Información Tecnológica-Vol. 15 N°4-2004, págs.: 3-8 

PROCESOS ASISTIDOS POR COMPUTADOR

Propuesta General y Flexible para Planificación de Procesos Asistida por Computador

General and Flexible Methodology and Architecture for Computer-Aided Process Planning

F. González, S.C. Gutiérrez y A. Meseguer

Univ. Politécnica Valencia, Dpto. Ingeniería Mecánica y de Materiales, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia-España

Dirección para correspondencia

Resumen

En este trabajo se propone una metodología y una arquitectura apropiada para la generación de sistemas flexibles para la planificación de procesos asistidos por computador (CAPP) en piezas mecanizadas. En la metodología del trabajo se da importancia a los siguientes factores: la arquitectura del sistema, la metodología de planificación y los modelos de información utilizados para almacenar datos y conocimiento. Los resultados han sido aplicados en el sistema GF-CAPP. Se concluye que el desarrollo del prototipo GF-CAPP, basado en esta propuesta y probado sobre distintos entornos productivos y diferentes piezas, ha demostrado ser viable y con buenas cualidades.

Abstract

The present study proposes a methodology and architecture appropriate for the generation of flexible systems for computer-aided process planning systems (CAPP) for mechanized parts. The method proposed gives importance to the following factors: system architecture, planning methodology, and information modules used for storage of data and knowledge. The results have been applied to the GF-CAPP system. It is concluded that the development of the GF-CAPP prototype, based on the present proposal and applied over a great variety of parts and production media, has proven to be viable and to have useful characteristics.

Keywords: computer-aided process planning, flexible manufacturing, machining processes, CAPP

Introducción

Los sistemas integrados de fabricación se ven afectados seriamente por la falta de genera-lizada de los sistemas CAPP, que trabajen conjuntamente con el resto de aplicaciones CAD, CAM y PP&C (Marri et al., 1998; ElMa-raghy, 1993; Alting y Zhang, 1989), para obte-ner mayor rendimiento del sistema productivo. Esta carencia supone además de dificultar la integración, un escaso aprovechamiento de las ventajas del computador en estas tareas. Estas ventajas pueden llevar, además de disminuir los tiempos de lanzamiento de la fabricación de un nuevo producto, a una mejor gestión del funcionamiento del sistema productivo, dado que en esta tarea se genera información de partida para la PP&C.

Tradicionalmente se han utilizado dos tipos de planteamientos en el desarrollo de los siste-mas CAPP, inicialmente el variante y posteriormente el generativo. Este trabajo se va a centrar en el planteamiento generativo, que pretende la generación específica y automática de los planes de proceso.

En cualquiera de los desarrollos realizados bajo estos planteamientos, sobre todo los generativos, se ha abordado el problema restrin-giéndose a familias de piezas y recursos productivos concretos, consiguiendo con ello disminuir la dificultad del problema (Smith et al., 1992). Sin embargo, esto ha llevado a una falta de generalidad y flexibilidad de los sistemas CAPP que dificulta aún más su aplicación industrial generalizada (ElMaraghy, 1993).

Todo lo anterior implica la necesidad del desarrollo de sistemas CAPP con un alto grado de generalidad y flexibilidad, que pe-mitan su aplicación a cualquier conjunto de medios productivos. En este sentido se han realizado muchos esfuerzos, como el trabajo con elementos de mecanizado (Allada y Anand, 1995), que han supuesto un gran avance, pero todavía quedan muchos aspec-tos que resolver. Se pueden destacar como puntos clave la metodología de planificación, la arquitectura del sistema (Van Houten y Van't Erve, 1988) y los sistemas de información (Lutters et al., 1999).

En este trabajo se propone una metodología y una arquitectura apropiada para la generación de sistemas CAPP generales y flexibles, considerando el desarrollo de planes alter-nativos. Esta propuesta ha sido implementada en el sistema GF-CAPP.

Arquitectura

Se ha constatado en un gran número de trabajos (Lutters et al., 1999) que la falta de generalidad y flexibilidad de los sistemas CAPP se debe en parte, a la imposibilidad de adaptación de las estructuras de información del mismo a la diversidad y evolución de los medios productivos. Uno de los aspectos a considerar en la arquitectura es que los sistemas de información disponibles en la empresa no tienen porqué ser apropiados para el CAPP.

La arquitectura propuesta para el sistema CAPP (Figura 1), da soporte a la metodología y su diseño se ha efectuado con el objetivo de independizar, desde el punto de vista de la información, el sistema CAPP del entorno de fabricación.

Fig. 1: Arquitectura propuesta

La arquitectura considera una base de datos interna en la que se establecen estructuras de información específicas para CAPP (González y Rosado, 2004). El interfaz de bases de datos permite la comunicación con las estructuras de datos externas. Esta idea ha sido utilizada en trabajos anteriores como el sistema PART (Van Houten y Van't Erve, 1988), pero su capacidad aumenta con la utilización de sistemas de información capaces de repre-sentar de una manera general y flexible el producto, los medios productivos y el plan de proceso.

Metodología propuesta para Pla-nificación de Procesos

La metodología describe el procedimiento para la determinación del plan de proceso de una pieza, e influye de forma muy relevante en el grado de generalidad y flexibilidad (Van Houten y Van't Erve, 1988). Una metodología adecuada establecerá las funciones a realizar, que deben ser simples, y la forma de ir construyendo el plan, aspecto que resulta muy importante cuando no se pretende generar un solo plan, sino un conjunto de planes alternativos.

La metodología está influida por los datos de entrada (datos de la pieza) y los datos de salida o esquema del plan de proceso necesario en PP&C. Los datos de la pieza se modelan bien con modelos CAD tradicionales, o bien mediante modelos de elementos carac-terísticos (Kiritsis, 1995), que al no ser apropiados para la calidad, necesitan modelos paralelos para representar estas especificaciones (ISO 10303-224, 1997). En relación a los datos de salida, tradicionalmente la fun-ción de PP&C requiere de una estructuración y secuenciación del plan de proceso en tres niveles: fases o máquinas, subfases o utillajes y el nivel de operaciones.

El esquema de la metodología propuesta se muestra en la Figura 2, siendo sus diferentes etapas las siguientes:

Fig. 2: Metodología propuesta para CAPP

- Material de partida. Consiste en la deter-minación del material de partida o bruto requerido para el mecanizado de la pieza, considerando para ello otros procesos de conformado: moldeo, deformación plástica, corte, soldadura, etc. Es por tanto una función de planificación de procesos para procesos distintos de los de mecanizado, que corresponde con una planificación genérica o macroplan, previa al mecanizado.

- Elementos de mecanizado. Esta etapa consiste en establecer a partir del modelo de entrada de la pieza, el modelo que utilizará el sistema para trabajar. Este modelo consiste en la definición de la pieza mediante elemen-tos de mecanizado. Se consideran los elementos simples de la normativa ISO (ISO 10303-224, 1997), pero empleando además una caracterización global e individual para cada elemento, que describe su calidad, accesibilidad, posición relativa a la pieza, etc. De esta manera no es necesaria ninguna información adicional para la asignación de los recursos productivos, y las funciones a tal fin son simples y generales.

- Asignación de procesos y operaciones. Partiendo de la información anterior, se determinan los procesos que tecnológicamente pueden obtener (total o parcialmente) un elemento, así como las operaciones necesarias de estos procesos (desbaste acabado, etc.). Por lo tanto se realiza una asignación de los procesos sin considerar las máquinas y utillajes. Esto requiere modelar las capacidades de los procesos y sus operaciones me-diante márgenes de capacidad, que consi-deren las máquinas, utillajes y herramientas que le dan soporte. Las distintas alternativas se ordenan y compatibilizan tal y como se muestra en la Figura 3.

Fig. 3: Operaciones necesarias y procesos alternativos

- Asignación de Máquinas. Para cada uno de los procesos y operaciones alternativos propuestos en cada elemento de mecanizado de la pieza, se determinan todas las posibles máquinas. Con ello se abre el abanico de todas las soluciones del problema al nivel de fases o máquinas, que habitualmente es el recurso crítico. La asignación de máquinas sin la consideración de los utillajes y las herramientas, requiere de un modelado de las capacidades de la máquina que contemple el conjunto de utillajes y herramientas disponibles.

- Secuenciación de fases. Previamente a la asignación de los recursos de bajo nivel se procede a la determinación de las secuencias de fases más apropiadas. Antes se detectan las precedencias que deben cumplir las operaciones. Fijadas estas precedencias se aplica un algoritmo general de formación y secuenciación de fases, que genera secuencias alternativas optimizadas en número de fases y coste.

- Secuenciación de subfases. Para cada una de las fases obtenidas en el punto anterior se establecen los posibles amarres o subfases alternativos. Algunas de las alternativas de secuencias de fases propuestas anteriormente podrán ser rechazadas por problemas en el amarre. Sin embargo el cumplimiento de las especificaciones de las exigencias de calidad está garantizado por los pasos anteriores, debiendo existir el utillaje con la calidad requerida.

- Secuenciación de operaciones. Para finalizar, en cada subfase se resuelve el problema de asignación de herramientas a las operaciones, así como su secuenciación para disminuir el número de herramientas, cambios y reglajes.

La metodología propuesta está respaldada por unos modelos de información genéricos que permiten la definición de la pieza en base a elementos de mecanizado, la definición de los recursos productivos y sus capacidades, y la definición de los procesos a considerar.

Estos modelos se convierten, junto con la propia metodología en un elemento clave para permitir la aplicación del sistema a distin-tos entornos productivos, con distintas formas y geometría de piezas.

Resultados

El prototipo GF-CAPP ha sido desarrollado según la propuesta realizada, hasta el nivel de fases, por ser el nivel más crítico de la planificación de procesos. La bondad de los planes generados por GF-CAPP ha sido comprobada a los niveles de utillajes y herramientas. Se han considerado tanto los procesos de mecanizado como otros procesos habituales: tratamientos térmicos, procesos de recubri-miento y limpieza superficial, etc.

La generalidad respecto al producto le permite tratar cualquier pieza mecanizable y sus exigencias de calidad. El sistema ha sido pro-bado con distintas piezas en las que se han considerado diferentes formas, especificaciones de calidad y preformas. El ejemplo de la Figura 4 muestra una pieza con una preforma compleja de soldadura, la Figura 5 es una pieza de calidad basada en una preforma de fundición, por último la Figura 6 muestra el caso de una pieza con altas especificaciones de calidad. Además se ha comprobado que el sistema determina correctamente el plan de proceso en diferentes medios productivos

Fig. 4: Soporte para eje

Fig. 5: Soporte para deslizadera

Fig. 6: Eje de alta precisión

Los planes de proceso propuestos por GF-CAPP consideran las secuencias de fases alternativas para realizar las piezas, con mejores cualidades desde el punto de vista de los criterios de coste y número de fases, garantizando al mismo tiempo la capacidad de las mismas.

DISCUSIÓN

El objetivo de la generalidad y la flexibilidad respecto al producto se ha conseguido, dado que el sistema no tiene ningún problema en resolver cualquier pieza, por muy compleja que esta sea. Los sistemas publicados en la bibliografía se ciñen habitualmente a piezas pertenecientes a unas familias concretas de piezas, es decir con una geometría similar (Li et al., 2003).

La generalidad respecto a los medios productivos es posible gracias a los modelos de información generales para la represen-tación de estos recursos. La implantación en unos medios productivos concretos requiere de los datos o modelos de capacidad de los recursos productivos (procesos, operaciones y máquinas).

El sistema está dotado de un conjunto de procesos y operaciones habituales, modelados con un conocimiento basado en reglas, que corresponde a un patrón general. Esto permite la fácil inclusión de nuevos procesos y operaciones, actuando sobre la base de conocimiento y modelando sus especificaciones relativas a capacidades.

Conclusiones

La propuesta realizada para planificación de procesos tiene como principales características la generalidad y la flexibilidad frente al producto y los medios productivos, que le confieren la posibilidad de ser estandarizable de cara a la implantación industrial generalizada. Estas características se basan en la metodología de planificación propuesta, la estructuración funcional, la utilización de mo-delos de información generales y en los procedimientos funcionales generales. El desarrollo del prototipo GF-CAPP basado en esta propuesta, y probado sobre distintos entornos productivos y diferentes piezas, ha demostrado la viabilidad de la misma y sus buenas cualidades.

REFERENCIAS

Allada. V. y S. Anand, Feature-based modelling approaches for integrated manufacturing: state-of-the-art survey and future research directions, Int. Jour. of Computer Integrated Manufacturing, 8 (6) 411-440 (1995).

Alting, L. y H. Zhang, Computer aided process planning: the state-of-the-art survey, International Journal of Production Research, 27 (4), 553-585 (1989).

ElMaraghy, H.A., Evolution and future perspectives of CAPP, Annals of the CIRP, Vol. 42 (2), 739-751 (1993).

González, F. y P. Rosado, General information model for representing manufacturing features in CAPP systems, International Journal of Production Research, 42 (9), 1815-1842 (2004).

ISO 10303-224; Mechanical product definition for process planning using machining features, (1997).

Kiritsis, D., A review of knowledge-based expert systems for process planning. Methodologys and problems, International Journal of advanced manufacturing technology, 10, 240-262 (1995).

Lutters, D.; C. Wijnker; H.J.J. Kals, Information Management in Process Planning, Annals of the CIRP, 48 (1), 385-388 (1999).

Marri, H.B., A. Gunasekaran, R.J Grieve, Computer aided process planning: a state of art. International Journal of advanced manufacturing technology, International Journal of advanced manufacturing technology, 14, 261-268 (1998).

Li, W.D.; S.K. Ong; A.Y.C. Nee, Hybrid genetic algorithm and simulated annealing approach for the optimization of process plans for prismatic parts, International Journal of Production Research, 40 (8) 1899-1922 (2002).

Smith, J.S.; P.H. Cohen; J.W. Davis; S.A. Irani, Process plan generation for sheet metal parts using an integrated feature-based expert system approach, International Journal of Production Research, 30 (5) 1175-1190 (1992).

Van Houten, F.J.A.M. y A.H. Van' Erve, PART, a parallel approach to Computer Aided Process Planning, Proceeding of the CAPE 4, Edinburgh (1988).

Correspondencia a: (e-mail: fgonzaco@mcm.upv.es)