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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.5 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000500002 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°5-2006, pág.: 3-8

INGENIERIA MECANICA

Modelo Funcional de un Gestor de Herramientas de Mecanizado

Functional Model of Cutting Tool Management

 

Amparo Meseguer y Francisco González
Universidad Politécnica de Valencia, Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia-España (e-mail: amesegue@mcm.upv.es)


Resumen

En este trabajo se propone un modelo funcional para un gestor de herramientas de mecanizado, integrado con la Planificación de Procesos Asistida por Ordenador (CAPP) y la programación de la producción. El modelo propuesto está basado en la capacidad de CAPP para generar alternativas de herramientas en las operaciones de mecanizado. El gestor resuelve las interferencias entre las herramientas, de forma que cada operación dispone de un conjunto de alternativas de herramientas compatibles con la programación. La existencia de alternativas flexibiliza la gestión de las herramientas y permiten que el gestor reaccione ante las perturbaciones habituales en producción.

Palabras claves: gestión de herramientas, planificación, fabricación flexible, CAPP


Abstract

This paper presents a functional structure for cutting tool management, integrated through Computer Aided Process Planning (CAPP) and part scheduling. The proposal is based on the capacity of CAPP to generate tool alternatives in machining operations. The tool manager solves interferences among tools, and each operation has a set of tool alternatives compatible with part scheduling. Tool alternatives permit a flexible tool management and the capacity to intervene in case of interruptions to production.

Keywords: tool management, planning, flexible manufacturing, CAPP


INTRODUCCIÓN

Un sistema de fabricación flexible (SFF) se define como un sistema de fabricación automatizado y controlado por ordenador, formado por máquinas de control numérico y por un sistema de manipulación de materiales. Los sistemas de fabricación flexible surgen para satisfacer las necesidades de un mercado cambiante, donde los productos tienen ciclos de vida cada vez más cortos y plazos de entrega menores.

La planificación, programación y control de los SFFs es muy compleja. En la planificación de estos sistemas se han identificado cinco problemas: selección del tipo de piezas, agrupación de máquinas, selección del ratio de producción, asignación de recursos y carga (Stecke, 1983). El problema de carga consiste en asignar las operaciones de las piezas a producir junto con las herramientas requeridas, a las máquinas, teniendo en cuenta las restricciones tecnológicas y de capacidad de un SFF. Este problema es complejo, ya que cada pieza está formada por un conjunto de operaciones que se pueden realizar en distintas máquinas, cada operación puede ser mecanizada por diferentes herramientas y cada herramienta puede mecanizar distintas operaciones (Grieco et al., 2001; Lee at al., 2003; Ho y Hsieh, 2005).

El potencial de los SFFs se ve disminuido si la gestión de herramientas no es eficaz, es decir, si las herramientas adecuadas no se encuentran en las cantidades, instantes y lugares requeridos. La falta de herramientas provoca que no se cumplan las programaciones previstas ni las fechas de entrega, además de disminuir la utilización de las máquinas, provocar pérdidas de productividad, etc. (Gray et al., 1993). Por tanto, diversos estudios abordan el problema de programación junto con la gestión de herramientas para evitar programaciones inviables (Fathi y Barnette, 2002; Turkcan et al., 2003).

La planificación de procesos genera los planes de proceso para la fabricación de una pieza, especificando los recursos necesarios (máquinas, herramientas, etc.). Sin embargo, la generación de estos planes sin conocer el estado de los recursos cuando las piezas van a ser mecanizadas, puede derivar en planificaciones inviables. Algunos estudios se centran en integrar la planificación de procesos y la asignación de herramientas a las operaciones (Matta et al., 2004).

En este trabajo se propone una nueva metodología para la gestión de herramientas, integrada tanto con el CAPP como con la programación. El CAPP selecciona todas las posibles alternativas de herramientas para cada operación de mecanizado. De esta forma el gestor de herramientas es capaz de coordinar el uso simultáneo de las herramientas de acuerdo a la programación establecida. Las alternativas de herramientas en las operaciones permiten al gestor reaccionar ante perturbaciones que se producen durante el funcionamiento del sistema productivo, como roturas de herramientas. El gestor de herramientas propuesto es adaptable a cualquier sistema productivo, a través de las bases de datos que representan a los recursos (máquinas, herramientas, transportes, almacenes) y a la planificación de procesos y la programación.

MARCO DEL GESTOR DE HERRAMIENTAS

El gestor de herramientas propuesto se encuentra integrado con el planificador de procesos asistido por computador GF-CAPP (González y Rosado, 2003) y la programación de la producción, en una estructura jerárquica de decisión. La gestión de herramientas se realiza en un nivel inferior a la planificación de procesos y la programación, ya que se considera que las máquinas son un recurso más crítico que las herramientas.

Una herramienta de mecanizado está formada por un conjunto de componentes: elementos cortantes y adaptadores. Los elementos cortantes realizan el arranque de material en la pieza. Entre los adaptadores, el fundamental es el que sustenta a los elementos cortantes, mientras que el resto de adaptadores posibilitan el acoplamiento de la herramienta en la máquina.

El planificador de procesos propone todas las posibles herramientas para cada operación, determinando sus condiciones de trabajo. En la selección de herramientas, el planificador decide los elementos cortantes (plaquitas, brocas, etc.) y el primer adaptador que soporta a los elementos cortantes (portaplaquitas, portabrocas, etc.). El resto de adaptadores que permiten el acoplamiento de la herramienta a la máquina, serán decididos por el gestor de herramientas, coordinando la utilización del recurso.

El modelo funcional propuesto para el gestor de herramientas se presenta utilizando la técnica IDEF0 de modelado. La figura 1 muestra el diagrama A-0 de gestión de herramientas como una única función desde un punto de vista general, junto con la información implicada en su funcionamiento.

Esta función realiza la gestión de herramientas de mecanizado, coordinando la utilización de herramientas en el sistema productivo, y garantizando que las herramientas se encuentran en las máquinas en los instantes previstos para ejecutar las órdenes de producción. La incapacidad de realizar la asignación de herramientas para la programación establecida, se refleja mediante un mensaje de alerta al programador, debido a la insuficiencia del recurso.

HERRAMIENTAS DE MECANIZADO

El gestor de herramientas es el encargado de satisfacer los requerimientos de herramientas en cada una de las máquinas, de acuerdo a la programación establecida.

La gestión de herramientas se realiza en periodos de tiempo denominados horizontes de trabajo. Cada uno de estos periodos incluye, por lo general, varias órdenes de trabajo en cada máquina, pudiendo hacerse coincidir con periodos correspondientes a uno o varios turnos de trabajo.

La selección de todas las posibles alternativas de herramientas en cada operación de mecanizado por parte del CAPP provoca interferencias o incompatibilidades. Estas interferencias surgen porque no se ha tenido en cuenta la programación de órdenes, y así existe rivalidad entre máquinas por la utilización de las mismas herramientas en los mismos instantes de tiempo. Estas interferencias se resuelven compatibilizando el recurso herramienta en el horizonte de trabajo, reduciendo coordinadamente las alternativas de herramientas en las operaciones.

Tras la compatibilización, el gestor determina el conjunto de adaptadores que completarán la  herramienta para que pueda ser montada en la máquina. Seguidamente, el gestor de herramientas gestionará los cambios de los eleventos cortantes de las herramientas, ya que éstos pierden su capacidad de corte tras mecanizar un determinado tiempo y finalmente coordinará el flujo de herramientas en el sistema productivo.

Fig. 1: Contexto gestor de herramientas

El gestor de herramientas dispone de todas las posibles alternativas de herramientas en cada operación. Estas alternativas permiten al gestor una mejor planificación de los cambios de los elementos cortantes por desgaste, así como alternativas para reaccionar ante imprevistos surgidos en el funcionamiento del sistema productivo.

La implantación de la propuesta del gestor de herramientas implica la ejecución de cuatro funciones: compatibilizar herramientas, determinar adaptadores, gestionar elementos cortantes y coordinar flujo de herramientas. El orden de ejecución de las funciones es, en principio, el mismo que el expuesto, pero pueden realizarse iteraciones entre ellas, si no es posible alcanzar la solución. La figura 2 muestra el primer nivel de detalle del diagrama IDEF0 con las funciones propuestas y sus relaciones a través de los flujos de información.

Compatibilizar alternativas de herramientas (A1)

Esta función se encarga de compatibilizar el recurso herramienta en el sistema productivo. Una vez establecidas todas las posibles herramientas para cada operación se analizan las interferencias generadas en el sistema. Existen multitud de interferencias que es necesario resolver o compatibilizar, ya que en la determinación de alternativas de herramientas no se han tenido en cuenta las posibles interferencias. Estas interferencias pueden ser de dos tipos: entre máquinas o en una orden.

La interferencia entre máquinas es debida a la rivalidad existente entre las máquinas por la consecución de herramientas. Existe una interferencia entre máquinas cuando una herramienta es requerida por distintas máquinas en órdenes que se ejecutan en los mismos instantes de tiempo. También existe una interferencia entre máquinas cuando no es posible transportar y preparar las herramientas entre dos órdenes que se ejecutan en distintas máquinas.

Fig. 2: Primer nivel funcional del gestor de herramientas

La interferencia dentro de una orden se produce cuando varias de sus operaciones requieren la misma herramienta pero distintos elementos cortantes. Un ejemplo de esto puede ser el caso de un mismo portabrocas para montar distintas brocas en operaciones que pertenecen a la misma orden. En este caso, es necesario disponer de tantas herramientas como operaciones las requieren, con objeto de no cambiar los elementos cortantes durante el mecanizado de cada una de las piezas que componen el lote.

La compatibilización de herramientas es un problema complejo, por el gran número de interferencias que se presentan y por el solapamiento que se produce entre ellas. La estrategia planteada para la resolución de las interferencias consiste en resolverlas una a una, siguiendo un proceso iterativo. Tras la resolución de cada interferencia, las alternativas de herramientas se eliminan en algunas operaciones, provocando la generación de un nuevo problema y una disminución de las alternativas de herramientas en las sucesivas compatibilizaciones. Este proceso iterativo finaliza cuando ya no existen interferencias en el horizonte de trabajo. En cada iteración se realizan los siguientes pasos: se analizan y valoran las interferencias, se selecciona la interferencia a compatibilizar y, finalmente, se resuelve la interferencia. En la valoración de cada interferencia se consideran los siguientes parámetros: número de máquinas implicadas, coste de la herramienta en las operaciones de la interferencia, número medio y mínimo de alternativas de herramientas en las operaciones de la interferencia y número máximo de veces que una máquina requiere a la herramienta. La interferencia a compatibilizar en cada iteración es la que presenta unas restricciones mayores según la valoración establecida.

Aunque las interferencias se van a resolver una a una, existen dos objetivos globales en la búsqueda de la solución del problema de compatibilización. El primer objetivo consiste en garantizar que el problema de compatibilización tiene solución, es decir, que existe al menos una alternativa de herramienta compatibilizada en cada operación. El segundo objetivo consiste en realizar un reparto uniforme de las herramientas, en función del número de elementos cortantes consumidos. Además, siempre que sea compatible con los objetivos anteriores, se selecciona la solución que minimiza los transportes de herramientas.

Determinar adaptadores (A2)

Una vez que se han compatibilizado las alternativas de herramientas, se dispone de todas las posibles herramientas que pueden ser utilizadas en cada operación.

Esta función se encarga de repartir los adaptadores (conos ISO, acoplamientos VDI, etc.) para completar el montaje de la herramienta y poder situarla en el almacén de la máquina. En caso de que no existan suficientes adaptadores para completar todas las alternativas de herramientas, se eliminan las alternativas sobrantes, de acuerdo con los siguientes criterios: en primer lugar, cada operación debe disponer de un montaje completo, en segundo lugar se asignan más montajes a las operaciones que consuman más elementos cortantes y, finalmente, se sigue un criterio económico.

Gestionar elementos cortantes (A3)

Esta función se encarga de coordinar la utilización de las herramientas en el horizonte de trabajo y de reaccionar ante las perturbaciones ocurridas durante el funcionamiento del sistema productivo.

Los filos de los elementos cortantes pierden su capacidad de corte tras mecanizar un determinado tiempo, debiendo ser sustituidos. El gestor se encarga de planificar y agrupar en el tiempo los cambios de los elementos cortantes y los reglajes de las herramientas necesarios para cada orden de fabricación. La planificación de cambios tiene como objetivo minimizar los paros de producción. Para ello, esta función dispone de las alternativas de herramientas compatibilizadas en cada operación. Si por perturbaciones no se encuentran disponibles todas las alternativas de herramientas, la gestión se realiza con las alternativas disponibles. Si alguna operación se ha quedado sin alternativas de herramientas, se solicita una nueva compatibilización.

Coordinar flujo de herramientas (A4)

Esta función gestiona el flujo de herramientas y adaptadores en el horizonte de trabajo, ya que las herramientas se comparten entre las distintas máquinas, y los adaptadores se comparten entre las diferentes herramientas.

El gestor decide y coordina la permanencia de las herramientas en las máquinas, así como los transportes a otras máquinas o al almacén central de herramientas. Al mismo tiempo decide qué herramientas son desmontadas para generar otras herramientas en el horizonte. Por tanto, el gestor coordina la capacidad del recurso herramienta con las necesidades de las máquinas y las capacidades de sus almacenes.

RESULTADOS

En resultados se presenta un ejemplo de la función de compatibilización de herramientas, que es la más novedosa e importante de la metodología propuesta.

Esta función se ha implementado en Visual C++. El prototipo GF-CAPP ha generado las posibles alternativas de herramientas en cada operación de mecanizado y el programador ha establecido la programación para el horizonte de trabajo (Figura 3a). Estos datos se expresan en ficheros ASCII y representan los datos de entrada para el gestor.

En el ejemplo propuesto no existen interferencias en órdenes y se asume que el número de elementos cortantes necesarios en cada operación es similar, para una mejor comprensión de la función. Tras la valoración de las interferencias, la interferencia correspondiente a la herramienta 3 es la que posee más restricciones. Esta interferencia involucra a las tres máquinas, las operaciones de la interferencia tienen cuatro herramientas como número medio y mínimo de alternativas y cada máquina realiza tres peticiones de la herramienta. Las posibles soluciones de la interferencia para la herramienta 3 permiten dejar la herramienta en las siguientes combinaciones de órdenes: O1-O2; O1-O5; O1-O8; O3-O4-O5; O3-O4-O8; O3-O7-O8. Como aún no existen herramientas compatibilizadas en ninguna de las operaciones donde aparece la herramienta, se elige como solución de la interferencia: O3-O4-O5, eliminando la herramienta del resto de operaciones incompatibles con esta asignación. De esta forma se minimizan los transportes de herramientas. Si existiesen operaciones con herramientas compatibilizadas, se daría prioridad a las operaciones que aún no poseen una herramienta compatibilizada. Una vez la herramienta 3 ha sido compatibilizada, se continúa con el mismo proceso hasta que todas las interferencias han sido resueltas.

Tras la compatibilización se ha repartido el recurso herramienta entre las distintas operaciones, disminuyendo el número de alternativas en las operaciones (Figura 3b). Las herramientas compatibilizadas permanecen como alternativas para la gestión de cambios por desgaste de los elementos cortantes y para que el gestor reaccione ante perturbaciones ocurridas en el sistema productivo.


Fig 3: Ejemplo compatibilización de herramientas

CONCLUSIONES

El gestor de herramientas de mecanizado propuesto está integrado con la planificación de procesos asistida por computador y la programación de la producción, siendo aplicable a distintos entornos de fabricación a través de la adaptación de las bases de datos que representan los recursos del sistema productivo. La generación de alternativas de herramientas por parte del CAPP permite que el gestor propuesto resuelva el problema de asignación de recursos compartidos (herramientas) y reaccione ante las perturbaciones habituales de producción.

REFERENCIAS

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