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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.1 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000100009 

 

Información Tecnológica - Vol. 15 N° 1 - 2004: 55-60

SISTEMAS DE FABRICACIÓN

 

Análisis del Diseño y Programación de Celdas en Entornos de Fabricación Ágil

Analysis of the Design and the Scheduling of Cells in Agile Manufacturing Environment

 

R. Domingo*, C. González y R. Calvo

Univ. Nacional de Educación a Distancia, Dpto. de Ingeniería de Construcción y Fabricación, E.T.S. de
Ingenieros Industriales, c/ Juan del Rosal Nº12, 28040 Madrid-España (e-mail: rdomingo@ind.uned.es)

*autor a quien debe ser dirigida la correspondencia


Resumen

El objetivo de este trabajo fue determinar un enfoque apropiado del diseño y de la programación de una celda de fabricación ágil para que responda con rapidez, flexibilidad y competencia a cambios impredecibles del mercado. Se identifican como elementos fundamentales de la fabricación ágil las tecnologías de la fabricación flexible y de la fabricación esbelta. En este contexto se revisan las técnicas de la tecnología de grupos, identificando como idóneas las relativas al coeficiente de similitud. También, se analiza el método kanban, estableciendo las características a considerar para su adecuación. Se concluye que la integración de la tecnología de grupos y del kanban facilita la fabricación ágil siempre que en el diseño se consideren los tiempos de preparación, múltiples hojas de proceso y múltiples tipos de máquina.


Abstract

The objective of this work was to determine an appropriate approach of design and scheduling in an agile manufacturing cell so it is able to respond quickly, flexibility and competitiveness to unpredictable changes of market. Technologies of flexible and lean manufacturing have been identified as fundamental elements of agile manufacturing. In this context, techniques of group technology have been reviewed, finding as suitable techniques those related to the similarity coefficient. In addition, kanban method has been analyzed setting its implementation characteristics. It is concluded that the integration of groups technology and kanban facilitates agile manufacturing if the cell design considers preparation times, multiple process plans and multiple machine types.

Keywords: agile manufacturing, group technology, kanban method, cell design, manufacturing systems


 

INTRODUCCIÓN

El término "fabricación ágil" aparece por primera vez en 1991 en un informe del Instituto Iacocca de la Universidad de Lehigh relacionado con la búsqueda de nuevos métodos de fabricación para dar respuesta a la competencia japonesa. Básicamente se entiende por fabricación ágil la capacidad de adaptación rápida a las necesidades de un mercado impredecible que exige productos personalizados; todo ello lleva a la necesidad de reducir el tamaño del lote, conseguir una calidad ade-ua-da, cumplir las fechas de entrega y todo ello con un mínimo coste.

Desde entonces han surgido diversos enfoques sobre la misma, entre ellos el de Goldman y Nagel (1993) para quienes la fabricación ágil asimila todo el rango de las tecnologías de la fabricación flexible, de la gestión de la calidad total (Total Quality Management - TQM), de la fabricación "justo a tiempo" (Just in Time - JIT) y de la fabricación esbelta o "lean"; no obstante, al estar centrado este artículo en el diseño y programación de celdas, se eludirá todo lo relativo al TQM. Su primera finalidad es la reducción del tiempo de suministro en todas las áreas de fabricación y por consiguiente los tiempos de preparación. Un elemento característico de la fabricación flexi-ble es la Tecnología de Grupos (Group Technology - GT ) y su contribución a la reducción de los tiempos de preparación. En cuanto a la fabricación JIT y esbelta, de ambas se ha extraído el sistema de arrastre kanban que facilita un flujo constante de materiales (Soriano-Meier y Forrester, 2002) y que provoca la disminución global del tiempo de suministro.

Posteriormente se han identificado como capacidades de la fabricación ágil: la capacidad de respuesta, la rapidez, la flexibilidad y la competencia ante cambios impredecibles y sin precedentes (Sharifi et al., 2001); si bien la GT permite responder a esta exigencia, el sistema kanban se diseña para una situación de demanda estable, lo que lleva a la necesidad de identificar las características que facilitan su adaptación a cambios de la demanda. Aunque ambos conceptos han sido analizados conjuntamente (Lejtman et al., 2002), existe una ausencia de estudios comunes bajo la óptica de la fabricación ágil.

De acuerdo con lo expuesto, los objetivos del presente artículo son los siguientes: i) analizar la utilidad de los métodos de la GT en la fabricación ágil y ii) determinar la aportación de la GT y del kanban a la consecución de las capacidades de la agilidad.

Para ello, se comienza con una revisión de las técnicas utilizadas en la tecnología de grupos para identificar la idónea en la fabricación ágil, se analiza el método kanban para determinar su adecuación a este entorno, y después se establecen las relaciones entre las técnicas señaladas y las capacidades de la fabricación ágil.

LA GT EN LA FABRICACIÓN CELULAR

Fundamentalmente desde la década de los 60 se han desarrollado numerosas técnicas para facilitar la agrupación de piezas en familias; algunas de ellas permiten constituir simultáneamente celdas de fabricación.

En la literatura se encuentran distintas clasificaciones de tales técnicas, como por ejemplo las establecidas por Chan et al. (1999) o por Yasuda y Yin (2001); de todas ellas se ha optado por la siguiente: a) métodos de codificación y clasificación, b) métodos de análisis del flujo de producción (Production Flow Análisis-PFA) con una subdivisión entre algoritmos de identificación de agrupamientos y algoritmos basados en coeficientes de similitud, y c) métodos basados en la programación matemática.

Los primeros se fundamentan en codificaciones alfabéticas, numéricas o alfanuméricas, de estructura en cadena, jerárquica o mixta, en función de las características de diseño y fabricación de una pieza. De ellos, los códigos Opitz (figura 1), MultiClass o KK-3 (figura 2) son los métodos de codificación y clasificación más extendidos en la industria según Kalpakjian y Schmid (2001), aunque se han desarrollado otros como PERA, Brisch, DCLASS o FORCOD. Todos ellos facilitan la asignación de piezas a familias atendiendo a sus cualidades de diseño y fabricación; no obstante son muy descriptivos y se encuentran más centrados en el diseño lo que dificulta la constitución de celdas, además de los problemas que presentan al identificar piezas con el mismo código pero que requieren distinto proceso de fabricación. Es por ello que se descartan para un entorno de fabricación ágil, pues además, de acuerdo con Holland et al. (2002) pueden restringir la necesaria innovación en el diseño.


A los métodos vinculados con el PFA se les asocia numerosos algoritmos; los de identificación de agrupamientos se basan en una ordenación matricial hasta obtener bloques diagonales que identifiquen las asociaciones piezamáquina; habitualmente surgen problemas por las soluciones encontradas que dan origen a piezas cuello de botella que requieren de máquinas que no es posible agrupar en una sola celda; si bien han surgido algoritmos que resuelven esta cuestión, se convierten en problemas NP. En cuanto a los métodos basados en el coeficiente de similitud, las familias de piezas se forman en función de una medida de similitud o disimilitud, como la desarrollada en el algoritmo SLCA (Single Linkage Cluster Analysis), cuyo coeficiente (smn) de similitud entre dos máquinas "m" y "n" se define en la ecuación 1:

(1)

siendo:

Es decir es el cociente del sumatorio de los valores de las piezas que emplean ambas máquinas entre el sumatorio de los valores de las piezas que utilizan una máquina. Siendo el valor asignado de 1, cuando una pieza requiere de ambos equipos y de 0 cuando sólo necesita uno de los dos equipos o ninguno, en el numerador.

Los métodos afines a la programación matemática se caracterizan por la dificultad de su implantación dada la rigidez de su planteamiento, por lo que aunque han recibido gran atención desde el punto de vista académico, no ha sido así desde la perspectiva industrial, pues al reflejar la realidad se convierten también en problemas NP.

LA PROGRAMACIÓN CELULAR MEDIANTE
EL SISTEMA KANBAN

La programación de la fabricación ágil ha sido estudiada por He et al. (2001); su análisis se centra en un proceso de mecanizado y montaje con máquinas idénticas; aunque con el algoritmo heurístico desarrollado obtienen una solución próxima a la óptima, este artículo se ha centrado en el sistema de arrastre kanban; esto se debe a su demostrada flexibilidad en distintos sectores.

Este sistema, basado en el empleo de tarjetas adheridas a los contenedores que transportan las piezas en curso de fabricación en el momento y en la cantidad que se necesitan, requiere para su puesta en práctica mantener constante la velocidad de consumo de cada pieza, luego debe minimizarse la variación del volumen de producción o de los tiempos de transporte entre los procesos, así como el trabaJo en curso, los cuales además son objetivos clásicos de la GT. Para ello se emplea un método de secuenciación que presenta el objetivo definido en la ecuación 2 por Monden (1996):

(2)

siendo:

Qi: cantidad total de producción de todos los productos Ai (i = 1,...,a ), que es igual a:

Qi: cantidad de producción de cada producto Ai

Nj: cantidad total necesaria de la pieza aj que ha de consumirse para fabricar todos los productos Ai (i = 1, ..., a ; j = 1, ..., b )

Yjk: cantidad total necesaria de la pieza aj que ha de utilizarse para fabricar los productos de determinada secuencia desde el primero has-ta el k-ésimo

Nj/Q: cantidad media necesaria de la pieza aj por unidad de producto

: cantidad media necesaria de la pieza aj para fabricar K unidades de producto

bij: cantidad necesaria de la pieza aj (j = 1, ..., b ) para producir una unidad del producto Ai (i = 1, ..., a )

La información requerida para nivelar el volumen de producción únicamente procede de la lista de materiales y del programa maestro de producción, es decir de la demanda.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

De las capacidades de la fabricación ágil antes mencionadas, se ha eludido su ámbito organizativo, según las definen Sharifi et al. (2001), por lo que se centran en la capacidad de respuesta asociada con la anticipación al cambio; la rapidez reflejada en el desarrollo del producto, la entrega rápida y en fecha y el tiempo de fabricación; la flexibilidad definida por los modelos del producto y el volumen de producción, y la competencia vinculada al uso de la tecnología apropiada y a una alta relación de introducción de nuevos productos, según muestra se observa en la tabla 1.

Este conjunto de capacidades está relacionado con decisiones estratégicas y operativas. Las primeras se encuentran vinculadas con la GT y afectan al diseño de piezas, proceso de fabricación y distribución en planta; las segúndas con el kanban, pues éstas últimas se ven condicionadas por las primeras y dependen del sistema de gestión de la producción.

Aunque con la GT se obtiene una producción de mayor variedad de piezas con menores cambios de herramientas, de transporte entre máquinas y de modificaciones en la localización y la orientación de piezas, los métodos cuantitativos de la fabricación celular ofrecen mayores posibilidades de integración con el kanban frente a los sistemas de codificación y clasificación; además en aquellos basados en coeficientes de similitud se simplifica la introducción de nuevos datos de fabricación (Yasuda y Yin, 2001) por lo que son de interés en un entorno ágil.

Chan et al. (1999) sostienen que la literatura carece de métodos sistemáticos que investiguen las relaciones entre los tiempos de proceso y de preparación, la cantidad de las piezas y la capacidad de la máquina para determinar la distribución en planta de la celda, como puede corroborarse en el estudio llevado a cabo por Selim et al. (2001). Debido a que son factores determinantes para establecer la distribución en planta pues ésta se realiza con la primera agrupación en familias, se estima su interés para el diseño de la celda.

Por ello en la aplicación de coeficientes de similitud habría que considerar aspectos relativos a la existencia de piezas cuello de botella y de celdas desocupadas o semidesocupadas. Esto lleva a tener en cuenta en la asignación pieza-máquina los tiempos de proceso, hojas de proceso alternativas y asignación posible a tipos múltiples de máquinas. Aunque Mukattash et al. (2002) han desarrollado unas aproximaciones heurísticas en este sen-tido, cada uno de los aspectos mencionados es considerado de manera independiente.

La programación de una celda de fabricación ha de basarse en el trabajo en curso, el tiempo de proceso y el tiempo de preparación (Chan et al., 1999); una vez identificadas las familias y constituidas las celdas, el kanban desempeña un papel esencial en la fase de programación; la necesidad de mantener constante una velocidad de consumo y ser capaces de modificar los planes de producción en tipo y número de piezas requiere realizar un programa maestro de producción a corto plazo.

Actualmente los tiempos de preparación se han reducido con el desarrollo de herramientas modulares y de los sistemas de almacenamiento automáticos de piezas y herramientas, lo que también favorece una fabricación ágil. Por otra parte, ante cambios impredecibles, el volumen de producción y los tiempos de proceso no han de condicionar la distribución en planta de la celda; sin embargo parece adecuado el estudio de diferentes hojas de proceso.

La capacidad de la máquina no es significativa si se combinan las metodologías citadas pues se obtiene flexibilidad siempre y cuando las celdas se encuentren dispuestas en la planta de forma que un mismo operario pueda ocuparse de máquinas incluso de más de una celda, como en el JIT; también la disminución del trabajo en curso es otro rasgo del mismo.

Tabla 1: Vinculación de GT y kanban con las capacidades de la fabricación ágil

Capacidades

GT

Kanban

Capacidad de
respuesta

Anticipación al
cambio

X

X

Rapidez

Desarrollo del
producto

X

 

Entrega en
fecha del
producto

 

X

Tiempo de
fabricación

X

 

Flexibilidad

Modelo del
producto

X

 

Volumen de
producción

 

X

Competencia

Tecnología
apropiada

X

X

Alto ratio de
introducción de
nuevos productos

X

 

Por consiguiente, todo ello facilita una disminución del tamaño del lote si el número de los modelos de productos aumentan, así como del stock de seguridad controlado por el número de kanbanes en circulación al ir adheridos a los contenedores de transporte, si fluctúa la demanda.

Obviamente, el uso de la tecnología apropiada y la conciencia de una anticipación a los cambios redundaría en la consecución de todos los objetivos. Cuanto antecede se sintetiza en los siguientes puntos: la consideración del uso del método de coeficientes de similitud considerando los tiempos de preparación y múltiples hojas de procesos y de tipos de máquinas simultáneamente; la reducción del horizonte temporal de los programas maestros de producción; la utilización de herramientas modulares y sistemas automáticos de manipulación de piezas y herramientas; la regulación de los stocks con el número de tarjetas kanban.

CONCLUSIONES

La fabricación de productos personalizados rápidamente encuentran en la GT y en el sistema kanban, elementos importantes dentro del entorno de la fabricación ágil. Ambos métodos se han analizado y de manera específica su contribución a las capacidades de la fabricación ágil, estimando que con su utilización conjunta las limitaciones de diseño pueden solventarse en la fase de programación.

De este análisis de desprende una línea de investigación inmediata y de interés como es la aplicación de las hipótesis planteadas a procesos de fabricación concretos para estimar el verdadero alcance de la integración de la GT y del kanban.

REFERENCIAS

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