INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA

DE INGENIERÍA Y CIENCIAS SOCIALES

Y ADMINISTRATIVAS

“INTEGRACIÓN VIRTUAL DE CELDA DE MANUFACTURA, PARA EL PROCESO DE INYECCIÓN EN LA PIEZA

INTAKE MANIFOLD”

CIUDAD DE MÉXICO. 2016

T E S I N A

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE I N G E N I E R O EN I N F O R M ÁT I C A

P R E S E N T A N GUTIÉRREZ AHUMADA VICTOR HUGO HERNÁNDEZ BARAJAS JOSÉ EDUARDO

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE I N G E N I E R O I N D U S T R I A L

P R E S E N T A N HERNÁNDEZ APARICIO EDUARDO MENESES DANELL FRANCISCO ABRAHAM PÉREZ ORTÍZ JAVIER ALEJANDRO

ÍNDICE

Resumen .........................................................................................................................................i

Introducción .................................................................................................................................... ii

Capítulo I Marco Metodológico.................................................................................................... 1

1.1 Planteamiento del Problema ........................................................................................... 1

1.2 Objetivo general.............................................................................................................. 2

1.3 Objetivos específicos ...................................................................................................... 2

1.4 Justificación. ................................................................................................................... 2

1.5 Hipótesis......................................................................................................................... 4

1.6 Tipos de investigación .................................................................................................... 4

1.7 Técnicas de Investigación a Emplear .............................................................................. 5

Capítulo II Marco Teórico............................................................................................................. 6

2.1 Celdas de Manufactura ................................................................................................... 6

2.1.1 Diseño de Celdas de Manufactura ........................................................................... 7

2.1.2 Tipos de Celdas de Manufactura ............................................................................. 8

2.1.3 Celdas de Manufactura Flexible .............................................................................. 9

2.1.4 Elementos de una Celda Flexible de Manufactura ..................................................10

2.2 Redes de Comunicación en la Manufactura ...................................................................13

2.2.1 Modbus/TCP-IP ..................................................................................................... 13

2.3 Automatización ..............................................................................................................16

2.3.1 Tipos de Automatización ........................................................................................ 17

2.3.2 Sensores ............................................................................................................... 19

2.3.3 PLC´s .................................................................................................................... 20

2.3.4 Manufactura Integrada Por Computadora (CIM) ..................................................... 30

2.4 Procesos en una Celda de Manufactura.........................................................................33

2.4.1 Proceso de Inyección ............................................................................................. 33

2.4.2 Ensamble ............................................................................................................... 39

2.4.3 Paletizado .............................................................................................................. 40

2.4.4 Sistema de Visión .................................................................................................. 41

2.5 Análisis de Información ..................................................................................................41

2.5.1 Recolección de datos ............................................................................................. 42

2.5.2 Tormenta de ideas ................................................................................................. 42

2.5.3 Diagrama causa-efecto .......................................................................................... 42

2.5.4 Diagrama de Flujo .................................................................................................. 43

Capítulo III Marco contextual ..................................................................................................... 44

3.1 RYPSA S.A. De C.V ......................................................................................................44

3.2 Antecedentes de la Empresa .........................................................................................44

3.2.1 Misión .................................................................................................................... 44

3.2.2 Visión ..................................................................................................................... 44

3.2.3 Valores .................................................................................................................. 44

3.2.4 Políticas ................................................................................................................. 44

3.3 Organigrama .................................................................................................................45

Capítulo IV Procesamiento y Análisis de la Información ......................................................... 47

4.1 Recopilación de la Información ......................................................................................47

4.2 Descripción del Proceso ................................................................................................47

4.3 Maquinaria y Periféricos para realizar el proceso ...........................................................51

4.3.1 Krauss Maffei CX80-380 ........................................................................................ 52

4.3.2 Yaskawa Motoman MH5O-20................................................................................. 53

4.3.3 Alimentador Automático ......................................................................................... 54

4.3.4 Cinta Trasportadora 40.34 AXMANN ...................................................................... 55

4.3.5 Sistema de Visión Keyence Serie CV-H500M......................................................... 55

4.3.6 Ordenador Getac ................................................................................................... 56

4.3.7 PLC Simatic S7-1200 ............................................................................................. 57

4.3.8 Barreras Fotoeléctricas de Seguridad Multihaz ....................................................... 58

4.4 Análisis de Datos ...........................................................................................................59

4.4.1 Materia prima ......................................................................................................... 60

4.4.2 Área de trabajo ...................................................................................................... 60

4.4.3 Distribución de la maquinaria ................................................................................. 61

4.4.4 Distribución de Periféricos y Componentes Adicionales .......................................... 61

4.5 Dimensiones de la pieza ................................................................................................62

4.6 Tiempo de inyección ......................................................................................................63

4.6.1 Reporte de Simulación pieza Izquierda .................................................................. 64

4.6.2 Reporte de Simulación pieza Derecha.................................................................... 65

4.6.3 Estudio de Tiempo de Inyección Pieza Completa ................................................... 68

Capítulo V Integración Virtual de Celda de Manufactura, para el Proceso de Inyección de

Plástico en la Pieza Intake Manifold .......................................................................................... 70

5.1 Propuesta ......................................................................................................................70

5.2 Creación de la Celda de Manufactura en ambiente Virtual .............................................71

5.2.1 Ambiente Virtual..................................................................................................... 71

5.2.2 Maquinaria ............................................................................................................. 71

5.2.3 Periféricos .............................................................................................................. 72

5.2.4 Herramienta ........................................................................................................... 73

5.2.5 Elementos adicionales ........................................................................................... 76

5.3 Distribución de la maquinaria y pruebas de la celda .......................................................79

5.3.1 Iteraciones del Diseño ............................................................................................ 79

5.4 Simulación Final ............................................................................................................85

5.4.1 Tiempos y Movimientos.......................................................................................... 91

5.5 Propuesta de conexión PLC – Ordenador mediante Ethernet .........................................96

Conclusiones ............................................................................................................................. 105

Bibliografía ................................................................................................................................. 106

Glosario ..................................................................................................................................... 109

i

Resumen En el presente trabajo, se analizará la propuesta de integración para una celda de manufactura

flexible mediante la simulación virtual del proceso de inyección plástica para la elaboración de la

pieza Intake Manifold, este análisis, surge debido al proyecto que la empresa RYPSA S. A de C.V

tiene, con la cual se deberá garantizar la funcionalidad, calidad y producción del lote que se requiere

para sustentar el proyecto, realizar un estudio profundo en el proceso de elaboración de la pieza,

llevará a la innovación en las técnicas empleadas para la elaboración de estos proyectos, con los

cuales se desarrollen parámetros acertados determinando factores críticos para llevar un proyecto a

los resultados esperados.

El documento, contempla los siguientes capítulos: Marco Metodológico, Marco Teórico, Marco

Contextual, Procesamiento y Análisis de la Información e Integración Virtual de la Celda de

Manufactura Flexible en el proceso de Inyección de Plásticos en la pieza Intake Manifold. Durante

estos capítulos se da un enfoque general del proyecto, se realizará un análisis detallado del proceso

en sí, una propuesta simulada del proceso de fabricación de la pieza en cuestión.

ii

Introducción Hoy en día, existen dos factores importantes en la industria que determinan las ventajas competitivas

que las empresas tienen al momento de ofrecer sus servicios al mercado. El primero es la alta

demanda que existe para realizar piezas y partes que sean útiles en distintos sectores industriales;

tales como el mecánico, aeroespacial y el automotriz. El segundo, son los procesos deficientes que

en la actualidad se llevan a cabo para la fabricación industrial de piezas; sobre todo plásticas, con

las cuales se cubren las expectativas, necesidades y requerimientos de los clientes; así como

asegurar al 100% la utilidad, eficiencia y producción de las mismas.

Para la elaboración y desarrollo del siguiente proyecto, se ha enfocado la investigación en la empresa

RYPSA, S.A. de C.V. especialmente en un proyecto que se tiene en puerta, el cual, consiste en la

fabricación de la pieza Intake Manifold; con ello se logró poner en marcha diversas técnicas y

metodologías de investigación con el fin de realizar una simulación virtual de la integración de esta

celda de manufactura a los procesos de la empresa y así, poder aventajar el análisis y estrategia a

emplear en el proyecto mediante técnicas innovadoras en la elaboración de dicha pieza, para

asegurar los alcances del proyecto y lograr optimizar sus recursos, cumplir con las necesidades de

sus clientes y sobre todo, agregar valor a sus procesos para permitir mantenerse como puntero en

el mercado y aventajar a sus principales competidores.

El fin de este documento, es demostrar que con una adecuada simulación virtual durante el proceso

de inyección para la pieza, es posible lograr saber con una precisión considerablemente aceptada,

la duración, eficiencia, tiempos de fabricación y los elementos que pueden conformar una sólida

celda de manufactura flexible, que cumpla con las necesidades para cubrir el proyecto en cuestión

y con la cual, sea posible estimar en cuanto a capacidades, producción y mejoras a presentar para

el proyecto, sin dejar de lado que con esta simulación, será probable evitar posibles errores y detalles

durante el proceso de inyección, ensamble e inspección de las piezas.

En base a la información recaudada y los resultados obtenidos del análisis (apoyado de herramientas

de software para simulación de ambientes virtuales) se presentará la propuesta mediante una

maqueta virtual simulando el proceso de inyección de la pieza dentro de la celda de manufactura

flexible, realizando el diseño de la misma celda y los elementos de las estaciones de trabajo que la

conforman; impulsando así el desarrollo del proyecto dando un enfoque claro de las ideas planteadas

durante esta tesina y por ende, otorgar a la empresa que nos abrió las puertas para desarrollar el

trabajo, el plus que se requiere en el mercado para presentar sus proyectos y asegurar la solidez de

los mismos para con sus cliente.

1

Capítulo I Marco Metodológico Durante este capítulo, se estipula el motivo por el cual se eligió este proyecto, se conocerá a fondo

la problemática que se tiene en la actualidad en RYPSA S.A De C.V, así como la justificación y

aplicación de la ingeniería industrial e informática en el proceso que se requiere integrar a la

empresa.

1.1 Planteamiento del Problema En la actualidad los componentes plásticos han abarcando el mercado automotriz. Estos han

desplazado del mercado a los materiales metálicos por polímeros inyectados, los cuales son menos

costosos y pueden ser producidos en masa sin necesidad de la intervención del hombre, es por esto,

que las empresas automotrices se ven en la necesidad de invertir cada vez más en este tipo de

autopartes.

Lamentablemente en México pocas son las empresas que cuentan con la certificación necesaria

para la manufactura en plástico según datos del Instituto Mexicano del Plástico Industrial (IMPI) y la

Canacintra.

De acuerdo con la Encuesta Mensual de la Industria Manufacturera, en enero de 2014 la fabricación

de productos de plástico en México creció 4.9% respecto al mismo mes de 2013. A pesar de ello, la

fabricación de artículos y partes de plástico para la industria automotriz cayó 10.7% respecto a enero

de 2013, con la fabricación de 27.7 millones de piezas. (Cantera, 2014).

Debido a esto RYPSA S.A DE C.V; empresa que inicialmente servía a la reconstrucción de equipo

pesado, como parte de sus proyectos y con la finalidad de involucrarse en el área automotriz y

aeroespacial ha decido invertir en la maquinaria necesaria para la fabricación de multi-componentes

plásticos necesarios para solventar los requerimientos de sus clientes, gracias al esfuerzo que

realizan desarrollando y evolucionando tecnológicamente. Esto los ha llevado a firmar convenios con

las principales empresas de transporte del país y con las principales aseguradoras de México.

En RYPSA S.A DE C.V, se desarrollan e innovan diferentes productos para la manufactura industrial,

uno de sus proyectos automotrices se ubica en la inyección de plástico, con la finalidad de crear una

pieza nueva solicitada por sus clientes nos enfocaremos en un producto que hoy en día no se

2

encuentra en el catálogo de RYPSA S.A DE C.V quienes han decidido nombrar la pieza en cuestión

como: Intake Manifold.

Sabiendo la complejidad que radica el llevar a cabo el montaje, movimiento y ensamblado de la celda

de manufactura para realizar el estudio de tiempo-ciclo que sustente la inversión del proyecto, surge

la necesidad de realizar el análisis y simulación virtual, previo a la culminación de dicho proyecto con

el uso de plataformas computacionales avanzadas, que ofrecen la posibilidad de estudiar el

comportamiento y las consecuencias de múltiples interacciones de los elementos de un sistema en

función del tiempo, llevando a cabo la simulación de integración virtual para dicho proceso.

1.2 Objetivo general Integración mediante innovación de procesos simulados para el análisis y evaluación virtual de celda

de manufactura en inyección de la pieza Intake Manifold.

1.3 Objetivos específicos

1. Integración mediante innovación de procesos simulados en planta para análisis y evaluación

virtual en celdas de manufactura de inyección de multi-componentes plásticos.

2. Modelado y simulación de interfaz virtual aplicada en celdas de manufactura de los mismos

componentes.

3. Desarrollo de identificación y análisis de parámetros cinemáticos/dinámicos en celda de

manufactura de inyección mediante plataformas avanzadas de ingeniería.

4. Administración de datos en ambientes virtuales para escalamiento en celda piloto de

manufactura para el análisis de tiempo ciclo del proceso de inyección de la pieza Intake

Manifold.

1.4 Justificación. Partiendo del giro que desempeña la empresa RYPSA S.A DE C.V S.A de C.V y al constante

crecimiento que hay en este, se ha apostado por la innovación en los procesos de inyección

enfocados a la industria automotriz y actualmente comenzar a incursionar en el mercado

aeroespacial, por lo tanto se ve en la necesidad de crecer a ritmos acelerados lo que provoca que

se evalúen nuevos productos para posteriormente asignarles una área en las instalaciones de

RYPSA S.A DE C.V S.A de C.V para la manufactura del producto en el centro tecnológico de la

empresa, llamado Tecnoaltec. Dicha innovación de proceso está orientada al desarrollo estratégico

3

de proyectos, pre-evaluados y orientados a un 99% de confiabilidad en relación al proceso real.

Tecnoaltec involucra personal altamente capacitado en sistemas de gestión virtual, que mediante

una sinergia de esfuerzos con Centros de Investigación (CI), Instituciones de Estudios Superiores,

(IES), Maestros y Doctores, potencializará la manufactura avanzada, integrando nuevos estudios de

frontera tecnológica en procesos de evaluación de planta.

RYPSA S.A DE C.V S. A de C.V, cree fuertemente en la manufactura de los polímeros gracias a

que: Los estudios demuestran que la tendencia actual del sector manufacturero plástico en México

está teniendo un constante desarrollo, lo que representó un incremento del 10% de la producción en

2013. Este factor requiere el desarrollo de nuevas tecnologías para la captación de nuevos negocios

y tiempos de respuestas eficientes en el desarrollo de procesos con las grandes empresas, lo que

permitirá el fortalecimiento del mercado nacional y la competitividad a nivel internacional. Ante las

necesidades del sector aeronáutico y automotriz de contar con proveedores que cuenten con

sistemas flexibles y dinámicos de manufactura, Tecnoaltec toma suma importancia al realizar análisis

complejos de producción en cortos periodos de tiempo, para generar así un dinamismo proveedor-

cliente. Previendo de información fáctica indispensable para el lanzamiento de nuevos componentes.

El empleo de sistemas computacionales de simulación virtual en los procesos de inyección de multi-

componentes permitirá una gestión estratégica que impacte en el desarrollo del proceso, en lo que

respecta a la reducción del 60% del tiempo de producción manufacturada en la captura de programa

y ajustes a pie de máquina, ya que permite la administración del proceso de manera simultánea; es

decir: al mismo tiempo que la maquina se encuentra operando bajo un ciclo de multi-inyección , se

puede diseñar y desarrollar otro ciclo operaciones en el ordenador. Por el alto contenido innovador

que se prevé, este sistema computacional avanzado significará para Tecnoaltec, una ventaja

competitiva muy importante. Es así, como se desarrollarán los modelos virtuales y simulación de los

equipos con los que se cuenta en Tecnoaltec, generando una base de datos que servirá como

herramienta visual para formar distintas configuraciones de maquinaria enfocada al proceso de multi-

inyección desarrollando una planificación y eficacia para acelerar la producción de prototipos. Uno

de los aspectos que más influyen durante el proceso de fabricación, es la falta de planeación de

actividades donde influyen más dos sistemas de manufactura. Sin embrago, el uso de plataformas

computacionales avanzadas ofrece la posibilidad de estudiar el comportamiento y las consecuencias

de múltiples interacciones de los elementos de un sistema en función del tiempo.

En RYPSA S.A de C.V, la participación de pasantes de la carrera de Ingeniería en Informática es

ampliar la perspectiva que se tiene en cuanto al conocimiento de computación, procesamiento,

control numérico, control de flujo e interpretación de datos que proporcione información acertada y

confiable con respecto a las etapas durante el proceso de fabricación de la pieza Intake Manifold,

4

bajo el manejo y administración de tecnologías de la información. Por otro lado, los pasantes en la

carrera de Ingeniería Industrial, aplicaran Sistemas Integrados de Manufactura, distribución de

planta, secuenciación de actividades de manufactura, tiempos y movimientos para la obtención de

tiempo ciclos; optimizando el orden de los materiales, herramientas y equipos para diseñar de forma

económica y eficiente los componentes que integran la celda de manufactura, dedicadas a la

fabricación de la pieza Intake Manifold.

Debido a las nuevas ideas de crear productos de plástico innovadores se realizara integración

tecnológica a en ambientes simples de colaboración para la manufactura avanzada, en las prácticas

de diseño y desarrollo de nuevos proyectos automotrices y aeroespaciales, ya que mediante un

ambiente de fabricación digital 3D por simulación de flujo en procesos, objeto-base y simulación de

eventos discretos, combinado con visualización de potencia y capacidades robustas de

importación/exportación de modelos, representan una fortaleza tecnológica en el campo de análisis

y simulación del flujo de proceso. Dado lo anterior, se evalúan y analizan los procesos de inyección

de multi-componentes integrados a celda de manufactura flexible como cadena de suministro.

1.5 Hipótesis

Al realizar el presente proyecto se buscará demostrar que, mediante la utilización de herramientas

virtuales, es posible analizar y evaluar el tiempo ciclo del proceso de inyección de plástico para la

fabricación de la pieza Intake Manifold, obtener un estimado real de la capacidad de producción y

detectar puntos de oportunidad y mejora al proceso.

1.6 Tipos de investigación

Investigación descriptiva: Se empleará esté tipo de investigación durante el análisis y

comprensión del método de trabajo empleado dentro del proceso de inyección de la pieza

Intake Manifold en RYPSA S.A DE C.V S. A de C.V, identificando los tiempos ciclos a

desempeñar además de la evaluación.

Investigación Correlacional: Partiendo del análisis obtenido por la investigación descriptiva

se genera una redistribución de planta, demostrando la relación directa que se tiene con la

forma más ordenada de los equipos y las áreas de trabajo para fabricar de la forma más

eficiente y económica la distribución actual de la planta. Esto apoyado con técnicas de

ingeniería para la mejor distribución de recursos.

5

1.7 Técnicas de Investigación a Emplear En el proyecto de investigación se utilizarán básicamente 2 técnicas: documental y de campo. A

continuación, se especifica para qué:

Documental: Para el desarrollo del proyecto de investigación se requiere de la consulta de

documentos bibliográficos, electrónicos, reportajes, casos de la industria e informes al

respecto del tema en cuestión.

Campo: Para la observación, recopilación de datos, elaboración de reportes, diagramas,

muestreos, gráficas, así como su interpretación en la aplicación de principios de ingeniería

de métodos y el estudio del trabajo; los cuales serán empleados para observar la

problemática planteada en este proyecto de investigación.

6

2 Capítulo II Marco Teórico Durante el marco teórico se plasma la teoría sobre los temas que influyen en la integración de la

celda de manufactura para llevar a cabo el proceso de inyección de la pieza Intake Manifold. Se

desarrollará temas como la automatización de procesos, SIM, celdas de manufactura, software de

simulación de proceso, entre otros.

2.1 Celdas de Manufactura Una celda de manufactura es la integración de sistemas de manufactura (manejo de materiales,

almacenamiento, ensamble robotizado, control numérico, inspección computarizada, etc.) totalmente

automatizados para la fabricación de uno o varios productos. Es una unidad pequeña, con una o

varias estaciones de trabajo, dentro de un sistema de manufactura. Una estación de trabajo suele

contener una maquina (celda de una maquina) o varias máquinas (Celda de grupos de máquinas),

y cada máquina efectúa una operación diferente en la pieza.

Las maquinas se suelen modificar, cambiar de herramienta y reagrupar para distintas líneas de

producto de la misma familia de piezas. Las celdas de manufactura son particularmente efectivas en

la producción de familia de piezas que tienen una demanda relativamente constante.

Se ha utilizado la manufactura celular principalmente en operaciones de máquina y de formado de

lámina metálica. Las máquinas herramientas que se usan con frecuencia en las celdas de

manufactura son tornos, fresa, taladros, rectificadoras, punzadoras, dobladoras y centros de

maquinado. Este equipo también puede estar formado por máquinas de propósito especial o de

máquinas con control numérico computarizado.

La manufactura celular tiene cierto grado de control automático para las siguientes operaciones:

Carga y descarga de materias primas y piezas en las estaciones de trabajo.

Cambio de herramientas en las estaciones de trabajo.

Calendarización y control de la operación total en la celda.

Un sistema de manejo de materiales ocupa el centro de estas actividades, para transferir materiales

y piezas entre las estaciones de trabajo. En celdas de maquinado atendidas, el operador puede

mover y transferir los materiales en forma manual, a menos que las piezas sean demasiado pesadas,

o los movimientos sean demasiado peligrosos, también puede hacer esta transferencia un robot

Industrial, localizado en una pieza central de la celda. El equipo automatizado de inspección y

pruebas también puede formar parte de esta celda.

7

Las características importantes de la manufactura celular son la economía de trabajo en proceso y

el hecho de que se detectan de forma inmediata los problemas de calidad, para alcanzar mejor

productividad. Además, por la diversidad de máquinas y procesos que intervienen, el operador se

hace multifuncional, y no está sujeto a la monotonía como cuando se trabaja en la misma máquina.

El resultado es mayor productividad, beneficio importante de este tipo de celdas. Otra ventaja de

importancia es el mejor tiempo y mano de obra para preparación, porque las piezas hechas en la

celda tienen cierto grado de similitud, (Kalpakjian, 2002).

Imagen 2.1 Celda de Manufactura. Fuente (Kalpakjian, 2002)

2.1.1 Diseño de Celdas de Manufactura Debido a las particularidades exclusivas de la celda de manufactura, su diseño e implementación en

las plantas tradicionales requieren la reorganización de la planta y el arreglo de las líneas de flujo de

producto existentes. Las maquinas pueden ser arregladas en una línea, en una “U” o en un “L”, o

bien en un circuito. Para una celda de grupo de máquinas (donde los materiales los maneja el

operador) el arreglo en “U” es adecuado y eficiente, porque el operador puede alcanzar diferentes

maquinas con facilidad. Con un manejo mecanizado de materiales, el arreglo lineal y en circuito son

los eficientes.

Para seleccionar el mejor arreglo de máquinas y equipo de manejo de materiales también se toman

en cuenta factores como la velocidad de producción, el tipo de producto y su forma, tamaño y peso,

(Kalpakjian, 2002).

8

2.1.2 Tipos de Celdas de Manufactura Las celdas de manufactura se clasifican de acuerdo a la cantidad de máquinas y nivel de

automatización. Las posibles son:

Maquina única: Tiene una máquina que se opera de forma manual. La celda también

incluirá soportes y habilitación de herramientas para permitir las variaciones de

características y tamaños dentro de la familia de partes que produce la celda.

Varias máquinas con manejo Manual: Tienen dos o más máquinas que se operan en forma

manual. Estas se distinguen por el método de manejo de partes de trabajo en la celda,

manual o mecanizado. El manejo manual significaría que los trabajadores mueven las partes

dentro de la celda, por lo general los operadores de máquinas.

Varias máquinas con manejo Mecanizado: Hace referencia a la transferencia de partes

de una maquina a la siguiente. Esto puede deberse al tamaño y al peso de las partes hechas

en la celda o simplemente para aumentar la velocidad de producción.

Celda Flexible de Manufactura: Las celdas flexibles de manufactura consisten en

máquinas automatizadas con manejo automatizado, (Kalpakjian, 2002).

Figura 2.2 Celdas de Manufactura Flexible (FMC). Fuente: (Kalpakjian, 2002)

9

2.1.3 Celdas de Manufactura Flexible Una Celda de Manufactura Flexible (FMC), es un conjunto de máquinas que unidas producen una

parte, sub-ensamble o producto. Una de las distinciones entre una celda y un sistema es la falta de

grandes manipuladores de material entre las máquinas de una celda. Las máquinas en una celda

están usualmente ubicadas de manera circular, muchas veces con un robot en el centro, el cual

mueve las partes de máquina en máquina.

El conjunto de máquinas en una celda se complementa para efectuar una actividad básicamente

relacionada, como mecanizado, taladrado, acabado superficial o inspección de una pieza. Un FMS

puede contener múltiples celdas, las cuales pueden realizar diferentes y variadas funciones en cada

celda o en una máquina o centro en particular.

En general, las celdas de manufactura flexible no están atendidas por humanos, por lo que su diseño

y operación deben de estar con mayor precisión que los de otras celdas. Son importantes la selección

de máquinas y robots, incluyendo los tipos y capacidades de efectores finales y de sus sistemas de

control, para tener un funcionamiento correcto de la celda de manufactura flexible. Se debe

considerar la probabilidad de un cambio apreciable en la demanda de la familia de piezas, durante

el diseño, para asegurarse de que el equipo implicado tenga la flexibilidad y la capacidad correcta.

Como con otros sistemas de manufactura el costo dela celda flexible es alto. La manufactura celular

suele requerir más maquinas herramientas y por consiguiente aumenta el costo de manufactura. Sin

embargo, esta desventaja queda compensada al incrementar la velocidad, flexibilidad y facilidad de

control de la manufactura. El mantenimiento adecuado de las herramientas y de la maquinaria es

esencial, al igual que la implementación de funcionamiento de las celdas en dos o en tres turnos,

(Kalpakjian, 2002).

Figura 2.3 Celda de Manufactura Flexible, Fuente: (Schmid. 2002)

10

Área de trabajo directo: Selección de máquinas que funcionarán sin operador,

minimización de tiempos de preparación y tiempo perdido.

Área de trabajo indirecto: Inspección, manejo y envíos.

Área de máquinas: Herramientas, enfriadores y lubricantes.

Área de manejo de materiales y papeleo: Movimientos de partes, programación de

trabajos, tiempos perdidos.

La simulación de celda de trabajo puede ser mejor aprovechada en la etapa de diseño de la celda,

con el fin de evitar nuevas revisiones y rediseños. La confianza que se logra en estas simulaciones

es alta. El proceso de la celda puede evaluarse tanto por integridad conceptual como por eficiencia.

Se pueden efectuar modificaciones importantes de muchas maneras con el fin de encontrar la

solución óptima. De todas las capacidades que debe poseer esta simulación, una de las importantes

es la de poseer un detector automático de colisiones. El solo hecho de tener esta característica hace

ser este programa de concepto una realidad tangible. Otra posibilidad importante es realizar

modificaciones a los programas en ambientes simulados, es decir, con el robot moviéndose, pero

sin las máquinas en su entorno, (Kalpakjian, 2002).

2.1.4 Elementos de una Celda Flexible de Manufactura Los tipos de máquinas en las celdas de trabajo dependen del tipo de producción. Para las

operaciones de maquinados, suelen consistir en varios centros de maquinado en tres a cinco ejes,

tornos, fresadoras, taladros y rectificadoras con control numérico computarizado.

Computadora Central. - Cualquier CMF requiere del uso de equipo de cómputo,

independientemente de la CMF que se utilice, lo que no cambia de uno a otro es el uso de la

computadora central, siempre debe haber una porque es la que controla al sistema completo

incluyendo máquinas de control numérico por computadora (CNC) y el sistema para el manejo y

transporte de materiales. Una CMF es tan eficiente y versátil como lo sea el software que lo controla,

así la flexibilidad total de la celda se basa en la capacidad del software del programa para coordinar

efectivamente a todos los elementos que integran dicho sistema, (Castillo, 2010).

Robots. - Uno de los elementos representativos de los actuales sistemas de producción lo

constituyen los robots industriales que cuentan con elevado grado de flexibilidad y adaptabilidad a

las variaciones del entorno. Estas características permiten que sean utilizados cada vez más en una

amplia gama de actividades. Se trata de los mecanismos que se encargan de abastecer de piezas a

las máquinas en un CMF para que éstas trabajen de forma continua y automática.

11

En una CMF, los robots trabajan conjuntamente con las máquinas NC o bien se utilizan directamente

para la mecanización de piezas. Para conseguir un desarrollo de 1a fabricación automática exento

de problemas los robots industriales precisan de sensores adecuados. Con su ayuda, se pueden

detectar y corregir inmediatamente situaciones problemáticas o de peligro evitar daños mayores o

paradas de la producción.

Sistemas para el transporte de materiales. - Por lo que se refiere a los elementos de transporte,

su objetivo es el transporte d piezas entre células y almacenes. Existen diversos dispositivos que se

pueden clasificar en dos grandes grupos: bandas transportadoras y vehículos automáticamente

guiad (AGV). Entre los primeros se encuentran las soluciones clásicas como las bandas

transportadoras, rodillos, dispositivos neumáticos, etc. Se trata, en general, de sistemas bastante

rígidos, aunque controlables, si se desea, por la computadora de transporte. Los segundos, por el

contrario, aportan un elevado grado de flexibilidad al sistema. Cuentan con caminos prefijados por

carriles, cable enterrado o marcas ópticas, que les permiten llevar a cabo la tarea encomendada;

bajo el control de la computadora que lleva el propio vehículo. Son vehículos autopropulsados

mediante un sistema de baterías situadas a bordo y motores de tracción controlados también por

una computadora abordo.

Banda Transportadora. - El transportador de banda consta de un órgano de tracción ejecutado en

forma de banda sin fin que es a la vez el elemento portador del transportador; de la estación tensora

con el tambor tensor extremo y un dispositivo tensor; de los rodillos de apoyo en los ramales de

trabajo y libres de la banda. (En muchos casos, en lugar de los rodillos de apoyo se utiliza un

revestimiento continuo de madera o metálico); del dispositivo cargador y del descargador; del tambor

inclinador y del dispositivo para limpiar la banda. Todos los elementos del transportador van

montados en el bastidor metálico.

Los transportadores de banda son los aparatos más difundidos que se emplean en distintas ramas

de la industria para desplazar diversas cargas por unidades y a granel. Los esquemas de los

transportadores son muy diversos ya que se determinan por la designación del transportador en el

proceso dado.

En los transportadores de banda se emplean distintos tipos de bandas: caucho con tejido de algodón,

sintéticas (de fibra sintética); de acero, totalmente laminadas o fabricadas de alambre, etc. La banda

transportadora debe reunir los siguientes requisitos: alta resistencia mecánica longitudinal,

flexibilidad en direcciones longitudinal (en tambores) y transversal (en rodillos), elevada resistencia

12

al desgaste, poca elasticidad y alta resistencia a la humedad. Las ventajas de las bandas

transportadoras son: poco peso propio, ausencia de articulaciones de rápido desgaste, posibilidad

de desplazar a la carga a grandes velocidades. Al mismo tiempo, las bandas de caucho con tejido

de algodón, se desgastan rápidamente al transportar los materiales calientes, abrasivos y de trozos

de gran tamaño.

Las bandas transportadoras están compuestas por dos partes esenciales: el conjunto de capas de

tejidos superpuestos, o carcasa, y la goma que lo recubre. Estas carcasas pueden estar formadas

por tejidos de fibra textil, como el algodón, rayón, nylon, poliéster, o por cables especiales de acero,

(Larrodé, 1996).

Consideraciones.

Tensión: Es una fuerza actuando a lo largo de la cinta, tendiendo a extenderla.

Troqué: Es el resultado de una fuerza que produce rotación alrededor de un eje.

Energía y trabajo: Están relacionados muy cercanamente debido a que ambos son

expresados en la misma unidad. El trabajo es el producto de una fuerza y la distancia a

recorrer. La energía es la capacidad de ejecutar un trabajo

Potencia: Es la relación entre la realización de un trabajo o transmisión de energía.

Características. Las bandas y rodillos transportadores poseen las siguientes herramientas y características para

poder funcionar óptimamente y con una buena eficiencia:

Estructura soportante: la estructura soportante de una cinta transportadora está compuesta

por perfiles tubulares o angulares, formando en algunos casos verdaderos puentes que se

fijan a su vez, en soportes o torres estructurales apernadas o soldadas en una base sólida.

Elementos deslizantes: son los elementos sobre los cuales se apoya la carga, ya sea en

forma directa o indirecta, perteneciendo a estos los siguientes;

Correa o banda: la correa o banda propiamente tal, que le da el nombre a éstos equipos,

tendrá una gran variedad de características, y su elección dependerá en gran parte del

material a transportar, velocidad, esfuerzo o tensión a la que sea sometida, capacidad de

carga a transportar, etc.

13

Polines: generalmente los transportadores que poseen éstos elementos incorporados a su

estructura básica de funcionamiento, son del tipo inerte, la carga se desliza sobre ellos

mediante un impulso ajeno a los polines y a ella misma.

Elementos motrices: el elemento motriz de mayor uso en los transportadores es el del tipo

eléctrico, variando sus características según la exigencia a la cual sea sometido. Además

del motor, las poleas, los engranajes, el motor reductor, son otros de los elementos que

componen el sistema motriz.

Elementos tensores: es el elemento que permitirá mantener la tensión en la correa o banda,

asegurando el buen funcionamiento del sistema.

Tambor motriz y de retorno: la función de los tambores es funcionar como poleas, las que

se ubicarán en el comienzo y fin de la cinta transportadora, para su selección se tomarán en

cuenta factores como: potencia, velocidad, ancho de banda, entre otros.

Los rodillos: son caminos preestablecidos, constituidos por una serie de bastidores

construidos a base de perfiles de acero que soportan en su parte superior a una serie de

rodillos que en función del tipo de cargas que han de soportar y del trabajo a realizar pueden

ser de acero o de plástico. Las cargas se pueden deslizar sobre ellos mediante la gravedad

(colocándolos con cierto grado de inclinación) o mediante motores eléctricos que accionen

los rodillos. Es un medio muy utilizado que puede ser usado en casi todos los tipos de

almacenes, sobre todo para transportar cargas pesadas por el almacén o para alimentar a

otras máquinas, (López, 2010).

2.2 Redes de Comunicación en la Manufactura Los primeros indicios de Ethernet, no eran del todo adecuados para las funciones de control

industrial, ya que fue desarrollado primeramente para entornos de tipo oficina. Sin embargo, la

tecnología Ethernet ha tenido rápidos avances realizados en los últimos años. Se ha ganado la

aceptación generalizada en la industria y se está convirtiendo en la tecnología de bus de campo

actualizada y con gran auge. Una indicación de esta tendencia es la exclusión de Ethernet como los

niveles 1 y 2 infraestructura para Modbus / TCP, IP, etc., (Schmid, 2002).

2.2.1 Modbus/TCP-IP Modbus TCP / IP (también Modbus-TCP) es el protocolo Modbus RTU con una interfaz TCP que se

ejecuta en Ethernet.

14

La estructura de mensajería Modbus es el protocolo de aplicación que define las reglas para

organizar e interpretar de manera independiente los datos del medio de transmisión utilizado.

TCP / IP se refiere al Protocolo de Control de Transmisión y Protocolo de Internet, que proporciona

el medio de transmisión para los mensajes Modbus TCP / IP.

En pocas palabras, IP permite a los bloques de datos binarios que se intercambiará el protocolo TCP

entre ordenadores. También es un estándar mundial que sirve como bases para la World Wide Web.

La función primaria de TCP es garantizar que todos los paquetes de datos se reciben correctamente,

mientras que IP se asegura que los mensajes se abordan y colocados correctamente. Se debe

considerar que TCP / IP como una combinación, no son más que un protocolo de transporte, y no

define lo que los datos significan o cómo los datos se han de interpretar (este es el trabajo del

protocolo de aplicación, Modbus en este caso).

Modbus TCP / IP utiliza TCP / IP y Ethernet para llevar los datos de la estructura del mensaje Modbus

entre dispositivos compatibles. Eso es, Modbus TCP / IP combina una red física (Ethernet), con una

red estándar (TCP / IP), y un método estándar de representación de datos (como Modbus el

protocolo de aplicación). En esencia, el mensaje Modbus TCP / IP es simplemente una comunicación

Modbus encapsulado en una red Ethernet TCP / IP utilizada como envoltura.

La unida de datos de aplicación de Modbus TCP/IP está integrado en el estándar de las tramas en

el protocolo TCP en el puerto 502, que está reservado específicamente para aplicaciones y

servidores Modbus, (McKay, 2004).

Figura 2.4 Mod-bus ADU. Fuente: (McKay & Wright, 2004).

15

Para mantener un alto grado de coordinación y eficiencia de operación en la manufactura integrada,

se requiere de una extensa red de comunicaciones, de alta velocidad e interactiva. Un gran avance

en la tecnología de comunicaciones es la red de área local (LAN- local area network). En sistemas

de componentes y programas, se comunican entre sí grupos lógicamente relacionados de máquinas

y equipo, como, por ejemplo, las de una celda de manufactura. Una red de área local enlaza a estos

grupos entre si y lleva las distintas fases de la manufactura hacia una operación unificada.

Una red LAN puede ser muy grande y complicada enlazando cientos o hasta miles de máquinas y

dispositivos en varios edificios. Se usan diferentes distribuciones de red, de cables de fibra óptica o

de cobre a distancias de algunos metros o distancias hasta 32km. Para mayores distancias se usan

las redes de cobertura amplia (WAN Wide Area Network).

Se pueden enlazar (o integrar) tipos distintos de redes mediante “compuertas” y “puentes”. El control

de acceso a la red es importante, porque de otro modo puede haber colisiones cuando varias

estaciones de trabajo transmiten de forma simultánea. Es esencial el examen o barrido continúo del

medio transmisor.

En la década de 1970, se desarrolló como Ethernet un sistema de sensor múltiple acceso con

detección de colisiones (CSMA-CD). Hoy lo usan la mayoría de estaciones de trabajo en la industria.

Ethernet se ha vuelto la norma en la industria. Otros métodos de acceso son las topologías de anillo

(token ring) y “bus” (token bus), donde un “token” (término empleado en la connotación en inglés) o

mensaje especial pasa de uno a otro dispositivo. Sólo se permite transmitir al dispositivo que tiene

el “token” mientras que todos los demás sólo lo reciben, (Schmid, 2002).

Figura 2.5 Topologías de Red. Fuente (Acroma, 2005)

16

2.3 Automatización Se define la automatización, por lo general, como el proceso de hacer que las maquinas sigan un

orden determinado de operaciones con poca o ninguna mano de obra, usando equipo y dispositivos

especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura. La automatización se logra

usando diversos dispositivos, sensores, actuadores, técnicas y equipos capaces de observar y

controlar todos los aspectos del proceso de manufactura, de tomar decisiones acerca de los cambios

que se deben hacer en la operación y de controlar todos los aspectos de esta. La automatización es

un concepto evolutivo, más que revolucionario. En las plantas manufactureras se ha implementado

bien en las siguientes áreas básicas de actividad:

Proceso de Manufactura. Las operaciones de maquinado, forjado, extrusión colado y

rectificado, son ejemplos característicos de procesos que se han automatizado

extensivamente.

Manejo de Materiales. Los materiales y las piezas en varias etapas de acabado se mueven

por la planta mediante equipo controlado por computadora, sin conducción humana.

Inspección. Las piezas son inspeccionadas automatizadas automáticamente para

comprobar su calidad. Precisión dimensional y acabado superficial, sea cuando se fabrican

(Inspección en proceso) o después de terminadas (inspección pos-proceso).

Ensamble. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan en forma automática

para formar sub-ensambles y, por último, el producto.

El término automatización se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que operan con

mínima, incluso sin intervención, del ser humano. Un sistema automatizado ajusta sus operaciones

en respuesta a cambios en las condiciones externas en tres etapas: mediación, evaluación y control.

La Real Academia de las Ciencias Físicas y Exactas define la automática como el conjunto de

métodos y procedimientos para la substitución del operario en tareas físicas y mentales previamente

programadas. De esta definición original, se desprende la definición de la automatización como la

aplicación de la automática al control de procesos industriales.

Por proceso, se entiende aquella parte del sistema en que, a partir de la entrada de material, energía

e información, se genera una transformación sujeta a perturbaciones del entorno, que da lugar a la

salida de material en forma de producto.

1. Los procesos industriales se conocen como procesos continuos, procesos discretos y

procesos batch.

17

2. Los procesos continuos se caracterizan por la salida del proceso en forma de flujo continuo

de material, como por ejemplo la purificación de agua o la generación de electricidad.

3. Los procesos discretos contemplan la salida del proceso en forma de unidades o número

finito de piezas, siendo el ejemplo más relevante la fabricación de automóviles.

Finalmente, los procesos batch son aquellos en los que la salida del proceso se lleva a cabo en

forma de cantidades o lotes de material, como por ejemplo la fabricación de productos farmacéuticos.

En concreto, al referirse a la automatización, es relevante centrarse en qué se va a producir, como

y cuando se fabricarán los productos, qué cantidad de producto debe fabricarse, así como especificar

el tiempo empleado y el lugar en que se llevarán a cabo dichas operaciones, (Pérez, 2005).

2.3.1 Tipos de Automatización Automatización Industrial. Se denomina automatización industrial al uso de sistemas o elementos

computarizados que permiten controlar el funcionamiento de maquinarias y procesos industriales,

sustituyendo así a operadores humanos.

Hay tres clases muy amplias de automatización industrial: automatización fija, automatización

programable y automatización flexible, las cuales se describen a continuación.

Automatización Fija. Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, por tanto, se puede justificar

económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto con

rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Un posible inconveniente de la automatización fija

es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado y su ciclo de vida.

En la automatización rígida, o automatización de posición fija, se diseñan las máquinas para producir

un artículo normalizado, como por ejemplo un monoblock, una válvula, un engrane o un husillo.

Aunque el tamaño del producto y los parámetros de procesamiento (como velocidad, avance y

profundidad del corte) se pueden cambiar, esas máquinas son especializadas y carecen de

flexibilidad. No se pueden modificar en grado apreciable, para procesar productos que tengan

distintas formas y dimensiones. Como esas máquinas son de diseño y construcción costosos, para

usarlas en forma económica se necesita producir en muy grandes cantidades.

18

Automatización Programable. Se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de

producción a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a las

variaciones de configuración del producto; esta adaptación se realiza por medio de un programa

(Software).

Automatización Flexible. Es la adecuada para un rango de producción medio. Estos sistemas poseen características de la

automatización fija y de la automatización programada. Los sistemas de automatización flexibles,

suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre sí por

sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una

computadora.

Sin duda, para producciones en gran escala con una alta repetitividad, las ventajas de la

automatización superan con creces a sus inconvenientes, pues permite lograr:

Una productividad de la mano de obra mucho mayor.

Una calidad superior y, sobre todo, consistente.

Un ciclo de fabricación corto.

Un notable incremento de la capacidad de producción.

Una significativa reducción de los inventarios, que no solo significa reducción del capital

inmovilizado sino también, un acrecentamiento de la rapidez de respuesta a los cambios de

la demanda.

Una simplificación de la gestión de materiales y productos.

La automatización de la planta productiva cuenta hoy con muchos elementos ya desarrollados y

puestos a punto en su tecnología básica, que permiten encarar su ejecución, si bien es de hacer

notar que deben ser adaptados a los requerimientos de cada caso en particular:

Los robots industriales.

Las máquinas herramientas de control numérico (NC) para módulos o células de fabricación.

Las máquinas herramientas de control numérico computarizado (CNC) organizadas en

estaciones o centros de trabajo.

Los sistemas automatizados para el manejo de los materiales: vehículos guiados por computadora,

sistemas automáticos de almacenamiento y manejo de materiales.

Los sistemas flexibles de fabricación, en general compuestos por varias estaciones de trabajo

informatizadas, con sistemas automáticos de manejo de materiales y con control computarizado

19

central. Según los casos, reciben los nombres de módulos, células, sistemas, líneas o grupos

flexibles de fabricación. Es de hacer notar que estos sistemas tienen gran difusión en la fabricación

de componentes y muy pocos se usan en operaciones de ensamblado y montaje.

La automatización de la ingeniería se refiere a todas las posibilidades de aplicación de la informática

a las tareas de la ingeniería:

1. El diseño asistido por ordenador (CAD).

2. La ingeniería asistida por ordenador (CAE).

3. La ingeniería automatizada de fabricación, o sistema de fabricación asistida por ordenador

(CAM).

La automatización de la planificación y el control de la producción se refieren al uso de sistemas

informatizados como el MRP (Manufacturing Resource Planning) que, sobre una base de datos

unificado, planificado y da resultados para todo el proceso de producción. La posibilidad de una

Automatización Integrada de la Fabricación (CIM), que basada el Justo a Tiempo, el Diseño de los

Productos para su fabricación, el Despliegue de la Función Calidad, etc., combine la ingeniería

automatizada de diseño, con la gestión automatizada de las operaciones, la fabricación asistida por

ordenador, un sistema inteligente de almacenes y sistemas de información y comunicación, incluso

con la intervención de sistemas expertos para la toma de decisiones y dispositivos de inteligencia

artificial (procesadores de lengua natural, control de robots y visión automática) para configurar una

fábrica manejada por un puñado de expertos, vacía de trabajadores, en una concepción entre

futurista y de ciencia ficción, pero también ominosa en sus proyecciones sociales, (Amoletto, 2007).

2.3.2 Sensores Para que haya una comunicación entre los componentes y recursos de la celda virtual se de tener

sensores que son los que transmiten la información en el flujo del procedimiento; en el cual se define

a continuación

Definición: un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (luz,

magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de dicha magnitud. Esto se realiza en tres fases:

Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en su salida una señal eléctrica

dependiente del valor de la variable física, (Pallás, 2003),

La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal, cuya salida es un

voltaje.

20

El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de salida, la cual pasa a

un conversor A/D, conectado a un PC. El convertidor A/D transforma la señal de tensión continua en

una señal discreta.

Para conseguir que el robot realice su tarea con la adecuada precisión es preciso que tenga

conocimiento tanto de su propio estado como del estado de su entorno. Dos tipos de sensores:

1.-Sensores Internos. - Sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot, que dan

información del estado del robot: fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las

articulaciones, (Pallás, 2003).

La información que la unidad de control del robot puede obtener sobre el estado de su estructura

mecánica es la relativa a su:

Posición.

Velocidad.

Aceleración.

2.-Sensores Externos. - Dan información del entorno del robot: alcance, proximidad, contacto,

fuerza, etc. Se utilizan para guiado de robots, para identificación y manipulación de objetos.

Objetivo: Proporcionar información sobre los objetos en el entorno del robot, (Pallás, 2003):

Presencia

Localización

Fuerza ejercida

Medio: sensores colocados en las superficies cercanas a los objetos

Sensores de proximidad

Detección de objetos próximos, antes del contacto para agarrar o evitar un objeto:

Sensores inductivos.

Sensores de efecto Hall.

Sensores capacitivos.

Sensores ultrasónicos.

Sensores ópticos.

2.3.3 PLC´s Con la llegada de los autómatas programables, los llamados PLC, la industria sufrió un impulso

importante, que ha facilitado de forma notable que los procesos de producción o control se hayan

flexibilizado mucho. PLC son las siglas en inglés de Controlador Lógico Programable (Programmable

Logic Controller), Sin embargo, la definición más apropiada sería: Sistema Industrial de Control

21

Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de instrucciones lógicas. La

estructura básica de un PLC es la siguiente, (Prieto, 2007):

Figura 2.6 Estructura base de un PLC. Fuente: (Prieto, 2007)

¿Qué es un PLC? El PLC es un dispositivo diseñado para controlar procesos secuenciales (una etapa después de la

otra) que se ejecutan en un ambiente industrial. Es decir, que van asociados a la maquinaria que

desarrolla procesos de producción y controlan su trabajo (Prieto, 2007).

El PLC es un sistema, porque contiene todo lo necesario para operar, y es industrial, por tener todos

los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles que se encuentran en la industria

realizando entre otras, las siguientes funciones:

Recoger datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y analógicas.

Tomar decisiones en base a criterios pre-programados.

Generar ciclos de tiempo.

Realizar cálculos matemáticos.

Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y digitales.

Comunicarse con otros sistemas externos.

Los PLC se distinguen de otros controladores automáticos, en que pueden ser programados para

controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros controladores (como por ejemplo un

programador o control de la llama de una caldera) que, solamente, pueden controlar un tipo

específico de aparato, (Prieto, 2013).

Además de poder ser programados, son automáticos, es decir son aparatos que comparan las

señales emitidas por la máquina controlada y toman decisiones en base a las instrucciones

programadas, para mantener estable la operación de dicha máquina; Puedes modificar las

instrucciones almacenadas en memoria, además de monitorizarlas, (Prieto, 2007)

22

Las ventajas de los PLC son las siguientes:

Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:

No es necesario dibujar el esquema de contactos y no es necesario simplificar las

ecuaciones lógicas ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento del módulo

de memoria es lo suficientemente grande como para almacenarlas.

La lista de materiales a emplear es más reducida y, al elaborar el presupuesto

correspondiente, se elimina parte del problema que supone el contar con diferentes

proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir aparatos.

Mínimo espacio de ocupación.

Menor costo de mano de obra de la instalación.

Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar

contactos móviles, los mismos autómatas pueden detectar e indicar posibles averías.

Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.

Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de

cableado.

Las desventajas de los PLC son las siguientes:

Hace falta un programador, lo que exige la preparación de los técnicos en su etapa de

formación.

La inversión inicial es mayor que en el caso de los relés, aunque ello es relativo en función

del proceso que se desea controlar. Dado que el PLC cubre de forma correcta un amplio

espectro de necesidades, desde los sistemas lógicos cableados hasta el microprocesador,

el diseñador debe conocer a fondo las prestaciones y limitaciones del PLC. Por tanto, aunque

el coste inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema,

conviene analizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada. (Prieto,

2007)

¿Cómo funciona el PLC?

Una vez que se pone en marcha, el procesador realiza una serie de tareas según el siguiente orden:

1. Al encender el procesador ejecuta un auto-chequeo de encendido y bloquea las salidas. A

continuación, si el chequeo ha resultado correcto, el PLC entra en el modo de operación

normal.

2. El siguiente paso lee el estado de las entradas y las almacena en una zona de la memoria

que se llama tabla de imagen de entradas (hablaremos de ella más adelante).

23

3. En base a su programa de control, el PLC actualiza una zona de la memoria llamada tabla

de imagen de salida.

4. A continuación, el procesador actualiza el estado de las salidas "copiando" hacia los módulos

de salida el estado de la tabla de imagen de salidas (de este modo se controla el estado de

los módulos de salida del PLC, relay, triacs, etc.).

5. Vuelve a ejecutar el paso 2.

6. Cada ciclo de ejecución se llama ciclo de barrido (scan), el cual normalmente se divide en:

7. Verificación de las entradas y salidas.

8. Ejecución del programa.

¿Cómo se clasifican los PLC? PLC Nano: Generalmente es un PLC de tipo compacto (es decir, que integra la fuente de

alimentación, la CPU y las entradas y salidas) que puede manejar un conjunto reducido de entradas

y salidas, generalmente en un número inferior a 100. Este PLC permite manejar entradas y salidas

digitales y algunos módulos especiales.

PLC Compacto: Estos PLC tienen incorporada la fuente de alimentación, su CPU y los módulos de

entrada y salida en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas entradas y salidas

hasta varios cientos (alrededor de 500 entradas y salidas), su tamaño es superior a los PLC tipo

Nano y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

o Entradas y salidas análogas.

o Módulos contadores rápidos.

o Módulos de comunicaciones.

o Interfaces de operador.

o Expansiones de entrada y salida.

PLC Modular: Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador

final. Estos son:

o El Rack.

o La fuente de alimentación.

o La CPU.

o Los módulos de entrada y salida.

De estos tipos de PLC existen desde los denominados Micro-PLC que soportan gran cantidad de

entradas y salida, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de entradas

y salidas, (Prieto, 2007).

24

Figura 2.7 Estructura de un Micro-PLC. Fuente: (Prieto, 2007)

Lenguajes de programación orientados a PLC. Son los lenguajes que operan con instrucciones que controlan cada bit de la CPU. Ejemplo de ello

son los lenguajes ensambladores y de máquina. No obstante, están muy limitados: Por ejemplo, con

estos lenguajes sólo se pueden sumar números de 8 o 16 bits. Para realizar una suma más compleja,

de números de más bits, es necesario descomponer el número en números sencillos, sumarlos uno

por uno guardando el arrastre de cada suma básica, para sumarlo con el siguiente número más

significativo y así sucesivamente.

El lenguaje de programación de un PLC permite la creación del programa que controlará su CPU.

Mediante este lenguaje el programador podrá comunicarse con el PLC y así confiarle un programa

para controlar las actividades que debe realizar el autómata. Dependiendo del lenguaje de

programación empleado, se podrá realizar un programa más o menos complejo.

Junto con el lenguaje de programación, todos los fabricantes de PLC suministran un software de

entorno para que el usuario pueda escribir sus programas de manera confortable. Este software es

normalmente gráfico y funciona en ordenadores personales con sistemas operativos habituales.

Los sistemas de programación más habituales para programar los PLC son:

Programación con diagrama de escalera.

Programación con bloques funcionales.

Programación con lógica booleana.

El más utilizado debido a la familiaridad con las operaciones realizadas, es el de Programación con

diagrama de Escalera (Ladder) que a continuación describimos.

25

La lógica de escalera es la forma convencional de describir paneles eléctricos y aparatos de control

lógico. El estado de cada dispositivo de salida se puede determinar solo examinando el elemento

precedente en el rango lógico. Todas las salidas, relojes y contadores se controlan por la lógica que

le precede en el rango lógico.

Una salida está activada (ON) cuando el elemento anterior presenta un estado de contacto activado

como salida. Ejemplos de ello son: Un motor en movimiento, un piloto iluminado o un solenoide

activado. Para que una salida reciba un estado activado (ON), la serie de elementos contacto

activado tiene que enlazar con la salida al eje lógico izquierdo. Tenemos un estado contacto activado

cuando un contacto normalmente abierto (NO) se cierra o bien un contacto que normalmente está

cerrado (NC) se desactiva o abre.

Un ejemplo es la apertura normal de un interruptor que ha sido activado para enviar energía a una

salida, como por ejemplo una lámpara. En el diagrama de escalera este tipo de elemento se

representa con un contacto normalmente abierto (NO).

Utilizando la lógica de escalera puedes escoger toda una serie de posibilidades para las salidas, que

pueden activarse o modificarse usando las estructuras AND y OR. Para programar un autómata

con LADDER, además de estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutación, es

necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje, (Prieto, 2007).

Símbolo Nombre Descripción

Contacto NA

Se activa cuando hay un uno lógico en el elemento que representa;

esto es, una entrada (para captar información del proceso a controlar),

una variable interna o un bit de sistema.

Bobina NC

Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da

un cero lógico. Su activación equivale a decir que tiene un cero lógico.

Su comportamiento es complementario al de la bobina NA.

Bobina SET

Una vez activa (puesta a 1) no se puede desactivar (puesta a 0) si no

es por su correspondiente bobina en RESET. Sirve para memorizar

bits y, usada junto con la bobina RESET, dan una enorme potencia

en la programación.

Bobina JUMP

Permite saltarse instrucciones del programa e ir directamente a la

etiqueta que se desee. Sirve para realizar subprogramas.

Tabla 2.1 Elementos básicos para Diagramas LADDER. Fuente: (Prieto, 2007)

26

Se suele indicar mediante los caracteres B o M y tienen tanto bobinas como contactos asociados a

las mismas de los tipos vistos en el punto anterior. Su número de identificación suele oscilar, en

general, entre 0 y 255. Su utilidad fundamental es la de almacenar información intermedia para

simplificar esquemas y programación.

Los bits de sistema son contactos que el propio autómata activa cuando conviene o cuando se dan

unas circunstancias determinadas. Existe una gran variedad, siendo los más importantes los de

arranque y los de reloj, que permiten que empiece la ejecución desde un sitio en concreto y formar

una base de tiempos respectivamente. Su nomenclatura es muy diversa, dependiendo siempre del

tipo de autómata y fabricante.

Temporizadores.

El temporizador es un elemento que permite poner cuentas de tiempo con el fin de activar bobinas

pasado un cierto tiempo desde la activación. El esquema básico de un temporizador varía de un

autómata a otro, pero siempre podemos encontrar una serie de señales fundamentales, aunque, eso

sí, con nomenclaturas totalmente distintas, (Prieto, 2007).

Figura 2.8 Diagrama de Temporizador. Fuente: (Prieto, 2007)

Podemos observar el esquema de un temporizador con dos entradas (E y C a la izquierda) y dos

salidas (D y R a la derecha) con las siguientes características:

Entrada “Enable” (E): Tiene que estar activa (a 1 lógico) en todo momento durante el intervalo de

tiempo, ya que si se desactiva (puesta a cero lógicos) se interrumpe la cuenta de tibia (puesta a cero

temporales).

Contadores.

El contador es un elemento capaz de llevar el cómputo de las activaciones de sus entradas, por lo

que resulta adecuado para memorizar sucesos que no tengan que ver con el tiempo pero que se

necesiten realizar un determinado número de veces.

27

Figura 2.9 Diagrama de Contador. Fuente: (Prieto, 2007)

En la figura, puede verse el esquema de un contador, Ci, bastante usual, donde pueden distinguirse

las siguientes entradas y salidas:

Entrada RESET (R): Permite poner a cero el contador cada vez que se activa. Se suele

utilizar al principio de la ejecución asignándole los bits de arranque, de modo que quede a

cero cada vez que se arranca el sistema.

Entrada PRESET (P). Permite poner la cuenta del contador a un valor determinado distinto

de cero, que previamente se ha programado en Cip.

Entrada UP (U): Cada vez que se activa produce un incremento en una unidad de la cuenta

que posea en ese momento el contador.

Entrada DOWN (D): Cada vez que se activa produce un decremento en una unidad de la

cuenta que posea en ese momento el contador.

Salida FULL (F): Se activa al producirse un desbordamiento del valor del contador contando

en sentido ascendente.

Salida DONE (D): Se activa cuando el valor del contador se iguala al valor preestablecido

Cip.

Salida EMPTY (E): Se activa al producirse un desbordamiento del valor del contador

contando en sentido descendente.

Monoestables.

El monoestable es un elemento capaz de mantener activada una salida durante el tiempo con el que

se haya programado, desactivándola automáticamente una vez concluido dicho tiempo. Una de sus

principales ventajas es su sencillez ya que sólo posee una entrada y una salida como podemos

observar en la siguiente figura.

Figura 2.10 Monoestable básico. Fuente (Prieto, 2007)

28

Entrada START (S): Cuando se activa o se le proporciona un impulso comienza la cuenta

que tiene programada.

Salida RUNNING (R): Se mantiene activada mientras dura la cuenta y se desactiva al

finalizarla. Al igual que con el temporizador, para programar la cuenta hay que introducir los

valores de Mip y Mib.

Una vez conocidos los elementos que LADDER proporciona para su programación, resulta

importante resaltar cómo se estructura un programa y cuál es el orden de ejecución.

El siguiente esquema representa la estructura general de la distribución de todo programa LADDER,

contactos a la izquierda y bobinas y otros elementos a la derecha, (Prieto, 2007).

Figura 2.11 Ejemplo de diagrama LADDER. Fuente: (Prieto, 2007)

Distribución de un Programa.

En cuanto a su equivalencia eléctrica, podemos imaginar que la línea vertical de la izquierda

representa el terminal de alimentación, mientras que la línea vertical de la derecha representa el

terminal de masa.

El orden de ejecución es generalmente de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, primero los

contactos y luego las bobinas, de manera que al llegar a éstas ya se conoce el valor de los contactos

y se activan si procede. El orden de ejecución puede variar de un autómata a otro, pero siempre se

respetará el orden de introducción del programa, de manera que se ejecuta lo que primero se

introduce, (Vera, 2012).

Sistemas Combinacionales. Aunque en los sistemas industriales la programación se centra en procesos secuenciales, no

teniendo demasiado interés los procesos combinacionales, es necesario conocer la lógica

combinacional ya que en muchas ocasiones es necesaria en la programación secuencial.

29

Una vez obtenida la función lógica de un problema combinacional, el paso a LADDER o esquema

de contactos es muy sencillo. De acuerdo con el álgebra de Boole aplicada a la conmutación, las

sumas serán contactos en paralelo, los productos contactos en serie y las negaciones contactos

normalmente cerrados, (Wikipedia, 2015).

Elementos de Memoria. La conexión tradicional para realizar una función de memoria en los circuitos con reguladores o

interruptores, es el circuito con auto-alimentación. Esto se consigue mediante la conexión de un

contacto NA del relé (o contacto) en paralelo con el pulsador de marcha, (Wikipedia, 2015).

Elementos de Tiempo. Como ya se ha comentado, los dos elementos básicos de tiempo son el temporizador y el

monoestable, (Wikipedia, 2015).

Sistemas Secuenciales o Elementos de Cómputo. Aunque es posible programar sistemas secuenciales en LADDER, sólo se suele utilizar para el

control de sistemas sencillos. En aquellos más complejos se utiliza la programación modular o

el GRAFCET. Para programar en Ladder se necesita un entorno de desarrollo integrado (IDE, por

sus siglas en inglés), que consiste en un software que normalmente corre en una computadora y

permite diseñar y transferir la lógica implementada al PLC (Controlador Lógico Programable).

Un ejemplo de software de programación Ladder es el entorno StxLadder, que permite implementar

la lógica Ladder y luego transferirla al PLC, (Prieto, 2007).

Gráfico Secuencial de Funciones (GRAFCET). El gráfico secuencial de funciones (SFC o Grafcet) es un lenguaje gráfico que proporciona una

representación en forma de diagrama de las secuencias del programa. Soporta selecciones

alternativas de secuencia y secuencias paralelas. Los elementos básicos son pasos y transiciones.

Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada

por las transiciones es conocida. Como consecuencia de que las aplicaciones industriales funcionan

en forma de pasos, el SFC es la forma lógica de especificar y programar el más alto nivel de un

programa para PLC, (Montejo, 2006).

30

2.3.4 Manufactura Integrada Por Computadora (CIM)

Se han ampliado los diversos niveles de automatización en las operaciones de manufactura,

incluyendo funciones de procesamiento de información y usando una extensa red de computadoras

interactivas. El resultado es la manufactura integrada por computadora, término amplio que describe

la integración computarizada de todos los aspectos de diseño, planeación, manufactura, distribución

y administración.

La manufactura integrada por computadora es una metodología y una meta, más que un ensamble

de equipo y computadoras. La tecnología para implementarla ya se comprende bien y es fácilmente

asequible. Ya que tensa la CIM debe implicar la operación total de una empresa, debe tener, sin

embargo, una extensa base de datos acerca de aspectos técnicos y comerciales de la operación.

Así, si todo se implementa de una vez, la manufactura integrada por computadora puede ser

excesivamente cara, especial para las empresas pequeñas y medianas.

La implementación de la CIM en las plantas actuales puede comenzar con módulos de diversas

fases de la operación. Para las plantas manufactureras nuevas, por otra pieza, es necesaria la

planeación estratégica detallada y a largo plazo, que cubra todas las fases de la operación, para

aprovechar todo el potencial de la CIM. Esas plantas deben tener en cuenta las siguientes

consideraciones:

Disponibilidad del recurso.

La misión, las metas y la cultura de la organización.

Las tecnologías existentes y emergentes

El nivel de integración deseado.

Los sistemas de manufactura integrada por computadora consisten en subsistemas que se integran

en un todo. Estos subsistemas son los siguientes:

Planeación y respaldo comercial.

Diseño del producto.

Planeación del proceso de manufactura.

Sistemas de monitoreo del taller.

Automatización del proceso.

La Manufactura Integrada por Computadora (CIM) abarca los diferentes pasos en el desarrollo de

productos y actividades de fabricación interrelacionando todas las funciones que se llevan a cabo

31

durante el proceso con ayuda de paquetería en software dedicado. Los datos requeridos para

diversas funciones se pasan de un software de aplicación a otro de manera transparente. Estos datos

tienen que ser transferido desde el software de modelado hacia el software de fabricación sin ninguna

pérdida de datos.

CIM utiliza una base de datos común donde las tecnologías y la comunicación se unen para integrar

el diseño, fabricación y funciones de negocios asociados que combinan los segmentos

automatizados de una fábrica o de una planta de manufactura. CIM reduce el componente humano

dentro de la fabricación y por lo tanto maximiza el tiempo del proceso para un cualquier componente

costoso y propenso a errores. CIM representa el enfoque metodológico de las actividades de la

empresa de fabricación con el fin de lograr mejorar el sistema. Este enfoque metodológico se aplica

a todas las actividades desde el diseño del producto hasta la atención al cliente de una manera

integrada, utilizando diversos métodos, medios y técnicas en función de lograr la mejora de la

producción, reducción de costos, entrega de pedidos en tiempo, mejora de la calidad y la flexibilidad

total en el sistema de fabricación, (Desarrollado por docentes e investigadores del departamento de

procesamiento de datos de la facultad de ciencias económicas de la universidad nacional de

Córdoba, 2008).

El CIM se basa en los siguientes soportes:

Sistemas CAD/CAM.

Ingeniería asistida por computadora: CAE.

Planeación de recursos de la empresa: ERP.

Planeación de procesos auxiliada por computadora: CAPP.

Control de calidad asistida por computadora: CAQ.

Sistema de manejo de materiales: MRP.

Reducción en costos de diseño 15 - 30 %

Reducción en tiempo perdido 30 - 60 %

Incremento de la calidad del producto 2 - 5 veces el nivel anterior

Incremento en el aprovechamiento de los ingenieros respecto de la extensión y profundidad de sus análisis 3 - 35 veces

Incremento de la productividad de las operaciones de producción 40 - 70 %

Incremento de la productividad de las máquinas 2 - 3 veces

Reducción de trabajo en el proceso 30 - 60 %

Reducción de los costos de personal 5 - 20 %

Tabla 2.2 Beneficios de CIM. Fuente: (Chande, 2008.)

32

El CAD (Computer Aided Design), o diseño asistido por computador, permite al diseñador crear

imágenes de partes, circuitos integrados, ensamblajes y modelos de prácticamente todo lo que se le

ocurra en una estación gráfica conectada a un computador Estas imágenes se transforman en la

base de un nuevo diseño, o en la modificación de uno previamente existente. A éstas se le asignan

propiedades geométricas, cinéticas, del material entre otras, mejorando así el diseño sobre papel.

Se logra así una mayor velocidad en el diseño, al existir la posibilidad de corregir, encargándose el

computador de recalcular el dibujo. Existen sistemas CAD especiales para aplicaciones mecánicas,

electrónicas y de arquitectura, los cuales permiten una mejor interrelación con sus respectivos

sistemas CAE.

El CAE (Computer Aided Engineering), o ingeniería asistida por computador, es la tecnología que

analiza un diseño y simula su operación para determinar su apego a las condiciones de diseño y sus

capacidades. Hoy en día, CAE es casi dos tecnologías separadas: una es la aplicada a la mecánica

y otra a la electrónica. Ambas realizan extensos análisis respecto de las leyes físicas, así como de

los estándares de la industria. El CAE mecánico, en particular, incluye un análisis por elementos

finitos para evaluar las características estructurales de una parte y programas avanzados de

cinemática para estudiar los complejos movimientos de algunos mecanismos. El CAE electrónico,

asimismo, permite verificar los diseños antes de fabricarlos, simular su uso y otros análisis técnicos

para evitar perder tiempo y dinero.

El CAPP (Computer Aided Process Planning), o planificación de procesos asistida por computador,

es un sistema experto que captura las capacidades de un ambiente manufacturero específico y

principios manufactureros ingenieriles, con el fin de crear un plan para la manufactura física de una

pieza previamente diseñada. Este plan especifica la maquinaria que se ocupará en la producción de

la pieza, la secuencia de operaciones a realizar, las herramientas, velocidades de corte y avances,

y cualquier otro dato necesario para llevar la pieza del diseño al producto terminado.

Para usar el CAPP más efectivamente en un entorno CIM, el diseño debería provenir

electrónicamente de un ambiente CAD. Debido a que el CAPP determina cómo una pieza va a ser

hecha, aporta en gran medida a la optimización del proceso y a la disminución de los costos, si tiene

oportunidad de manejar los procesos de más de un diseño. El CAPP tiene dos tipos básicos: la

variante y el generativo. La variante es el más comúnmente usado y desarrolla un plan modificando

un plan previamente existente, eligiendo éste usando criterios de tecnología de grupos y de

clasificación. El generativo incorpora el concepto de inteligencia artificial, usando sus conocimientos

sobre las capacidades de la planta. Basado en la descripción de la pieza (geometría y material) y

sus especificaciones, el computador elige el método óptimo para producir la pieza y genera

automáticamente el plan, (Groover 1997).

33

Software de simulación

Existen diferentes programas para llevar a cabo una simulación por computadora, todos ellos llevan

a cabo la innovación de productos debido al entorno amigable de diseño con el que cuentan, así

como la funcionalidad para la fabricación digital, que amplían la visualización de los productos y

proporcionan la capacidad de simular los procesos de fabricación incluso antes de que existan las

plantas y líneas de producción físicas. Las aplicaciones de fabricación digital se pueden representar

de forma ergonómica, mecanizada y planificada, así como simulando sus recursos de robótica que

conllevan para la producción, (Groover 1997).

2.4 Procesos en una Celda de Manufactura La inyección, es un proceso adecuado para piezas de gran consumo. La materia prima se puede

transformar en un producto acabado en un solo paso. Con la inyección se pueden obtener piezas de

variado peso y con geometrías complicadas. Para la economía del proceso es decisivo el número

de piezas por unidad de tiempo (producción), (Group Plastic Technology SAC, 2013).

2.4.1 Proceso de Inyección Las características más importantes del proceso de inyección son las siguientes:

La pieza se obtiene en una sola etapa.

Se necesita poco o ningún trabajo final sobre la pieza obtenida.

El proceso es totalmente automatizable.

Las condiciones de fabricación son fácilmente reproducibles.

Las piezas acabadas son de una gran calidad, (Group Plastic Technology SAC, 2013).

Moldeo por Inyección Es un proceso en el que un polímero se calienta hasta un estado altamente plástico y se hace fluir

bajo alto presión dentro de la cavidad de un molde donde solidifica. La parte moldeada, llamada

moldeo, se remueve entonces de la cavidad. El proceso produce componentes separados o discretos

que son casi siempre formas netas. La duración del ciclo típico de producción es de 10 a 30

segundos, aunque son raros los ciclos de un minuto o mayores. El molde, también puede tener más

de una cavidad de manera que se pueden producir múltiples piezas moldeadas en cada ciclo.

El moldeo por inyección consiste básicamente en fundir un material plástico en condiciones

adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde, donde se enfría hasta una

34

temperatura a la que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse. El gran desarrollo que las

máquinas de inyección han desarrollado en los últimos años, ha sido influenciado no solo por el

creciente número de materiales y tipo de los mismos disponibles, sino también por la demanda

creciente de artículos de plástico. Muchos de los materiales corrientes PS, PA, PVC, PMMA, etc.; se

desarrollaron en la década de los años 30. El moldeo por inyección se aplica normalmente a resinas

termoplásticas si bien, con ciertas modificaciones, se puede aplicar a materiales termoestables y a

elastómeros sintéticos.

El moldeo por inyección puede producir formas intrincadas y complejas, la limitación es la capacidad

de fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza; además, el molde debe

propiciar la remoción de la pieza. Los tamaños pueden variar de unas pocas onzas hasta cincuenta

libras, el límite superior está representado por componentes como puertas de refrigerador y defensas

de automóviles. El molde de inyección es la herramienta especial que determina la forma y el tamaño

de la pieza, (Groover, 1997).

Molde El molde es la herramienta especial del moldeo por inyección, se diseña y fabrica a la medida de la

pieza a producir. Cuando termina la corrida de producción de la parte, el molde se reemplaza por

otro nuevo para la parte siguiente.

Molde de dos placas: Consiste en dos mitades sujetas a dos placas de la unidad de sujeción de la

máquina. La característica más obvia del molde es la cavidad, a la cual se le da forma generalmente

por remoción del metal del par de superficies. Los moldes pueden contener una sola cavidad o

múltiples de ellas para producir más de una pieza en cada ciclo.

Además de la cavidad, otras características del molde tienen funciones indispensables durante el

ciclo de moldeo. El molde debe tener un canal distribuidor por donde fluye el polímero fundido, de la

boquilla del cilindro a la cavidad del molde. El canal distribuidor, consiste en un surtidor o bebedero

que conduce el plástico de la boquilla al molde. Canales de alimentación, los cuales conducen del

surtidor a la cavidad y puertas que restringen el flujo del plástico a la cavidad. Hay una o más puertas

para cada cavidad en el molde. Se necesita un sistema de eyección para expulsar la cavidad las

partes moldeadas al final del ciclo. Los pernos inyectores o de expulsión, construidos generalmente

en la parte móvil del molde, cumplen con esta función. La cavidad se divide entre las dos mitades

del molde, de manera que la contracción natural del molde haga que la parte que se pega a la mitad

móvil. Cuando se abre el molde, los pernos eyectores empujan la parte fuera de la cavidad.

35

Se requiere un sistema de enfriado para el molde. Este consiste en una bomba externa conectada a

los pasajes de circulación de agua a través del molde para remover el calor del plástico caliente.

También se debe evaluar el aire de la cavidad del molde al entrar al polímero. A través de los

pequeños pernos eyectores de molde pasa una gran cantidad de aire. Con frecuencia, se maquinan

delgadas ventilas de aire en la superficie de separación del molde, de solamente 0.001 pulgadas de

profundidad y de 0.5 a 1.0 pulgadas de ancho, estos canales permiten que escape el aire al exterior,

pero son demasiado pequeños para que la fusión viscosa del polímero fluya a través de ellos,

(Facultad de Ciencias y Tecnologias, 2001).

Figura 2.12 Molde de tres placas. Fuente: (Facultad de Ciencias y Tecnologías, Moldeo por Inyección, 2001) Molde con Colada Caliente El proceso de cámara caliente involucra el uso de un pistón, que atrapa un cierto volumen de metal

fundido y lo obliga a pasar a la cavidad de la matriz de vaciado a través de un cuello de cisne y una

tobera.

Las presiones de inyecciones son de hasta 35MPa (500psi), con un promedio de aproximadamente

15Mpa (2000psi). El metal se mantiene a presión hasta que solidifica en matriz e vaciado. Para

mejorar la vida de la matriz y ayudar con un rápido enfriamiento del metal (reduciendo por tanto el

tiempo del ciclo de colada), las matrices de vaciado usualmente son enfriadas por agua o aceite en

circulación a través de varios canales en el interior de la matriz colada.

Los tiempos del ciclo van desde 200 a 300 inyecciones (individuales) por hora para el zinc, aunque

componentes muy pequeños como los dientes de cierres de cremallera se pueden fundir a una

36

velocidad de 18000 inyecciones por hora. Mediante este proceso usualmente se funden aleaciones

de bajo punto de fusión como las de zinc, magnesio, estaño y plomo, (Groover, 1997).

Molde con Colada Fría En el proceso de cámara fría, el metal fundido se vacía en el cilindro de inyección. La cámara de

inyección no es calentada, de ahí el termino cámara fría. El metal fundió es forzado en la cavidad de

la matriz de vaciado a presiones en un rango usualmente de 20 MPa 70 MPa (3 Kg a 10 ksi), aunque

puede ser tan altas como 150 MPa (20ksi). Las maquinas pueden ser horizontales o verticales o

vertical, en cuyo caso la cámara de inyección es vertical y la maquina es similar a una prensa vertical.

Las aleaciones de alto punto de fusión como las de aluminio, magnesio y cobre normalmente se

funden utilizando este método, aunque también otros metales se pueden colar de esta manera. Las

temperaturas del metal fundido van desde los 600°C (1150°f) para el aluminio y ciertas aleaciones

de magnesio, y aumentan de manera considerable para alecciones de cobre y hierro, (Groover,

1997).

Máquinas de Moldeo por Inyección El equipo para le moldeo por inyección evolucionó a partir de la fundición de metales. Una máquina

de moldeo por inyección consiste en dos componentes principales: 1) La unidad de inyección de

plásticos y 2) La unidad sujetadora del molde. La unidad de inyección se parece mucho a un extrusor.

El sistema está formado por un cilindro conectado, en uno de sus extremos, a una tolva de

alimentación que contiene una provisión de pelets de plástico. Dentro del cilindro hay un tornillo cuya

operación supera a la del tornillo de extrusión en el sentido de que además de girar y calentar el

polímero, también actúa como un émbolo que mueve rápidamente el plástico fundido hacia adelante

para inyectarlo en el molde.

Una válvula de no retorno, montada cerca de la punta del tornillo, previene que la fusión fluya hacia

atrás a lo largo de la rosca de tornillo. Al final del ciclo de moldeo el émbolo lo vuelve a su posición

original. Debido a esta acción dual se le llama tornillo reciproco, cuyo nombre identificará el nombre

de máquina. Las máquinas antiguas de moldeo por inyección usaban un émbolo simple, pero

actualmente la superioridad del tornillo reciproco, ha llevado a extender su utilización en las plantas

de moldeo.

37

Para resumir, las funciones de la unidad de inyección, son fundir y homogenizar el polímero, así

como inyectar la fusión a la cavidad del molde, donde se trasladará por todos los conductos y

reposará hasta enfriarse. (Groover, 1997).

Máquina de Émbolo (o Pistón) Como su propio nombre indica, la máquina de émbolo se sirve de un émbolo para forzar el paso del

polímero fundido al interior del molde. Un sistema de pre-plastificación previa, basado en un tornillo

extrusor, puede emplearse para mejorar la mezcla y preparación del polímero fundido. La máquina

de émbolo fue la primera en ser desarrollada y la tendencia es a que este tipo de máquinas sean

sustituidas por la máquina de tornillo recíproco, pero todavía existen algunas en la actualidad. Los

últimos avances en la máquina están encaminados hacia sistemas de control mediante programas

informáticos para intentar controlar las principales variables que intervienen en el proceso: presión,

temperatura y tiempos de inyección, (Schmid, 2002).

Su funcionamiento es el siguiente: Una cantidad predeterminada del material a moldear cae del

dispositivo de almacenamiento en la camisa. A continuación, el émbolo transporta el material a lo

largo de la camisa donde es calentado por conducción por medio de los calentadores externos. El

material plastificado bajo presión es forzado a pasar a través de la lanza hacia la cavidad del molde.

Figura 2.13 Esquema de una máquina de molde por inyección con pistón. Fuente: (Universidad de Oviedo, 2009)

Máquina de Tornillo Recíproco En este tipo de máquina se utiliza un tornillo de extrusión tanto para fundir y manejar el polímero

fundido, como para inyectarlo en el interior del molde. El tornillo tiene un movimiento de vaivén, como

si fuera un pistón, dentro de la camisa durante la parte de inyección del ciclo de producción. Se utiliza

para procesar tanto termoplásticos como termoestables.

38

Durante la fase de plastificación, el extremo de salida está sellado por una válvula, y el tornillo

acumula una reserva, o “carga” de material fundido frente a él, al moverse hacia atrás en contra del

frente de presión. Cuando se completa esta etapa, abre la válvula de sellado, el tornillo detiene su

giro y se le aplica presión que lo convierte en un empujador mecánico o pistón que impulsa el material

fundido acumulado, a través de la boquilla que conecta con el molde, que se encuentra en la unidad

de cierre. Esta es la etapa de inyección del proceso:

Figura 2.14 Esquema de máquina de Tornillo Recíproco Figura 2.13 Esquema de una máquina de molde por inyección con

pistón. Fuente: (Universidad de Oviedo, 2009).

Modela varios procesos y sus interacciones, y ayuda a los planeadores de procesos y diseñadores

de planta a distribuir maquinaria e instalaciones.

Se han modelado procesos individuales usando diversos esquemas matemáticos. Cada vez se ha

ampliado el análisis de elementos finitos en paquetes de programas (simulación del proceso)

asequibles en el comercio, y poco costosos. Entre los problemas característicos que se atacan están

la viabilidad del proceso (por ejemplo, la factibilidad de conformar lámina metálica en cierto dado) y

la optimización de proceso (por ejemplo, la fluencia del material para determinado dado, con el fin

de identificar defectos potenciales, o diseñar moldes en fundición para eliminar puntos calientes, con

el objeto de promover el enfriamiento uniforme y para minimizar defectos).

La simulación de todo un sistema de manufactura que implique varios procesos y equipos ayuda a

los ingenieros de planta a organizar la maquinaria e identificar elementos críticos de ella. Además,

esos modelos pueden ayudar a los ingenieros de manufactura, con la calendarización y

determinación de rutas mediante simulación de eventos discretos. Los paquetes comerciales de

programa se usan con frecuencia para estas simulaciones, pero no es raro tener paquetes dedicados

de programas, escritos para determinada empresa, (Groover, 1997).

39

2.4.2 Ensamble La función básica de proceso de ensamble, (montaje) es unir dos o más partes entre sí para formar

un conjunto o subconjunto completo. La unión de las partes se puede lograr con soldadura de arco

o de gas, soldadura blanda o dura o con el uso de sujetadores mecánicos o de adhesivos, (Oscar,

2015).

Poka Yoke El Poka Yoke es un dispositivo a prueba de tontos o técnica que asegura la producción de unidades

buenas todo el tiempo. Estos dispositivos especiales evitan errores y proporcionan retroalimentación

sobre los problemas. Un ejemplo sencillo de un mecanismo Poka Yoke es la pistola de la bomba de

gasolina con plomo que no entra en la boca del tanque de gasolina "sin plomo" de su coche. La idea

de la inspección de la fuente y Poka Yoke es asegurar la entrega de 100% de productos o servicios

buenos en cada paso del proceso, (Heizel, 2004).

Pretende evitar los errores de forma simple y sencilla. No quiere defectos. La mayoría de los defectos

tienen un culpable: el hombre, aunque el hombre, trabaja con otros operarios, con máquinas y

herramientas, y es en ese punto de relación, donde se pueden reducir el número de fallas, se pueden

evitar errores, y se puede lograr “cero defectos”.

El diseño de un sistema “anti-errores” es un proceso que requiere la invención de una actividad, un

movimiento, un sensor, o el rediseño del proceso o producto. Aunque en ocasiones, solo usando el

sentido común se logran evitar errores. El secreto es ver las cosas lo más sencillo que se pueda, por

ejemplo, la conexión eléctrica de una impresora hogareña, el chip del teléfono celular, se diseñaron

para evitar conectarlo incorrectamente y con el 100% de efectividad. Estos beneficios aportan un

ahorro de costos debidos a errores evitables y aumentan la productividad y la seguridad de realizarlo

satisfactoriamente; que repercute directamente en términos de calidad.

Un sistema anti-errores posee dos funciones: una es hacer la inspección del 100% de las partes

producidas y la segunda, es detectar si ocurren anormalidades, en caso de ocurrir, se da

retroalimentación y acción correctiva. Es decir, controlar mediante la corrección de dicho proceso

para que todo salga dentro de los límites esperados.

40

Figura 2.15 Detección de Errores con Poka-Yoke Fuente: (Heizel, 2004)

Clasificación

1. Métodos de contacto: Son métodos donde un dispositivo sensitivo detecta las

anormalidades en el acabado, forma o las dimensiones de la pieza; donde puede o no haber

contacto entre el dispositivo y el producto. Es muy utilizado en los ensambles.

2. Método de valor fijo: Con este método, las anormalidades son detectadas por medio de la

inspección de un número específico de movimientos. Y en casos donde las operaciones

deben de repetirse un número predeterminado de veces. Es decir, cuando un número fijo de

operaciones debe ser realizado en una estación de proceso.

3. Método del paso-movimiento: Este método se utiliza para determinar si un movimiento o

etapa en el proceso se ha realizado en el tiempo esperado. Estos son métodos donde las

anormalidades son detectadas, inspeccionando los errores en movimientos estándares

donde las operaciones son realizados con predeterminadamente. Estos métodos son

opciones que sirven para evitar o alertar sobre los errores mecánicamente, (Heizel, 2004).

2.4.3 Paletizado El paletizado o paletización es la acción y efecto de disponer mercancía sobre un palé para su

almacenaje y transporte. Las cargas se paletízan para conseguir uniformidad y facilidad de

manipulación; así se ahorra espacio y se rentabiliza el tiempo de carga, descarga y manipulación.

Se puede paletizar casi cualquier tipo de mercancía; encima de los palés se suelen colocar cajas y

otros embalajes agrupados de forma que se aproveche el espacio del palé y que la carga se

mantenga estable. En sustitución del palé, existen también las hojas deslizables (también conocidas

como “slip sheets”), que pueden ser de cartón o plástico. Para poder colocar las estibas una encima

de la otra usando estas hojas, hay que instalar en los montacargas un aparato especial que tiene

por nombre “push and pull”, (Wikipedia, 2012).

41

2.4.4 Sistema de Visión Las funciones básicas de los sistemas de visión residen en las computadoras y los programas que

implementan la inteligencia artificial complementándose con cámaras y sensores ópticos. Dichos

sistemas, ejecutan operaciones con fines de inspección, clasificación y guía de piezas o bien,

operaciones que, de otra manera, requerirían la intervención humana (Schmid, 2002).

Figura 2.16 Sistema Experto Aplicado a un Robot Industrial Fuente: (Schmid ,2002)

Entre las aplicaciones de la visión por computadora, se mencionan las siguientes áreas: procesos

industriales, percepción remota, robótica y diagnóstico.

Dentro de las aplicaciones en los procesos industriales cabe hacer una distinción entre dos grupos

diferenciados: las de control de calidad de productos fabricados y las de control e inspección de los

propios procesos de fabricación. En cualquier caso, los objetivos que se pretenden cubrir en las

aplicaciones industriales son básicamente los siguientes: mejora de la calidad de inspección, mejora

en la cantidad de productos y procesos inspeccionados, sustitución de operarios con el fin de tener

resultados fiables en las mismas (Somolinos, 2002).

2.5 Análisis de Información Las tecnologías de la información han experimentado crecimientos espectaculares, a un ritmo en el

que la potencia de la informática crece exponencialmente todos los años. A este crecimiento natural

de la informática le ha acompañado el de la información, cuyos volúmenes está haciendo que sea

indescifrable por sí sola. Esto ha obligado a los especialistas de esta rama a recurrir a sistemas de

análisis para sacar su máximo valor.

42

Con el avance en la industria automatizada y los esfuerzos por incrementar la productividad, llevan

a unir esfuerzos para la construcción de celdas de manufactura y sistemas de manufactura flexible

(SMF), para tener una evaluación certera de la información necesaria para el proceso se ocupará el

análisis de la información con la siguiente las herramientas y técnicas cualitativas y no cuantitativas

como la recolección de datos, lluvia/tormenta de ideas, diagrama de Ishikawa, diagrama de flujo,

diagrama analítico, tiempos y movimientos, distribución de planta de un FMS (Sarduy, 2007).

2.5.1 Recolección de datos La recolección de datos se refiere al uso de una gran diversidad de técnicas y herramientas que

pueden ser utilizadas por el analista para desarrollar los sistemas de información, los cuales pueden

ser la entrevistas, la encuesta, el cuestionario, la observación, el diagrama de flujo y el diccionario

de datos. Todos estos instrumentos se aplicarán en un momento en particular, con la finalidad de

buscar información que será útil a una investigación en común. En la presente investigación trata

con detalle los pasos que se debe seguir en el proceso de recolección de datos, con las técnicas ya

antes nombradas, (Avilez, 2010).

2.5.2 Tormenta de ideas La lluvia de ideas, también denominada tormenta de ideas, es una herramienta de trabajo grupal que

facilita el surgimiento de nuevas ideas sobre un tema o problema determinado. La lluvia de ideas es

una técnica de grupo para generar ideas originales en un ambiente relajado.

Esta herramienta fue ideada en el año 1938 por Alex Faickney Osborn (fue denominada

brainstorming), cuando su búsqueda de ideas creativas resultó en un proceso interactivo de grupo

no estructurado que generaba más y mejores ideas que las que los individuos podían producir

trabajando de forma independiente; dando oportunidad de hacer sugerencias sobre un determinado

asunto y aprovechando la capacidad creativa de los participantes.

Numerosos estudios recientes demuestran justamente lo contrario, que individualmente se generan

más ideas que en grupo, por lo que la utilidad de esta técnica está en entredicho, (Wikipedia, 2015).

2.5.3 Diagrama causa-efecto El diagrama de Ishikawa, también llamado diagrama de espina de pescado, diagrama de causa-

efecto, diagrama de Grand o diagrama causal, se trata de un diagrama que por su estructura ha

venido a llamarse también: diagrama de espina de pez, que consiste en una representación gráfica

43

sencilla en la que puede verse de manera relacional una especie de espina central, que es una línea

en el plano horizontal, representando el problema a analizar, que se escribe a su derecha. Es una

de las diversas herramientas surgidas a lo largo del siglo XX en ámbitos de la industria y

posteriormente en el de los servicios, para facilitar el análisis de problemas y sus soluciones en

esferas como lo son; calidad de los procesos, los productos y servicios. Fue concebido por el

licenciado en química japonés Dr.Kaoru Ishikawa en el año 1943.

El problema analizado puede provenir de diversos ámbitos como la salud, calidad de productos y

servicios, fenómenos sociales, organización, etc. A este eje horizontal van llegando líneas oblicuas

que representan las causas valoradas como tales por las personas participantes en el análisis del

problema. A su vez, cada una de estas líneas que representa una posible causa, recibe otras líneas

perpendiculares que representan las causas secundarias, (Galvano, 1995).

2.5.4 Diagrama de Flujo El diagrama de flujo es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan para

obtener un cierto resultado. Este puede ser un producto, un servicio, o bien una combinación de

ambos, (Galvano, 1995).

Capacidad comunicación. Permite la puesta en común de conocimientos individuales sobre

un proceso, y facilita la mejor compresión global del mismo.

Claridad. Proporciona información sobre los procesos de forma clara, ordenada y concisa.

Figura 2.17 Simbología utilizad en un diagrama de flujo. Fuente: (Osorio, 2010)

44

3 Capítulo III Marco contextual En este capítulo se expondrá una descripción puntual de los antecedentes, misión, visión, valores,

políticas y diagrama organizacional, de RYPSA S.A. De C.V. obteniendo un panorama de su

participación en el giro Automotriz y Aero-espacial en la industria mexicana.

3.1 RYPSA S.A. De C.V Empresa mexicana especializada en ingeniería y manufactura relacionada a maquinados de 5 ejes,

piezas con procesos de hidro-formado, corte por medio de agua, resortes, inyección de plásticos,

formas de alambre, sub-ensambles, estampados, herramentales, electro erosionado por penetración

e hilo y ensambles metal-polímero; cuenta con capacidades de desarrollo que incluyen prototipo y

manufactura rápida, servicios de ingeniería inversa y administración del ciclo de vida del producto

(PLM).

3.2 Antecedentes de la Empresa

3.2.1 Misión Crecimiento continuo, sustentable y divertido para nuestros clientes, socios, trabajadores y

proveedores en un entorno de responsabilidad social.

3.2.2 Visión Ser líderes innovadores a nivel nacional e internacional en el ámbito de Investigación y Desarrollo.

3.2.3 Valores Confianza, honestidad, transparencia, compromiso, responsabilidad, lealtad, humildad.

3.2.4 Políticas Proveer de servicios de reconstrucción que satisfagan los requisitos de nuestros clientes, a través,

de la mejora continúa del Sistema de Gestión de Calidad y la capacitación de nuestro personal,

logrando la rentabilidad establecida de los objetivos de nuestro negocio.

45

3.3 Organigrama

Imagen 3.1 Organigrama Gerencial RYPSA S.A. De C.V. Fuente: Proporcionado por RYPSA S.A. De C.V.

Imagen 3.1 Organigrama Administrativo RYPSA S.A. De C.V. Fuente: Proporcionado por RYPSA S.A. De C.V.

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Imagen 3.3 Organigrama Ingenierias RYPSA S.A. De C.V. Fuente: Proporcionado por RYPSA S.A. De C.V.

Imagen 3.3 Organigrama Ventas RYPSA S.A. De C.V. Fuente: Proporcionado por RYPSA S.A. De C.V.

47

4 Capítulo IV Procesamiento y Análisis de la Información

4.1 Recopilación de la Información Durante este capítulo, se plasmará la información obtenida en las visitas de campo, para proponer

posibles soluciones al proyecto.

Se requiere elaborar la pieza Intake Manifold mediante la inyección de multi-componentes plásticos

para su posterior ensamblado e inspección y así transportar la pieza fuera de la celda de manufactura

para su posterior empaquetado y almacenado.

El material destinado para la fabricación de dicha pieza es un polímero compuesto de nylon y 35%

fibra de vidrio. La siguiente imagen muestra la pieza terminada de acuerdo a las necesidades del

sector al que será entregada después de su producción.

Figura 4.1 Virtualización de Pieza Intake Manifold. Fuente: Diseño proporcionado por RYPSA S.A de C.V.

4.2 Descripción del Proceso A continuación, se describirán los elementos requeridos en el proceso, para lograr dicho objetivo y

así poder simularlo virtualmente, realizar el estudio de tiempos adecuado para maximizar los

resultados de producción y cumplir con los requerimientos que necesita el mercado.

El siguiente diagrama, representa las diferentes estaciones de trabajo que se deben considerar para

llevar a cabo el proceso de elaboración de la pieza.

48

Figura 4.2 Estaciones de trabajo para la elaboración de Pieza Intake Manifold. Fuente: Elaboración propia.

Desarrollando las actividades que se llevan a cabo en las diferentes estaciones, se pueden

representar en un cuadro sinóptico de la siguiente manera.

DIAGRAMA SINÓPTICO Fecha: 31 oct. 15

Diagrama no. Hoja: 1 Método: Actual/Propuesto

Producto: Intake Manifold Lugar: RYPSA

Actividad: Fabricación del producto

Resumen

Actividad Cantidad Tiempo

Operaciones 13

Inspecciones 1

Total 14

Figura 4.3 Diagrama de proceso para la elaboración de pieza Intake Manifold. Fuente: Elaboración propia.

Alimentacion de la Máquina

Inyección Ensamble InspecciónTraslado

fuera de la celda

49

En el siguiente diagrama de flujo se aprecia como interactuan las dierentes actividades durante el proceso de

elaboración de la pieza Intake Manifold.

Figura 4.4 Diagrama de Flujo de la pieza Intake Manifold. Fuente: Elaboración propia.

50

Analizando los subprocesos anteriores, la manera idónea de integrarlos es mediante una celda de

trabajo tipo “U” donde el inicio (supervisión) y fin (área de empaque) se encuentren del mismo lado

para que el operador tenga la facilidad de alcance en ambos lados, aunado a esto la debe adaptarse

a cualquier tipo de modificación de parámetros que pudiera surgir al momento de evaluar su

funcionamiento, es por eso que se opta por utilizar una celda de manufactura flexible.

Para lograr que la producción de dicha pieza y que sea continua es necesario la intervención de un

agente interno que lleve a cabo dichos procesos, ya sea un operario o un robot, a continuación, se

analizarán la productividad de ambos. En el entorno de “Productividad” suele medirse en resultado

(piezas, volumen…) / recurso (tiempo, energía, personas, etc.). En este caso: Producción / Tiempo.

Figura 4.5 Grafica de productividad. Fuente: Elaboración propia.

Figura 4.6 Grafica de productividad variable. Fuente: Elaboración Propia.

Con la Productividad se mide la eficiencia de producción. Frecuentemente se usa para medir el

rendimiento del personal, pero se debe tener en cuidado al interpretarlo y tener en cuenta todos los

factores que intervienen como, horario de comida, fatiga, estrés, paros esporádicos.

Para el caso de “las celdas flexibles han encontrado importantes aplicaciones en todo tipo de

empresas, logrando mejoras del siguiente orden:

51

• En mecanizado: 30% de disminución en tiempo muerto y un 55 a 85% de aumento en la utilización

de máquinas.

• Con utilización de robots: Casi 100% de aumento en la producción y un 75% de ahorro en el tiempo

de producción.

Esta comparación refleja la productividad constante que aporta la utilización de robots dentro de una

celda de manufactura para lo que se requiere de maquinaria, periféricos y componentes adicionales

con los cuales la producción masiva de la pieza se realice de manera autónoma y así, lograr cumplir

con los estándares solicitados y propuestos.

4.3 Maquinaria y Periféricos para realizar el proceso La empresa requiere utilizar la infraestructura, maquinaria y herramientas con las que cuenta para

realizar la pieza Intake Manifold y complementar con periféricos que faciliten la automatización de

dicho proceso, de modo que la inversión para incluir la celda de trabajo a sus procesos, sea la menor

posible, tomando en cuenta que la parte fundamental para ello (inyectora de plásticos y robot) ya fue

adquirida y se encuentran disponibles para el proceso.

A continuación, se enlistan los componentes a utilizar dentro de la celda de trabajo y posteriormente

se describe cada uno con sus características:

Krauss Maffei CX 80-380

Robots Industriales Yaskawa Motoman MH5O-20.

Cinta Trasportadora 40.34, AXMANN

Cargador Automático de Tolva (alimentador).

Sistema de Visión Keyence CV-H500M

PLC SIMATIC S7-1200

Ordenador Getac.

Por motivos de seguridad, se solicitó emplear barreras de seguridad con interrupción de emergencia

ajenas al proceso, confinando el espacio a disponible para la celda de manufactura. Para este fin,

se utilizarán las siguientes:

Barreras Fotoeléctricas de Seguridad Multihaz (SICK).

52

4.3.1 Krauss Maffei CX80-380

La máquina inyectora es el principal componente con la que se llevará a cabo la elaboración de las

partes de la pieza Intake Manifold. Su función es la de proveer de materia prima al molde que se

encargará de darle forma y enfriarla. Las ventajas de usar una maquina inyectora son:

Rapidez de fabricación de piezas.

Alto nivel de producción.

Gran variedad de formas en las piezas.

Bajos costos de producción.

Versatilidad en los diseños.

Las características de la máquina con que se cuenta son:

Tamaño de placas del molde (H x V): 610 mm x 610 mm.

Altura del molde mín. 250 mm.

Unidad de inyección.

Tornillo de diámetro: 45 mm.

Presión de inyección: 1469 bar.

Tasa de inyección: 166 cm / s.

Velocidad de tornillo: 318 1 / min.

Plastificación Max.: tasa de 30 g / s.

Capacidad nominal del motor de la bomba: 15 kW.

Capacidad instalada calefacción: 11 kW.

Capacidad del depósito: 170 litros.

Dimensiones de la máquina: 3,98 mx 1,40 mx 2,00 m.

Figura 4.7 Fotografía Krauss Maffei CX-80-380 propiedad de RYPSA. Fuente: Propia.

53

4.3.2 Yaskawa Motoman MH5O-20 El robot se utilizará para el traslado de las partes y la pieza ensamblada Intake Manifold dentro de

los procesos:

1. Traslado de las partes al poka yoke de ensamble.

2. Traslado hacia la banda de inspección.

3. Traslado a la banda de rechazo para una segunda inspección.

El uso de robot automatiza la celda debido a su movimiento de 6 ejes el cual le permite desempeñar

cualquier tipo de tarea para el traslado de la pieza, descartando la intervención del operario en el

proceso donde únicamente se requiere fuera del área de manufactura para el empacado o

almacenamiento de piezas defectuosas. Para la manipulación de la pieza Intake Manifold el robot

deben llevar consigo una herramienta que permita sujetar diferentes puntos al mismo tiempo

teniendo como principal opción el uso de ventosas de vacío y debido a que la pieza está dividida en

dos será necesario que la herramienta sea capaz de tomar ambas partes y alternarlas con el giro de

la muñeca. Son muchos los sectores en los que los sistemas de ventosas de vacío se encargan de

que la automatización de procesos sea eficiente. También en muchos otros sectores, los sistemas

de ventosas de vacío de facilitan procesos de automatización flexibles y económicos, desde ventosas

universales de uso hasta soluciones especiales de diseño específico.

Especificaciones Técnicas YASKAWA MOTOMAN MH5O-20:

Ejes Rango máximo de movimiento (°)

Velocidad Máxima (°/sec.)

Movimiento Permitido (N*m2)

Movimiento Permitido de inercia (Kg*m2)

S +/- 180 180 - -

L +/- 135/-90 178 - -

U +/- 251/-160 178 - -

R +/- 190 400 39.2 1.05

B +/- 230/-50 400 39.2 1.05

T +/- 360 600 19.6 0.75

Tabla4.1 Especificaciones Técnicas Motoman MH50-20. Fuente: Elaboración propia

Características generales:

Ejes Controlados 6

Carga útil máxima (kg) 20

Repetitividad (mm) +/- 0.15

Alcance Horizontal (mm) 3,106

54

Alcance Vertical (mm) 5,585

Temperatura (°C) 0 a +45

Humedad % 20 – 80

Peso (kg) 495

Fuente de alimentación (kVA) 35

Cable I/O interno (conductores a tierra) 24

Línea de aire interior (conexiones) (1) 3/8”

Tabla 4.2 Especificaciones Técnicas Motoman MH50-2. Fuente: Elaboración propia.

Figura 4.8 Alcance Máximo y P-Point de Motoman MH50-20 Fuente: Manuales de usuario propiedad de RYPSA SA. De CV

4.3.3 Alimentador Automático Siendo el primer periférico del proceso de manufactura, este no representa un aspecto fundamental

para la simulación y obtención del tiempo ciclo ya que previo al inicio de la primera pieza la tolva

debe estar llena para poder empezar el ciclo, sin embargo, se propondrá dentro de la celda de trabajo

en representación del espacio y complemento de la misma. Sus características necesarias serian el

autodiagnóstico c/indicación de falta de material, alarma por falta de material, control de mando y

señalización por PLC, manguera flexible de carga.

Figura 4.9 Alimentador Automático de Tolva Proinplas. Fuente: http://www.proinplas.com (Recuperado el 1/09/2015)

55

4.3.4 Cinta Trasportadora 40.34 AXMANN Su principal función es trasportar el producto terminado fuera de la celda o en su defecto trasportarlo

a un área de rechazo para una segunda inspección por el supervisor. Se tiene dos bandas para

separar el producto aceptado y producto rechazado. Ambas bandas cuentan con las siguientes

características:

Rango de carga 0 N/m – 200 N/m (0 kg/m – 20 kg/m)

Velocidad (V) 0.05 m/s – 1 m/s (0.16 ft/s – 3.3 ft/s)

Ancho de la línea (EL) 50 mm – 600 mm (2” – 23.4”)

Largo de la cinta trasportadora (CL) 500 mm – 6000 mm (19.7” – 19.7 ft)

Cintas Bandas trasportadoras de 2 capas, hechas de PVC o PU, planas.

Deslizamiento de la cinta Láminas deslizables hechas de acero.

Carriles laterals acero, 40 mm (1.6”) de altura (otras versiones disponibles)

Propulsor/ Tambor de inversion Versión de acero, Ø 40 mm (1.6”), convexo.

Sitios de tensión. Sitios de tensión automáticamente en el tambor de inversión.

Rango de temperature De -5°C a +50°C Temperatura ambiente. (23°F a 122°F)

Tabla 4.3 Datos técnicos de Cinta transportadora, Fuente: Proveedor de Periféricos para Rypsa.

Figura 4.10 Transportador Horizontal. Fuente: http://www.axmann-fs.com (Recuperado 31/10/2015).

4.3.5 Sistema de Visión Keyence Serie CV-H500M

El sistema de visión se aplica para el control de calidad de productos terminados, sobre la misma

cadena de producción, controlando cualquier variable apreciable visualmente, este determinará la

utilidad del producto si es aceptado o no antes de ser empacado por el operador.

Cuenta con las siguientes características:

Funciones que permiten lograr rápida y fácilmente la inspección (desde 33ms), configuración

y confirmación de los estándares de inspección.

Algoritmo para el procesamiento de imágenes.

56

Sentido de juicio tipo humano.

La medición de alta precisión no requiere más que hacer clic.

Una compleja inspección de conectores se completa simplemente siguiendo unos pasos.

La constante evolución en los algoritmos facilita una inspección fiable.

Procesamiento de imágenes ideal de acuerdo al objeto de inspección y al equipo.

Selección óptima de la pantalla de operación, posible a través de opciones predefinidas.

Ajustes profesionales incorporados en las utilidades.

Seguridad robusta que resguarda su información.

Un solo clic crea un manual de usuario personalizado basado en los ajustes aplicados

Una amplia variedad de métodos de comunicación compatibles con los sistemas existentes.

Figura 4.11 Sistema de Visión CV-H500M y controlador de cámaras múltiples XG-7502P Keyence.

4.3.6 Ordenador Getac Este es la parte fundamental de la automatización de la celda, debido a que a partir de ahí se controla

el PLC a través del puerto Ethernet, los dispositivos que intervienen en el proceso de seguridad en

caso de que un agente externo a la celda se encuentre dentro de la misma, de igual manera es

necesario para supervisar el producto terminado en la banda de inspección por la cámara de visión.

Debido a la importancia que radica en la funcionalidad de la celda y a que la celda no será

desarrollada en un ambiente cerrado, donde puede estar expuesta a diferentes temperaturas,

humedad y polvo, es necesario utilizar un tipo de ordenador superior a los convencionales.

Los componentes Getac resisten el hostil y especializado ambiente industrial para computadoras,

switches Ethernet, monitores planos con touch screen, teclados y punteros.

Características:

• Procesador Intel Core i3 desde 1.6 2.4Ghz.

• Pantalla de 14.1”

• Conectores de puertos sellados Touchscreen y Sunlight

• Disco Duro desde 320 GB

• Memoria RAM de 8Gb

• Puertos de comunicación: Ethernet Gigabit, Seriales, USB, Bluetooth, GPS.

57

• Windows 7 Professional pre-instalado

• Unidad DVD-RW

• Cumple con la Norma MIL-STD-810F para computadoras robustas.

• Temperatura desde -20°C hasta 55°C

Figura 4.12 Ordenador Getac. Fuente: http://es.getac.com/notebooks/X500/features.html Fecha de consulta: 01/10/2015 (Recuperado el 09-10-15).

4.3.7 PLC Simatic S7-1200

Este es el encargado de llevar la operación de una forma secuencial, recibiendo señales de los

diferentes componentes de la celda y así garantizando la automatización de la misma.

Aunque el proyecto de programación del PLC para la celda de manufactura de la pieza Intake

Manifold fue asignado a otra institución debido a que no es relevante en la simulación virtual del

tiempo ciclo, se ofrece una alternativa en cuanto a la conexión con el ordenador a través de la red.

Este ayudará al futuro trabajo debido a que, por norma general, los protocolos que incorporan los

PLC´s y dispositivos serie comunicables son totalmente incompatibles entre sí. Aunque la mayoría

de ellos incorporen una conexión serie, la velocidad, estructura de datos, norma física y protocolo,

son drásticamente diferentes. Si a todo ello añadimos la enorme sobrecarga de trabajo que supone

la implementación de las comunicaciones con estos dispositivos, para los programas que deben

procesar los datos obtenidos, nos haremos una idea de la dificultad que conllevan las tareas de

comunicación. Para llevar a cabo la conexión necesitaremos las siguientes características con las

que cuenta el PLC:

El PLC ha sido desarrollado especialmente para ahorrar espacio.

Puerto PROFINET / Ethernet integrado, no se requieren cables u acopladores adicionales y

sin módulo de expansión.

58

Gracias a la intercambiabilidad de los conectores, IOs digitales y analógicas se puede

cambiar de una CPU a otro.

La escalabilidad y la flexibilidad de la aplicación se logran a través de la interfaz PROFINET

integrada para la programación, conexiones HMI, periféricos y unidades distribuidas CPU-

to-CPU, así como arquitecturas maestro-esclavo también se pueden implementar

rápidamente y simplemente a través de los dispositivos.

La interfaz PROFINET con funciones de alto rendimiento y tecnología integrada. Esto

permite una comunicación sencilla, soluciones eficientes para tareas tecnológicas y un

enfoque perfecto en las necesidades individuales de la automatización en un campo

diversificado de aplicación.

Figura 4.13 PLC SIMATIC S7-1200 Fuente: http://w3.siemens.com (Recuperado 09-10-15)

4.3.8 Barreras Fotoeléctricas de Seguridad Multihaz Se solicitó agregar a la simulación un delimitante en la celda, el cual permita visibilizarla completa

en funcionamiento por parte del operador y además provea de seguridad al momento de entrar en

la celda para evitar exponer tanto al personal como a la maquinaria, aunque no se involucren como

un proceso que influya en el tiempo de la realización de la pieza, se diseñaran dentro de la simulación

como complemento. Los datos técnicos son:

CARACTERÍSTICAS DETALLE

Alcance 0. 5 m- 7.5 mm

Número de haces 2

Distancia Entre Haces 500mm

Tiempo de Respuesta 10ms

Sincronización Sincronización Óptica

Tabla 4.4 Datos Técnicos de Barreras Fotoeléctricas de Seguridad. Fuente: Elaboración Propia

59

Características técnicas de seguridad

CARACTERÍSTICAS DETALLE

Tipo Tipo 4 (EN 61496)

Nivel de Integridad de Seguridad SIL3 (IEC 61508) SILCL3 (EN 62061)

Categoría 4 (EN ISO 13849)

Performance Level PL e (EN ISO 13849)

PFHd (probabilidad media de un potencial riesgo por fallo a la hora)

6.6 x 10-9 (EN ISO 13849)

TM (tiempo de uso) 20 años (EN ISO 13849)

Estado seguro en caso de fallo Mínimo una salida conmutada segura (OSSD) se encuentra en estado de desconexión.

Tabla 4.5 Características Técnicas de Seguridad de Barreras Fotoeléctricas. Fuente: Elaboración propia

Figura4.14 Dimensiones de Barreras Fotoeléctricas. Fuente: www.sick.com (Recuperado el 01/09/2015).

4.4 Análisis de Datos De acuerdo a la información recabada, así como los datos obtenidos de los manuales de la

maquinaria a utilizar para el proceso, se deberá analizar la materia prima, el espacio disponible, la

distribución de la maquinaria, el robot, así como los datos requeridos para la elaboración de la pieza,

con el fin realizar una propuesta adecuada para llevar a cabo el proceso.

A continuación, se describen los elementos que conforman el proceso:

60

4.4.1 Materia prima Debido a un estudio previo donde la empresa evaluó y probó la resistencia de materiales, se decidió

que la pieza Intake Manifold, llevará en su composición de nylon con 35% fibra de vidrio, lo cual

garantizaría que la pieza cumpla con el objetivo y necesidad del solicitante y sobre todo, impulsa a

la inyección de plásticos industriales, abriendo nuevas oportunidades de aplicación dentro de la

industria.

Según un estudio sobre el comportamiento mecánico de los materiales La fibra de vidrio con la que

se refuerza el nylon provee a este nuevo plástico de ingeniería una excepcional rigidez, estabilidad

dimensional y resistencia al alargamiento y la abrasión. Estas nuevas propiedades del nylon

aumentan considerablemente su versatilidad en cuanto a aplicaciones.

La principal ventaja es su resistencia a las altas temperaturas. Esta poliamida reforzada tiene una

temperatura de trabajo que oscila entre los -40 °C y los 210 °C, una propiedad única entre los

plásticos de ingeniería más avanzados, (Carlos Núñez, Antoni Roca; Jordi Jorba, 2011).

• Pellets Nylon con 35% Fibra de vidrio.

• Diámetro: 1.5 ms.

• Largo: 2.0 m.

4.4.2 Área de trabajo Debido a que el proyecto está en proceso, no se tiene definido el espacio destinado para realizar las

actividades que conlleven la elaboración completa de la pieza y es esta la razón de la necesidad de

realizar una simulación virtual previa para analizar dicho espacio y asignarlo físicamente aunado a

que el espacio con el que se cuenta para la distribución de la celda, está propuesto por la empresa

en otro de sus parques industriales, con un espacio total de 75 m2 en los cuales se propondrá la

distribución de la maquinara para llevar a cabo de forma eficiente el proceso, considerando los

espacios que por la naturaleza de la maquinaria, seguridad y optimización deberán establecerse

mediante un estudio de tiempos y movimientos basados en la simulación virtual del proceso mismo.

61

4.4.3 Distribución de la maquinaria La ubicación de la maquinaria propuesta dentro del trabajo se estableció de acuerdo a las

dimensiones de las mismas, sin restricción alguna, salvo el robot el cual tiene un alcance máximo de

3.106 metros y tomando en cuenta el mantenimiento de la maquinaria o reparaciones en caso de ser

necesarias contando con el espacio suficiente para realizarlas.

Máquina Inyectora.- Debido a sus dimensiones y siendo el componente fijo más grande de la celda,

la inyectora debe ser situada en un extremo de la celda, retirada mínimo a 1 metro de la pared o de

cualquier componente que imposibilite el acceso a la parte posterior donde se encuentran el centro

de carga y que imposibilite la apertura de las puertas las cuales abarcan 40cms abiertas. De esta

forma tenemos la medida del largo, aprovechando el espacio frente a ella para los demás

componentes.

Robot.- Es el encargado de automatizar el proceso de elaboración de la pieza dentro de la celda de

manufactura, por lo que debe estar situado al alcance de todos los demás componentes, necesita

un área de trabajo de 9.5m2 debido a sus dimensiones, siguiendo el tipo de celda en “U” donde la

inyectora esta al principio del proceso, el robot estará situado frente a ella, a su izquierda la mesa de

ensamble y en los otros dos extremos las bandas trasportadoras, haciendo de esta manera la

manera más óptima de colocación para la celda.

4.4.4 Distribución de Periféricos y Componentes Adicionales En la celda de manufactura para lograr la automatización es necesario el uso de periféricos (cámara

de visión, bandas trasportadoras, sensores, barreras fotoeléctricas de seguridad, PLC, ordenador),

los cuales serán parte importante para la fabricación de la pieza a producir de manera constante y

los cuales son necesarios presentar en la simulación para obtener el tiempo de un ciclo completo. A

continuación, se presenta su ubicación.

Alimentadora Automática. Este componente se encuentra situado arriba de la tolva de la maquina

inyectora, no ocupa un espacio definido dentro del plano “xy” de la celda, sin embargo, el contenedor

de donde tomará la materia prima debe estar fuera del área confinada para la celda de trabajo ya

que el operario debe llenarlo constantemente cuando sea necesario y si cruza las barreras de

seguridad detendrá la producción.

62

Bandas Trasportadoras. Las bandas trasportadoras siendo la parte final del recorrido de la celda, la

primera detrás del robot y la segunda a su derecha, deben estar elevadas a más de 1 metro de

distancia del suelo para no interrumpir el sensor y activar el paro de emergencia, ambas bandas

salen de la zona marcada de seguridad donde el operario puede tomar las piezas y empacarlas sin

interrumpir de igual manera que las bandas.

Cámara de Visión. Esta se colocará en la primera banda de transportación que lleva el producto

recién ensamblado por el robot y la cual determina si la pieza cumple con las especificaciones

establecidas previamente en el ordenador central, ayudando a decidir si es útil o no antes de ser

empacado.

Ordenador. El ordenador deberá estar en el inicio de la celda tipo “U”, fuera del área delimitada para

que el operador no interfiera en los sensores de las barreras de seguridad, teniendo en la parte de

atrás la visión completa de la celda y cerca de la banda de trasportación de productos rechazados

para que pueda ser evaluado por el operador teniendo el reporte que entregue el sistema de visión

en cada proceso.

PLC. Debe estar posicionado cerca del ordenador, gracias a su tamaño compacto no es necesario

asignarle demasiado espacio pudiendo estar en la misma mesa de trabajo que el ordenador, este no

se moverá, puede o no estar fuera de la celda donde intervienen los componentes movibles por si

llegará a ser necesario revisar alguna conexión o mantenimiento al equipo se propondrá un modelo

de interconexión entre ordenador y PLC para realizarlo remotamente.

Barreras fotoeléctricas de seguridad. Estos delimitan las esquinas de la celda, estarán localizados a

los extremos de la celda con la finalidad de realizar un paro total sí la señal es intervenida por un

agente externo, procurando la seguridad del equipo, así como la integridad física de los trabajadores

de la planta.

4.5 Dimensiones de la pieza

Para obtener las dimensiones de la pieza Intake Manifold, RYPSA proporcionó ambas partes

desarrolladas y en base a las medidas obtenidas se dibujaron ambas partes en el simulador

realizando las partes esenciales y más significativas a ser representadas en la celda.

63

Figuras 4.15 y 4.16 Dimensiones de la Parte Izquierda. Fuente: Elaboración Propia

Figuras 4.17 y 4.18 Dimensiones de la Parte Izquierda. Fuente: Elaboración Propia

4.6 Tiempo de inyección

De acuerdo los reportes finales realizados por Tecnoaltec S. de R.L. de C.V el 1ro de Octubre de

2015 para el tiempo ciclo de inyección de ambas partes en la pieza Intake Manifold y los cuales

fueron proporcionados para el presente trabajo con la finalidad de tener un tiempo acertado

aproximado durante la simulación del proceso completo para la celda de manufactura, se detallan

los siguientes resultados:

64

4.6.1 Reporte de Simulación pieza Izquierda

Figura 4.19 Reporte de Pieza Derecha. Fuente: RYPSA SA. De CV.

1. Material a emplear: Nylon con 35% de carga de fibra de vidrio.

2. Punto(s) de inyección: Un punto central equilibrando el recorrido de llenado conforme a

geometría.

3. Puntos para analizar:

Tiempo de llenado.

Fluidez plástica.

Llenado.

Calidad de pieza.

Aire atrapado.

4. Puntos de soldadura:

Figuras 4.20. Virtualización de Puntos de Soldadura.Fuente: Elaboración RYPSA SA. de CV.

Tiempo de llenado 3.32 segundos:

65

Figura 4.21. Llenado de la pieza. Fuente: RYPSA S.A de C.V.

4.6.2 Reporte de Simulación pieza Derecha

Figura 4.22. Reporte de Pieza Derecha. Fuente: RYPSA SA. De CV.

1. Material a emplear: Nylon con 35% de carga de fibra de vidrio.

2. Punto(s) de inyección: Un punto central equilibrando el recorrido de llenado conforme a

geometría.

3. Puntos para analizar:

Tiempo de llenado.

Fluidez plástica.

Llenado.

Calidad de pieza.

Aire atrapado.

4. Puntos de soldadura:

66

Figuras 4.20 y 4.21 Virtualización de Puntos de Soldadura.Fuente: Elaboración RYPSA SA. de CV.

Tiempo de llenado 3.86 segundos:

Figura 4.23 Llenado de Pieza Completa. Fuente: Elaboración RYPSA SA. de CV.

Resumen del análisis. Pieza Izquierda Pieza Derecha

Temperatura del molde 281.0 °C 281.0 °C

Temperatura del molde 91.1 °C 91.1 °C

Punto de Inyección 1 1

Presión máxima de inyección 180.00 MPa 180.00 MPa

Tiempo de inyección seleccionado 3.14 (s) 3.46 (s)

Cambio Velocidad/Presión Automático Automático

Tabla 4.6 Resumen del análisis en formación de partes. Fuente Elaboración Propia.

Llenado Pieza Izquierda Pieza Derecha

Tiempo real de llenado 3.40 (s) 3.92 (s)

67

Presión de inyección real 46.908 (MPa) 38.170 (MPa)

Área de fuerza de sujeción 936.9385 (cm2) 1066.0056 (cm2)

Fuerza máxima de sujeción durante el llenado 282.509 (ton) 225.930 (ton)

Volumen porcentual de Cambio Velocidad/Presión 98.44 (%) 99.04 (%)

Tiempo de Cambio Velocidad/Presión 3.32 (s) 3.86 (s)

Tiempo estimado de ciclo 27.71 (s) 140.53 (s)

Peso 735.618 (g) 1044.141 (g)

Volumen de disparo 591.4090 (cm3) 813.4679 (cm3)

Tabla 4.7 Resumen del análisis en llenado de partes. Fuente Elaboración Propia

Pieza Izquierda. El resultado de los análisis indica que el ciclo de inyección de la pieza se estima

que pueda ser de 28 segundos.

Figura 4.24 Representación Gráfica de Tiempo Cíclo Parte Izquierda. Fuente Elaboración Propia.

Pieza Derecha. El resultado de este análisis nos indica que el ciclo de inyección de esta pieza se

estima que pueda ser de 140.5 segundos.

Figura 4.25 Representación Gráfica de Tiempo Cíclo en Parte Derrecha. Fuente Elaboración Propia.

3.32

19.39

5

Tiempo Ciclo 27.71(s)

Llenado (hasta realizar elcambio)

Tiempo estimado deenfriamiento

Apertura de Molde

3.86

131.67

5

Tiempo Ciclo 140.53(s)

Llenado (hasta realizar elcambio)

Tiempo estimado deenfriamiento

Apertura de Molde

68

4.6.3 Estudio de Tiempo de Inyección Pieza Completa Debido a la necesidad de reducir el tiempo de inyección de la pieza derecha se realiza el estudio de

la simulación de dicho tiempo, la información de los datos de este tiempo es proporcionado por

ingenieros especializados de RYPSA S.A. DE C.V. A continuación, se ilustran las etapas de por las

cuelas paso la pieza para determinar el tiempo ciclo estimado.

Figura 4.25 Representación Estudio del Tiempo de Inyección. Fuente Rypsa.

De acuerdo a la simulacion del los factores aconsiderar para poder tener un tiempo ciclo mas acercado a la

realidad se obtuvieron los siguientes resultados.

Release version: 2016

Study name: colector_de_admisi_n_toyota_camry_solara_right_study_(copy)_(copy).sdy.

Study location: C:\Users\INNOVACION-01\Documents\My AMA 2016.

Projects\MANIFOLD_\colector_de_admisi_n_toyota_camry_solara_right_study_(copy)_(copy).sdy.

Part name: colector de admisión Toyota Camry Solara right.

Model suitability: A model suitability check was not performed on this model when it was imported.

Analysis resolution: Level 1.

Material manufacturer: Training Materials.

Material trade name: Training PA66 30% Glass Fiber (Technyl A 218 V30 Natural - REP).

69

Material Resin identification code: 7.

Material Energy usage indicator: 2.

Melt temperature: 290.0 (C).

Mold temperature: 80.0 (C).

Injection locations: 4.

Max. machine injection pressure: 180.000 (MPa).

Injection time selected: Automatic.

Velocity/pressure switch-over: Automatic.

Your part can be filled easily but part quality may be unacceptable.

View the Quality Prediction plot and use the Results Adviser to get help on how to improve quality of

the part.

o Actual filling time: 2.32 (s).

o Actual injection pressure: 30.201 (MPa).

o Clamp force area: 1066.4356 (cm^2).

o Max. clamp force during filling: 211.279 (tonne).

o Velocity/pressure switch-over at % volume: 99.01 (%).

o Velocity/pressure switch-over at time: 2.26 (s).

o Estimated cycle time: 34.83 (s).

o Total part weight: 962.656 (g).

o Shot volume: 804.8087 (cm^3).

Clamp force estimate during packing using:

o 20% of the injection pressure: 65.664 (tonne).

o 80% of the injection pressure: 262.655 (tonne).

o 120% of the injection pressure: 393.983 (tonne).

Mediante el estudio realizado se logro definir el tiempo ciclo de la pieza completa, segun se

determinar que el tiempo a utilizar en la simulacion virtual es de 34.83 seg, este tiempo se utilizara

para la elaboración.

70

5 Capítulo V Integración Virtual de Celda de Manufactura, para el

Proceso de Inyección de Plástico en la Pieza Intake Manifold

5.1 Propuesta

Una vez recopila y analiza la información es necesario pasar a la elaboración de la propuesta para

la interconexión de los componentes, así como la propuesta de simulación para la celda de

manufactura la cual dividiremos en 3 etapas:

Creación de ambiente virtual. Con el análisis de la información obtenido a través de las visitas de

campo a la empresa se diseñarán y crearan los componentes virtuales como los son la maquinaria,

pieza, herramienta y periféricos necesarios, distribuyéndolos en la celda.

Distribución de la maquinaria y pruebas de la celda. Se ocuparán después de la creación de los

componentes virtuales requeridos en la celda y distribuidos en el espacio planeado, se realizarán

pruebas para corroborar la eficiencia de cada componente de lo contrario serán reubicados hasta

alcanzar la simulación correcta y exitosa, de ser necesarios nuevos componentes serán analizados

nuevamente mediante la recopilación de información con el fin facilitar el diseño y ubicación del

mismo.

Dentro de esta apartado se pueden detectar problemas dentro del proceso de manufactura, esta es

la ventaja de realizar pruebas antes de la simulación final, el poder detectar a tiempo si algún

componente necesitara una modificación al plan original, buscando reducir tiempos al menor costo

reubicando o reemplazando los mismos.

Simulación final. Una vez terminadas las pruebas necesarias involucrando todos los componentes,

maquinaria, herramienta y periféricos distribuidos adecuadamente para realizar el proceso, se creará

la simulación final, dicha simulación nos permitirá visualizar el proceso completo de la celda

obteniendo su eficiencia.

Durante la simulación se puede obtener detalladamente cada proceso enfocando los subprocesos

principales que se llevarán a la producción de esta manera se asemeje a la realidad el tiempo ciclo

final para la elaboración de la pieza.

71

5.2 Creación de la Celda de Manufactura en ambiente Virtual

5.2.1 Ambiente Virtual En este apartado se mencionará la maquinaria, herramienta y componentes virtuales finales de la

simulación, estos elementos se pasaron por diferentes pruebas que se llevaron a cabo a lo largo de

realización de la celda, se reubicaron y rediseñaron repetidas veces los componentes para

adecuarse al proceso.

5.2.2 Maquinaria La maquinaria a ser utilizada es una inyectora de multi-componentes plásticos y un robot industrial.

A continuación, se presentan los diseños virtuales:

Krauss Maffei CX 80-380.

Figura 5.1 Simulación Virtual De Inyectora Krauss Maffei CX380. Fuente: Elaboración propia.

Robot Industriales Yaskawa Motoman MH5O-20.

El robot como situado frente a la inyectora a 1.5 metros de ella, debido a que el brazo flexionado del

robot mide 1.8 metros permitiendo que el robot se encuentre cerca de la máquina, a 1 metro del poka

yoke y a 1.5 m de la banda de inspección necesitando estirarse lo menos posible reduciendo tiempos

de operación.

72

Figura 5.2 Simulación Virtual de Robot Yaskawa Motoman MH5O-20. Fuente: Elaboración propia.

5.2.3 Periféricos Los periféricos que se utilizarán son una alimentadora automática, un sistema de visión dos bandas

transportadoras y un ordenador, a continuación, se detallan los diseños virtuales de dichos

componentes:

Cargador Automático de Tolva (alimentador).

Figura 5.3 Simulación Virtual de Cargador Automático. Fuente: Elaboración propia.

Sistema de Visión.

73

Figura 5.4 Simulación Virtual De Sistema de Visión. Fuente: Elaboración propia.

Transportador Horizontal con Banda de Lona.

Figura 5.5 Simulación Virtual de Banda Transportadora. Fuente: Elaboración propia.

Ordenador.

Figura5.6 Simulación Virtual de las Partes del Ordenador. Fuente: Elaboración propia.

5.2.4 Herramienta Debido a las características de las partes para la pieza Intake Manifold se necesitó incluir un

componente para facilitar el manejo. El robot con ayuda de una herramienta específicamente

74

diseñada para el proceso, sujeta las partes recién inyectadas y las retira del molde para

posteriormente trasladarlas aun poka yoke donde se ensamblarán ambas partes. Debido a la

uniformidad y tamaño de las partes que conforman la pieza, la herramienta mide en su base 30cm

de largo, 10cm de ancho, posee 33 ventosas las cuales sujetan gran parte de la pieza, esto es

necesario ya que se inyectan en dos partes y posteriormente tienen que ser ensambladas haciendo

presión una contra la otra, con esta herramienta aseguramos que todas las partes de la pieza serán

ensambladas correctamente.

La herramienta de robot fue diseñada en forma de “U”, debido a que el molde de inyección está

dividido en dos, con una base central que separa las piezas al ser inyectadas las dos al mismo tiempo

y al abrir las compuertas de la inyectora esta herramienta permite sujetar ambas partes al mismo

tiempo y no de una en una como se tenía planeado, esto reduce el tiempo de traslado de las piezas

hacia el poka yoke a la mitad.

La herramienta posee mecanismos de un eje que permite mediante el movimiento e inclinación de

las bases se adecue al agarre necesario contra cada parte respectivamente y una vez fuera de la

inyectora durante el proceso de ensamblado en el poka yoke vuelvan a cambiar su inclinación al

hacer presión en las diferentes partes de la pieza.

Figura 5.7 Herramienta. Fuente:Elaboración Propia.

75

Figura 5.8 Dimensiones y Simulación de Herramienta. Fuente: Elaboración propia.

Ventosas. En la siguiente imagen se puede apreciar el modelo del sistema de garra de vacío usado para los

robots, el cual apoyado del modelo FXP existente que tiene SCHMALZ se diseñó la herramienta

acoplándola a las necesidades, se detallan las principales características.

Figura 5.9. Sistema de planos aspirantes FXP Schmalz. Fuente: www.schmalz.com/fxp-fmp (Recuperado el 10/10/2015).

FXP: Generación de vacío integrada, el sistema de planos aspirantes FXP, como unidad lista para

su conexión, cuenta con un eyector para la generación de vacío. Configurable de forma individual,

se puede reequipar rápidamente cuando cambian las condiciones de aplicación. El diseño modular

76

garantiza un fácil mantenimiento y posibilita la integración directa en la garra de funciones adicionales

para la optimización de energía y proceso.

Ventosas con función Push-in.

Compensación de alturas y efecto de amortiguación óptimos.

Se cambian rápidamente mediante el mecanismo de encaje (Push-in).

Diámetros 20 mm y 40 mm.

En silicona conforme con FDA.

Opcionalmente con filtro de encaje.

Válvulas de mando integradas.

Control de Vacío on/off (24V DC, normally open) y Descargar on/off (24V DC, normally closed).

Placa de cierre de tipo FXP.

Conexión eléctrica mediante conector M12.

5.2.5 Elementos adicionales Mesa de ensamble. Sobre esta mesa se coloca el pokayoke para posteriormente ser ensambladas ambas partes de la pieza.

Figura 5.10. Diseño virtual de Mesa de ensamble, medidas en mm. Fuente: Elaboración propia.

Poka yoke de la Pieza.

77

Para ser ensambladas las partes de la pieza es necesario usar un poka yoke ya que las partes son

uniformes y para ser ensambladas necesitan estar siempre en el mismo lugar, de esta forma el robot

no errara al momento de presionar ambas partes y juntarlas.

Figura 5.11. Diseño virtual de pokayoke para pieza. Fuente: Elaboración propia.

Mesa de Calidad. La mesa de calidad se encuentra al final de la banda de transporte para productos aceptados, siendo

aquí donde se depositan las piezas terminadas para ser empacadas por el operador. La mesa es la

siguiente:

Figura5.12 Diseño virtual de mesa de calidad. Fuente: Elaboración propia.

78

Banco de Pruebas. El banco de pruebas es utilizado para depositar temporalmente las piezas que el sistema de visión

de calidad rechace y mande a la segunda banda a una segunda revisión de calidad por parte del

operador, quien determinará la utilizad de la misma. La figura siguiente representa el banco.

Figura 5.13. Diseño virtual de banco de pruebas. Fuente: Elaboración propia.

Mesa del Ordenador.

Figura 5.14. Diseño virtual de mesa de ordenador. Fuente: Elaboración propia.

Aquí estará ubicada la computadora central de la celda, está colocada a un lado del banco de

pruebas donde llegan las piezas rechazadas, ya que aquí es donde el sistema de visión almacena

los reportes de dichas piezas y así el operador tenga una idea más detallada para la segunda

revisión.

79

Operador. Dentro del proceso se considera una persona para verificar la calidad del producto.

Figura 5.15. Diseño virtual de operador. Fuente: Elaboración propia.

5.3 Distribución de la maquinaria y pruebas de la celda Después de haber diseñado los componentes de la celda es necesario distribuirlos para después

pasar a la simulación de los mismos. La siguiente imagen representa la distribución de la celda para

la elaboración de la pieza Intake Manifold, la cual contempla el espacio que tiene el robot para

desplazarse entre la estación de ensamble y las dos bandas trasportadoras que involucran la

estación de inspección, toda está delimitada por las franjas amarillas de seguridad, las cuales marcan

la línea que recorren los sensores de las barreras fotoeléctricas.

5.3.1 Iteraciones del Diseño Primera Propuesta. Durante la etapa inicial del diseño de la celda de manufactura se fue

contextualizando la idea del boceto en general, como primera instancia se desarrollaron los

componentes, estos a su vez se integraron a la celda.

Como primera propuesta se planteó tener alrededor del área rejas industriales como medida de

seguridad para impedir el paso del personal, con esto se impedía el ingreso a la celda, pero como

tal disminuía la supervisión del personal. En la primera distribución de los componentes, se decidió

colocar una mesa de ensamble en frente de la inyectora, una desventaja de esta distribución fue el

80

esfuerzo del robot al ingresar por las piezas inyectadas. La posición de la banda transportadora con

respecto al robot acortaba el máximo aprovechamiento de la longitud de la banda transportadora.

Figura 5.16 Primera propuesta de distribución de la celda de manufactura. Fuente: Elaboración Propia.

Segunda propuesta. Al haber atendiendo observaciones sobre la distribución de la celda y los

factores de control de esta se dio a la tarea de rediseñar una nueva interfaz. Se planteó sustituir las

rejas industriales por Barreras fotoeléctricas de Seguridad debido a su funcionalidad y a los

beneficios para la supervisión a distancia del proceso de inyección de la pieza. Se eliminó la mesa

de ensamble y en su lugar se desarrolló una mesa más sencilla con la utilización de un poka yoke,

con el objetivo de realizar el ensamble de las piezas de manera ágil y rápida. Adicional a esto se

agregaron los siguientes elementos a la celda debido a su utilización:

Líneas de seguridad: Sobre el perímetro de la celda se colocaron señalamientos para impedir el

paso, esto con el apoyo de los Barrera fotoeléctricos cuyo objetivo es realizar un paro de emergencia

al detectar movimiento dentro del área asegurada.

• Mesa de Ordenador: Mesa de Ordenador y control del Usuario.

• Mesa de ensamble: Mesa para validar la calidad de las piezas procesadas.

Debido a la necesidad de identificar las piezas defectuosas y poder realizar esa segmentación y

evitar que las piezas aprobadas no se mezclarán con las dañadas se consideró emplear los

siguientes elementos:

81

Sistema de Visión: La funcionalidad de principal para este elemento es realizar la clasificación de los

elementos que no cumplan con los estándares marcados en Rypsa S.A. de C.V. Determinar la

calidad de la pieza, si cumple con los estándares se debería de asignarse a un componente listo

para el embalaje del producto, por lo contrario, manejar una señal a un segundo Robot para realizar

la separación.

Segundo Robot: Como tal el encargado de realizar la clasificación de los productos defectuosos de

los aprobados, al recibir la señal del sistema de visión realizaría la toma del producto dañado y

colocarlo en un segmento distinto.

Segunda banda Transportadora: El objetivo de esta como la funcionalidad del robot es realizar el

traslado de la pieza dañada al área correspondiente para el examinar de los defectos o en su caso

realizar el reciclaje del producto.

Figura 5.17 Esquema de restructuración de los componentes de la celda. Fuente: Elaboración Propia.

Al examinar y realizar la simulación de la celda de manufactura se cuestionó el uso de un recurso

tan excesivo como lo es un segundo Robot, adicional al uso del robot a la construcción y adquisición

de una segunda herramienta.

82

Por medio de visualización y de continuas pruebas con el software de diseño se demostró que los

tiempos de producción de una pieza inyectada, bastaba con el primer robot sin necesidad de realizar

el uso de un segundo robot; como tal el Robot Motoman 1, puede colocar la pieza dañada en la

segunda banda trasportadora e ingresar por la segunda pieza y realizar un proceso continuo sin

necesidad de tener paros en la producción.

Figura 5.18 Vista lateral derecha de la distribución segunda propuesta. Fuente: Elaboración Propia.

Propuesta Final. En esta sección de la celda de manufactura se podrá demostrar la distribución

óptima de los componentes para poder producir la pieza Intake Manifold.

En el siguiente apartado se hace mención de cada uno de los componentes que conforman la celda

de manufactura y la interacción con los demás. La distribución de la celda se seleccionó de tipo “U”,

con la finalidad de poder tener movimiento y comunicación con todos los componentes que la

integran.

La distribución es por el arreglo de tipo “U” donde el robot Motoman es más eficiente ya que se

encuentra en contacto directo con cada integrante de la celda, a continuación, se ilustra la

distribución en cuanto a los siguientes componentes:

• Mesa de ensamble con poka yoke.

• Maquina Inyectora Krauss Maffei CX 80-380

• Banda transportadora 1

83

• Banda Transportadora 2

A continuación, se describen las distancias de las posiciones de los componentes del robot con

respecto a la inyectora.

Figura 5.19: Distancia entre componentes. Fuente: Elaboración propia.

84

Figura 5.20 Distancia del robot con respecto a banda transportadora 2. Fuente: Elaboración propia

Área de alcance del Robot Motoman. En la siguiente imagen representa el alcance virtual que puede obtener el robot dentro de la celda

de manufactura.

Figura 5.21: Área de alcance del robot. Fuente: Elaboración Propia.

85

5.4 Simulación Final A continuación, se presenta una tabla donde se muestra el proceso de elaboración de la pieza Intake

Manifold separado entre cada estación.

Inye

cto

ra K

rau

ss M

affe

i CX

80

-38

0.

Movimientos. Tiempo(s) Imagen

Cierre de puertas y molde.1 0

DelayActivity Inyección1 35

Puerta Abrir.3 2.5

Molde cerrar.7 2.5

Set-AR1= (1s) 0

Wait Until (MH00050- A10.1)CIERRAPUERTAKRAUSS 0

Molde Cerrar.5 5

DelayActivityInyección2 35

Puerta Abrir.10 2.5

Molde Abrir.11 2.5

Set-AR12P=ON 0

Wait Until (MH00050-A10.1)CP2P 0

Cerrar Molde y Puerta.13 5

Tiempo total de proceso 90

Tiempo 1 pieza 1 45

Tiempo 2 pieza 2 45

Tabla 5.1 Tabla de tiempos y movimientos Inyectora Krauss Maffei. Fuente: Elaboración Propia.

86

Yask

awa

Mo

tom

an M

H5

O-2

0

Movimientos pieza defectuosa. Tiempo(s) Imagen.

Robot Home.120 0.517

Operation.3 1.046

Operation.6 0.685

Operation.7 0.454

Posicionamiento arriba de la máquina 4 0.305

Operation.8 0.66

Operation.9 0.413

Operation.10 0.178

Operation.11 0.419

Posicionamiento superior de molde.12 0

Colocación de ventosas.15 1

Operation.16 0.089

Operation.109 0.102

Operation.110 0.312

Operation.111 0.43

Posicionamiento dentro de molde.28 0.353

Sujeción de parte derecha.20 1

Sujeción de parte izquierda.35 1

Retira piezas de molde.36 1

Operation.22 0.24

Operation.117 0.153

Operation.118 0.189

Operation.119 0.118

Operation.116 1

Salida de molde con piezas.23 0.584

Operation.24 0.133

Robot fuera de inyectora con piezas.25 0.588

Operation.26 0.391

Operation.48 0.946

Posición de ensamble1.39 1

Operation.62 0.332

Operation.61 0.346

87

Operation.60 0.309

Operation.66 0.308

Operation.65 0.109

Operation.64 0.204

Pieza1 en pokayoke.63 0.108

Libera pieza.70 1

Operation.71 0.089

Operation.72 0.265

Operation.73 0.396

Operation.74 0.682

Operation.75 0.672

Operation.77 0.417

Posición ensamble2.80 1

Operation.81 0.512

Operation.82 0.703

Operation.83 0.496

Operation.84 0.462

Operation.89 0.37

Operation.88 0.221

Pieza2 en pokayoke.87 0.192

ensamble.105 1

Operation.91 0.469

Operation.92 0.767

Operation.93 0.296

Operation.94 0.655

Pieza sobre banda.95 0.322

Operation.97 0.805

Operation.103 1

Operation.104 1

Operation.106 0.645

Robot en espera.122 0.655

Operation.124 0

Operation.125 0

Operation.126 0.184

Sujeta pieza defectuosa.127 1

Operation.128 1

Operation.129 0

Operation.130 0

88

Operation.131 0

Operation.133 0

Operation.134 0

Coloca pieza en 2da banda.135 0

Operation.136 1

Operation.137 1

Tiempo total pieza aceptada 36.296

Tabla 5.2 Tiempos y movimientos Robot Yaskawa: Motoman pieza defectuosa. Fuente: Elaboración propia.

Yas

kaw

a M

oto

man

MH

5O

-20

Movimientos pieza defectuosa. Tiempo (s) Imagen.

Robot Home.138 0

Operation.139 0.438

Operation.213 0

Operation.141 0.899

Posición sup inyectora.142 0.685

Operation.143 0.454

Operation.144 0.305

Operation.145 0.66

Operation.146 0.413

Operation.147 0.178

Operation.148 0.419

Colocación sup molde.149 0

Colocación de herramienta.150 1

Operation.151 0.089

Operation.152 0.102

Operation.153 0.312

Operation.154 0.43

Posición dentro de molde.155 0.353

Sujeción de parte derecha.156 1

Sujeción de parte izquierda.204 1

Retira piezas de molde.205 1

Operation.159 0.24

Operation.160 0.153

Operation.161 0.189

Operation.162 0.118

Operation.163 1

Salida de molde.164 0.584

Operation.165 0.133

Operation.166 0.588

Operation.214 0

89

Operation.168 0.946

Posición de ensamble.169 1

Operation.170 0.332

Operation.171 0.346

Operation.172 0.309

Operation.173 0.308

Operation.174 0.109

Operation.175 0.204

Pieza1 en poyayoke.176 0.108

Operation.207 1

Operation.178 0.089

Operation.179 0.265

Operation.180 0.396

Operation.181 0.682

Operation.182 0.672

Posición de pieza 3.183 0.417

Operation.184 1

Operation.185 0.512

Operation.186 0.703

Operation.187 0.496

Operation.188 0.462

Operation.189 0.37

Pieza2 en pokayoke.190 0.221

Ensamble.191 0.192

Operation.209 1

Operation.193 0.469

Operation.194 0.296

Operation.195 0.767

Operation.196 0.655

Operation.197 0.322

Pieza sobre banda.198 0.805

Operation.210 1

Operation.211 1

Operation.212 0

90

Robot en espera.202 0.494

Operation.215 0

Operation.216 0

Operation.217 0

Operation.218 0

Robot a home.219 0

Tiempo total pieza aceptada 30.689

Tabla 5.3 Tiempos y movimientos Robot Yaskawa. Motoman pieza aceptada. Fuente: Elaboración Propia.

Ban

da

Tran

spo

rtad

ora

Insp

ecci

ón

Movimientos. Tiempo(s) Imagen.

Wait Until (MH00050-A10.1) AB1=0 0

Banda a Home.1 1

GrabActivity.1 0

GrabActivity.2 0

Movimiento de inspección.2 5

Set-B1AR1=ON 0

Wait Until (MH00050-A10.1) ABR2P=ON 0

Banda a Home.3 1

GrabActivity.3 0

GrabActivity.4 0

Movimiento de inspección.8 5

Movimiento Termina Banda aceptada.9 5

Tiempo banda para pieza rechazada 6

Tiempo banda para pieza aceptada 11

Tabla 5.4 Tiempos y movimientos Banda Inspección/Aceptación. Fuente: Elaboración Propia.

Ban

da

Tran

spo

rtad

ora

D

efec

tuo

sa

Movimientos. Tiempo. Imagen.

Wait Until (MH00050-A10.1) B2C=ON 0

Banda a Home.1 1

GrabActivity.1 0

GrabActivity.2 0

Cruce de sistema visor.2 5

Termina banda de pieza buena.3 5

Tiempo total banda pieza rechazada 11

Tabla 5.5 Tiempos y movimientos Banda Rechazos. Fuente: Elaboración Propia.

91

Velocidades de proceso de las bandas trasportadoras.

Teniendo en cuenta la fórmula de la velocidad donde Velocidad = Distancia / Tiempo

1.-Calculo de velocidad de banda 1. Distancia de Banda Transportadora 1= 6793mm = 679.3cm

𝑉𝐵1679.3 𝑐𝑚

10𝑠=

67.93𝑐𝑚

𝑠= 0.6793𝑚/𝑠

1.-Calculo de velocidad de banda 2. Distancia de Banda Transportadora 2= 4260mm = 426cm

𝑉𝐵2426 𝑐𝑚

10𝑠=

42.6𝑐𝑚

𝑠= 0.426𝑚/𝑠

Figura 5.22. Distancias de las bandas trasportadoras. Fuente Elaboración Propia.

5.4.1 Tiempos y Movimientos En las siguientes graficas de Gantt se muestra el tiempo empleado en realizar un ciclo toda la celda

de manufactura, toma en consideración los tiempos del operador, así mismo los tiempos de cada

una de las operaciones para cada elemento de la celda.

92

Para obtener el ciclo real de una pieza aprobada se realizará la división de únicamente las

operaciones que son de la segunda pieza, ya que para fines de la simulación el software considera

el tiempo de todas las actividades.

Movimientos de Maquina Inyectora Krauss Maffei CX 80-380.

Grafica 5.1 Gráfica de Gantt Krauss Maffei. Fuente Elaboración Propia.

Movimientos y Robot Motoman.

93

94

Grafica 5.2. Gráfica de Gantt Robot Motoman. Fuente Elaboración Propia

Movimientos de Banda Transportadora 1.

Grafica 5.3. Gráfica de Gantt Banda Inspección/Aceptación. Fuente Elaboración Propia.

Movimientos de Banda Transportadora 2.

Grafica 5.4 Gráfica de Gantt Banda Rechazadas. Fuente Elaboración Propia.

95

Movimientos de Humano.

Grafica 5.5 Gráfica de Gantt Human. Fuente Elaboración Propia.

Tiempo de Elaboración de Pieza Intake Manifold. A continuación, se presentan el tiempo ciclo de elaboración de cada pieza con el Robot funcionando

al 100% de su capacidad máxima.

Movimiento Tiempo (s)

Inyección Pieza Defectuosa 45

Robot secuencia Rechazada 36.296

Banda Inspección 6

Banda defectuosas 11

TOTAL 98.296

Movimiento Tiempo (s)

Inyección Pieza Buena 45

Robot secuencia Aceptada 30.689

Banda inspección 11

TOTAL 86.689

Tabla 5.6 Tiempo Ciclo de elaboración de piezas Fuente Elaboración Propia.

96

Tiempo ciclo de elaboración de cada pieza con el Robot funcionando al 50% de su capacidad

máxima.

Movimiento Tiempo (s)

Inyección Pieza Defectuosa 140

Robot secuencia Rechazada 72.592

Banda Inspección 6

Banda defectuosas 11

TOTAL 229.592

Movimiento Tiempo (s)

Inyección Pieza Buena 140

Robot secuencia Aceptada 61.378

Banda inspección 11

TOTAL 212.378

Tabla 5.7 Tiempo Ciclo de elaboración de piezas 50% Fuente Elaboración Propia.

5.5 Propuesta de conexión PLC – Ordenador mediante Ethernet Lo siguiente es para realizar la conexión entre el PLC S7-1200 y el ordenador vía Ethernet, para ello

es indispensable conectar primeramente con cable UTP los conectores RJ45 de ambos

componentes con un cable de configuración cruzada.

Desde el momento en que el módulo está conectado a la red y debidamente parametrizado, es

posible crear aplicaciones cliente en diferentes PC’s conectados a la misma red, las cuales

interaccionarán automáticamente con los módulos y, por tanto, con otros PLC’s de ser necesario.

Debemos descargar el software necesario “STEP7 Basic v10.5” el cual puede ser descargado de la

página de Siemens y se encuentra con la actualización al Service Pack 2 que contiene mayor

funcionalidades y compatibilidad a nuevos PLC ´s.

Una vez descargado e Instalado en el Ordenador abrimos la aplicación Step 7 Basic v10.5, la cual

nos desplegara una consola como la siguiente y damos click en crear nuevo proyecto.

97

Figura 5.23. Consola de Inicio Fuente: Elaboración propia.

En la siguiente ventana en Información del Proyecto se ingresan los datos del nombre del proyecto,

en este caso le llamaremos rypsa_plc y oprimir el botón de “Crear”.

Figura 5.24. Nuevo Proyecto Fuente: Elaboración propia.

En el siguiente punto podemos configurar un dispositivo, crear un programa para PLC, configurar

una imagen HMI, para empezar, necesitamos configurar nuestro HW primero, asignando “Configure

a device”.

Figura 5.25. Menú de Inicio Proyecto Fuente: Elaboración propia.

98

Seleccionamos Add a new device y posteriormente seleccionar el CPU que está dentro de la

categoría SIMATIC PLC donde en el árbol nos moveremos hacia PLC/SIMATIC/S7

1200/CPU/UnespecificCPU1200 y le agregamos un nombre.

Figura 5.26. Selección de PLC: Elaboración propia.

Proseguir con el Modulo de Comunicación del menú lado derecho seleccionando Autodetect para

mostrar el HW dentro del ambiente grafico en la consola.

Figura 5.27. Detección de PLC: Elaboración propia.

Abrirá una pantalla donde muestra la conexión entre el ordenador a través de su tarjeta de red

Ethernet y el PLC, sin tomar en cuenta la dirección IP asignada a los componentes (posteriormente

se puede modificar), tomará cualquiera que esté disponible en la red, finalizar presionar Load.

99

Figura. 5.28. Asignación de IP. Fuente: Elaboración propia.

Una vez cargado, podemos ver que nos entrega una imagen virtual del PLC sensible al contacto

donde podemos dar click sobre alguna entrada o salida y nos permite ver las propiedades o

configurarla. Una vez comprobada la conexión con el PLC entrega la configuración en el menú del

lado izquierdo.

Figura. 5.29 Propiedades del PLC. Fuente: Elaboración propia.

Una vez hecha la parte de HW se puede repetir la operación para agregar más PLC’s o empezar la

programación, como se mencionó en el análisis de datos la programación del PLC en este proyecto

es parte de otra agencia, pero se ejemplificará un programa para corroborar la funcionalidad. Para

esto desplegar del lado izquierdo Program blocks y por defecto nos asigna MAIN (OB1) dando

doble click se edita o Add new block para uno nuevo.

100

Figura 5.30. Creando un Programa. Fuente: Elaboración propia.

Arrastrando los botones se realizará un circuito tradicional de iniciar o detener para posteriormente

cargarlo arrastrando de igual manera las etiquetas hacia el diseño virtual del PLC en las entradas y

salidas que correspondan físicamente.

Figura 5.31. Elaboración de programa y configuración física del PLC. Fuente: Elaboración propia.

Una vez terminada presionar el botón de trasferir en la barra de menús, preguntara si desea detener

el PLC ya que no permite descargarlo mientras esta encendido entonces seleccionar OK, presionar

el botón de LOAD y finalmente FINISH cuando diga completado sin errores.

Figura 5.32. Transferencia de programa a PLC. Fuente: Elaboración propia.

101

Ahora es posible probar la lógica del programa cambiando a modo online el Monitor y con los

botones físicos, encender o apagar mediante las entradas del PLC que se configuraron previamente

en la consola.

Figura 5.33. Prueba de programa en PLC. Fuente: Elaboración propia.

Como beneficios Interfaz gráfica amigable para el usuario por el modo de arrastre hacia los diferentes

componentes, reduce el tiempo/costo, fácil de dar mantenimiento, fácil de reusar y modificar. Una

vez acabado con el PLC para poder controlar desde el ordenador si así lo desea es necesario crear

una pantalla HMI dentro de la misma suite Step 7, para el HW que se tenga físicamente, esto se

hace regresando al menú principal y del lado derecho abrir el proyecto dando doble click, en este

caso “plc_rypsa”, y de igual manera que se agregó el PLC seleccionamos Add new device y

seleccionado el botón de Simatic HMI y el tipo de display.

Figura 5.34 Seleccionar HMI. Fuente: Elaboración propia.

Seleccionar el PLC que está conectado, en este caso el único es “PLC”, presionar siguiente.

102

Figura 5.35. Seleccionar PLC para HMI. Fuente: Elaboración propia

Seleccionamos la opción de títulos en las pantallas, así como insertar un logo de la empresa, habilitar

alarmas y presionar Next.

Figura 5.36 Seleccionar Características para HMI. Fuente: Elaboración propia.

Seleccionar el número de pantallas que por agregar y por apretar Finish. Para que abra un panel de

diseño para los diferentes.

Figura 5.37. Selección de pantallas. Fuente: Elaboración propia.

Del lado derecho se encuentran las librerías para insertar elementos gráficos, dentro de Botones y

Switches en el paquete de Luces, se encuentran los botones, se arrastra el color que se desee y

103

para asignarle un valor se despliega del lado derecho la carpeta de PLC tags, debajo aparecen las

etiquetas que se crearon del circuito anterior, se arrastra la etiqueta de Light hacia el proceso dentro

de las propiedades. Para encender se agrega en el área de diseño un switch con Start y Stop

arrastrando el etiquetado de la misma manera.

Figura 5.38. Luz y Switch de Encendido HMI. Fuente: Elaboración propia.

Una vez terminado el proyecto, se trasfiere seleccionando Devices & Networks y apretando el botón

de trasferir en la barra de menús, preguntara si desea detener el PLC ya que no se puede trasferir

mientras esta encendido. Seleccionar OK y Overwrite para sobre-escribir en el PLC.

Figura 5.39. Transferencia PLC/HMI. Fuente: Elaboración propia.

Para probar el programa en la barra de menú presionar el botón Simulate donde abrirá la pantalla.

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Figura 5.40. Simulación de Encendido. Fuente: Elaboración propia.

Con la aplicación de programación HMI se puede manipular el control del PLC remotamente, se evita

tener que entrar a la celda de manufactura para tener que realizar algún cambio, interfaz amigable

con el usuario y reutilizable sin necesidad de conectar nuevos componentes. Utilizando este

programa se propone conectar la salida de las celdas fotoeléctricas a la entrada número 2 del PLC

la cual fue configurada con la etiqueta STOP siendo esta la que al recibir la señal realizará el paro

de emergencia cuando los sensores de las barreras sean intervenidos por algún agente externo,

mientras que la etiqueta START sigue estando configurada en la pantalla HMI para reanudar el

proceso una vez sea evaluada la zona como segura desde el ordenador.

105

Conclusiones Después de analizar y evaluar el tiempo ciclo en la elaboración de la pieza Intake Manifold mediante

una propuesta de simulación virtual del proceso, se logró obtener un resultado detallado de la

producción de esta pieza, con el cual se aventajará a la planeación estratégica del proyecto en

relación del tiempo, la operación requerida para alcanzar los estimados propuestos y las capacidades

necesarias de las estaciones de trabajo que componen la celda de manufactura al momento de

ponerla en marcha. Con la información proveniente de este análisis, se logra cumplir con los objetivos

planteados en el documento, los cuales ayudarán a la toma de decisiones, estableciendo parámetros

que aseguren la calidad, alcance, eficiencia y en caso de ser necesario el aumento o disminución de

la producción de piezas. En futuras investigaciones, un tema a tratar con el cual se lograría una

mejora considerable respecto al control de los elementos de la celda sería la programación de un

Controlador Lógico Programable (PLC) con el cual se manipulen, coordinen y comuniquen todos los

elementos de la celda de trabajo para monitorearla, detectar puntos de falla, administrar la inclusión

de nuevos procesos a la celda flexible de manufactura; o bien, evaluar el impacto que tengan

posibles modificaciones dentro de la misma.

Debido a la distribución de las actividades y fase del proyecto RYPSA S.A. de C.V. delimita el alcance

de la participación del equipo a lo plasmado y logrado en el trabajo, no se llevaron a cabo las tareas

de programación del PLC y CNC de la maquinaria como nuevas alternativas que facilitarán el alcance

de las mismas innovando mediante la utilización de herramientas virtuales, la continuidad del

proyecto se llevara por áreas especializadas.

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Glosario

Moldeo El moldeo es una técnica que consiste en calentar el material hasta su

punto de fusión y, en ese momento, verterlo en un molde con la forma de la

pieza que se pretende obtener.

Cavidad Esa parte del molde que forma la superficie exterior de la pieza moldeada.

Los moldes pueden estar diseñados como cavidad sencilla o cavidades

múltiples

Celda de manufactura Son dos o más procesos que agregan valor, unidos de una manera óptima,

cuyo objetivo es fabricar uno o más unidades de un mismo producto en un

corto plazo, de modo que fácilmente se puedan adaptar o cambiar para

producir otro producto semejante.

Ensamble Acción que consiste en juntar dos o más elementos para formar un todo o

realizar una misma actividad.

Fenómeno físico Todo cambio que sufre la materia sin alterar su estructura interna.

Intake Manifold Es la parte de un motor que suministra la mezcla de aire/combustibles/gases

a los cilindros los cuales son la parte del trabajo del motor.

Interfaz Es una conexión entre dos máquinas de cualquier tipo, a las cuales les

brinda un soporte para la comunicación a diferentes estratos. Fuente:

Manifold Es un sistema que tiene la finalidad de asegurar el abasto de un gas, que

puede ser un solo gas o una mezcla de gases. Tiene forma "Y" y selecciona

de qué lado permite el flujo del aire. Fuente:

Manufactura celular Aplicación de la tecnología de grupo en el cual maquinas o procesos diferentes

han sido agregados en celdas, cada una está dedicada a la producción de

una parte o familia de productos o un grupo limitado de familia de productos.

Monobloc Parte principal o primaria de motor, en él se localizan los componentes

mecánicos (pistones, cigüeñal, vielas, árbol de levas, bomba de aceite, etc.)

a ella van también acoplados la cabeza del motor, la caja de transmisión,

múltiples de admisión y de escape, alternador y demás componentes y va

sujeta al chasis por medio de soportes.

Montaje Acción de montar o armar un objeto.

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Polímeros Macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas

llamadas monómeros.

Señal eléctrica La variación de la corriente en el transcurrir del tiempo en analizar la

corriente que pasa por un conductor.

Simulación virtual El proceso de diseñar un modelo de un sistema real y llevar a término

experiencias con él; con la finalidad de comprender el comportamiento del

sistema, dentro de los límites impuestos por un cierto criterio. Fuente:

Tiempo Ciclo Tardanza en ser procesada una pieza por un proceso individual.