Información Tecnológica - Vol. 15 N° 1 - 2004: 49-54

SISTEMAS DE FABRICACIÓN

Simulación de Sistemas Flexibles de Fabricación Mediante Modelos de Realidad Virtual

Simulation of Flexible Manufacturing Systems by means of Virtual Reality Models

E.M. Rubio, M.A. Sebastián y A. Sanz

Univ. Nacional de Educación a Distancia, E.T.S.I. Industriales, Dpto. de Ingeniería de Construcción y
Fabricación, Apdo. de correos, 60.149 Madrid-España (e-mail: erubio@ind.uned.es)

Resumen

El objetivo del trabajo es mostrar un método que sistematice y facilite la construcción de entornos virtuales y posibilite crear, con relativa sencillez, Laboratorios de Fabricación Virtuales. La metodología seguida ha consistido en revisar fuentes documentales, seleccionar y analizar los métodos de construcción de entornos virtuales más relevantes, proponer un método que complete y mejore los existentes y realizar una aplicación del mismo al Sistemas Flexible de Fabricación propuesto. El principal resultado es la creación de una Célula Flexible de Fabricación Virtual, concluyendo que no todos los entornos reales se pueden representar mediante uno virtual.

Abstract

The main objective of this work is to show a method that systematizes and makes easy the building of virtual environments and allows creating with relative simplicity, Virtual Laboratories of Manufacturing. The methodology consisted of reviewing literature sources, selecting and analyzing the most outstanding methods of virtual environment building, proposing a method which completes and improves the existing ones and making an application to the proposed Flexible Manufacturing System. The main result is the creation of a Virtual Flexible Manufacturing Cell, concluding that not all real environments can be represented by a virtual one.

Keywords: flexible manufacturing systems, virtual reality models, machine tools

INTRODUCCIÓN

En general, la implantación o la modificación de cualquier sistema de fabricación suele acarrear altos desembolsos, debido a la adquisición de equipos y de la contratación de personal cualificado o la formación del mismo hasta lograr una adecuada capacitación para el manejo de aquellos. Además, la manipulación de equipos industriales, generalmente de altos voltajes y potencias, suele entrañar riesgo de accidentes (Sebastián et al., 2000).

Un ejemplo claro de anterior lo constituyen los Sistemas Flexibles de Fabricación (SFF). Estos sistemas son capaces de trabajar de forma desatendida durante largos períodos de tiempo y de realizar una amplia gama de productos en orden aleatorio. Están compuestos por estaciones de trabajo, un sistema logístico automático para el transporte y manipulación de piezas y herramientas y por uno o varios ordenadores encargados de controlar y supervisar el sistema. El manejo y la programación de estos equipos requiere de cierta experiencia y capacitación. En la figura 1 se aprecia la gran complejidad que pueden llegar a presentar estos sistemas.

Esto ha hecho que, habitualmente, se recurra a la simulación para estudiar la conveniencia de implantar o modificar un sistema y prevenir riesgos de accidentes tanto en las etapas formativas como en las productivas (Ambrusí y Schimdt, 1993; Salomone et al., 1993; Sanz et al., 2002; Rubio, 2002).

Por ello, un gran número de centros educativos, en su mayoría universitarios, y empresas han desarrollado distintas soluciones alternativas para resolver o minimizar el número o la dimensión de las dificultades arriba comentadas.

Fig. 1: Sistema Flexible de Fabricación.

Dichas soluciones podrían clasificarse, en principio, en dos grandes grupos (figura 2): uno, relacionado con la operativa de las máquinas y, otro, con la gestión de las mismas y la toma de decisiones cuando estas trabajan en conjuntos más complejos.

Sin embargo, a pesar de que estas alternativas solucionan, al menos en parte, las dificultades asociadas a la implantación y al funcionamiento de los Sistemas Flexibles de Fabricación, la búsqueda continua de soluciones ha llevado a desarrollar nuevas tecnologías más eficientes, seguras y económicas que intentan facilitar al hombre la interpretación de los resultados (Peklenik, 2002; Sanz et al., 2002).

Las últimas tendencias en este terreno apuntan hacia la Realidad Virtual (RV) como uno de los mejores medios para llevar a cabo la simulación, pues es capaz de representar distintos elementos de manera que los usuarios son capaces de percibirlos a través de sus sentidos y de interactuar con ellos en tiempo real de una forma similar a como lo harían en el caso de que estuvieran manejando objetos reales (Mikropoulos, 1995; Herrera et al., 1998; Korves y Loftus, 2000; Rubio, 2002; Waurzyniak, 2000; Wets et al., 2000; Xu et al., 2000; Zhao,1998). Esto es, va a permitir crear plantas virtuales a partir de las cuales se pueden realizar prácticas tanto de programación como de gestión de una manera relativamente, fácil, económica y segura (Bell y Floger, 1995).

Seguidamente, se va a presentar un método para la creación de entornos virtuales. Como ejemplo de aplicación se han tomado los Sistemas Flexibles de Fabricación pues, como ya se ha comentado anteriormente, están constituidos por equipos caros y peligrosos de manejar debido, principalmente, a las altas potencias que requieren.

METODOLOGÍA

En el proceso de elaboración de cualquier producto es conveniente contar con una metodología en la que se definan y sistematicen los pasos a seguir para que sea posible realizarlo de un modo satisfactorio. Cuando el grado de complejidad del producto a desarrollar aumenta, como es el caso de la creación de aplicaciones de Realidad Virtual en las que, generalmente, intervienen un elevado número de agentes internos y externos que hay que considerar, la conveniencia antes mencionada pasa a ser una necesidad.

Por ello, es fundamental establecer una metodología que permita resolver más fácilmente los problemas encontrados en el proceso de elaboración y obtener unos resultados más eficientes.

La metodología propuesta en este trabajo para la creación de aplicaciones de Realidad Virtual genéricas cuenta con los siguientes puntos básicos (Rubio, 2002).

Definición de objetivos. La creación de cualquier aplicación de Realidad Virtual se inicia con la definición de los objetivos para la que, en primer término, es necesario establecer una formulación conceptual del problema a partir de la cuál se pueda ir sintetizando, mediante términos claros y precisos, la idea concebida sobre lo que se quiere conseguir con la aplicación. Suele ser habitual seguir un proceso iterativo hasta conseguir una solución de compromiso entre lo que se quiere y lo que se puede hacer teniendo en cuenta las limitaciones existentes y los recursos disponibles.

Esto conlleva identificar y definir qué se va a recrear (entorno real), a quién va a ir dirigido (usuarios) y qué interrelación va a existir entre los usuarios y el entorno virtual (interacción).

Con respecto a qué recrear, el gran número de aplicaciones de Realidad Virtual que existen actualmente en las diferentes áreas de la actividad humana podría inducir a pensar que cualquier entorno real se puede emular mediante esta tecnología, pero no es así. Lo cierto es que, para que sea factible la creación del entorno virtual que lo representa, se han de verificar los siguientes requisitos (figura 3):

· Hay que identificar la existencia de una fuente de información que permita la especificación de las características físicas y de las leyes de conducta o de actuación de los entes; elementos del entrono real.

· Los entes se han de poder representar en el entorno virtual mediante los modelos que recogen su naturaleza dual. Por medio de entidades sus características físicas y a través de regals de comportamiento sus leyes de conducta o de actuación.

· Han de existir medios adecuados para la creación de los modelos, generalmente, software de modelado para las entidades y de programación para las regals de comportamiento.

En lo que atañe a los usuarios (a quién va dirigido) habrá que tener en cuenta las limitaciones que ellos imponen , básicamente, sus características físicas y psíquicas, su número y si usarán o no propios para la ejecución de la aplicación.

Por último, el grado de interacción permitido a los usuarios con el entorno virtual va a determinar el tipo deentorno virtual a desarrollar: inerte, si no existe ningún tipo de movimiento, o vivo (activo o pasivo), cuando sí lo hay.

Fig. 3: Requisitos impuesto al entorno real.

Definición del entorno virtual. Una vez identificados los elementos del entorno real que se quieren recrear en la etapa de definición de objetivos, hay que definir los componentes que los representarán en el entorno virtual (modelos). Estos van a estar constituidos por entidades (características físicas) y por regals de comportamiento (leyes de conducta o de actuación).

Determinación y acopio de recursos. Determinadas las entidades y las regals de comportamiento que se han decidido simular de los modelos del entorno virtual que se va a desarrollar, habrá que determinar qué recursos materiales y humanos son necesarios para poder conseguirlo y hacer acopio de los mismos.

Construcción del entorno virtual. La fabricación de los entornos comienza con la elaboración de las entidades. Debido a la importancia que tiene el sentido de la vista, normalmente se empieza por la representación tridimensional de todas las entidades que intervendrán en la aplicación para pasar después, en caso de que así haya sido previsto en la definición física de los modelos, a la incorporación de otros efectos sensoriales.

Seguidamente, habrá que llevar a cabo a la programación, propiamente dicha, en la que se añadirán las regals de comportamiento a las entidades y se conformarán, de este modo, los modelos con los que se pretenden simular los entes.

Construidos los modelos y en función del grado de inmersión previsto suele ser necesario tener que crear, añadir y acoplar distintos componentes auxiliares que permitan a los usuarios una adecuada percepción de la aplicación.

Por último, habrá que realizar tantas comprobaciones y ajustes como sean necesarios para asegurarse de que la aplicación funciona correctamente antes de su difusión.

Acciones ulteriores. Finalizada la creación del entorno virtual se tendrán que llevar a cabo: la divulgación, evaluación, mejora y mantenimiento del mismo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Como ejemplo de aplicación de la metodología expuesta en el epígrafe anterior, se han creado diversos entornos virtuales que permiten abordar el estudio de los Sistemas Flexibles de Fabricación de un modo progresivo. Desde el conocimiento de la apariencia física externa de los componentes que conforman este tipo de sistemas hasta el del comportamiento de conjunto cuando están integrados en sistemas más complejos.

Si se tiene en cuenta la interacción permitida a los usuarios, las aplicaciones desarrolladas van a poder agruparse en dos categorías diferentes: entornos virtuales pasivos y activos. En los primeros, el usuario asiste como mero observador mientras que, en los segundos, le está permitido cierto grado de interacción con los elementos virtuales del entorno creado.

De los entornos pasivos desarrollados, se ha seleccionado como ejemplo uno en el que se puede ver una Célula Flexible de Fabricación (CFF) trabajando automáticamente y, como ejemplo de los entornos activos, se ha tomado uno en el que el usuario puede, además, interactuar con una fresadora de Control Numérico.

Para la construcción de las entidades se ha usado el software de modelado Rhinoceros® y para la incorporación de las regals de comportamiento la suite de desarrollo Virtools Dev® de la que se muestra un ejemplo en la figura 4.

La figura 5 muestra una instantánea tomada durante el transcurso de la evolución de la primera aplicación. entorno, además de facilitar la comprensión del comportamiento de los componentes de la CFF y de sus principales dispositivos, se pueden realizar diferentes actividades prácticas relacionadas con la optimización de la distribución en planta, la minimización de los tiempos de fabricación y el flujo de materiales, por citar sólo algunas de ellas.

En el entorno activo es el usuario el que va a poder interactuar, por medio del hardware adecuado (en este caso un teclado y un ratón estándares), con los dispositivos de la máquina o equipo virtual y variar el curso de los acontecimientos que tienen lugar en el mismo de acuerdo con un abanico de posibilidades más o menos amplio previsto en la programación.

En este caso, en el que se ha representado una fresadora tipo EMCO VMC 100 y su panel de control (figura 6), el usuario puede aprender a: abrir y cerrar la puerta, abrir y cerrar la mordaza, seleccionar la herramienta, lanzar el programa de Control Numérico y detener de forma INME-diata todas las acciones enumeradas pulsando el botón de emergencia.

En relación con los resultados obtenidos cabe decir que, con aplicaciones de Realidad Virtual como las mostradas, se va a poder avanzar en el conocimiento de los Sistemas Flexibles de Fabricación, o de cualquier otro tipo de sistema sobre el que versen, pues van a permitir mejorar la comprensión de su funcionamiento y ayudar en las actividades relacionadas tanto con la toma de decisiones como con la docencia teórica y práctica de las mismos.

Fig. 4: Programación con Virtools Dev®.

Fig. 5: Detalle de la secuencia de movimiento del entorno pasivo.

Fig. 6: Entorno activo.

CONCLUSIONES

Del trabajo realizado se han podido extraer las siguientes conclusiones:

1. Se ha puesto de manifiesto la importancia que tiene la simulación en el ámbito de la Fabricación desde las perspectivas estratégica, formativa y de seguridad.

2. Se ha detectado la necesidad de potenciar el desarrollo de medios de simulación que faciliten la interpretación de los resultados obtenidos y que sean, a la vez, sencillos y seguros de utilizar.

3. Se ha definido una general metodología para la creación de aplicaciones de Realidad Virtual que puede ser particularizada al campo de la Fabricación.

4. Se han establecido las condiciones que debe cumplir un determinado entorno real para que pueda ser simulado por medio de una aplicación de Realidad Virtual.

5. Se han identificado, definido y justificado los puntos clave para conseguir el éxito de una aplicación de Realidad Virtual.

6. Se han sentado las bases para la creación de Laboratorios Virtuales de los Procesos de Fabricación.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología española la financiación del Proyecto de Investigación DPI 2000-1419.

REFERENCIAS

Ambrusí, N.R. y M. Schimdt, Simulación de plantas productoras de nitrógeno, Información Tecnológica, 4 (2), 9-19 (1993).

Bell, J.T. y H.S. Floger, The investigation and Application of Virtual Reality as an educational Tool, In Proc. American Society for Engineering Education Annual Conference, Session 2513, Anaheim (Ca) (1995).

Herrera, C.; V. García y R. Romero, Antecedentes de la Realidad Virtual, IX Jornadas Técnicas de la Universidad de Panamá, Panamá (1998).

Korves, B. y M. Loftus, Designing an immersive virtual reality interface for layout planning, J. Mater. Process. Technol., 107, 425-430 (2000).

Mikropoulos, A.D., Virtual Environments in Science Education, University of Ioannina, Faculty of Education, Ioannina (Grecia) (1995).

Peklenik, J., The dynamic cluster structures: a new manufacturing paradigm for production of hightech products, Sixth International Conference on Advanced Manufacturing Systems and Technology Proceedings, New York (2002).

Rubio, E.M., Aplicación de técnicas de Realidad Virtual al estudio del comportamiento de Sistemas Flexibles de Fabricación. Tesis Doctoral, UNED, Madrid (2002).

Salomone, H. E., M.J. Montagna y O. Iribarren, Simulación dinámica en el diseño de procesos Batch, Información Tecnológica, 4 (2), 20-23 (1993).

Sanz, A.; E.M. Rubio y M.A. Sebastián, Considerations to the application of Virtual Reality techniques for the study and the training with Numerical Control Machine-tools, CIRP International Manufacturing Education Working Group CIMEC-2002. University of Twente, Enschede (Holanda), 265-273 (2002).

Sebastián, M.A.; R. Calvo; E.M. Rubio y P.J. Nuñez, Modelo para la asignación de tareas en líneas de montaje semiautomáticas. Anales de Ingeniería Mecánica, Año 13/ vol 3, Madrid, 2257-2269 (2000).

Waurzyniak, P., Virtual Models Gain Favor, Manufacturing Engineering, 4, 32-42 (2000).

Wets, A.A.; S. Rahimifard; R. Harrison y D.J. Williams, The development of a visual interactive simulation of packaging flow lines, Int. J. Prod. Res., 38 (17), 4717-4741(2000).

Xu, Z.; Z. Zhao y R.W Bines, Constructing virtual environments for manufacturing simulation, Int. J. Prod. Res. 38. (17), 4171-4191 (2000).

Zhao, Z., A variant approach to constructing and managing virtual manufacturing environments, Int. J. Comp. Int. Manuf. 11, 485-499 (1998).

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