Planificación de procesos asistida por ordenador

La planificación del proceso de fabricación consiste en determinar sistemáticamente la mejor manera de fabricar un producto o componente, lo que implica elegir los materiales, métodos y la secuencia de pasos más eficiente. Su objetivo principal es optimizar el proceso de producción, asegurando que sea rentable y capaz de ofrecer resultados de alta calidad. En esencia, traduce un plano de ingeniería o un modelo 3D en un conjunto detallado de pasos de fabricación, que a menudo da como resultado documentos específicos (hojas de ruta, listas de herramientas, listas de operaciones, instrucciones de trabajo, etc.) que describen la secuencia de operaciones y las máquinas específicas necesarias. ^{[ 1 ]}

Si bien la planificación de procesos ha sido tradicionalmente una tarea manual y especializada realizada por ingenieros experimentados, muchas empresas avanzadas utilizan ahora la Planificación de Procesos Asistida por Computadora (CAPP). CAPP se refiere al uso de software avanzado para ayudar a los planificadores de procesos a generar planes de fabricación. Sirve como puente entre el diseño del producto y la fabricación, automatizando tareas que tradicionalmente realizaban manualmente ingenieros experimentados. Los sistemas CAPP son particularmente ventajosos para grandes empresas con una amplia variedad de geometrías de productos complejas, ya que ayudan a ahorrar dinero, reducir los plazos de entrega y crear planes de proceso más eficientes.

Las principales ventajas de CAPP incluyen: ^{[ 1 ]}

1. Automatización y eficiencia : Reduce significativamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para generar planes, lo que hace que el proceso dependa menos de la experiencia individual del planificador.
2. Optimización : El software utiliza algoritmos para identificar planes que minimicen el tiempo y los costes de producción, manteniendo la calidad.
3. Flexibilidad : Los sistemas CAPP pueden adaptar rápidamente los planes de proceso para reflejar los cambios en el diseño de los productos o en los requisitos de fabricación.

Existen dos enfoques principales para CAPP: ^{[ 2 ]} el Enfoque Variante y el Enfoque Generativo .

El enfoque de variantes funciona recuperando un plan de fabricación estándar de una base de datos y adaptándolo para que se ajuste a una pieza nueva específica. Depende en gran medida de la tecnología de grupos (GT) y de sistemas de codificación (como el sistema Opitz ^{[ 3 ]} ) para clasificar las piezas en "familias" según características geométricas y de fabricación similares. El método opera a través de dos etapas operativas distintas:

1. Etapa preparatoria : Las piezas se clasifican en familias y se crean plantillas de planificación de procesos estándar para cada grupo, basándose en las operaciones de mecanizado compartidas, los requisitos de herramientas y los métodos de producción.
2. Etapa de producción : Cuando se introduce un nuevo componente, se codifica y clasifica para que el sistema pueda identificar su familia y recuperar la plantilla correspondiente. A continuación, el sistema personaliza esa plantilla para tener en cuenta las características o tolerancias únicas de cada pieza.

Una de las principales ventajas del enfoque de variantes es su facilidad de comprensión y el mayor control que el planificador de procesos tiene sobre el plan final. Sin embargo, su principal limitación radica en que se restringe a componentes de planificación muy similares a los que ya existen en la base de datos del sistema.

El enfoque generativo implica la creación de un plan de fabricación único desde cero para cada nuevo componente. A diferencia del método de variantes, no se basa en la recuperación y modificación de planes existentes para piezas similares; en su lugar, combina datos de producto y proceso para construir automáticamente una estrategia nueva. Un sistema CAPP generativo generalmente consta de un sistema basado en piezas (para interpretar la geometría y las tolerancias), una base de datos de fabricación (que enumera la maquinaria disponible y sus capacidades), un subsistema de secuenciación (el núcleo lógico) y un generador de informes. Este sistema emplea algoritmos para identificar las características geométricas de una pieza y proponer las operaciones y secuencias de fabricación más adecuadas basándose en razonamientos heurísticos y orientados al conocimiento. A menudo utiliza técnicas sofisticadas como sistemas expertos (razonamiento basado en reglas), aprendizaje automático , aprendizaje profundo y programación con restricciones para optimizar el plan y garantizar que cumpla con los requisitos de fabricación.

El enfoque principal del desarrollo se centra en la generación o actualización dinámica de planes de producción (CAPP), que consiste en la capacidad de generar automáticamente planes de producción para nuevos productos o actualizarlos dinámicamente en función de la disponibilidad de recursos. La CAPP generativa puede utilizar métodos iterativos, donde se aplican planes de producción sencillos al desarrollo automático de CAD/CAM para refinar el plan de producción inicial.

En la planta de máquinas herramienta número 1 de Beijing (BYJC), en Beijing, China, se desarrolló un sistema CAPP generativo como parte de un proyecto del PNUD (DG/CRP/87/027) entre 1989 y 1995. El proyecto se publicó en la revista "Machine Design Magazine; New Trends" el 9 de mayo de 1994, págs. 22-23. El sistema se presentó al comité del premio LEAD (Leadership in Excellence for Applications Development) de CASA/SME en julio de 1995. El comité otorgó a BYJC el premio LEAD en 1995 por este logro. Para implementar el sistema CAPP generativo, se realizaron modificaciones en los sistemas CAD , PDM , ERP y CAM . Además, se construyó un sistema de ejecución de fabricación (MES) para gestionar la programación de herramientas, personal, suministros y logística, así como para mantener la capacidad de producción en planta.

Los sistemas CAPP generativos se basan en las capacidades de producción de una fábrica. En la fabricación discreta , las validaciones de diseño a pieza se han realizado con frecuencia, pero al considerar diseños de ingeniería altamente volátiles y múltiples operaciones de fabricación con diversas opciones de herramientas, las tablas de decisión se alargan y las matrices vectoriales se vuelven más complejas. BYJC fabrica máquinas herramienta CNC y sistemas de fabricación flexible (FMS) según las especificaciones del cliente. Hay pocas duplicaciones. El sistema CAPP generativo se basa en las capacidades únicas necesarias para producir esos productos específicos en BYJC. A diferencia de un sistema de planificación de procesos variantes que modifica los planes existentes, cada plan de proceso se puede definir automáticamente, independientemente de las rutas anteriores. A medida que se realizan mejoras en la eficiencia de la producción, estas se incorporan automáticamente a la mezcla de producción actual. Este sistema generativo es un componente clave del sistema CAPP para el entorno de fabricación ágil .

Para lograr el sistema Generative CAPP, se construyeron componentes que cumplieran con las capacidades necesarias:

1. Se definieron las capacidades de producción en planta de BYJC. Se determinó que existen 46 operaciones principales y 84 operaciones dependientes que la planta puede ejecutar para producir la gama de productos. Estas operaciones son operaciones básicas de fabricación. A medida que se incorporan nuevas capacidades de fabricación al repertorio de la fábrica, es necesario integrarlas en el espectro de operaciones.
2. Posteriormente, estas operaciones de fábrica se utilizan para definir las características de las extensiones de diseño basado en características que se incorporan al sistema CAD.
3. La combinación de estas extensiones de funciones y los datos paramétricos asociados a ellas pasaron a formar parte de los datos que se transfieren del sistema CAD al sistema PDM modificado como contenido del conjunto de datos para el producto, ensamblaje o pieza específicos.
4. El sistema ERP se modificó para gestionar las capacidades de fabricación de cada herramienta en la planta. Esto amplía las funciones habituales de control de velocidad y alimentación de cada herramienta. Además, se mejoraron los registros de personal para incluir características especiales, talentos y formación académica de cada empleado, en caso de que resulten relevantes para el proceso de fabricación.
5. Se creó un Sistema de Ejecución de Manufactura (MES). El componente principal del MES es un sistema experto/de inteligencia artificial que relaciona los objetos de ingeniería del sistema PDM con las herramientas, el personal, los materiales, las necesidades de transporte, etc., necesarios para su fabricación en el sistema ERP. Una vez identificados los componentes físicos, se programan. La programación se actualiza continuamente en función de las condiciones en tiempo real de la empresa. En definitiva, los parámetros de este sistema se basaron en los gastos, el tiempo, las dimensiones físicas y la disponibilidad.

Los parámetros se utilizan para generar ecuaciones diferenciales multidimensionales. La resolución de estas ecuaciones diferenciales parciales permite obtener el proceso óptimo y la planificación de la producción en el momento en que se genera la solución. Las soluciones tienen la flexibilidad de modificarse con el tiempo, en función de su capacidad para cumplir con los criterios de fabricación ágil. La planificación de la ejecución puede ser dinámica y adaptarse a las condiciones cambiantes.

El sistema permite lanzar nuevos productos rápidamente en función de su viabilidad de fabricación. Los sistemas CAD/CAM, PDM y ERP más sofisticados ya incorporan la base para la planificación generativa de procesos asistida por ordenador. La tarea de construir e implementar el sistema MES requiere identificar las capacidades existentes en cada empresa y aprovecharlas al máximo. El sistema creado es altamente específico, pero sus conceptos pueden extrapolarse a otras empresas.

• CAD ( diseño asistido por computadora )
• CAM ( fabricación asistida por ordenador )
• CIM ( fabricación integrada por ordenador )