Generalidades de los sistemas inteligentes de manufactura
Contenido
1.1
Sistemas tradicionales de manufactura
1.4
Características
1.2
Transformación de los sistemas de manufactura
1.5
Arquitectura de procesos de manufactura
Inteligencia artificial y sistemas de manufactura inteligentes
1.3
Sistemas de manufactura holónicos
1.6
Tecnología actual
1.3.1
Aplicaciones por sector
1.3.2
Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
1.7
Introducción
Los sistemas de manufactura han evolucionado significativamente a lo largo del tiempo, pasando de modelos tradicionales basados en trabajo manual y maquinaria aislada, hacia sistemas altamente automatizados y digitalizados. En la actualidad, la integración de tecnologías como la inteligencia artificial, la robótica, el internet de las cosas industrial (IIoT) y el análisis de datos ha permitido el desarrollo de sistemas inteligentes de manufactura capaces de optimizar los procesos productivos, mejorar la eficiencia operativa y responder de manera flexible a las demandas del mercado. La manufactura inteligente forma parte del paradigma de la Industria 4.0, donde los sistemas físicos y digitales se integran para permitir el monitoreo, control y toma de decisiones en tiempo real dentro de los procesos productivos. Estos sistemas permiten que las fábricas sean más eficientes, adaptables y sostenibles, facilitando la automatización avanzada de los procesos industriales.
Manufactura
La manufactura, también utilizada como sinónimo de fabricación, es la transformación de materias primas en productos manufacturados, productos elaborados o productos terminados para su distribución y consumo(EcuRed, 2011). Los procesos de manufactura pueden definirse en dos sentidos: Tecnológico: Es la aplicación de procesos físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o apariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufactura también incluye el ensamble de piezas múltiples para fabricar productos. Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual. Casi siempre, la manufactura se ejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de éstas lleva al material más cerca del estado final que se desea(Groover, 2007)
Ejemplo de un proceso de manufactura en el sentido tecnológico. Imagen tomada de (Groover, 2007) pagina 20.
Económico: La manufactura es la transformación de los materiales en artículos de valor mayor por medio de uno o más operaciones de procesamiento o ensamblado. La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos también alterados(Groover, 2007). un sistema de manufactura se define como una colección de equipo integrado y recursos humanos que realizan una o más operaciones de procesamiento y/ o ensamble sobre un material de trabajo inicial, una pieza o un conjunto de piezas. El equipo integrado consiste en máquinas de producción, manejo de material y dispositivos de posicionamiento y sistemas computacionales. Los recursos humanos se necesitan a tiempo completo o tiempo parcial para mantener al equipo en funcionamiento(Groover, 2007). Por tanto, un sistema de manufactura contiene uno o más procesos de manufactura. La figura 3 muestra la posición que ocupa un sistema de manufactura dentro de un sistema de producción.
Ejemplo de un proceso de manufactura en el ámbito económico. Imagen tomada de (Groover, 2007) página 20.
Posición de los sistemas de manufactura en el sistema de producción. Imagen tomada de (Groover, 2007) página 904
1.1 Sistemas tradicionales de manufactura
Los sistemas tradicionales de manufactura están diseñados para productos específicos, generalmente el flujo es en línea (disponen las máquinas en fila) y el proceso termina en la última fila de la máquina y sus máquinas tienen poca adaptabilidad(Pérez Gaona, 2009). Dichos sistemas se pueden clasificar en 4:
Producción por trabajos o bajo pedido.
Procesos discretos
+ INFO
+ INFO
Producción por lote
Producción continua
+ INFO
+ INFO
1.2 Transformación de los sistemas de manufactura
Los Sistemas Avanzados de Manufactura. Es una función que lleva acabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. Por lo general modifican actividades como la planeación de los procesos, la solución de problemas y mejoramiento continuo y el diseño para capacidad de manufactura. Existen 5 tipos de sistemas avanzados de manufactura(Groover, 2007; Pérez Gaona, 2009; SitesGoogle, 2012):
CAD/CAM (Diseño y Manufactura asistido por computadora)
JIT(Justo a tiempo).
+ INFO
+ INFO
TCQ/TQM (Control Total de la Calidad/Gestión Total por la Calidad).
MRPJ/MRPII (Planificación de Requerimientos Materiales/Planificación de los Recursos de Manufactura)
+ INFO
FMS/CJM(Sistemas Flexibles de Manufactura/Manufactura Integrada por Computadora)
+ INFO
+ INFO
1.3 Inteligencia artificial y sistemas de manufactura inteligentes
La inteligencia artificial (IA) ha adquirido un papel central en la evolución de los sistemas de manufactura modernos. En el contexto industrial, la IA se refiere al uso de algoritmos y modelos computacionales capaces de analizar datos, aprender de los procesos productivos y apoyar la toma de decisiones dentro de los sistemas de producción. Los sistemas de manufactura inteligentes integran tecnologías digitales, sensores, robótica avanzada y análisis de datos para optimizar los procesos productivos y mejorar la eficiencia de las operaciones industriales. En estos sistemas, las máquinas, los equipos y los sistemas de control están interconectados, lo que permite el monitoreo en tiempo real del estado de los procesos y facilita la toma de decisiones automatizada (Groover, 2020). La inteligencia artificial permite analizar grandes volúmenes de datos generados por sensores y sistemas de producción, lo que facilita identificar patrones de comportamiento en los procesos productivos. Esto permite implementar estrategias como el mantenimiento predictivo, la optimización de la producción y la detección temprana de fallas en los equipos (Jeschke et al., 2021). Dentro de los sistemas de manufactura inteligente, la IA también se utiliza para mejorar el control de calidad mediante técnicas de visión artificial, optimizar la programación de la producción y reducir los tiempos de inactividad de los equipos. Estas capacidades permiten aumentar la productividad y mejorar la competitividad de las empresas de manufactura (Lee & Seshia, 2017).
1.3.1. Tecnología actual
Los algoritmos de inteligencia artificial permiten analizar grandes volúmenes de datos provenientes de sensores industriales y sistemas de control para optimizar la operación de los procesos productivos. El aprendizaje automático permite que los sistemas industriales identifiquen patrones en los datos y generen modelos predictivos para anticipar fallas en los equipos o mejorar el rendimiento de los procesos (Song et al., 2021).
Inteligencia artificial y aprendizaje automático
El Internet de las cosas industrial permite conectar sensores, máquinas y sistemas de control dentro de una red digital. Esto permite recopilar información en tiempo real sobre el estado de los equipos, las condiciones del proceso y el desempeño de la producción. Esta información puede ser utilizada para optimizar el funcionamiento del sistema productivo (Gilchrist, 2016).
Internet de las cosas industrial (IIoT)
Los robots industriales modernos incorporan sensores, sistemas de visión y algoritmos de inteligencia artificial que les permiten realizar tareas complejas dentro de los procesos productivos. Estos robots pueden trabajar con altos niveles de precisión y repetibilidad, lo que los hace especialmente útiles en procesos de ensamblaje, soldadura y manipulación de materiales (Craig, 2018).
Robótica industrial avanzada
1.3.1. Tecnología actual
El análisis de datos industriales permite transformar grandes volúmenes de información generados por los sistemas productivos en conocimiento útil para la toma de decisiones. Mediante herramientas de analítica avanzada, las empresas pueden identificar oportunidades de mejora en los procesos productivos y optimizar la planificación de la producción (Jeschke et al., 2021).
Analítica de datos industriales
La computación en la nube permite almacenar y procesar grandes volúmenes de datos industriales en plataformas digitales. Esto facilita la integración de sistemas de manufactura distribuidos y permite que la información del proceso productivo esté disponible para diferentes áreas de la empresa (Gilchrist, 2016).
Computación en la nube
Los gemelos digitales son modelos virtuales de sistemas físicos que permiten simular el comportamiento de máquinas, procesos o sistemas de producción. Estos modelos permiten analizar diferentes escenarios operativos y optimizar el desempeño del sistema antes de implementar cambios en el entorno real (Lee & Seshia, 2017).
Gemelos digitales (Digital Twin)
1.3.2 Aplicaciones por sector productivo
1.4 Características de los sistemas inteligentes de manufactura
Entre las principales características de los sistemas inteligentes de manufactura se encuentran las siguientes.
- Automatización avanzada. La automatización avanzada permite que los procesos productivos se realicen con una mínima intervención humana mediante el uso de robots industriales, sistemas de control automático y algoritmos de inteligencia artificial. Estos sistemas pueden ejecutar tareas repetitivas con alta precisión y consistencia, lo que reduce errores y mejora la eficiencia del proceso productivo (Craig, 2018).
- Conectividad e integración de sistemas. Una de las características más importantes de los sistemas inteligentes de manufactura es la conectividad entre los diferentes componentes del sistema productivo. Las máquinas, sensores, robots y sistemas de control están conectados mediante redes industriales que permiten el intercambio de información en tiempo real (Song et al., 2021).
- Monitoreo en tiempo real. Los sistemas inteligentes de manufactura permiten monitorear continuamente el estado de los procesos productivos mediante sensores y sistemas de adquisición de datos. Esta información se utiliza para supervisar el desempeño de los equipos, detectar fallas potenciales y optimizar la operación del sistema productivo (Lee & Seshia, 2017).
1.4 Características de los sistemas inteligentes de manufactura
- Toma de decisiones basada en datos. La disponibilidad de grandes volúmenes de datos provenientes de los sistemas productivos permite aplicar técnicas de análisis de datos e inteligencia artificial para apoyar la toma de decisiones en los procesos industriales. Mediante el análisis de datos industriales, las empresas pueden identificar patrones en los procesos productivos, optimizar la programación de la producción y mejorar la eficiencia de los sistemas de manufactura (Jeschke et al., 2021).
- Flexibilidad y adaptabilidad. Los sistemas inteligentes de manufactura están diseñados para adaptarse rápidamente a cambios en la producción, como modificaciones en el diseño del producto o variaciones en la demanda del mercado.
- Integración del mundo físico y digital. Los sistemas inteligentes de manufactura integran el mundo físico de los procesos productivos con sistemas digitales de análisis y control. Esta integración se logra mediante tecnologías como el Internet de las cosas industrial (IIoT), los sistemas ciberfísicos y los gemelos digitales.
1.5. Arquitectura de procesos de manufactura
Nivel físico o de campo.
La arquitectura de los procesos de manufactura se refiere a la estructura organizacional y tecnológica que permite integrar los diferentes componentes de un sistema productivo. Esta arquitectura define la forma en que interactúan las máquinas, los sistemas de control, los sistemas de información y los sistemas de gestión dentro de una empresa de manufactura. En los sistemas modernos de producción, la arquitectura de manufactura está diseñada para integrar múltiples niveles tecnológicos que permiten coordinar las operaciones de producción, supervisar el estado de los procesos y gestionar la información generada durante la producción. Esta integración permite mejorar la eficiencia, la trazabilidad y la capacidad de control de los sistemas industriales (Groover, 2020). En los sistemas de manufactura inteligentes, la arquitectura de los procesos productivos integra tanto el mundo físico de la producción como los sistemas digitales de información, lo que permite monitorear y optimizar los procesos productivos en tiempo real (Gilchrist, 2016).
Nivel de control
Niveles de la arquitectura de manufactura
Nivel de supervisión
Nivel de gestión o empresarial
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
Los sistemas de manufactura holónicos (Holonic Manufacturing Systems, HMS) representan un enfoque avanzado para la organización y gestión de los sistemas productivos. Este concepto surge como una alternativa a los modelos tradicionales de control centralizado en la manufactura, proponiendo una estructura distribuida en la cual los diferentes componentes del sistema productivo pueden operar de manera autónoma y cooperativa. El término holón fue introducido por Arthur Koestler para describir entidades que funcionan simultáneamente como unidades independientes y como parte de un sistema mayor. En el contexto de la manufactura, un holón puede representar una máquina, un robot, un sistema de producción o incluso una célula de manufactura que posee cierta capacidad de decisión dentro del sistema productivo (Koestler, 1967). En los sistemas de manufactura holónicos, cada holón posee capacidades de comunicación, control y toma de decisiones que le permiten interactuar con otros holones dentro del sistema de producción. Esta arquitectura distribuida permite mejorar la flexibilidad, adaptabilidad y resiliencia de los sistemas productivos, lo que resulta especialmente importante en entornos de manufactura altamente dinámicos (Leitão, 2009).
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
Principios de los sistemas de manufactura holónicos: Autonomía. Cada holón posee la capacidad de tomar decisiones relacionadas con su operación dentro del sistema productivo. Esto permite que las máquinas o unidades de producción puedan responder rápidamente a cambios en el entorno de producción. Cooperación. Los holones interactúan entre sí para coordinar las actividades de producción. La cooperación entre los diferentes componentes del sistema permite optimizar el flujo de trabajo y mejorar la eficiencia del proceso productivo. Jerarquía flexible. Los sistemas de manufactura holónicos utilizan estructuras jerárquicas flexibles donde los holones pueden organizarse en distintos niveles dependiendo de las necesidades del sistema productivo. Adaptabilidad. Los sistemas holónicos pueden adaptarse a cambios en las condiciones de producción, como variaciones en la demanda, fallas en los equipos o modificaciones en el diseño del producto.
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
1.7 Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
La vinculación entre robótica y manufactura inteligente permite desarrollar sistemas productivos más flexibles, eficientes y capaces de optimizar continuamente su desempeño. Gracias a la integración de robots con tecnologías avanzadas como el Internet de las cosas industrial y los sistemas físico-cibernéticos, las empresas pueden mejorar la productividad, reducir errores en la producción y responder de manera más rápida a las necesidades del mercado. Por esta razón, la robótica industrial se considera una de las tecnologías centrales en la evolución hacia fábricas inteligentes y sistemas de producción avanzados (Jeschke et al., 2021).
Industria automotriz
En la industria automotriz, los robots industriales se utilizan ampliamente en procesos de soldadura, pintura y ensamblaje de vehículos. Por ejemplo, en muchas plantas de producción, los robots realizan la soldadura de la estructura del automóvil con alta precisión y velocidad. Estos robots están conectados a sistemas de control y monitoreo que permiten supervisar el proceso en tiempo real y detectar posibles fallas durante la producción. La integración de robots con sensores y sistemas de análisis de datos permite optimizar la producción y garantizar la calidad de los vehículos fabricados
1.7 Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
Industria electrónica. En la fabricación de dispositivos electrónicos, los robots se utilizan para el ensamblaje automatizado de componentes en tarjetas de circuito impreso. Estos procesos requieren una gran precisión debido al tamaño reducido de los componentes electrónicos. Los sistemas robotizados pueden colocar miles de componentes por hora con gran exactitud, lo que mejora la eficiencia del proceso productivo. Además, los sistemas de visión artificial permiten inspeccionar automáticamente las placas electrónicas para detectar defectos en el ensamblaje.
En la industria alimentaria. los robots se utilizan en procesos de empaque, clasificación y paletizado de productos. Por ejemplo, en las plantas de procesamiento de alimentos, los robots pueden clasificar productos según su tamaño o calidad y colocarlos en empaques de manera automatizada. Estos sistemas robotizados suelen estar integrados con sensores y sistemas de control que permiten monitorear las condiciones de producción y garantizar el cumplimiento de normas sanitarias.
Producción por trabajos o bajo pedido.
Solamente produce después de haber recibido el pedido o encargo de sus productos. La empresa ofrece el producto o servicio al mercado. Cuando recibe el pedido o el contrato de compra, se prepara para producir. Cada producto es único. Cada pedido o contrato acostumbra a ser considerado un producto específico, lo cual exige la identidad del producto a lo largo de toda la producción. Cada producto exige una variedad de máquinas y de equipos. Cada producto exige gran variedad de operarios especializados. Cada producto tiene una fecha definida de entrega(SitesGoogle, 2012). Ejemplo: Empresa de desarrollo de placas electrónicas. Cada cliente envía el diagrama electrónico específico para desarrollar y la empresa elabora el deseño con los componentes y las dimensiones requeridas por el cliente. En este caso el proceso de manufactura presenta variaciones en cuanto a diseño y dimensión de los productos.
Producción por lote
Es el sistema utilizado por empresas que producen una cantidad limitada de un tipo de producto cada vez. Esa cantidad limitada se denomina lote de producción. Cada lote de producción se calcula para atender a un determinado volumen de ventas previstos para un cierto periodo. Terminado un lote de producción, le empresa inicia inmediatamente la producción de otro lote, y así sucesivamente. Cada lote recibe una identificación, como número o código. Además, cada lote exige un plan de producción específico. La fábrica es capaz de producir productos con diferentes características. Las máquinas se agrupan en baterías del mismo tipo. Para cada lote de producción deben modificarse y adecuarse las máquinas y herramientas para atender a los diferentes productos(SitesGoogle, 2012).
Producción continua
El sistema de producción continua es utilizado por empresas que elaboran determinado producto que no sufre modificaciones, durante un largo periodo. El ritmo de producción es acelerado y las operaciones se ejecutan sin interrupción o cambios. Como el producto es siempre el mismo a lo largo del tiempo y el proceso productivo no cambia, el sistema puede ser perfeccionado continuamente. El producto se mantiene en producción durante largo tiempo sin modificaciones(SitesGoogle, 2012). Ejemplos: Es el caso de las industrias fabricantes de papel y celulosa, cemento.
Procesos discretos
Bajo este proceso se producen piezas, partes, ensamblajes o componentes que pueden ser contados fácilmente y clasificados como productos, cuyas propiedades o atributos pueden ser aceptables o no aceptables según su calidad. Los atributos en este proceso se miden por escalas no continuas o por escalas de numeración o conteo(Pérez Gaona, 2009). Ejemplos de este proceso son la fabricación de partes de vehículos plásticas o de acero y la manufactura de circuitos electrónicos, entre otros.
JIT(Justo a tiempo).
Se traduce en un sistema que tiende a producir justo lo que se requiere, cuando se necesita, con excelente calidad y sin desperdiciar recursos del sistema. El JIT es una metodología de organización de la producción que tiene implicaciones en todo el sistema productivo. Además de proporcionar métodos para la planificación y el control de la producción, incide en muchos otros aspectos de los sistemas de fabricación, como son, entre otros, el diseño de producto, los recursos humanos, el sistema de mantenimiento o la calidad.
CAD/CAM(Diseño y Manufactura asistido por computadora).
Sistema que provee de información e instrucciones para la automatización de máquinas en la creación de partes, ensambles, y circuitos; utilizando como punto de partida la información de la geometría creada por el CAD. De una manera más global es el uso efectivo de las tecnologías de cómputo en la planeación, administración y control de la producción en una empresa.
MRPJ/MRPII (Planificación de Requerimientos Materiales/Planificación de los Recursos de Manufactura).
Es un sistema para planear y programar los requerimientos de los materiales en el tiempo para las operaciones de producción finales que aparecen en el programa maestro de producción. También proporciona resultados, tales como las fechas límite para los componentes, las que posteriormente se utilizan para el control de taller. Una vez que estos productos del MRP están disponibles, permiten calcular los requerimientos de capacidad detallada para los centros de trabajo en el área de producción.
TCQ/TQM (Control Total de la Calidad/Gestión Total por la Calidad).
Se dice que la calidad es total, porque comprende todos y cada uno de los aspectos de la organización, porque involucra ycompromete a todas y cada una de las personas de la organización. La calidad tradicional trataba de arreglar la calidad después de cometer errores; pero la Calidad Total se centra en conseguir que las cosas se hagan bien a la primera. Japón ha hecho de la Calidad Total, uno de los pilares de su renacimiento industrial, definiéndola en función del cliente.
FMS/CJM(Sistemas Flexibles de Manufactura/Manufactura Integrada por Computadora).
Una computadora central envía instrucciones a cada estación de trabajo y al equipo de manejo de materiales. Flexible porque es capaz de procesar varios productos y cantidades de producción que pueden ser ajustadas en respuesta a los comportamientos de la demanda.
Nivel físico o de campo.Este nivel corresponde a los elementos físicos del sistema productivo. Incluye las máquinas, los robots industriales, los sensores y los actuadores que realizan las operaciones de manufactura. Los sensores permiten recopilar información sobre variables del proceso, como temperatura, presión, velocidad o posición, mientras que los actuadores ejecutan acciones físicas en el sistema productivo (Lee & Seshia, 2017). Ejemplos de componentes en este nivel incluyen:
- robots industriales
- máquinas CNC
- sensores industriales
- actuadores
- sistemas de transporte automatizado
Nivel de controlEl nivel de control se encarga de coordinar el funcionamiento de las máquinas y los equipos dentro del sistema productivo. En este nivel se utilizan sistemas de control industrial que permiten supervisar y regular las operaciones de producción. Entre los sistemas de control más utilizados se encuentran:
- PLC (Controladores Lógicos Programables)
- controladores de robots industriales
- sistemas de control distribuido (DCS)
Estos sistemas reciben información de los sensores del proceso y generan señales de control para los actuadores, permitiendo mantener las condiciones operativas del proceso productivo (Craig, 2018).
Nivel de supervisiónEl nivel de supervisión permite monitorear el funcionamiento del sistema productivo y recopilar información sobre el estado de los procesos industriales. En este nivel se utilizan sistemas como:
- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)
- MES (Manufacturing Execution Systems)
Estos sistemas permiten visualizar información del proceso productivo, generar reportes de producción y supervisar el desempeño de los equipos (Jeschke et al., 2021).
Nivel de gestión o empresarialEl nivel de gestión integra los sistemas productivos con las funciones administrativas y logísticas de la empresa. En este nivel se utilizan sistemas como:
- ERP (Enterprise Resource Planning)
- sistemas de gestión de inventarios
- sistemas de planificación de la producción
Estos sistemas permiten coordinar la producción con otras áreas de la empresa, como compras, logística y distribución (Groover, 2020).
Unidad 1 Robotica
Yara Pérez
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Generalidades de los sistemas inteligentes de manufactura
Contenido
1.1
Sistemas tradicionales de manufactura
1.4
Características
1.2
Transformación de los sistemas de manufactura
1.5
Arquitectura de procesos de manufactura
Inteligencia artificial y sistemas de manufactura inteligentes
1.3
Sistemas de manufactura holónicos
1.6
Tecnología actual
1.3.1
Aplicaciones por sector
1.3.2
Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
1.7
Introducción
Los sistemas de manufactura han evolucionado significativamente a lo largo del tiempo, pasando de modelos tradicionales basados en trabajo manual y maquinaria aislada, hacia sistemas altamente automatizados y digitalizados. En la actualidad, la integración de tecnologías como la inteligencia artificial, la robótica, el internet de las cosas industrial (IIoT) y el análisis de datos ha permitido el desarrollo de sistemas inteligentes de manufactura capaces de optimizar los procesos productivos, mejorar la eficiencia operativa y responder de manera flexible a las demandas del mercado. La manufactura inteligente forma parte del paradigma de la Industria 4.0, donde los sistemas físicos y digitales se integran para permitir el monitoreo, control y toma de decisiones en tiempo real dentro de los procesos productivos. Estos sistemas permiten que las fábricas sean más eficientes, adaptables y sostenibles, facilitando la automatización avanzada de los procesos industriales.
Manufactura
La manufactura, también utilizada como sinónimo de fabricación, es la transformación de materias primas en productos manufacturados, productos elaborados o productos terminados para su distribución y consumo(EcuRed, 2011). Los procesos de manufactura pueden definirse en dos sentidos: Tecnológico: Es la aplicación de procesos físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o apariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufactura también incluye el ensamble de piezas múltiples para fabricar productos. Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual. Casi siempre, la manufactura se ejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de éstas lleva al material más cerca del estado final que se desea(Groover, 2007)
Ejemplo de un proceso de manufactura en el sentido tecnológico. Imagen tomada de (Groover, 2007) pagina 20.
Económico: La manufactura es la transformación de los materiales en artículos de valor mayor por medio de uno o más operaciones de procesamiento o ensamblado. La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos también alterados(Groover, 2007). un sistema de manufactura se define como una colección de equipo integrado y recursos humanos que realizan una o más operaciones de procesamiento y/ o ensamble sobre un material de trabajo inicial, una pieza o un conjunto de piezas. El equipo integrado consiste en máquinas de producción, manejo de material y dispositivos de posicionamiento y sistemas computacionales. Los recursos humanos se necesitan a tiempo completo o tiempo parcial para mantener al equipo en funcionamiento(Groover, 2007). Por tanto, un sistema de manufactura contiene uno o más procesos de manufactura. La figura 3 muestra la posición que ocupa un sistema de manufactura dentro de un sistema de producción.
Ejemplo de un proceso de manufactura en el ámbito económico. Imagen tomada de (Groover, 2007) página 20.
Posición de los sistemas de manufactura en el sistema de producción. Imagen tomada de (Groover, 2007) página 904
1.1 Sistemas tradicionales de manufactura
Los sistemas tradicionales de manufactura están diseñados para productos específicos, generalmente el flujo es en línea (disponen las máquinas en fila) y el proceso termina en la última fila de la máquina y sus máquinas tienen poca adaptabilidad(Pérez Gaona, 2009). Dichos sistemas se pueden clasificar en 4:
Producción por trabajos o bajo pedido.
Procesos discretos
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Producción por lote
Producción continua
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1.2 Transformación de los sistemas de manufactura
Los Sistemas Avanzados de Manufactura. Es una función que lleva acabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. Por lo general modifican actividades como la planeación de los procesos, la solución de problemas y mejoramiento continuo y el diseño para capacidad de manufactura. Existen 5 tipos de sistemas avanzados de manufactura(Groover, 2007; Pérez Gaona, 2009; SitesGoogle, 2012):
CAD/CAM (Diseño y Manufactura asistido por computadora)
JIT(Justo a tiempo).
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TCQ/TQM (Control Total de la Calidad/Gestión Total por la Calidad).
MRPJ/MRPII (Planificación de Requerimientos Materiales/Planificación de los Recursos de Manufactura)
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FMS/CJM(Sistemas Flexibles de Manufactura/Manufactura Integrada por Computadora)
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1.3 Inteligencia artificial y sistemas de manufactura inteligentes
La inteligencia artificial (IA) ha adquirido un papel central en la evolución de los sistemas de manufactura modernos. En el contexto industrial, la IA se refiere al uso de algoritmos y modelos computacionales capaces de analizar datos, aprender de los procesos productivos y apoyar la toma de decisiones dentro de los sistemas de producción. Los sistemas de manufactura inteligentes integran tecnologías digitales, sensores, robótica avanzada y análisis de datos para optimizar los procesos productivos y mejorar la eficiencia de las operaciones industriales. En estos sistemas, las máquinas, los equipos y los sistemas de control están interconectados, lo que permite el monitoreo en tiempo real del estado de los procesos y facilita la toma de decisiones automatizada (Groover, 2020). La inteligencia artificial permite analizar grandes volúmenes de datos generados por sensores y sistemas de producción, lo que facilita identificar patrones de comportamiento en los procesos productivos. Esto permite implementar estrategias como el mantenimiento predictivo, la optimización de la producción y la detección temprana de fallas en los equipos (Jeschke et al., 2021). Dentro de los sistemas de manufactura inteligente, la IA también se utiliza para mejorar el control de calidad mediante técnicas de visión artificial, optimizar la programación de la producción y reducir los tiempos de inactividad de los equipos. Estas capacidades permiten aumentar la productividad y mejorar la competitividad de las empresas de manufactura (Lee & Seshia, 2017).
1.3.1. Tecnología actual
Los algoritmos de inteligencia artificial permiten analizar grandes volúmenes de datos provenientes de sensores industriales y sistemas de control para optimizar la operación de los procesos productivos. El aprendizaje automático permite que los sistemas industriales identifiquen patrones en los datos y generen modelos predictivos para anticipar fallas en los equipos o mejorar el rendimiento de los procesos (Song et al., 2021).
Inteligencia artificial y aprendizaje automático
El Internet de las cosas industrial permite conectar sensores, máquinas y sistemas de control dentro de una red digital. Esto permite recopilar información en tiempo real sobre el estado de los equipos, las condiciones del proceso y el desempeño de la producción. Esta información puede ser utilizada para optimizar el funcionamiento del sistema productivo (Gilchrist, 2016).
Internet de las cosas industrial (IIoT)
Los robots industriales modernos incorporan sensores, sistemas de visión y algoritmos de inteligencia artificial que les permiten realizar tareas complejas dentro de los procesos productivos. Estos robots pueden trabajar con altos niveles de precisión y repetibilidad, lo que los hace especialmente útiles en procesos de ensamblaje, soldadura y manipulación de materiales (Craig, 2018).
Robótica industrial avanzada
1.3.1. Tecnología actual
El análisis de datos industriales permite transformar grandes volúmenes de información generados por los sistemas productivos en conocimiento útil para la toma de decisiones. Mediante herramientas de analítica avanzada, las empresas pueden identificar oportunidades de mejora en los procesos productivos y optimizar la planificación de la producción (Jeschke et al., 2021).
Analítica de datos industriales
La computación en la nube permite almacenar y procesar grandes volúmenes de datos industriales en plataformas digitales. Esto facilita la integración de sistemas de manufactura distribuidos y permite que la información del proceso productivo esté disponible para diferentes áreas de la empresa (Gilchrist, 2016).
Computación en la nube
Los gemelos digitales son modelos virtuales de sistemas físicos que permiten simular el comportamiento de máquinas, procesos o sistemas de producción. Estos modelos permiten analizar diferentes escenarios operativos y optimizar el desempeño del sistema antes de implementar cambios en el entorno real (Lee & Seshia, 2017).
Gemelos digitales (Digital Twin)
1.3.2 Aplicaciones por sector productivo
1.4 Características de los sistemas inteligentes de manufactura
Entre las principales características de los sistemas inteligentes de manufactura se encuentran las siguientes.
1.4 Características de los sistemas inteligentes de manufactura
1.5. Arquitectura de procesos de manufactura
Nivel físico o de campo.
La arquitectura de los procesos de manufactura se refiere a la estructura organizacional y tecnológica que permite integrar los diferentes componentes de un sistema productivo. Esta arquitectura define la forma en que interactúan las máquinas, los sistemas de control, los sistemas de información y los sistemas de gestión dentro de una empresa de manufactura. En los sistemas modernos de producción, la arquitectura de manufactura está diseñada para integrar múltiples niveles tecnológicos que permiten coordinar las operaciones de producción, supervisar el estado de los procesos y gestionar la información generada durante la producción. Esta integración permite mejorar la eficiencia, la trazabilidad y la capacidad de control de los sistemas industriales (Groover, 2020). En los sistemas de manufactura inteligentes, la arquitectura de los procesos productivos integra tanto el mundo físico de la producción como los sistemas digitales de información, lo que permite monitorear y optimizar los procesos productivos en tiempo real (Gilchrist, 2016).
Nivel de control
Niveles de la arquitectura de manufactura
Nivel de supervisión
Nivel de gestión o empresarial
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
Los sistemas de manufactura holónicos (Holonic Manufacturing Systems, HMS) representan un enfoque avanzado para la organización y gestión de los sistemas productivos. Este concepto surge como una alternativa a los modelos tradicionales de control centralizado en la manufactura, proponiendo una estructura distribuida en la cual los diferentes componentes del sistema productivo pueden operar de manera autónoma y cooperativa. El término holón fue introducido por Arthur Koestler para describir entidades que funcionan simultáneamente como unidades independientes y como parte de un sistema mayor. En el contexto de la manufactura, un holón puede representar una máquina, un robot, un sistema de producción o incluso una célula de manufactura que posee cierta capacidad de decisión dentro del sistema productivo (Koestler, 1967). En los sistemas de manufactura holónicos, cada holón posee capacidades de comunicación, control y toma de decisiones que le permiten interactuar con otros holones dentro del sistema de producción. Esta arquitectura distribuida permite mejorar la flexibilidad, adaptabilidad y resiliencia de los sistemas productivos, lo que resulta especialmente importante en entornos de manufactura altamente dinámicos (Leitão, 2009).
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
Principios de los sistemas de manufactura holónicos: Autonomía. Cada holón posee la capacidad de tomar decisiones relacionadas con su operación dentro del sistema productivo. Esto permite que las máquinas o unidades de producción puedan responder rápidamente a cambios en el entorno de producción. Cooperación. Los holones interactúan entre sí para coordinar las actividades de producción. La cooperación entre los diferentes componentes del sistema permite optimizar el flujo de trabajo y mejorar la eficiencia del proceso productivo. Jerarquía flexible. Los sistemas de manufactura holónicos utilizan estructuras jerárquicas flexibles donde los holones pueden organizarse en distintos niveles dependiendo de las necesidades del sistema productivo. Adaptabilidad. Los sistemas holónicos pueden adaptarse a cambios en las condiciones de producción, como variaciones en la demanda, fallas en los equipos o modificaciones en el diseño del producto.
1.6 Sistemas de manufactura holónicos
1.7 Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
La vinculación entre robótica y manufactura inteligente permite desarrollar sistemas productivos más flexibles, eficientes y capaces de optimizar continuamente su desempeño. Gracias a la integración de robots con tecnologías avanzadas como el Internet de las cosas industrial y los sistemas físico-cibernéticos, las empresas pueden mejorar la productividad, reducir errores en la producción y responder de manera más rápida a las necesidades del mercado. Por esta razón, la robótica industrial se considera una de las tecnologías centrales en la evolución hacia fábricas inteligentes y sistemas de producción avanzados (Jeschke et al., 2021).
Industria automotriz En la industria automotriz, los robots industriales se utilizan ampliamente en procesos de soldadura, pintura y ensamblaje de vehículos. Por ejemplo, en muchas plantas de producción, los robots realizan la soldadura de la estructura del automóvil con alta precisión y velocidad. Estos robots están conectados a sistemas de control y monitoreo que permiten supervisar el proceso en tiempo real y detectar posibles fallas durante la producción. La integración de robots con sensores y sistemas de análisis de datos permite optimizar la producción y garantizar la calidad de los vehículos fabricados
1.7 Vinculación de los sistemas inteligentes de manufactura y la robótica
Industria electrónica. En la fabricación de dispositivos electrónicos, los robots se utilizan para el ensamblaje automatizado de componentes en tarjetas de circuito impreso. Estos procesos requieren una gran precisión debido al tamaño reducido de los componentes electrónicos. Los sistemas robotizados pueden colocar miles de componentes por hora con gran exactitud, lo que mejora la eficiencia del proceso productivo. Además, los sistemas de visión artificial permiten inspeccionar automáticamente las placas electrónicas para detectar defectos en el ensamblaje.
En la industria alimentaria. los robots se utilizan en procesos de empaque, clasificación y paletizado de productos. Por ejemplo, en las plantas de procesamiento de alimentos, los robots pueden clasificar productos según su tamaño o calidad y colocarlos en empaques de manera automatizada. Estos sistemas robotizados suelen estar integrados con sensores y sistemas de control que permiten monitorear las condiciones de producción y garantizar el cumplimiento de normas sanitarias.
Producción por trabajos o bajo pedido.
Solamente produce después de haber recibido el pedido o encargo de sus productos. La empresa ofrece el producto o servicio al mercado. Cuando recibe el pedido o el contrato de compra, se prepara para producir. Cada producto es único. Cada pedido o contrato acostumbra a ser considerado un producto específico, lo cual exige la identidad del producto a lo largo de toda la producción. Cada producto exige una variedad de máquinas y de equipos. Cada producto exige gran variedad de operarios especializados. Cada producto tiene una fecha definida de entrega(SitesGoogle, 2012). Ejemplo: Empresa de desarrollo de placas electrónicas. Cada cliente envía el diagrama electrónico específico para desarrollar y la empresa elabora el deseño con los componentes y las dimensiones requeridas por el cliente. En este caso el proceso de manufactura presenta variaciones en cuanto a diseño y dimensión de los productos.
Producción por lote
Es el sistema utilizado por empresas que producen una cantidad limitada de un tipo de producto cada vez. Esa cantidad limitada se denomina lote de producción. Cada lote de producción se calcula para atender a un determinado volumen de ventas previstos para un cierto periodo. Terminado un lote de producción, le empresa inicia inmediatamente la producción de otro lote, y así sucesivamente. Cada lote recibe una identificación, como número o código. Además, cada lote exige un plan de producción específico. La fábrica es capaz de producir productos con diferentes características. Las máquinas se agrupan en baterías del mismo tipo. Para cada lote de producción deben modificarse y adecuarse las máquinas y herramientas para atender a los diferentes productos(SitesGoogle, 2012).
Producción continua
El sistema de producción continua es utilizado por empresas que elaboran determinado producto que no sufre modificaciones, durante un largo periodo. El ritmo de producción es acelerado y las operaciones se ejecutan sin interrupción o cambios. Como el producto es siempre el mismo a lo largo del tiempo y el proceso productivo no cambia, el sistema puede ser perfeccionado continuamente. El producto se mantiene en producción durante largo tiempo sin modificaciones(SitesGoogle, 2012). Ejemplos: Es el caso de las industrias fabricantes de papel y celulosa, cemento.
Procesos discretos
Bajo este proceso se producen piezas, partes, ensamblajes o componentes que pueden ser contados fácilmente y clasificados como productos, cuyas propiedades o atributos pueden ser aceptables o no aceptables según su calidad. Los atributos en este proceso se miden por escalas no continuas o por escalas de numeración o conteo(Pérez Gaona, 2009). Ejemplos de este proceso son la fabricación de partes de vehículos plásticas o de acero y la manufactura de circuitos electrónicos, entre otros.
JIT(Justo a tiempo).
Se traduce en un sistema que tiende a producir justo lo que se requiere, cuando se necesita, con excelente calidad y sin desperdiciar recursos del sistema. El JIT es una metodología de organización de la producción que tiene implicaciones en todo el sistema productivo. Además de proporcionar métodos para la planificación y el control de la producción, incide en muchos otros aspectos de los sistemas de fabricación, como son, entre otros, el diseño de producto, los recursos humanos, el sistema de mantenimiento o la calidad.
CAD/CAM(Diseño y Manufactura asistido por computadora).
Sistema que provee de información e instrucciones para la automatización de máquinas en la creación de partes, ensambles, y circuitos; utilizando como punto de partida la información de la geometría creada por el CAD. De una manera más global es el uso efectivo de las tecnologías de cómputo en la planeación, administración y control de la producción en una empresa.
MRPJ/MRPII (Planificación de Requerimientos Materiales/Planificación de los Recursos de Manufactura).
Es un sistema para planear y programar los requerimientos de los materiales en el tiempo para las operaciones de producción finales que aparecen en el programa maestro de producción. También proporciona resultados, tales como las fechas límite para los componentes, las que posteriormente se utilizan para el control de taller. Una vez que estos productos del MRP están disponibles, permiten calcular los requerimientos de capacidad detallada para los centros de trabajo en el área de producción.
TCQ/TQM (Control Total de la Calidad/Gestión Total por la Calidad).
Se dice que la calidad es total, porque comprende todos y cada uno de los aspectos de la organización, porque involucra ycompromete a todas y cada una de las personas de la organización. La calidad tradicional trataba de arreglar la calidad después de cometer errores; pero la Calidad Total se centra en conseguir que las cosas se hagan bien a la primera. Japón ha hecho de la Calidad Total, uno de los pilares de su renacimiento industrial, definiéndola en función del cliente.
FMS/CJM(Sistemas Flexibles de Manufactura/Manufactura Integrada por Computadora).
Una computadora central envía instrucciones a cada estación de trabajo y al equipo de manejo de materiales. Flexible porque es capaz de procesar varios productos y cantidades de producción que pueden ser ajustadas en respuesta a los comportamientos de la demanda.
Nivel físico o de campo.Este nivel corresponde a los elementos físicos del sistema productivo. Incluye las máquinas, los robots industriales, los sensores y los actuadores que realizan las operaciones de manufactura. Los sensores permiten recopilar información sobre variables del proceso, como temperatura, presión, velocidad o posición, mientras que los actuadores ejecutan acciones físicas en el sistema productivo (Lee & Seshia, 2017). Ejemplos de componentes en este nivel incluyen:
Nivel de controlEl nivel de control se encarga de coordinar el funcionamiento de las máquinas y los equipos dentro del sistema productivo. En este nivel se utilizan sistemas de control industrial que permiten supervisar y regular las operaciones de producción. Entre los sistemas de control más utilizados se encuentran:
- sistemas de control distribuido (DCS)
Estos sistemas reciben información de los sensores del proceso y generan señales de control para los actuadores, permitiendo mantener las condiciones operativas del proceso productivo (Craig, 2018).Nivel de supervisiónEl nivel de supervisión permite monitorear el funcionamiento del sistema productivo y recopilar información sobre el estado de los procesos industriales. En este nivel se utilizan sistemas como:
- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)
- MES (Manufacturing Execution Systems)
Estos sistemas permiten visualizar información del proceso productivo, generar reportes de producción y supervisar el desempeño de los equipos (Jeschke et al., 2021).Nivel de gestión o empresarialEl nivel de gestión integra los sistemas productivos con las funciones administrativas y logísticas de la empresa. En este nivel se utilizan sistemas como:
- ERP (Enterprise Resource Planning)
- sistemas de gestión de inventarios
- sistemas de planificación de la producción
Estos sistemas permiten coordinar la producción con otras áreas de la empresa, como compras, logística y distribución (Groover, 2020).