es detenida por completo? Prueba de nuevas partes. ¿Pueden nuevos diseños ser introducidos a los existentes con relativa facilidad?

Clasificación de FMS Número de máquinas Celda de máquina sencilla (SMC  1 ) Celda de manufactura flexible (FMC 2,3) Sistema de manufactura flexible (FMS4 …) Nivel de flexibilidad (FMC, FMS) FMS dedicado FMS de orden aleatorio

Clasif en base Número de máquinas 1. Celda de una sóla máquina (SMC). Consiste en una máquina de CN combinada con un sistema de almacenamiento de partes para operaciones sin antender Figura 16.2

Clasif en base Número de máquinas 2. Celda de manufactura flexible (FMC). Consiste de dos o tres estaciones de trabajo además de una parte de sistema de manejo. Figura 16.3

Clasif en base Número de máquinas 3. Sistema de manufactura flexible (FMS). Tiene cuatro o más estaciones de proceso conectadas mecánicamente por un mismo sistema de manejo y electrónicamente por sistema computacional distribuido. Figura 16.4

Clasif en base Nivel de flexibilidad FMS dedicado. Diseñado para producir una variedad limitada de estilos de partes y la cantidad de piezas También se le denomina sistema de manufactura especial o transferencia de línea flexible

Clasif en base Nivel de flexibilidad FMS de orden aleatorio. Es más apropiado cuando la familia es muy grande y hay variaciones substanciales en las configuraciones de partes. Habrá nuevos diseños de partes introducidos al sistema y cambios ingenieriles en las partes cuando se producen y la programación de la producción está sujeta a cabmios diarios

Componentes de FMS Estaciones de trabajo Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Sistemas de control computarizado Recursos humanos

Estaciones de trabajo Estaciones Carga/Descarga. La carga y descarga se puede llevar a cabo manualmente, con procesos automatizados o una combinación de ambas. Seguridad. Estaciones de maquinado. Utilizan máquina de Control Numérico. Se emplean para partes rotacionales y no rotacionales. Otras estaciones de proceso. FMS se aplica a otras operaciones además del maquinado por ejemplo la fabricación de hojas de metal, que consiste en punching, shearing, bending, etc.

Estaciones de trabajo Ensamblado. Algunos FMS son diseñados para llevar a cabo operaciones de ensamble, generalmente son robots programados para realizar varias tareas en secuencia y movimientos para acomodar diferentes productos. Otras estaciones y equipo. La inspección puede ser incorporada al FMS, así como limpieza de piezas, arreglo de tarimas, sistemas centrales de refrigeración, etc.

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Funciones del sistema de manejo: Movimiento independiente de piezas entre estaciones o máquinas. Manejar una variedad de configuraciones de piezas Almacenamiento temporal Acceso conveniente para carga y descarga de piezas Compatibilidad con el control computacional

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Equipo de manejo de materiales : Sistema Primario. Es el responsable de mover las piezas o partes entre las estaciones del sistema. Sistema Secundario. Consiste en dispositivos de transferencia, cambiadores de tarimas automáticos , y mecanismos similares localizados en las estaciones del FMS. (Imagen) Bandas transportadores, vehículos guíados por rieles, robots. Cap 11

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Configuraciones del layout de FMS Distribución en línea. Máquinas y el almacenamiento en línea.

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Configuraciones del layout de FMS 2. Distribución Circulatoria (o Rectangular)

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Configuraciones del layout de FMS Distribución tipo Escalera

Sistema de almacenamiento y manejo de materiales Configuraciones del layout de FMS Distribución Campo abierto Distribución Robot al centro

Sistemas de control computarizado Un sistema de manufactura flexible incluye un sistema de distribución computarizado que es la interfase entre las estaciones de trabajo, manejo de materiales y otros componentes. Normalmente consisten de una computadora central y microcomputadoras que controlan las máquinas individuales.

Categorías de sistemas de control computarizado Estaciones de control: las estaciones de proceso o ensamble generalmente operan bajo alguna forma de control computarizado. Distribución de las instrucciones de control en las estaciones de trabajo: es el centro de inteligencia que se encarga de coordinar las estaciones individuales.

Control de produccion: se encarga de diseñar la ruta del proceso y proveer las instrucciones de operación. Control de trafico: administra el manejo de los principales materiales entre las diversas estaciones. Shuttle control: administra el manejo de los materiales secundarios entre las estaciones.

Monitoreo de piezas: la computadora monitorea el status de cada carga de materiales o piezas. Control de herramientas: administra la ubicación de las herramientas, asi como su mantenimiento y estado. Monitoreo de desempeño: la computadora se programa para colectar datos de operación y hacer reportes periodicos.

Recursos humanos Actividades típicamente desarrolladas por humanos: Carga de materias primas al sistema. Descarga de piezas terminadas. Cambio y ajuste de herramientas. Mantenimiento y reparación de herramientas. Programar los sistemas de maquinado y computadoras. Administrar el sistema en general.

Aplicaciones de los sistemas flexibles de manufactura Históricamente la mayoría de las aplicaciones han sido de esmerilado y taladrado, en partes no rotacionales, usando control numérico. Ejemplo: el termino sistema de fabricación flexibles a veces es usado en conexión con sistemas con prensas de laminado. Un ejemplo es el de la siguiente figura. Donde el sistema esta diseñado para descargar las láminas del sistema de almacenamiento automático, moverlas través de los rieles a la prensa y mover las piezas terminadas al la maquina de almacenamiento.

Sistema de fabricación flexible

Beneficios Incremento de la utilización de las maquinas. Menor cantidad de maquinas requeridas. Reducción de espacio de área de maquinas requerido. Gran respuesta ante los cambios. Reducción de inventarios. Menores tiempos de entrega. Reduce la cantidad de gente en planta. Oportunidad de desatender la producción.

Consideraciones para el diseño Familia de partes. Requerimientos del proceso. Características de las piezas a trabajar. Volumen de la producción.

Factores a especificar en el diseño Tipos de estaciones de trabajo. Variaciones en la ruta del proceso. Sistema de manejo de materiales. Capacidad de almacén. Herramientas. Dispositivos de almacén.

Problemas a resolver para optimizar la producción Programar la producción. Cargar la maquina. Ruta de las partes. Agrupación de partes. Administración de las herramientas.. Ubicación de dispositivos de almacén.

Medidas de Desempeño del Sistema Existen importantes medidas para determinar el desempeño de los FMS las cuales incluyen la tasa de producción de todas las partes, la tasa de producción de cada estilo de partes, la utilización de diferentes estaciones de trabajo y el número de los servidores ocupados en cada estación. Estas medidas pueden ser calculadas asumiendo que el FMS produce a su máxima tasa posible.

Tasa de producción de todas las partes: Rp* = s* / WL* Donde Rp* = tasa de producción máxima de todos los estilos de partes producidos por el sistema, el cual es determinado por la capacidad de la estación cuello de botella (pza/min), s* = número de servidores en el cuello de botella, y WL* = carga de trabajo en la estación cuello de botella (min/pza). Tasa de producción de partes individuales: se obtienen multiplicando el Rp* por su respectiva radio de partes: Rpj* = pj(Rp*) Donde Rpj* = la tasa de producción máxima del estilo j de partes (pza/min), y pj = la fracción de partes del estilo j.

Ū = (Ui) / (n+1), desde i = 1 hasta n+1. Utilización total del FMS Utilización: es la proporción de tiempo que los servidores están trabajando y no de ocio. Esto es: Ui = (WLi / si)(Rp*) Donde Ui = la utilización de la estación, WLi = carga de trabajo de la estación i (min/pza), si = número de servidores en la estación i, Rp* = tasa de producción total (pza/min). Para calcular el promedio de utilización de las estaciones se incluyen todas las estaciones mas el sistema de transporte; esto es: Ū = (Ui) / (n+1), desde i = 1 hasta n+1. Utilización total del FMS Ūs = (siUi) / (si), desde i = 1 hasta n. Donde Ūs = utilización total del FMS, si = número de servidores en la estación i, y Ui = utilización de la estación i.

El número de servidores ocupados en cada estación es: BSi = WLi (Rp*)   BSi = WLi (Rp*) Donde BSi = número de servidores ocupados en promedio en la estación i, WLi = carga de trabajo en la estación i. EJEMPLO 16.7 Un sistema flexible de maquinado consiste de 2 estaciones de maquinado y una estación de carga y descarga. La estación 1 es la de carga y descarga. La estación 2 realiza operaciones de molido y consiste de dos servidores. La estación 3 tiene un servidor que realiza operaciones de taladro. Las estaciones están conectadas por un sistema de transporte de 4 cargadores. La media del transporte es de 3 min. Este sistema produce 2 partes, A y B. Las fracciones de la mezcla y las rutas de proceso para las dos partes se presentan en la tabla. La frecuencia de operaciones fijk = 1.0 para todas las operaciones. Determinar: la tasa máxima de producción del FMS, las tasas de producción para cada producto, la utilización de cada estación y el número de servidores ocupados en cada estación.

Tiempo de proceso (min) Parte Fracción Operación Descripción Estación Tiempo de proceso (min) A 0.4 1 2 3 4 Carga Molino Taladro Descarga 30 10 B 0.6 40 15 Solución: a) WL1 = (4+2)(0.4)(1.0) + (4+2)(0.6)(1.0) = 6.0 min WL2 = 30(0.4)(1.0) + (40)(0.6)(1.0) = 36.0 min WL3 = 10(0.4)(1.0) + 15(0.6)(1.0) = 13.0 min WL4 = 3(3.0)(0.4)(1) + 3(3.0)(0.6)(1.0) = 9.0 min

La estación cuello de botella se obtiene identificando el mayor cociente del WLi / si: WL1/s1 = 6.0/1 = 6.0 min WL2/s2 = 36.0/2 = 18.0 min WL3/s3 = 13.0/1 = 13.0 min WL4/s4 = 9.0/4 = 9.0/4 = 2.25 min Cuello de botella: Estación 2, la cual determina la máxima producción del sistema. Rp* = 2/36.0 = 0.0555 pza/min = 3.333 pza/hr b) Producción para cada producto: RpA* = 3.333(0.4) = 1.333 pza/hr RpB* = 3.333(0.6) = 2.0 pza/hr c) Utilización: U1 = (6/1)(0.0555) = 0.333 (33.3%) U2 = (36/2)(0.0555) = 1 (100%) U3 = (13/1)(0.0555) = 0.722 (72.2%) U4 = (9/4)(0.0555) = 0.125 (12.5%)

d) Servidores ocupados por cada estación: BS1 = 6 (0.0555) = .0333 BS2 = 36 (0.0555) = 2.0 BS3 = 13 (0.0555) = 0.722 BS4 = 9 (0.0555) = 0.50

Modelo del cuello de botella extendido Asume que esta estación es utilizada un 100% y que no hay retrasos en el sistema. Desarrollado por Mejabi, el cual asume una cadena cerrada de colas donde siempre hay un cierto número de piezas en el FMS; en el cual N es igual al número de partes en el sistema. Sea WIP igual a N, y MLT la suma de tiempos de procesamiento en las estaciones de trabajo, tiempos de transporte entre estaciones y cualquier tiempo de espera experimentado por las partes en el sistema, se puede expresar el MLT como: MLT = WLi +WL n+1 + Tw, desde i = 1 hasta n; Donde WLi = suma de las cargas de trabajo promedio en las estaciones del FMS (min), WLn+1= carga de trabajo de la parte que entra al sistema (min), y Tw = media del tiempo de espera que experimentan por parte en las colas de las estaciones (min).

Se tienen dos alternativas que tienen que ser ajustadas dentro de este modelo: cuando N es grande y cuando N es pequeño. Para esto, Mejabi desarrolló Little’s formula de las colas; la cual es: N = Rp(MLT)   Donde N = número de partes en el sistema (pza), Rp = tasa de producción del sistema (pza/min), y MLT = tiempo de manufactura (min).

Caso 1: Cuando N es pequeño, la tasa de producción es menor en el caso del cuello de botella porque esta estación no es totalmente utilizada. El tiempo de espera Tw de cada unidad es teóricamente, cero: MLT1 = WLi + WLn+1 La tasa de producción es: Rp = N / (MLT1) Y las tasas de producción para las partes individuales es:   Rpj = pjRp Por último, Tw = 0.

Caso 2: Cuando N es grande, el estimado de tasa de producción máxima es: Rp* = s* / WL* Donde el * denota que la tasa de producción es afectada por la estación cuello de botella. La tasa de producción de los productos individuales es:   Rpj* = pjRp* El promedio de tiempo de manufactura es:  MLT2 = N/Rp*   El tiempo medio de espera que una parte tarda en el sistema es: Tw = MLT2 – (WLi + WLn+1), desde i = 1 hasta n.

N* = Rp* (WLi + WLi+1) = Rp*(MLT1) La decisión de utilizar el caso 1 o el caso 2 depende del valor de N, el cual se determina por medio de un valor crítico, dado por: N* = Rp* (WLi + WLi+1) = Rp*(MLT1) Donde N*= valor crítico de N, que divide el usar el caso del cuello de botella o no usarlo. EJEMPLO 16.10: Con los datos del ejemplo 16.7 calcular la tasa de producción, el tiempo de manufactura y el tiempo de espera para N = 2, N = 3 y N = 4. Datos: Rp* = 0.05555 pza/min. MLT1 = 6.0 + 36.0 + 13.0 + 9.0 = 64.0 min Con esto, se obtiene el valor crítico de N: N* = 0.05555(64.0) = 3.555

a) N = 2 es menor que N*, por lo que se aplica el caso 1: MLT1 = 64.0 Rp = N / MLT1 = 2 / 64 = 0.03125 pza/min =1.875 pza/hr Tw = 0 b) N = 3 < N*. Se aplica el caso 1. Rp = 3 / 64 = 0.0469 pza / min = 2.813 pza / hr c) N = 4 > N*. Se aplica el caso 2. Rp* = s* / WL* = 0.05555 pza / min = 3.33 pza / hr MLT2 = 4 / 0.05555 = 72 min Tw = 72.0 – 64.0 = 8.0 min

Mejabi desarrolló el factor de suficiencia para asesorar las diferencias entre el modelo del cuello de botella extendido y el CAN-Q. Este es:   AF = N / (ŪSi), desde i = 1 hasta n+1 Midiendo el FMS El modelo de cuello de botella puede ser utilizado para calcular el número de servidores requeridos en cada estación. Dadas las cargas de trabajo, el número de servidores de cada estación i es determinado por: si = entero mínimo >= Rp(WLi) donde si = número de servidores en la estación i, Rp = tasa de producción específica de todas las partes a ser producidas por el sistema (pza / min), y WLi = carga de trabajo en la estación i (min).

EJEMPLO 16.11 Determinar cuantos servidores en cada estación son requeridos para desarrollar una producción anual de 60,000 pza/año, suponiendo que el FMS trabaja 24 hr/dia, 5 dia/semana y 50 semana/año, si se tiene que WL1 = 6 min, WL2 = 19 min, WL3 = 14.4 min, WL4 = 4 min, WL5 = 10.06min y un 95% de disponibilidad del FMS. Horas trabajadas por año = 24 * 5 * 50 = 6000 hr / año Rp = 60,000/ (6000*0.95) = 10.526 pz/hr = 0.1754 pza/min s1 = 0.1754 * 6.0 = 1.053  2 servidores s2 = 0.1754 * 19.0 = 3.333  4 servidores s3 = 0.1754 * 14.4 = 2.526  3 servidores s4 = 0.1754 * 4.0 = 0.702  1 servidor s5 = 0.1754 * 10.06 = 1.765  2 servidores