Sistemi integrati di produzione

Sistemi integrati di produzione

Evoluzione italiana della produzione

Si sono diffuse aziende che hanno optato per il "make" (supply chain, know-how interni = problemi risolti velocemente, vicinanza con i produttori). "Mass production" quindi linea di produzione modello Ford per produrre parti interscambiabili. "Mass customization" quindi il cliente personalizza il suo prodotto con le parti interscambiabili. "Personalized production" con lean manufacturing, quindi il cliente sceglie prima della produzione dei pezzi (cliente, poi designer e poi make).

Obiettivo: produzione (throughput) buona = produzione totale ∙ Yield (% buona qualità).

FMS: Flexible Manufacturing System

Sistemi altamente automatizzati dove interagiscono sottosistemi di flusso di parti, di utensili, sistema di supervisione. Ci sono delle "unità di lavorazione" (modifiche di specie spazio-tempo eventualmente insieme) con macchine multiscopio (versatili) che si distinguono in centri di tornitura (utensili rotanti) e centri di lavorazione (machining center: con sistemi automatici di cambio utensile e pallet). Hanno il "cubo di lavoro" dove si lavora il pezzo e il "mandrino" dove viene montato l'utensile. Quelli a mandrino verticale hanno una forza maggiore ma una peggiore asportazione del truciolo; quelli orizzontali riescono a lavorare tutti i lati dell'oggetto grazie alla tavola rotante ma hanno poca forza. L'asse z è l'asse di rotazione del mandrino e la direzione positiva è quella in cui allontano il mandrino dal pezzo.

Il sistema di controllo può essere in anello aperto oppure in anello chiuso, quando un trasduttore di posizione invia ad un operatore la precisione della posizione: in più posso avere un controllo a modello punto a punto, cioè quando ogni asse viene controllato separatamente, o a modello continuo, cioè un dispositivo controlla tutti gli assi insieme ma lo svantaggio è che per coordinarli questi perdono velocità.

Ogni macchina ha 3 grandezze di qualità: accuratezza (legata all’errore medio di posizionamento della macchina nelle coordinate), ripetibilità (posizione delle macchine posizionate dopo sulla retta di dispersione) e risoluzione (il più piccolo spostamento dei componenti della macchina).

• FMS con trasportatore pallet: nella load/unload station i pezzi (più possibile) vengono caricati/scaricati dal pallet (aiuto umano); il pallet trasporta i pezzi tra i vari machining center e li riferisce (posizionamento corretto), li blocca correttamente sulla macchina, li supporta durante la lavorazione ed agevola l’asportazione del truciolo. È composto da: supporto di base (piastra, cubo), elementi di riferimento, elementi per il bloccaggio. La lavorazione di un pezzo può richiedere più piazzamenti (set-up): o tutti sullo stesso pallet (su questo monto più attrezzi, carico i pezzi su lati diversi del pallet: non ho bisogno di un magazzino/fase intermedia ma i pallet sono più complicati) oppure ogni set-up su un pallet dedicato (attrezzo/pezzi su un pallet scarico in buffer intermedio—> carico attrezzo/pezzi su un altro pallet).
• Come spostare i pezzi: movimentarli con un veicolo a percorso (seguono delle guide come filo interrato: molto veloci) oppure utilizzare l’AVG (Automated Guided Vehicles) (seguono percorsi complessi, sono gestiti dall’uomo, hanno una batteria, sistemi di sicurezza, prossimità, segnalazione: poco veloci e molto costosi). Per evitare di far sostare i trasportatori possono esserci un magazzino formato da un buffer (scaffalatura) oppure degli scambiatori pallet ad ogni macchina (buffer intermedi) lineari o rotativi;
• FMS con trasportatore pezzi: il pallet resta fermo e un robot carica/scarica i pezzi: meno flessibilità però meno pallet. Utile per produzione abbondante di pezzi uguali (standardizzazione): se però vario i volumi devo richiedere l’intervento umano.

Flusso degli utensili: ogni macchina ha mandrino, sistema di scambio utensile e magazzino primario. Inoltre c’è un sistema di trasporto utensile per sostituire gli utensili danneggiati (vita media utensile = 15/20 min). Per il posizionamento corretto dell’utensile c’è il "portautensile" che garantisce centraggio, adduzione liquido lubrorefrigerante, riferimento in profondità/angolare, bloccaggio, interfaccia per scambio/manipolazione utensile: il "portautensile" può essere a forma conica (ISO: se lavoro ad alte velocità può subire modifiche e creare vibrazioni) o di modello HSK (meno profondo).

Componenti del sistema di flusso degli utensili

• Magazzino primario: deposito degli utensili da montare. Deve portare il primo utensile da utilizzare nella posizione di scambio: avviene in tempo mascherato se avviene mentre il pezzo viene lavorato con un altro utensile (per lavorazioni brevi non avviene). Differenziati per: forma, tempo medio ricerca utensile, spazio occupato in pianta, costo, tipo/quantità di utensili alloggiabili. Esistono magazzini a disco (dischi posizionati su un asse centrale e gli utensili stanno sui bordi dei dischi: li estraggo in modo perpendicolare all’asse di rotazione del magazzino e l’asse degli utensili è parallelo all’asse del magazzino), a tamburo (tutti gli utensili sono posizionati sopra al disco: li estraggo in modo parallelo all’asse di rotazione del magazzino e anche l’asse degli utensili è parallelo all’asse del magazzino), a torretta (estrazione e asse degli utensili perpendicolare/inclinata rispetto all’asse del magazzino), a catena (posso scambiare solo l’utensile posto in una particolare posizione: più lunga è, più utensili posiziono), planari (pareti con slot in cui mettere gli utensili per poi essere prelevati da un robot);
• Scambiatori utensili: vincoli di peso/lunghezza; hanno un meccanismo di scambio e uno di rototraslazione e sono formati da “braccia”. Il magazzino espone l’utensile, lo scambiatore lo preleva e lo mette in posizione per il mandrino: tempo tool-to-tool. Un ottimo posizionamento dello scambiatore è al di fuori dell’area di lavoro del mandrino;
• Magazzino secondario: utile per sistemi con molti e vari utensili. Varia per slot disponibili;
• Trasportatore utensili: può prendere il suo posto un uomo, non ha prestazioni importanti;
• Tool room: luogo di stoccaggio, montaggio, ricondizionamento e presetting (misurazione) degli utensili.

Gli utensili nei magazzini possono essere selezionati tramite: stazione codificata (l’utensile viene montato in una posizione numerata del magazzino), utensile codificato (leggo le informazioni contenute sull’utensile e capisco dove posizionarlo: tali informazioni contengono anche la vita residua dell’utensile: non posso montarlo se vita residua < tempo di lavorazione), utensile programmato (tabella che fa corrispondere utensile-posizione). La gestione degli utensili può essere a dati permanenti o modificabili (costo >).

Configurazione del pallet

1. Analisi del problema produttivo: definisco le specifiche del pezzo da lavorare (2D, 3D), le manufacturing features (geometria del pezzo: quanto materiale asportare), le machining operations (informazioni non geometriche con cui effettuare la lavorazione), il ciclo di lavoro (precedenze), i manufacturing requirements (esigenze produttive = quanto produrre);
2. Definizione della configurazione del pallet (pallet configuration): definisco il posizionamento del pezzo sull’attrezzatura (= piazzamento) e il numero di pezzi da montare sull’attrezzatura, considerando l’architettura della macchina, il tipo di attrezzo (piastra base, squadra, cubo), la disposizione dei pezzi sull’attrezzatura e la distanza minima tra essi. Il piazzamento rende possibile l’esecuzione dei “machining workingsteps” (= azione precisa sul pezzo): il pezzo deve essere staffabile (posizionato e bloccato) e devo seguire le precedenze tecnologiche. Obiettivi: minimizzare il numero di set-up ( < T ) e massimizzare il numero di pezzi per set-up (trade off: se ciclominimizzo i set-up ho meno pezzi sul pallet e quindi > T cambio utensile; se massimizzo il cubo di lavoro ho meno accessibilità e quindi > T load/unload);
3. Valutazione della configurazione del pallet (simulation of machining): calcolo il tempo di lavorazione del pallet. Fra tutte le soluzioni possibili scelgo quella ottimale (< costi e tempi).

• Tempo truciolo (dato) = tempo di contatto tra utensile e pezzo + overcuts (extra-corsa considerata tempo truciolo perché la macchina si muove con i parametri di taglio) + rapid traverse (tempo in cui l’utensile torna nella posizione di partenza per più passate o quando si muove ad “S”) + movimenti per passare da una feature alla successiva con lo stesso utensile sullo stesso pezzo. Come muoversi da una feature all’altra: “retract pane” (piano al di là del quale devo trovarmi per essere autorizzata a muovermi in rapido quando faccio lavorazioni di più feature sullo stesso pezzo), “security plane” (più restrittivo: piano al di là del quale devo trovarmi quando passo da un pezzo all’altro sullo stesso pallet) oppure il progettista specifica esattamente il tragitto;
• Tempo rapido = tempo di posizionamento sul cambio utensile + tempo di rotazione della tavola + tempo per passare da un pezzo all’altro sull’attrezzatura. Devo conoscere velocità ed accelerazione: questa è massima se il percorso è abbastanza lungo per poterla raggiungere (trapezio: altrimenti triangolo)

Tempo di cambio utensile: posso calcolarlo con due formule

1. Tempo di cambio utensile truciolo-truciolo (calcolato dal costruttore con norma ISO) = intervallo tra l’allontanamento del “vecchio utensile” dalla posizione P e l’accostamento del successivo in P (per mandrino orizzontale X = corsa asse X, Y = corsa asse Y, Z = corsa asse Z – (lato pallet – D min); per mandrino verticale X = corsa asse X, Y = corsa asse Y, Z = corsa asse Z) = tempo di movimento dalla posizione P alla posizione C di cambio + tempo di ricerca dell’utensile successivo (se non mascherato) + tempo di cambio + tempo per aprire/chiudere le protezioni mobili + tempo per tornare dalla posizione C di cambio utensile alla posizione di riferimento P. Il tempo viene stimato dopo 10 cicli di cambio senza interruzioni;
2. Tempo di movimento del mandrino al (e dal) punto di cambio utensile + tempo impiegato dal dispositivo di scambio. Ipotesi: il tempo per portare il nuovo utensile sul mandrino è noto, la posizione C di cambio è nota, la posizione di riferimento P è nota, il tempo di ricerca utensile è mascherato. T = max (t_x,t_y,t_z). T = 2 T_{in rapido al cambio} + T_scambio; 2 sta per andata e ritorno da P a C

Se movimenti in rapido < tempo cambio utensile allora preferisco muovere la tavola che cambiare utensile;

• Tempo in rapido di rotazione della tavola: n rotazioni = n lati usati – 1;
• Tempo di attesa dell’utensile: calcolabile se ho a disposizione un modello dinamico di valutazione delle prestazioni).

Quindi: T_pallet = T_truciolo + T_rapido + T_{scambio utensile} + T_{cambio pallet} (+ T_attesa)

Mean Value Analysis

Obiettivo: trovare una configurazione di un FMS dato un problema produttivo (caratteristiche, volumi). I modelli di generazione generano una soluzione ottima partendo dagli obiettivi della progettazione; i modelli di valutazione (tra questi, i modelli analitici analizzano le prestazioni e hanno un errore del 10%: sfruttano l’astrazione quindi non c’è bisogno di avere già tutti i dettagli pianificati per usarli) misurano le prestazioni delle decisioni prese. I due modelli si integrano in una struttura ad anello.

Teoria delle code

(Modello analitico per la valutazione delle prestazioni degli FMS): la coda di clienti si forma perché il tempo di servizio λ e l’arrivo dei clienti μ sono variabili (non deterministici). Se μ > λ il cliente può trovare lo sportello occupato; se μ < λ il cliente trova sempre lo sportello occupato e la coda aumenta infinitamente (sistema instabile). Le code implicano tempi di attesa quindi il tempo è una variabile aleatoria (non deterministica). Possono esserci sistemi a coda isolata o con struttura a rete (più code isolate): poi ci sono i modelli di scoraggiamento, cioè se la coda è molto lunga il cliente abbandona. Quindi considero: numero di server (magazzino centrale, load/unload station, trasportatori), ampiezza dei buffer, tempo di interattivo delle parti da lavorare per ciascun tipo di parte, tempo di servizio richiesto, regole di priorità. Per creare un modello basato sulle code usiamo la distribuzione esponenziale:

• Il cliente C entra nel sistema all’istante i: ci sono già persone in coda (attesa), persone in servizio, persone che hanno già abbandonato il sistema;
• C subisce un tempo di attesa W (waiting time) da quando entra nel sistema a quando viene servito;
• C viene servito per la regola di priorità (sorpassa chi ha davanti in coda) e trascorre un tempo di servizio T;
• C esce dal sistema dopo un tempo di attraversamento S = W + T

1. Tempo di inter-arrivo (tra due clienti C_n-1 e C_n): τ_n = i_n – i_n-1
   • Distribuzione esponenziale:
     f(τ) = λe^-λτ, E(τ) = 1/λ, σ(τ) = 1/λ
     F(τ, cum) = 1 – e^-λτ, λ tasso di arrivo medio,
     Poisson f(k) = (e^-λT∙λ^k∙T^k)/k!, probabilità che si abbiano k arrivi nell’intervallo (0, T]!
     Quindi inter-arrivi esponenziali + numero di arrivi poissoniani = processo di Poisson con “assenza di memoria”: l’arrivo di un cliente non dipende dal tempo trascorso prima dell’arrivo dell’ultimo.
2. Tempo di servizio: t
   • Distribuzione esponenziale: f(t) = μe^-μt, E(t) = 1/μ, σ(t) = 1/μ
     L’esponenziale ha un coefficiente di variazione alto: σ ≈ 1 quindi sovrastimiamo le code e sottostimiamo le prestazioni

Se tutti i processi sono poissoniani e non hanno memoria, ci basta guardare la situazione attuale per analizzare la situazione! Però esistono delle “discipline” che fanno variare la coda: sull’ordine di arrivo (first come-first served; last come-last served; random), sulla classe di clienti (associo ogni cliente ad una classe che ha un certo livello di priorità), sulla durata del servizio richiesto (shortest/longest processing time).

Indicatori per la misurazione delle prestazioni di code isolate

• Intensità di traffico I = λ/μ, arrivi nell'unità di tempo * tempo medio di servizio
• Capacità del sistema C = m, numero di servitori
• Fattore di utilizzo P = min [λ/(μ∙m), 1] = min [I/m, 1], % di servitori mediamente occupati
• Flusso uscente (throughput) Th = min (λ, mμ) = min (flusso entrante, capacità del sistema)