Appunti e domande d'esame Sistemi Integrati di Produzione

Introduzione al corso

In questo corso studiamo diversi sistemi che vengono utilizzati per realizzare la produzione. In particolare, quei sistemi che permettono di realizzare la produzione manifatturiera (anche detta: produzione per parti o produzione di beni discreti). Per sistemi intendiamo tutti i dispositivi che si utilizzano per realizzare la produzione. Ad esempio: le macchine, i robot, ecc…

Parliamo di sistemi integrati perché i vari elementi che caratterizzano il sistema sono:

• Fisicamente collegati: il passaggio delle parti (dei componenti) avviene senza le manipolazioni fisiche della parte
• Collegati dalle informazioni: il passaggio delle informazioni avviene senza le manipolazioni informatiche

I sistemi integrati permettono di ridurre le manipolazioni fisiche e informatiche.

Gli elementi principali di un sistema di produzione sono:

• Le macchine che svolgono le lavorazioni
• I sistemi di movimentazione
• I magazzini: utili per:
  • Materie prime
  • Prodotti finiti
  • Work in process: prodotto in via di trasformazione
• La manodopera

Più nel dettaglio, in questo corso studiamo tre macro-argomenti:

1. Introduzione al concetto di produzione & Decisioni nella produzione:
   1. Introduzione
   2. Decisioni nella produzione
2. I principali componenti del sistema di produzione:
   1. Controllo numerico computerizzato (CNC)
   2. Applicazioni del CNC
   3. Robotica industriale
   4. Sistemi di Material Handling
3. Le principali soluzioni dei sistemi di produzione:
   1. Linee di produzione e/o di assemblaggio
   2. Sistemi di produzione flessibili

NB: Questo corso ci fornisce gli elementi tecnici per poter prendere delle decisioni relative alla produzione. In generale, le decisioni da prendere relativamente alla produzione sono basate su quattro elementi:

• Costo
• Tempo
• Produttività: input/output
• Flessibilità: capacità di realizzare prodotti diversi
• Qualità: conformità all’uso

Per prendere le decisioni dobbiamo essere in grado di quantificare questi aspetti.

Introduzione e decisioni

Capitolo 1: La produzione e l’automazione

Definizione di produzione

Il termine produzione si può definire tramite due punti di vista differenti:

Punto di vista tecnico: con il termine produzione si intende l’insieme dei processi che ci permettono di trasformare i materiali di partenza in prodotti finiti da vendere nel mercato.

La trasformazione avviene grazie all’utilizzo di:

• Manodopera: operaio
• Macchine: trapani, saldatrice, ecc…
• Utensili: punta elicoidale, torcia, ecc…
• Energia: elettrica, metano, ecc…
• Informazioni: ciclo di lavorazione dei componenti, ciclo di vita del prodotto, ecc…

La produzione si può dunque sintetizzare con il seguente schema: da tale schema si capisce che l’output della produzione non è solamente il prodotto finito (detto anche materiale trasformato) ma anche:

• Scarti: sono i prodotti finiti che non rispettano le specifiche
• Sfridi: è il materiale rimosso per ottenere il prodotto finito (ad esempio: le materozze nella fonderia o il truciolo)
• Energia: ad esempio l’energia termica che il prodotto finito ha al termine della sua produzione. Non sempre questa energia si può recuperare per essere riutilizzata
• Informazione: sul livello qualitativo del prodotto e del processo. Per ottenere le informazioni bisogna prendere delle misure.

Punto di vista economico: la produzione rappresenta la trasformazione di materiali in prodotti con maggiore valore di mercato. La trasformazione si ottiene mediante i processi produttivi.

La produzione si può dunque sintetizzare con il seguente schema: dallo schema si nota che il valore del prodotto è dato dalla somma di:

• Valore dei materiali di partenza
• Valore dei processi produttivi

Per WIP si intende Work In Process, cioè materiale in trasformazione. Il WIP è un costo per l’azienda perché non può essere messo nel mercato. Per tale motivo bisogna minimizzarlo tenendo conto però che può aiutare quando ci sono guasti nei processi perché evita l’arresto della produzione.

Classificazione della produzione

La produzione si può classificare attraverso diversi metodi. Noi vediamo la classificazione della produzione a tre assi cartesiani:

Asse del mercato

La produzione viene classificata in base alla modalità di vendita:

• Produzione su commessa: si produce un prodotto già venduto. La commessa può essere singola (una volta prodotta non viene più prodotta) o ripetuta (si produce in maniera sistematica, cioè in maniera periodica).
• Produzione a magazzino: si produce prima di ricevere l’ordine sulla base di previsioni di mercato.

Asse tecnologico

• Produzione per parti: il prodotto finale è costituito da un numero finito di parti (anche dette componenti o prodotti discreti). Questa produzione è anche detta manifatturiera poiché consiste nel fabbricare le varie parti e poi assemblarle. Questo tipo di produzione permette di disassemblare le varie parti. Questo è un aspetto molto importante per l’impatto ambientale perché in questo modo i vari componenti possono essere:
  • Riutilizzati: cioè montati su nuovi prodotti
  • Rilavorati
  • Riciclati: si recupera la materia prima del componente
  • Smaltiti
• Nella produzione manifatturiera ricoprono un ruolo cruciale:
  • Fabbricazione: l’insieme delle lavorazioni che modificano la forma e le dimensioni del materiale di partenza
  • Assemblaggio: l’insieme delle operazioni di montaggio dei componenti per realizzare il prodotto finale
• Produzione per processo: gli elementi originali costituenti il prodotto finale non sono facilmente identificabili. Questa tipologia di produzione non permette di risalire agli elementi di partenza.

Asse gestionale

La produzione viene classificata in base al volume di produzione:

• Produzione unitaria: si produce una singola unità di prodotto. Le macchine utilizzate sono versatili perché devono realizzare pochi prodotti diversi ma la manodopera è specializzata. Vi è necessità di programmare e attrezzare le macchine prima di produrre il nuovo prodotto. Questo incide sul costo del prodotto. La produzione unitaria può essere singola o ripetuta. Il layout (cioè la disposizione delle macchine) può essere di due tipologie a seconda della dimensione del prodotto:
  • Layout a posizione fissa: il prodotto che si realizza sta in una posizione fissa e pertanto sono le macchine e la manodopera che si spostano verso di esso per realizzarlo. Tale layout riguarda prodotti di elevate dimensioni.
  • Layout per reparto (o per processo): un impianto di produzione è spesso diviso in reparti. Ogni reparto è caratterizzato da macchine che realizzano la stessa tipologia di processo. In questo caso il prodotto passa nei vari reparti per essere realizzato. Tale layout riguarda prodotti di piccole/medie dimensioni.
• In generale la produzione unitaria è caratterizzata da 1-100 parti l’anno.
• Produzione per lotti: si producono lotti di produzione, ovvero un quantitativo di un prodotto. Le macchine utilizzate sono versatili perché devono realizzare lotti diversi ma la manodopera è specializzata. Vi è necessità di programmare e attrezzare le macchine prima di produrre il nuovo lotto. Questo incide sul costo del prodotto. La produzione per lotti può essere singola o ripetuta. Il layout tipicamente è per reparto. In generale la produzione per lotti è caratterizzata da 100-10000 parti l’anno.
• Produzione cellulare: si producono simultaneamente prodotti diversi senza perdite di tempo per la programmazione e l’attrezzaggio delle macchine perché questi prodotti sono simili, cioè appartengono alla stessa famiglia di produzione. Problemi:
  • Necessita di un sistema capace di riconoscere le diverse parti qualora non ci fosse l’operatore.
  • Necessita di apparecchiature che possono cambiare il setup in tempi “zero”.

  Il layout è cellulare (cella di produzione), cioè nel sistema di produzione ci sono solo le macchine che servono per realizzare tutte le parti appartenenti alla stessa famiglia. Tale produzione è molto complessa e molto costosa anche se comporta vantaggi enormi. In generale la produzione cellulare è caratterizzata da 100-10000 parti l’anno.

• Produzione di massa: si producono grandi quantità di una stessa tipologia di prodotto oppure una gamma limitata di prodotti molto simili tra loro. Nella produzione di massa si ha bisogno di una domanda elevata e stabile nel tempo per avere un ritorno economico dagli ingenti investimenti che si fanno. Nella produzione di massa ci vogliono macchine dedicate (e con velocità di produzione elevata) e una manodopera (se presente) non specializzata. In generale la produzione di massa è caratterizzata da 10000-1 milione parti l’anno.

La produzione di massa può essere:

• A quantità: consiste nella produzione di singole parti (o componenti). Si utilizzano macchine standard ma equipaggiate da attrezzature specifiche per lo specifico prodotto. Il layout è per reparto.
• A flusso: il sistema di produzione è caratterizzato da diverse stazioni disposte secondo una sequenza dettata dal ciclo di assemblaggio (o fabbricazione) del prodotto. Le stazioni sono caratterizzate da macchine dedicate e/o da manodopera dotata di strumenti specifici. NB: se cambia il prodotto, cambiano le stazioni. Infatti, tale sistema si utilizza per:
  • Linee a modello singolo: si realizza un prodotto
  • Linee a modello misto: si realizzano prodotti diversi ma molto simili tra loro (ad esempio le automobili)

Il layout è per prodotto:

Riassumendo, la classificazione della produzione in base all’asse gestionale ci permette di suddividere la produzione in base alla varietà e al volume di prodotti che si realizzano:

Definizione di sistema di produzione

Il sistema di produzione si può definire mediante due punti di vista:

1. Tecnico: il sistema di produzione è l’insieme di elementi collegati tra loro da un flusso comune di materiali e informazioni per realizzare la produzione (cioè i processi produttivi). Tali elementi sono:
   • Manodopera
   • Macchinario
   • Utensilio
   • Magazzini
   • Dispositivi di trasporto
   • Dispositivi di posizionamento
   • Sistemi computerizzati
2. Economico: il sistema di produzione è quel sistema che permette di realizzare l’aggiunta di valore al materiale di partenza.

Definizione di integrazione

Con l’integrazione nei sistemi di produzione intendiamo l’integrazione dei vari elementi che costituiscono il sistema di produzione. L’integrazione permette di eliminare (o comunque ridurre):

• Le manipolazioni fisiche: cioè il passaggio delle parti (i componenti)
• Le manipolazioni informatiche: cioè il passaggio delle informazioni

NB: La piena integrazione richiede grandi investimenti.

Si possono integrare:

• Gli elementi di un sistema di produzione
• I sotto-sistemi di produzione di un sistema di produzione
• Più sistemi di produzione

Definizione di automazione

Con automazione si intende l’applicazione di sistemi per attuare e controllare la produzione in sostituzione all’uomo. I sistemi che si applicano sono:

• Sistemi meccanici
• Sistemi elettronici
• Sistemi computerizzati

L’automazione riguarda principalmente il sistema di produzione ma anche il sistema di supporto alla produzione: cioè le operazioni di progettazione, controllo produzione, programmazione produzione, ecc… .

Noi ci concentriamo sull’automazione che riguarda il sistema di produzione. Per quanto riguarda l’automazione che riguarda il sistema di supporto alla produzione bisogna ricordarsi che alcuni esempi di sistemi computerizzati sono: CAD (per svolgere la progettazione), CAM (per svolgere le operazioni) e CAPP (per svolgere la programmazione).

Sistemi di produzione automatizzati

I sistemi di produzione automatizzati sono quei sistemi che operano nella fabbrica sul prodotto fisico (tramite operazioni di processo, di assemblaggio, di movimentazione, di immagazzinamento e di ispezione) senza la partecipazione dell’uomo (o comunque riducendola).

Forme di automazione

Esistono tre tipologie di automazione:

Automazione fissa (o rigida)

Nell’automazione fissa le operazioni e la loro sequenza sono definite dalla configurazione e dalla disposizione delle apparecchiature utilizzate per realizzare la produzione di un determinato prodotto. Quindi si chiama fissa perché la disposizione e la configurazione delle apparecchiature dipende dal prodotto che si deve realizzare. Le operazioni da eseguire sono semplici. La complessità di questi sistemi deriva dal fatto che bisogna coordinare una moltitudine di operazioni. L’automazione fissa è:

• Molto costosa: necessita di un investimento iniziale elevato perché le macchine automatizzate devono essere dedicate. Tale investimento è giustificato dal fatto che si hanno grandi volumi di produzione.
• Molto produttiva: perché le macchine automatizzate sono dedicate e quindi caratterizzate da una elevata velocità di produzione.
• Poco flessibile: perché non è in grado di realizzare prodotti diversi.

Due esempi di sistemi di produzione automatizzati in modo rigido sono:

• Linee di flusso (flow lines)
• Linee di assemblaggio (assembly lines)

Automazione programmabile

Nell’automazione programmabile le apparecchiature che si utilizzano sono “multi-tasking”, cioè sono capaci di cambiare facilmente la sequenza delle operazioni e gli utensili necessari per la realizzazione di prodotti diversi. La sequenza delle operazioni è programmata. Ogni prodotto ha un suo programma, cioè una sequenza di operazioni che le apparecchiature svolgono. È molto semplice preparare un programma. L’automazione programmabile è:

• Molto costosa: necessita di un investimento iniziale elevato perché le apparecchiature “multi-tasking” sono molto complesse e pertanto molto costose. Tale investimento è giustificato dal fatto che si hanno grandi volumi di produzione ovviamente ottenuti da prodotti diversi.
• Poco produttiva: perché le apparecchiature sono in grado di svolgere tante operazioni diverse ma non con la velocità delle apparecchiature dedicate (confronto specialista VS deca-atleta).
• Molto flessibile: perché permette di realizzare prodotti diversi.

L’automazione programmabile viene utilizzata per la produzione di volumi di produzione medio-bassi (nella produzione per lotti). Esempi di sistemi di produzione automatizzati in modo programmabile sono:

• Macchine utensili a controllo numerico
• Robot industriali
• Sistemi a controllo numerico distribuito

Automazione flessibile

L’automazione flessibile è un’estensione dell’automazione programmabile. In particolare, un sistema di produzione automatizzato in modo flessibile è in grado di produrre una gamma di prodotti simili (cioè appartenenti alla stessa famiglia) senza perdite di tempo dovute nel passaggio da una tipologia all’altra. Pertanto, tale forma di automazione si utilizza per la produzione cellulare. L’automazione flessibile è:

• Molto costosa: necessita di un investimento iniziale elevato perché le apparecchiature sono molto complesse e pertanto molto costose. Tale investimento è giustificato dal fatto che si hanno grandi volumi di produzione ovviamente ottenuti da prodotti diversi ma appartenenti alla stessa famiglia (cioè simili).
• Abbastanza produttiva: perché le apparecchiature sono in grado di svolgere tante operazioni diverse ma non con la velocità delle apparecchiature dedicate (confronto specialista VS deca-atleta).
• Abbastanza flessibile: perché permette di realizzare prodotti diversi ma appartenenti alla stessa famiglia (cioè simili)

NB: l’automazione flessibile prende questo nome non perché è abbastanza flessibile nel realizzare prodotti diversi (ma appartenenti alla stessa famiglia); ma perché l’automazione flessibile consente al sistema di produrre in modo continuo un mix di prodotti variabili.

Esempi di sistemi di produzione automatizzati in modo flessibile sono:

• Sistemi di produzione flessibili (FMS: Flexible Manufacturing System)
• Sistemi di assemblaggio flessibili (FAS: Flexible Assembly System)

Forme di automazione nei sistemi di produzione

In base alla varietà e al volume di prodotti che si realizzano, siamo in grado di stabilire quali forme di automazione implementare nei vari sistemi di produzione:

• Se abbiamo a che fare con la produzione di massa, allora possiamo implementare l’automazione fissa (o rigida)
• Se abbiamo a che fare con la produzione unitaria (yacht o stampi), allora possiamo implementare l’automazione programmabile. Il motivo per cui lo facciamo dipende dal fatto che le operazioni da svolger...