ESPECIFICACIONES PARA INTERFAZ ENTRE LOS ÁMBITOS FUNCIONALES CAD CAM, PARA EL DISEÑO DE NUEVOS PRODUCTOS. A.S. Hurtado, W.H. Valencia, D.M. Muñoz Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control, Universidad del Cauca, Calle 5 No 4-70, Popayán, Cauca, Colombia Resumen Este artículo presenta lineamientos de especificaciones para el diseño de una interfaz de flujo de información entre los ámbitos funcionales de Diseño Asistido por Computador (CAD) y el ámbito Manufactura Asistida por Computador (CAM), para el diseño y desarrollo de nuevos productos, fundamentada en una arquitectura de integración empresarial que sigue estándares internacionales como los que plantea la ISA ( Instrumentation, Systems, and Automation Society o Sociedad de Instrumentación, Sistemas y Automatización ), en la norma ISA 95 e ISA 88. Palabras Clave: Manufactura Integrada por Computador (CIM), CAD, CAM, Diseño de nuevos productos, XML Lenguaje de margen extensible (extensible Mark-up Language.) 1 INTRODUCCION El diseño y desarrollo de nuevos productos y la integración empresarial son dos aspectos cruciales para la supervivencia de las empresas debido al ambiente competitivo global y dinámico. La demanda continua, el tiempo de entrega más corto y clientes de productos específicos, invocan la necesidad de planear la información tecnológica y logística para nuevos productos; así, los sistemas modernos de manufactura necesitan estar familiarizados y vinculados con todos los departamentos de la empresa, para satisfacer esa demanda, reduciendo el tiempo ciclo en la entrega de productos [1]; por lo que la integración de la información es primordial en los procesos de manufactura y lo que se busca es proveer la información correcta, en el lugar correcto, en el tiempo correcto y usando el formato correcto [2]. Esa integración debe realizarse por medio de estándares de comunicación que permitan el manejo más eficiente de sus recursos, el dominio de sus estructuras organizacionales y la administración de sus procesos productivos y de negocio. En el presente artículo se presentan los lineamientos de las especificaciones para el intercambio de información entre diseño y manufactura para nuevos productos, con base en una arquitectura de integración de referencia y en una metodología de diseño y desarrollo de nuevos productos. El artículo está organizado de la siguiente manera: en la sesión 2 se presenta el estado del arte respecto a arquitecturas de integración de empresas y respecto a metodologías de diseño y desarrollo de productos; en la sesión 3 el diseño del flujo de información entre CAD y CAM, en la sesión 4 los formatos de intercambio de información y en la sesión 5 las conclusiones generales del proyecto. 2 ARQUITECTURAS DE INTEGRACIÓN Y METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PRODUCTOS. 2.1 Arquitecturas de Integración Empresarial. La integración de empresa es una modalidad de integración que tiene como objetivo principal, compartir libremente información entre los diferentes ámbitos de la empresa. Este nivel de integración se ha sustentado en el desarrollo de modelos de intercambio de información y representación común de los datos y se ha llevado a cabo por medio de aplicaciones que han permitido que los procesos de negocios de una empresa se comuniquen o intercambien información entre ellos o con los procesos de negocios de otras empresas. Entre estos modelos o arquitecturas se tienen las siguientes: CAM-I: Propone un modelo de fábrica. Este modelo propone cuatro niveles de descomposición (empresa, fábrica, taller y centro de costos) en la que se puede encontrar las siete principales funciones (decidir, diseñar, planificar, comprar, hacer, verificar y entregar) [3]. GRAI-GIM: GIM (GRAI Integrated Methodology) Es una metodología para el análisis y diseño de sistemas de producción basados en el método GRAI. Incluye los métodos de modelado Grida GRAI, redes GRAI, IDEF0 y MERISE, y se enfoca en el análisis de sistemas de decisión de la empresa [4]. CIMOSA: (CIM Open System Architecture) Provee directrices, arquitectura y un lenguaje de modelado avanzado para el modelado empresarial que incluye funciones, información, recursos y aspectos organizativos de la empresa. El trabajo sobre CIMOSA ha sido el principio de dos normas Europeas [4]. ICAM Manufactura Integrada Asistida por Computador, fue uno de los mayores proyectos de la CIM en los EE.UU. El objetivo del proyecto era mejorar el uso de la tecnología de la información en el ámbito de la fabricación y en particular en la industria aeroespacial. Fue elaborado un "modelo de fabricación". El objetivo de este modelo fue mostrar las principales funciones de fabricación y las relaciones entre ellos. [3] Modelo CIM de Siemens Es un modelo amplio en cuanto a la concepción de todas las posibles estructuras funcionales que pueda tener una organización, independiente de su tamaño, capacidad o tipo de producto. Este modelo incluye las relaciones de la organización con su entorno y se basa en ámbitos funcionales a través del agrupamiento de entidades funcionales alrededor de los objetivos de la empresa. [4].
Modelo S-F (Siemens-FIET) El modelo Siemens-FIET, es un desarrollo teórico del grupo de I+D en Automática Industrial, de la FIET de la Universidad del Cauca. El Moldeo S-F es el producto de un análisis de cómo los modelos propuestos por la norma ISA 95 pueden mapearse en el Modelo CIM de Siemens, para lo cual se tiene en cuenta el Modelo Jerárquico de Funciones y el Modelo Funcional.[5] El modelo tomado como referencia para el desarrollo de este trabajo es el modelo S-F (Siemens-FIET) porque presenta una visión global de la empresa como un conjunto de ámbitos funcionales principales de un ambiente CIM: CAD (diseño asistido por computador), CAM (manufactura asistida por computador), PPC (Planificación y Control de la Producción), CAP (Planificación Asistida por Computador), CAQ (Calidad Asistida por Computadora), PE (Planificación de la Empresa), ventas, compras y CI (Contabilidad industrial), cada uno con funciones específicas e intercambio de información entre ellos [5]. Incluye las relaciones de la organización con su entorno y además es un modelo actualizado a normas internacionales, que provee terminologías para la definición de interfaces entre el sistema de negocios y el sistema de control de manufactura, buscando una fácil integración de las operaciones durante todo el ciclo de producción sin tener en cuenta el grado de automatización actual del proceso. 2.2 Metodologías de Diseño de Productos. Para el diseño y desarrollo de nuevos productos existen varias metodologías de trabajo que se enfocan en el uso de un proceso sistemático con etapas diferenciadas y reproducibles para garantizar un resultado exitoso. Este proceso sistemático ha pasado de un desarrollo basado en ingeniería secuencial, en el que las diferentes actividades se realizan de manera encadenada, a un desarrollo basado en ingeniería concurrente, en el que las diferentes actividades se realizan de manera paralela [6]. La ingeniería concurrente se define como un esfuerzo sistemático para un diseño integrado, concurrente del producto y de su correspondiente proceso de fabricación y de servicio. Pretende que los desarrolladores, desde un comienzo, tengan en cuenta todos los elementos del ciclo de vida del producto, desde el diseño conceptual, hasta su disponibilidad, incluyendo calidad, costos y necesidades de los usuarios [7]. Propone realizar un trabajo coordinado y simultáneo de los diversos departamentos de la empresa: Marketing, Ingeniería de producto, Ingeniería de procesos, Producción, Calidad, Ventas, Mantenimiento, Costos, etc. A continuación se describen tres metodologías basadas en ingeniería concurrente las cuales han sido estudiadas, analizadas y comparadas con el fin de lograr lineamientos bien estructurados. Metodología de la planeación avanzada de calidad de los productos (APQP) (Advanced Planning Quality Products). El APQP es un proceso definido para el desarrollo de un sistema de producción de un nuevo producto o un producto existente en una compañía. Es un intento de sincronizar y proveer de un método único las actividades de desarrollo y producción, también se puede decir que es un medio para asegurar la comunicación dentro de la compañía y de la empresa con sus clientes y proveedores, donde la primera etapa y la más importante consiste en identificar quienes son los clientes [8]. El proceso de la planeación avanzada de la calidad del producto se basa en cuatro fases que se muestran en la figura 1. Figura 1: Fases y actividades de APQP. Fuente: Advanced Product Quality Planning Manual - ELSMAR COVE. Metodología stage-gate o etapa-puerta Es una Metodología propuesta por Robert G. Cooper, diseñada para manejar el proceso de nuevos productos, desde una idea hasta el lanzamiento de un producto, en un número de pasos o etapas predeterminados. Cada etapa consiste en un grupo de actividades transfuncionales y paralelas que se deben terminar con éxito antes de obtener la aprobación de la gerencia para proceder a la siguiente etapa de desarrollo del producto [9]. La entrada a cada etapa se llama: Puerta. Estas puertas, que son normalmente reuniones, controlan el proceso y el servicio a través de: Controles de calidad, puntos de comprobación por ejecutar, preparación-inspección, criterios por satisfacer, criterios que podrían ser satisfechos y marcadores para el plan de acción de la próxima fase. Las etapas se describen en la figura 2. Figura 2. Modelo Stage Gate. Fuente: Managing product development, Explanation of the stage-gate model - Robert G. Cooper. Metodología de diseño y desarrollo de productos con un enfoque multidisciplinario, propuesto por Karl t. Ulrich y Steven D. Eppinger. Esta metodología define el diseño y desarrollo de productos como una secuencia de actividades que una empresa debe emplear para concebir, diseñar y comercializar un producto y poder obtener mejores resultados. Los métodos que se utilizan para concluir las actividades de desarrollo se encuentran estructurados, lo que significa que por lo general se proporciona un enfoque paso por paso, y con frecuencia se ofrecen plantillas para los métodos de información clave utilizados por el equipo.
Aunque los métodos son estructurados, no es la intención que se apliquen de manera indiscriminada. Estos son un punto de partida para una mejora continua. Los equipos deben adaptar y modificar los enfoques para que cumplan con sus propias necesidades y para que reflejen el carácter único de su ambiente institucional. Puesto que esta metodología plantea seguir una serie de actividades con el fin de obtener excelentes resultados, el proceso de desarrollo del producto se encuentra distribuido en una secuencia de seis fases y cada una de ellas incluye métodos integrales para su desarrollo, tal como se muestra en la figura 3. [10] Figura 5. Flujo de información entre CAD y CAQ con CAP. Figura 3. Proceso de desarrollo de producto. Fuente: [10] Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de cada una de las metodologías expuestas, con base en criterios como: identificación de características de productos, conceptualización del producto, identificación de variables a controlar en el producto, diseño del proceso, relación con otros ámbitos funcionales y trabajo interdisciplinario y con el objeto de lograr el objetivo del trabajo, es decir de lograr la integración CAD-CAM; se definió una metodología de trabajo integrada, para el diseño y desarrollo de productos nuevos. 3 DISEÑO DEL FLUJO DE INFORMACIÓN ENTRE CAD Y CAM PARA NUEVOS PRODUCTOS. La metodología de trabajo implica una serie de actividades dentro de las etapas y cada una de estas actividades deben ser asumidas por los diferentes ámbitos funcionales de la arquitectura de integración escogida. Los ámbitos funcionales involucrados en la integración del flujo de información para nuevos productos son: Ventas, Planeación estratégica, Planeación Operativa, CAD, Calidad Asistida por Computador (CAQ), CAP, CAM con las subfunciones de Control de Fabricación y Producción. Esta interacción se muestra en la figura 3. Figura 3. Relación entre ámbitos funcionales. La información que fluye entre los ámbitos se presenta a continuación, paso a paso; en las figuras 4, 5, 6 y 7. Figura 4. Flujo de información entre VENTAS y PE con CAD y CAQ. Figura 6. Flujo de información entre CAP con CAM. Figura 7. Retroalimentación del flujo de información. 4 FORMATOS DE INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN. Existen distintas plataformas para la integración de los procesos de negocios de las empresas que permiten la unificación de vocabulario de manera técnica, unas de las más conocidas son las plataformas orientadas a tecnologías de negocios, tales como B2B (Business-to- Business) [11]. La arquitectura de referencia está validada con las normas ISA 95 e ISA 88 las cuales plantean el uso de documentos XML desarrollados a partir de esquemas B2MML (Business to Manufacturing Markup Language) y BATCHML(Batch Markup Language); por tal razón se plantea usar el lenguaje XML para enviar el flujo de información correspondiente a la metodología de diseño de productos nuevos. B2MML es una implementación en XML de la familia de estándar ANSI/ISA S95, conocido internacionalmente como IEC/ISO 62264. B2MML consiste en un conjunto de esquemas XML escritos en el lenguaje de esquemas XML (XSD) del World Wide Web Consortium que implementa los modelos de objetos del estándar ISA S95 [12] y BATCHML es una implementación en XML de la familia estándar de la norma ANSI / ISA 88, conocido internacionalmente como IEC 61512. BatchML consta de un conjunto de esquemas XML escritos en el lenguaje de esquemas XML (XSD) del World Wide Web Consortium que implementa los modelos de objetos y terminología del estándar ISA 88 [13]. Después de realizar un análisis de los diferentes modelos de B2MML se escogió el modelo de extensión, pues en el flujo de información entre CAD y CAP, se generaron funciones para definir los parámetros de diseño y de proceso con un enfoque de diseño para manufactura. Estos parámetros son la parte más importante del diseño del producto, porque con base a ellos se caracteriza el producto y se diseña el proceso productivo; y el modelo de
extensión de B2MML define estos parámetros como información de extensión del usuario. Debido a que este tipo de información en muchas situaciones no proporciona la flexibilidad y la facilidad de lectura, no se establece una estructura para el manejo de esta información sino que da la posibilidad de que el usuario los defina de la forma más adecuada. [14] En el modelo de extensión, en las extensiones de usuario, se dan de cuatro tipos: propiedades, segmentos, parámetros de producto y proceso y enumeraciones ampliadas de usuario. Los esquemas B2MML para los parámetros del producto se presentan en las figuras 8 y 9. Figura 11: Estructura de especificaciones Propiedades tipo numérica para proceso. Figura 8. Estructura XML para los parámetros de diseño. Dependiendo del tipo de especificaciones se define otra estructura. En la figura 9 se muestra la estructura para una especificación numérica; pero ésta también puede ser selección y boleano. Teniendo los esquemas para la información del diseño del producto y del proceso, se debe estructurar la información relacionada con la fabricación del producto. Los ámbitos implicados de generar la información son CAP y PPC. El ámbito CAP es el encargado de diseñar el proceso de producción para el producto. Define la planificación de trabajo que brinda información acerca de los procedimientos, las máquinas, la secuencia de trabajo. Esta información debe ser modelada en B2MML bajo el modelo de requerimientos de equipos, requerimiento de materiales, y segmento de proceso; además esa información se estructura para su integración mediante el modelo de Récipe General de BATCHML. El ámbito PPC es el encargado de programar y controlar la programación, por tal razón define el requerimiento de materiales, de equipos y de personal. Toda la información generada por este ámbito se estructura para su integración con base en los modelos de programación de la producción y capacidad de producción de B2MML. Figura 9. Estructura XML de Especificaciones tipo numérica para diseño. Los esquemas B2MML para los parámetros del proceso se presentan en las figuras 10 y 11. 5 CONCLUSIONES Los lineamientos relevantes en el diseño y desarrollo de nuevos productos presentados en este artículo son aplicables a cualquier tipo de producto y a cualquier tipo de empresa, independiente del grado de automatización y de su estructura organizativa interna, además se comprueba que éste define y gestiona una gran cantidad de información; pero ésta aumenta cuando se introduce la información que puede ser relevante para la fabricación del mismo, es decir cuando se diseña para fabricar. De ello se deriva la importancia de la integración de la información mediante herramientas como B2MML. Figura 10: Estructura XML de parámetros de proceso
6 REFERENCIAS [1]. GARCÍA F., 2005, Integración de software CAD/CAPP/CAE para el diseño y planeación de procesos de producción de recipientes a presión. [Tesis], Instituto Politécnico Nacional, México. Disponible en : http://hdl.handle.net/123456789/573. Visitado Diciembre 12/09. [2] Al-Ashaab A., Valdepeña T., Quiroz D., Jaramillo Ma. P., Peña L.E., de León J.L., Silva I, 2000, Introducing and Implementing Concurrent Engineering in the Mexican Automobile Industry. International Conference of CE 2000. Lyon, Francia. [3]. DOUMEINGTS G, VALLESPIR B, CHEN D., 1995, Methodologies for designing CIM systems: A survey, Computers in Industry, 25, 263-280. [4]. ROJAS O., 2007, Principios de un Modelo Dinámico para Integración de Empresas de Manufactura, [Tesis], Universidad del Cauca. Colombia. [5]. RIVERA M., ROSADA D., 2008, Aplicación del modelo siemens-fiet como estructura dinámica en el modelado de integración de una empresa caso de estudio.[tesis], Universidad del Cauca. Colombia. [6]. VILA C., 2000, Estrategias de implantación de nuevas tecnologías en el ámbito de Ingeniería Concurrente. [Tesis doctoral]. Universitat Jaume I. [7]. FLORES R., 2004, Ingeniería concurrente y tecnologías de la información Ingeniería, Vol. VII, No. 22. [8]. ELSMAR C., 2003, Advanced Product Quality Planning Manual. 1a ed. [9]. Managing product development. Explanation of the stage-gate model of Robert G. Cooper. http://www.12manage.com/methods_cooper_stagegate.html. Visitado Diciembre 12 2009. [10]. ULRICH K., EPPINGER S., 2004, Diseño y desarrollo de productos 3a ed. [11] CHACÓN E., VELASCO J., ROJAS, O., 2006, Principios de programación y control de la producción bajo un enfoque holónico, XII Congreso Latinoamericano de Control Automático, Salvador, Brasil. [12] Business To Manufacturing Markup Language (B2MML). http://www.wbf.org/catalog/b2mml.php [13] Batch Markup Language (BATCHML). http://www.wbf.org/catalog/batchml.php [14] Business To Manufacturing Markup Language, B2MML Extensions, Version 0401 October 2008, Extension Documentation