SIMULACIÓN EN EL MARCO DE UN SISTEMA PDM DE UN PROCESO INTEGRADO DE DISEÑO EN 3D Y FABRICACIÓN SIGUIENDO LA LÓGICA DE UN SISTEMA MRPII

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1 XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA GRÁFICA SIMULACIÓN EN EL MARCO DE UN SISTEMA PDM DE UN PROCESO INTEGRADO DE DISEÑO EN 3D Y FABRICACIÓN SIGUIENDO LA LÓGICA DE UN SISTEMA MRPII DEL RÍO CIDONCHA, Mª Gloria (1); MARTÍNEZ PALACIOS, Juan (2); MARTÍNEZ VIVAS, Rafael (3) (1) (2) (3) Universidad de Sevilla, España Escuela Superior de Ingenieros, Departamento de Ingeniería Gráfica Correo electrónico: cidoncha@esi.us.es, juanmp@esi.us.es, rafa-martinez@wanadoo.es RESUMEN Para optimizar los procesos productivos, reducir costes y adaptar la empresa a las variaciones cada vez más rápidas de los mercados, nacen a finales del siglo pasado los primeros sistemas de planificación conocidos como MRP (Manufacturing Resource Planning). Más recientemente, en la década de los 90, surgen los sistemas PDM (Product Data Management), que representan un esfuerzo por integrar los distintos sistemas informáticos que manejan todos los datos de la empresa. El objetivo de este artículo es mostrar, como se ha realizado, una simulación de un sistema PDM, que abarca dos aspectos: el proceso de diseño, utilizando y adaptando un sistema comercial de CAD-CAM (PRO-ENGINEER) y el proceso de planificación y fabricación usando MRP II. Primeramente se mostraran las ventajas que los sistemas MRP han aportado a los procesos productivos. Después se describirá el proceso de diseño del producto tratado, analizando características y ventajas del programa PRO- ENGINEER utilizado. Y por último se expondrá el desarrollo de una aplicación, realizada en Visual Basic, que integra el funcionamiento de un sistema MRP II, obteniendo del programa CAD, la información necesaria para lanzar las ordenes de fabricación de piezas y suministro de materias primas, simulando de este modo un entorno de trabajo PDM. Palabras clave: PDM, CAD, CAM, PRO-ENGINEER, MRP II ABSTRACT At the end of the last century arise the first systems of planning known as MRP in order to optimise the productive process, to reduce the costs and to adapt the company to the quicker changes of the markets. Recently, at the end of the nineties arise the PDM systems that represent the effort to make up the different informatic systems that handle all the information

2 of the company. The goal of this article is to show how a PDM system simulation has been performed covering two aspects: the design process, using and adapting a CAD-CAM (PRO- ENGINEER) commercial system and the planning and manufacturing process that uses MRP II. Firstly the advantages of MRP systems have provided to productive process will be shown. After that the design of the product process will be described, analysing the characteristics and advantages of PRO-ENGINEER program used. At last the development of an application peformed in Visual Basic that make up the performance of a MRP II system will be shown, getting from the CAD program the necessary information to order the pieces manufacturing and the raw materials simulating a PDM work environment. Key words: PDM, CAD, CAM, PRO-ENGINEER, MRP II 1. Introducción El objetivo de este artículo es realizar una simulación de un entorno de trabajo PDM, abarcando sólo dos aspectos fundamentales del mismo: el proceso de diseño del producto, y los de planificación y fabricación de componentes y sus repuestos. Este sistema PDM, se ha materializado en una aplicación en Visual Basic que, integra una aplicación para CAD-CAM, utilizando el programa comercial Pro-Engineer, y una herramienta para la gestión de la producción, usando la lógica MRP II. En los primeros apartados, se expondrán los orígenes y circunstancias que han llevado a las grandes empresas a utilizar en su gestión las filosofías de trabajo del MRP y PDM; se analizan las ventajas que estas técnicas proporcionan al proceso productivo y las consecuencias derivadas de su implantación. Posteriormente, se detalla el funcionamiento, de forma individual de los sistemas de CAD y MRP, y por último se describe la aplicación PDM, resultado de la integración de ambos. Todo esto se presenta con un ejemplo, el diseño y fabricación de un producto concreto, un cilindro hidráulico de doble efecto. 2. El Sistema de Control de la Producción MRP II Ya a mediados del siglo XX, las empresas productoras eran conscientes de que errores en la estimación de la demanda suponen exceso de stock, deterioro de los productos almacenados, y considerables pérdidas económicas debido a los gastos de almacenamiento. Aparecen pues enfoques que tienen en cuenta la dependencia entre los componentes de fabricación y sus niveles de inventario, como el Programa Maestro de Producción (PMP), donde se establecen las necesidades en cantidad y fecha de entrega de los productos finales e intermedios. Sin embargo, la gran cantidad de datos que tenían que ser procesados y la complejidad de estos, debida a las relaciones entre los distintos componentes, requería una capacidad de cálculo no disponible en aquellos momentos. El avance de las herramientas informáticas y de cálculo, a partir de los años sesenta comenzó a hacer factible la Planificación de los Recursos de Materiales, conocido por MRP. En este sistema la producción, los inventarios y las ordenes de compra comparten una misma base de datos, la cual está ligada a la gestión de las

3 capacidades de los recursos y admite posibles cambios o alteraciones del PMP. Los sistemas MRP en bucle cerrado o MRP II, permiten abarcar la mayoría de las tareas relacionadas con el proceso productivo; así la planificación de la producción es el resultado de la interacción entre los costes, los recursos y la demanda estimada. Representan una verdadera filosofía de gestión integrada, que posibilita la creación de una base de datos centralizada, y permite la coordinación de las distintas áreas de la empresa. La formulación automatizada del proceso permite: evaluar la viabilidad de alternativas en la producción, ayudando en la toma de decisiones, optimizando la productividad; proporciona beneficios en la gestión de inventarios, y necesidades de material y se convierte en fuente de información para la política de compras; el control que proporciona sobre los costes, lo convierte en una herramienta fundamental para la planificación financiera. En resumen, los sistemas MRP II son una potente herramienta para la dirección y gestión de la empresa, garantizan la exactitud de la información, mejoran considerablemente el cumplimiento de los requisitos solicitados por el cliente. 3. Los Sistemas de Gestión de Información de la Producción PDM (Product Data Management). A principios de los ochenta empresa lideres en la aplicación de computadoras al proceso de diseño (y sus suministradores de software) comprobaron como su progreso se veía frenado por dos causas fundamentales: su dependencia aún de los sistemas basados en la información sobre papel y los problemas de gestión de grandes bases de datos, en especial, las que se utilizan para el control de los cambios o modificaciones (Change Mangement) del diseño y las relativas a configuración o versiones (Release Management) del producto. Nacen pues los sistemas PDM con los siguientes objetivos a cubrir: gestionar toda la información relacionada con los productos: archivos electrónicos, planos y bases de datos, a través del ciclo completo de vida del producto; así como incorporar un conjunto de aplicaciones que aumentan la eficiencia de los operarios y de los procesos involucrados en el diseño, producción,marketing, venta y servicios post-venta de un producto. El diseño funcional de un PDM se centra en tres aspectos: optimizar al máximo el ciclo de desarrollo, diseño y modificaciones de un producto; gestionar el flujo de información, manteniendo el control de lo datos y su distribución automática entre todos los participantes en el proyecto; y por último establecer una correcta gestión del flujo de trabajo entre áreas. La implantación de un sistema PDM, por lo anterior, reducirá el tiempo de comercialización de un producto, producirá mejoras en el diseño y aumentará la productividad de los ingenieros, fomentando el trabajo en equipo, mejorará la gestión de las modificaciones y garantizará la integridad de los datos; entre otras ventajas.

4 4. Diseño en Pro/Engineer del Conjunto de Cilindro Hidráulico La utilización de los sistemas de CAD/CAM proporcionan una valiosa aportación a la industria, ya sea directamente sobre el proceso productivo, o indirectamente sobre los objetivos de la empresa como resultado de lo anterior. En concreto, se automatiza la generación de planos a partir de la construcción 3D, permite el uso de técnicas de control numérico, proporciona un control continuo para la detección de errores, aporta una herramienta de simulación de prototipos reduciendo las tareas de diseño. Como consecuencia se reduce el ciclo diseño-fabricación, contribuye a la calidad del producto, permite optimizar el proceso productivo, y aporta flexibilidad al proceso ante cambios en las condiciones del entorno (por ejemplo del mercado). CAD CAM Generación de planos. Control numérico. Verificación de la información. Simulación de alternativas. Facilita el diseño. Estandarización y normalización. Ciclo de diseño-fabricación. (Optimiza alternativas). Calidad (menos errores/mejor información). Productividad.. Flexibilidad ante cambios. Figura 1. Ventajas derivadas del uso de técnicas CAD/CAM. En esta sección se abordan las características de una aplicación CAD/CAM como es Pro/Engineer, y se describe el proceso de diseño del conjunto. 4.1 Características de la aplicación Pro/Engineer La aplicación Pro/Engineer presenta las características propias de las aplicaciones CAD/CAM, tales como: modularidad del programa, tratamiento integrado de sólidos, modelado paramétrico, asociatividad entre elementos en su definición, modelado de superficies y definición de mecanizados, permite la definición de librerías de uso general, y posibilita la intercambiabilidad con otros sistemas de CAD. El núcleo central del programa está destinado a: El diseño de piezas, permitiendo el uso de protruciones, cortes y ranuras, extrusiones, revolución y barrido de secciones a lo largo de una trayectoria. Permite la creación y modificación de funciones del tipo seleccionar y posicionar, el uso de elementos y sistemas de referencia, la definición de tolerancias y acabados superficiales, y la asignación de propiedades físicas a la materia del objeto. El ensamblaje de piezas, mediante la definición de relaciones entre planos, superficies, ejes, puntos y sistemas de referencia. Las relaciones utilizadas serán las de enfrentamiento (MATE), alineación (ALIGN), ambas con y sin desplazamiento (OFFSET), y de orientación (ORIENT) e inserción (INSERT).

5 La generación de planos, vistas, y proyecciones de forma automática, utilizando el boceto con definición paramétrica de cotas, que posibilita una rápida redefinición de la geometría del conjunto. La realización de operaciones de ámbito general, como gestión de bases de datos, control de capas, inspección de información geométrica y medidas, y presentación y visualización de resultados. 4.2 Diseño Detallado del Conjunto. Para mostrar el uso de las herramientas de la aplicación Pro/Engineer, se ha elegido el diseño de un Cilindro Hidráulico de Doble Efecto, cuyo despiece se muestra en la figura 2, ya que se ha considerado que posee la suficiente complejidad mecánica como para poder destacar las ventajas del programa en su modelado. Figura 2. Despiece del Cilindro Hidráulico de Doble Efecto. En primer lugar se diseñaron los componentes y piezas del conjunto, partiendo de bocetos parametrizados y que generaron los sólidos tridimensionales. En esta primera fase se crearon Planos de referencia (DATUM) a modo de sistema de coordenadas para crear y aplicar Funciones (FEAT) a partir de los bocetos. En el modelado tridimensional se emplearon herramientas como Taladros (HOLE), Chaflanes (CHANFER y ROUND), Ranuras (SLOT), Extrusiones (EXTRUDE), y Patrones de función (PATTERN). Como ejemplo y con el fin de simplificar la descripción, se ha detallado la creación de la pieza 1, la cual presenta un completo uso del programa. La figura 3 muestra su proceso de extrusión.

6 Figura 3. Boceto parametrizado de la pieza 1, y resultado de la extrusión. Para crear el interior de la pieza se usa un taladro con la forma transversal de la sección interior del mismo. En la ventana boceto se realiza el trazado del mismo, y se establece una línea central (Center line) que servirá como eje de revolución. Se acota el conjunto y se regenera. Se pulsa Done y se posiciona el taladro en el centro de la pieza que se tiene construida (figura 4). Figura 4. Boceto y resultado de la extrusión por revolución. El siguiente paso consiste en la creación de un taladro lateral roscado. Para la realización de la rosca de métrica 8, se utilizaron líneas de trayectoria a partir de SPLINES, que permitieron generar un sólido a partir del boceto de la sección del filete. Para ello se dibuja el perfil del filete, parametrizando sus medidas en función del paso p como muestran las ecuaciones de la figura 5. Sd1=21/48*tg(60)*p Sd2=sd1-21/24*cos(30)*p Sd3=cos(30)*p Sd4=sd3 Sd5=sd2 Figura 5. Perfil de la rosca, parametrización de la misma, y resultado final.

7 Otra posibilidad que ofrece el programa es la de añadir cortes a las piezas que permiten ver la sección interior de las mismas. Finalmente se procede al ensamblaje de las piezas mediante la definición de relaciones entre unas y otras. De esta estructura jerárquica se obtendrá con posterioridad la Lista de Materiales. 5. Simulación del Proceso Integrado de Diseño y Fabricación 5.1 Descripción del Procedimiento. El programa que se ha generado debe ser capaz de: Importar la Lista de Materiales directamente desde la aplicación CAD Interpretar la Lista de Materiales para buscar, en una base de datos global, la información referente a los elementos implicados en ella. Establecer las previsiones referentes a la Planificación de Necesidades de Material para unos valores de demanda establecidos en un Programa Maestro de Producción. El programa CAD empleado, en este caso Pro-Engineer, debe ser capaz de generar un fichero de texto con la información correspondiente a la Lista de Materiales (LM) del conjunto. El tratamiento de este fichero supone la identificación de cada elemento, del nivel al que corresponde cada uno, y las relaciones de descendencia. El siguiente paso consiste en la búsqueda en una base de datos general, de la información y características propias de cada uno de los elementos existentes en la LM. A partir de aquí, la aplicación genera de forma automática las tablas de información que serán utilizadas en el proceso de aplicación del método MRP. En la Tabla 1 se describen cada una de ellas. Tabla 1: Descripción de las tablas generadas por la aplicación. Tablas de ámbito general. Tablas propias de cada caso. Nombre de la tabla Periodos Dato Pedidos SMD Ident Provisional Total Descripción de la tabla Descripción de los periodos en el horizonte de programación. Descripción de las variables y parámetros que serán evaluados por el método MRP. Información del Programa Maestro de Producción (PMP) Información del Segmento Maestro de Datos (SMD) Porción de elementos que sí están incluidos el la LM motivo de estudio. Identificación, nivel, y descendientes de los elementos procesados a partir de la LM. Contiene todas la variable evaluables para todos los elementos de la LM.

8 5.2 Funcionamiento del Programa. En primer lugar se indica la localización del archivo que contiene la Lista de Materiales que es motivo de estudio. Para ello se ha diseñado una pantalla encargada de la Gestión Documental (Figura 6), en la que es posible localizar la unidad, carpeta, y nombre del archivo tanto de la Lista de Materiales, como de la base de datos con la que trabajar. Una vez seleccionados estos archivos, se generan las tablas Ident y Provisional. Al mismo tiempo, y partiendo de la información contenida en las tablas que hacen referencia al PMP y al SMD, se genera la Total que contendrá los resultados de la aplicación del método. Figura 6. Ventanas encargadas de la Gestión Documental. Posteriormente, pulsando Planificación de Necesidades se entra en la ventana encargada de la revisión de parámetros y valores, y de la aplicación del método MRP (Figura 7). En ella se tiene la posibilidad de visualizar todos los identificadores, y de conocer y modificar los valores del SMD y PMP para cada elemento de la LM. Figura 7. Ventanas encargadas de la Planificación de Necesidades.

9 Pulsando Explosión del MRP se aplica el método de cálculo correspondiente a la Planificación de Necesidades, cuyos resultados pueden ser inspeccionados para cada elemento en la tabla inferior. Para mayor comodidad en la inspección de los resultados, los valores nulos son eliminados y se presentan en blanco. 5.3 Aplicación a un Caso Práctico. Se ha aplicado el programa a un caso práctico consistente en la explosión de necesidades del conjunto formado por el cilindro hidráulico, descrito anteriormente. (Figura 2). En primer lugar se ha generado el archivo que contiene la Lista de Materiales mediante Por-Engineer, el cual es tratado por la aplicación para la generación de las tablas que permiten el cálculo. Como caso práctico, se ha considerado un PMP con una cierta demanda tanto del conjunto completo como de parte de él, localizada en los periodos 2, 3, 5, 7 y 8, se han supuesto valores para el SMD, y se han establecido valores iniciales para las disponibilidades y recepciones previstas de algunos elementos. Toda esta información se detalla en las tablas 2, 3 y 4. Tabla 2: Programa Maestro de Producción. Periodos PMP CONJUNTO EJE Tabla 3: Segmento Maestro de Datos. SMD Identificador Stock de Seguridad Método de lote Tiempo de suministro Nivel más bajo CILINDRO CIL_DE 200 lote a lote 1 0 EJE EJE 100 lote a lote 1 1 Tabla 4: Segmento de Estado de Inventario. Necesidades brutas Identificador. (Id) SEI CIL_DE CUERPO EJE (Nb) Disponibilidad (Disp) Recepciones Programadas. (Rp) 30 en P=5 50 en P=3 Necesidades Netas Recepción Lanzamiento (Nn) (RPPL) (PPL) Una vez introducidos todos los valores iniciales de cada elemento, deberá comenzar el proceso de cálculo de las necesidades para poder satisfacer la demanda impuesta en el PMP. Este proceso, también llamado explosión de necesidades, deberá comenzar por los niveles superiores (nivel 0), desde el primer periodo hasta el final, y avanzando hacia niveles inferiores. En cada paso se deben calcular las

10 Necesidades Netas del elemento, y a partir de ellas los pedidos a realizar de los elementos descendientes. En la figura 8 se puede apreciar la presentación de resultados tras haber aplicado el proceso de cálculo. Figura 8. Resultados obtenidos por el programa. 6. Conclusiones Los sistemas PDM, última generación de los sistemas de gestión de la producción, se basan en la integración de todos los datos que intervienen en el ciclo de vida de un producto desde su diseño, fabricación, venta y vida en manos del cliente. Estos sistemas permiten una acceso a esta información a todos los usuarios desde diferentes puestos y de forma jerarquizada y controlada, en tiempo real. El disponer de toda la información de un producto: unificada, estructurada y on-line, da lugar a ventajas indudables, que justifican el éxito y desarrollo que estos sistemas están adquiriendo. El diseño de un producto, y las técnicas CAD-CAM que se utilizan para ello, adquieren, aún más relevancia, si cabe, en entornos PDM; al convertirse los datos extraídos de los mismos en base, y motores, para el resto de las actividades de la empresa; como además se ha comprobado en la simulación, que de un sistema PDM se plasma en este artículo. Referencias PDM Information Company. pdmic@aol.com. Graphics & Webdesing. Tracy Lee Designs. tracylee@aol.com DRM Associates. Computer Aided Process Planning. Kenneth A. Crow.