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Sesión 8Sesión 8
LÍNEAS DE PRODUCCIÓNLÍNEAS DE PRODUCCIÓN
Primer semestre 2011 - UPIITA-Primer semestre 2011 - UPIITA-IPNIPN
Líneas de Producción
Transporte de materiales
Líneas de Ensamble Manual
Contenido
Líneas de producción
(Video de Tiempos Modernos)
Líneas de producción
Las líneas de producción son sistemas de manufactura de tipo III con múltiples estaciones y un sistema fijo de ruta, pueden ser manuales, automáticas o híbridas. Es decir, las operaciones de manufactura se realizan en forma secuencial de estación de trabajo a estación de trabajo y el tipo de producto es idéntico o muy similar.
Las líneas de producción son usadas ya sea para operaciones de procesamiento o ensamble de materiales o productos semi-terminados. Es inusual que ambas operaciones se realicen en la misma línea.
Líneas de producción manuales
Son sistemas de manufactura del tipo III M, múltiples estaciones manuales que requieren de un operador dedicado en cada estación de trabajo.
Factores que promueven el uso de líneas de ensamble manual son:
●La demanda por el producto es alta o media●Los productos hechos en la línea son idénticos o similares●El trabajo total requerido para el ensamble del producto puede ser dividido en pequeñas unidades de trabajo.●Es tecnológicamente imposible o económicamente inviable la automatización de dichas operaciones.
Productividad líneas manuales de producción
Especialización del trabajo. Este principio de división del trabajo, primero propuesto por Adam Smith, menciona que cuando un trabajo grande o pesado es dividido en pequeñas tareas y cada uno es asignada a un trabajador, el trabajador se convierte en altamente eficiente en esa práctica, un especialista. (Demasiada especialización tiene contras)
Partes intercambiables, en cada componente manufacturado con tolerancias suficientemente cercanas al diseño de la parte, puede ser seleccionado para el ensamble con cualquier componente correspondiente. Sin partes intercambiables, el ensamble requeriría correcciones y ajustes para el ensamble, haciendo el proceso impráctico.
Productividad líneas manuales de producción
Principio de trabajo en manejo del material, provee que cada unidad de trabajo fluye suavemente a través de la línea de producción, viajando distancias mínimas entre estaciones.
Ritmo de la línea. Los trabajadores en una línea de ensamble son usualmente requeridos para completar sus tareas asignadas en cada unidad de productos dentro de un cierto ciclo de tiempo, el cual genera el ritmo de la línea para establecer una razón de producción especificada. La sincronía se realiza generalmente con bandas transportadores mecanizadas. El ritmo de producción lo da la estación mas lenta.
Estaciones de trabajo de ensamble
Una estación de trabajo en una línea de ensamble manual es una locación diseñada a lo largo de la trayectoria del flujo de trabajo en la cual una o mas operaciones de trabajo son realizados por uno o mas trabajadores. Estos elementos de trabajo representan pequeñas porciones del trabajo total que debe ser completado para el ensamble del producto.
Operaciones típicas de una línea de ensamble manual
● Aplicación de adhesivos
● Aplicación de selladores
● Soldadura de arco
● Ribeteo
● aplicaciones de ajustes
● costura
● engrapado
● atornillado
● unión justa de dos partes
● soldadura de partes electrónicas
● Punteado de soldadura
● ensamble ajustado
● inserción de componentes
La posición del trabajador puede variar para cada estación de trabajo, en algunas están de píe, otras sentado. Al estar de píe, permite al trabajador moverse en el área de la estación y realizar la tarea asignada. Esto es común en el ensamble de productos de geometrías grandes como autos, grandes electrodomésticos, maquinaria, etc.
Otro caso típico es cuando las partes se mueven en una banda transportadora y el trabajador realiza su tarea de ensamble mientras la parte se mueve a través de la estación.
Para tareas de precisión es común que el trabajador(a) esté sentado(a). Por ejemplo en el ensamble de componentes electrónicos, conexión de cables o tuberías, sub-ensambles de precisión, etc.
Hay dos formas básicas para realizar el movimiento de unidades de trabajo a lo largo de la línea de ensamble manual: Manuales o mecanizados. Ambos métodos proveen la ruta fija (todas las unidades de trabajo siguen la misma secuencia de operaciones).
El sistema de transportación de trabajo
Las unidades de producción pasan de estación de trabajo a la otra con las manos. Dos problemas pueden surgir por este método: Hambruna y bloqueo.
La hambruna es cuando el operador de ensamble ha completado la tarea asignada, pero la siguiente unidad aún no ha llegado.
Cuando la estación está bloqueada, se dice que el operador ha completado su tarea asignada pero no puede pasar la unidad a la siguiente estación por que el siguiente operador aún no está listo para recibirlo.
Métodos manuales de transporte del trabajo
Métodos manuales de transporte del trabajo
Para mitigar los efectos se usan almacenamientos temporales entre estaciones. En algunos casos, se arman lotes de unidades de trabajo antes de pasarla a la siguiente estación. Otras veces se usan espacios de almacenamiento estáticos para colocar las piezas y una vez necesitadas, el siguiente operador simplemente la obtiene de este espacio.
El problema es que este método de operación puede resulta en procesos-dentro-del trabajo que pudieran tener un costo extra no deseado.
Métodos de transporte mecanizado
Bandas y otros tipos de manejo de materiales motorizado son ampliamente usados en líneas de ensamble automático.
Hay tres tipos de categorías principales de transporte de materiales de este tipo en una línea de producción:
(a) transporte continuo(b) transporte síncrono(c) transporte asíncrono
Métodos de transporte mecanizado
Sistema continuo de transporteUsa una banda continua de movimiento a velocidad constante. Es un método común en líneas de ensamble manual y usualmente recorre la longitud entera de la línea. Si la línea es demasiado larga, se divide en segmentos con una banda separada para cada segmento.
El transporte continuo puede implementarse de dos formas:
(1) Unidades fijas a la banda transportadora(2) Unidades de trabajo son removibles de la banda
Tipos:bandas de transporte aéreasBandas de tipo cinturóntransportador de cilindrostransportador tipo cadena de arrastre
Transporte síncrono
Todas las unidades de trabajo se mueven simultáneamente entre estaciones en un movimiento rápido y discontinuo, posicionandose en la estación de trabajo. Esté método no es tan común en líneas de ensamble por que requiere que las tareas se completen en un tiempo fijo y limitado.
Tipos: Equipo en barras transportadorasMecanismos de rotación indexados
Transporte asíncronoUna unidad de trabajo deja una estación dada cuando la tarea asignada ha sido completada y el trabajador libera la unidad. Las unidades de trabajo se mueven independientemente en lugar de en sincronía. En cualquier momento algunas unidades están en movimiento, mientras que otras están en operaciones de manufactura.
Tipos:Banda aérea de libre movimientoCarro sobre una líneatransportadores de cilindros automatizadossistemas de vehículos automatizadosSistemas de mono-rielsistemas de cadenas de carrusel
Modelos alternativos de manufactura manual
Se trata de un solo lugar de trabajo en el cual el trabajo de ensamble se completa. Este método es
generalmente usado en productos que son complejos o producidos en pequeñas cantidades.
El lugar de trabajo puede tener uno o mas trabajadores dependiendo del tamaño del
producto y la razón de producción requerida.
Productos especializados de ingeniería siguen este modelo.
Celdas de ensamble manuales de estación simple
Ensamble por equipos de trabajadores
Involucra a múltiples trabajadores asignados para realizar una tarea común. El ritmo de trabajo es controlado por los trabajadores mismos en lugar de algún mecanismo transportador.
Una variedad del método es tener al equipo de trabajadores seguir al producto en diferentes estaciones de trabajo hasta terminar un ensamble. La compañía sueca Volvo fue pionera en este método.
Este método permite que se realicen operaciones paralelas con diferentes modelos en la línea de fabricación.
Diseño para el ensamble
●Usa el menor número de partes posibles para reducir la cantidad de ensamble requerido.
●Reduce el número de tornillos requeridos
●Utiliza sujetadores estándares
●reduce partes en diferentes orientaciones
●evita partes confusa y complejas
Análisis de modelos simples de líneas de ensamble
La línea de ensamble puede ser diseñada para alcanzar ritmos de producción Rp para satisfacer la demanda. La demanda del producto a menudo es expresada en una cantidad anual, la cual puede ser reducida a un ritmo por hora.
La administración debe decidir cuantos turnos por semana debe de operar la línea y cuantas horas por turno.
Análisis de modelos simples de líneas de ensamble
Asumiendo que la planta opera 50 semanas al año, el ritmo de producción por hora está dada por
donde Rp es la producción promedio (unidades/hr), Da es la demanda de un solo producto para fabricarse en la
línea (unidades/año), S es el número de turnos por semana, y H es el número de horas por turno. 50 es el número de semanas anuales en operación de la línea
Rp=Da
50 SH
Ejercicio
Suponiendo que la línea opera 52 semanas anuales, La demanda del producto es de 100, 000
piezas y hay tres turnos con 6 horas cada uno, ¿Cuál es el promedio requerido de la producción?
Este ritmo de producción puede convertirse a ciclo de tiempo Tc, el cual es el intervalo de tiempo en el cual la línea será operada. El ciclo de tiempo toma en cuenta la realidad del tiempo de producción y pérdida ocasional debido a fallas en el equipo, el suministro de energía, problemas de calidad, de trabajo, etc. Estimando un tiempo promedio en que la línea realmente puede estar en producción, E. Tenemos,
donde Tc es el tiempo de ciclo de la línea (min/ciclo), E es la eficiencia de la línea en un rango típico de 0.90 a 0.98.
T c=60 ER p
El tiempo total de ensamble o construcción es llamado Tiempo de contenido de trabajo, Twc. Este es el tiempo de todo los trabajos requeridos para completar una unidad de un producto en una línea de producción.
Este valor es útil para estimar el número teórico total trabajadores requeridos en una línea de ensamble para producir un producto con un Twc y en un ritmo Rp.
El número de trabajadores en la línea será:
donde w es el número de trabajadores de la línea; WT es la carga de trabajo a completar en un periodo de tiempo; y AT es el periodo de tiempo disponible. Nuestro periodo de interés será de 60 minutos.
w=WLAT
donde w es el número de trabajadores de la línea; WT es la carga de trabajo a completar en un
periodo de tiempo; y AT es el periodo de tiempo disponible. Nuestro periodo de interés será de 60
minutos.
La carga de trabajo es el ritmo de producción por hora multiplicado por el tiempo de contenido de
trabajo del producto,
arreglando ecuaciones podemos encontrar que,
WL=R pT wc
WL=60 ET wc
T c
El tiempo disponible AT = 1 hr multiplicado por la proporción del tiempo en que la línea está operando, nos da,
Sustituyendo los términos por WL y AT en el cálculo del número de trabajadores, tenemos que
donde w' es el número mínimo de trabajadores.
Si asumimos un trabajador por estación, entonces también nos daría el número mínimo de estaciones en la línea.
AT=60 E
w '=El menor entero≥T WC
T c
Considere el ejemplo anterior y suponga que el tiempo total para completar un producto es de 5
minutos (Twc), la eficiencia de su línea es de 0.97
Tc = 60 E / Rp = 60 * 0.97 / 91.57 = 0.635 min /ciclo
WL = 60 * 0.97 * 5 min / 0.635 = 457.86
w' = ceil [5 min / 0.635] = 8
Ejercicio
En la práctica aún hay que considerar:
Reposición de PérdidasProblemas de balance de líneas
Variabilidad del tiempo de las tareasProblemas de calidad
Pérdidas en las líneas de producción son inevitables y es posible generar estrategias de reposición en la línea de producción.
Definamos el tiempo Tr como el tiempo requerido por cada ciclo para reponer tiempo de trabajo, de unidad de trabajo o ambas.
El tiempo de reposición debe substraerse del tiempo del ciclo Tc para obtener el tiempo remanente para realizar la tarea de ensamble en cada estación de trabajo.
Reposición de pérdidas
El tiempo de servicio es el que se dedica a cada área de trabajo y lo definiremos como Tsi, donde i
es el número de estación, i= 1, 2, ..., n. Los tiempos de servicio pueden variar de estación en
estación. Hay al menos una estación con el tiempo de servicio máximo la cual se denomina
'cuello de botella'.
El tiempo máximo permitido de servicio es Ts,
Todas las estaciones donde Tsr es menor que Tc y los trabajadores estarán esperando por cierta
porción de este tiempo.
T s=Max TstT c−T r
La eficiencia de reposición, Er, será,
E r=T s
T c
=T c−T r
T c
Problema de balance de línea
La secuencia establecida en una línea de producción invariablemente va a tener rendimiento restringido. El problema de balancear una línea se refiere a la asignación de elementos de trabajo individual a las estaciones de trabajo de manera que todos los trabajadores tienen la misma cantidad de trabajo.
Los elementos de trabajo racional mínimo son pequeñas cantidades de trabajo que tienen objetivos específicos, como por ejemplo agregar un componente a una base o unir dos componentes. Un trabajo mínimo no puede subdivirse más sin pérdida de practicalidad.
Problema de balance de línea
La suma de los tiempos de los elementos de trabajo es igual al trabajo de contenido total,
donde Tek es el tiempo de realización de trabajo del elemento k (min), y nj es el número de elementos de trabajo dentro de todo el contenido de trabajo.
T st=∑k∈t
T ek
En un balance de línea asumimos lo siguiente:
(1) Los tiempos de los elementos son constantes(2) los valores de Tek son aditivos, de forma que el tiempo total de dos trabajos es solo la suma de
los tiempos individuales.
El tiempo de tarea en la estación i, o el tiempo de servicio, Tst está compuesto de los tiempos de
trabajo de los elementos que han sido asignados a esa estación, esto es,
T st=∑k∈t
T ek
Diferentes tiempos de trabajo requieren tiempos diferentes, y cuando los elementos se agrupan en tareas lógicas y asignadas a los trabajadores, los tiempo de la estación de servicio Tst no son los mismos.
Entonces, simplemente debido a la variación entre los tiempos de los elementos de trabajo, algunos trabajadores tendrán más trabajo que otros.
Estas restricciones se refieren al orden en que las tareas deben ser realizadas en secuencia, lo cual complica aún mas el proceso de balance de la línea de producción.
Para visualizar estas restricciones se utiliza el diagrama de precedencia, el cual indica la secuencia en que un trabajo será realizado. El trabajo se visualiza por nodos, y los requerimientos precedentes se indican con flechas de conexión entre nodos. La secuencia se describe de izquierda a derecha.
Restricciones de precedencia
Ejemplo
Problema de balance de línea
Se requiere producir un pequeño dispositivo eléctrico en una línea de ensamble simple. El trabajo contenido en el ensamble del producto ha sido reducido a los elementos de trabajo listados en la siguiente tabla. Dicha tabla enlista los tiempos estándar que han sido establecidos para cada elemento y el orden de precedencia a realizarse.
La línea tiene que ser balanceada para una demanda anual de 100000 unidades anuales. La línea operará 50 semanas por año, 5 turnos por semana y 7.5 hrs por turno. El nivel Manning es 1 (un operador por estación). Previa experiencia sugiere un 96% de eficiencia y un tiempo de reposición de pérdidas de 0.08 min.
Determine:
(a) tiempo de contenido de trabajo total, Twc.(b) ritmo de producción por hora, Rp, para satisfacer la demanda anual,(c) tiempo del ciclo, Tc,(d) número teórico mínimo de trabajadores requerido en la línea, (e) tiempo de servicio Ts para el cual la línea tiene que ser balanceada
No. Descripción del elemento de trabajo Tek (min) Precedido por
1 Colocar el marco en el sujetador 0.2 -
2 Ensamblar el enchufe del cable de alimentación 0.4 -
3 Ensamblar el bracket al marco 0.7 1
4 Conectar el cable de corriente al motor 0.1 1,2
5 Conectar el cable de corriente al interruptor 0.3 2
6 Ensamblar el mecanismo del platillo al bracket 0.11 3
7 Ensamblar la cuchilla al bracket 0.32 3
8 Ensamblar los motores a los brackets 0.6 3,4
9 Alinear la cuchilla y montar el motor 0.27 6,7,8
10 Ensamblar el interruptor al backet del motor 0.38 5,8
11 Montar la cubierta, inspeccionar y probar 0.5 9,10
12 Posicionar en el transportador para su empaque 0.12 11
Solución:
(a) El tiempo de contenido de trabajo total es la suma de los tiempos de los elementos de trabajo
individuales
Twc = 4.0 min
(b) Dada la demanda anual, la producción por hora es de
Rp=100,000
5057,5=53.33 unidades /hr
(c) El tiempo del ciclo correspondiente Tc, con una eficiencia del 96% es
(d) El número mínimo teórico de trabajadores es
(e) El tiempo de servicio disponible contra el cual la línea debe de estar balanceada es
T c=60 0.96
53.33=1.08 min
w '=Min Ent≥ 4.01.08
=3.7=4 trabajadores
Ts=1.08−0,08=1.00 min
La eficiencia en la línea de balance es
Una línea perfectamente balanceada da un Eb = 1.
El parámetro complementario de la eficiencia del balance es el retardo del balance (d), lo cual indica la cantidad de pérdida de tiempo debido al balance imperfecto como un radio del tiempo total disponible, que es,
un retardo de balance cero, indica una línea perfectamente bien balanceada.
Eb=T wc
wT s
d=wT s−T wc
wT s
La eficiencia total de trabajo es Et = E Er Eb
Este valor puede usarse para calcular un valor mas realista del número de trabajares requeridos
en la línea.
El objetivo del balance de la línea es distribuir la carga total de trabajo sobre la línea de ensamble tan distribuida en los trabajadores como sea posible. Esto puede ser expresado de dos maneras
o
sujeto a (1)
(2) Todos los requerimientos precedentes deben conservarse.
Algoritmos de balances de línea
minimiza wTs−T wc Minimiza∑i=1
w
T s−T si
∑k∈n
T ek≤Ts
La regla del candidato mas largo
En este método los elementos de trabajo son arreglados de manera descendiente de acuerdo a
sus valores de Tek.
La regla del candidato mas largoEl algoritmo consiste en los siguientes pasos:
(1) Asignar los elementos a el trabajador en la primera estación de trabajo iniciando en lo alto de la lista y seleccionando el primer elemento que satisfaga los requerimientos precedentes y no causa que la sima total de Tek en la estación exceda el valor permitido de Ts; cuando un elemento es seleccionado a la estación, se inicia en lo alto de la lista para las asignaciones subsecuentes
(2) Cuando no mas elementos pueden asignarse sin exceder Ts, entonces se procede a la siguiente estación
(3) Repetir pasos 1 y 2 para las otras estaciones hasta que todos los elementos han sido asignados
La regla del candidato mas largoElemento de
trabajoTek (min) Precedido por
3 0.7 1
8 0.6 3,4
11 0.6 9,10
2 0.4 -
10 0.38 5,8
7 0.32 3
5 0.3 2
9 0.27 6,7,8
1 0.12 -
12 0.2 11
6 0.11 3
4 0.1 1,2
Al aplicar este algoritmo en el ejemplo anterior, tenemos la solución
Estación Elemento de trabajo Tek (min) Tiempo de estación(min)
1 2 0.4
5 0.3
1 0.2
4 0.1 1
2 3 0.7
6 0.11 0.81
3 8 0.6
10 0.38 0.98
4 7 0.32
9 0.27 0.59
5 11 0.5
12 0.12 0.62
El método Kilbridge y Wester
Este método se inicio en 1961 y se basa en un procedimiento heurístico que selecciona lementos de trabajo para la asignación de las estaciones de acerdo a su posición en el diagrama de precedencia. Esto lidia con una dificultad con la regla del candidato mas largo en donde Tc es el límite, sin importar su posición en el diagrama de precedencia.
En este método los elementos son arreglados en columnas dentro del diagrama de precedencia, los elementos se arreglan en listas de acuerdo a las columnas. Si un elemento puede localizarse en mas de una columna, entonces se menciona en dicho arreglo.
Elemento de trabajo Columna Tek (min) Prededido por
2 I 0.4 -
1 I 0.2 -
3 II 0.7 1
5 II, III 0.3 2
4 II 0.1 1,2
8 III 0.6 3,4
7 III 0.32 3
6 III 0.11 3
10 IV 0.38 5,8
9 IV 0.27 6,7,8
11 V 0.5 9,10
12 VI 0.12 11
En este caso se arreglan por el valor de Tek en cada columna. Entonces se aplica el mismo procedimiento de tres pasos como antes.
Estación Elemento de trabajo Tek (min) Tiempo de estación(min)
1 2 0.4
1 0.2
5 0.3
4 0.1 1
2 3 0.7
6 0.11 0.81
3 8 0.6
7 0.32 0.92
4 10 0.38
9 0.27 0.65
5 11 0.5
12 0.12 0.62
Hay que hacer notar que la diferencia en este caso es una distribución de las tareas un poco diferente al primer caso, los valores globales de tiempo y eficiencia son los mismos.
Método de pesos posicionales ponderados
Este método calcula el valor del peso posicional ponderado (PPP) para cada elemento. El PPP toma en cuenta tanto el valor de Tek y su posición en el diagram de precedencia. Específicamente, el PPPk es calculado asumiendo un Tek y todos los otros tiempos para elementos que siguen al Tek en la flecha de la cadena del diagrama de precedencia. Los elementos se compilan en una lista de acuerdo a los valores de PPP y se procede a usar el mismo proceso de tres pasos como antes.
Ejemplo
El PPP debe ser calculado para cada elemento,
PPP11
= 0.5 + 0.12 = 0.62
PPP8 = 0.6 + 0.27 + 0.38 + 0.5 + 0.12 = 1.87
etc
Elemento detrabajo
PPP Tek (min) Precedido por
1 3.3 0.2 -
3 3 0.7 1
2 2.67 0.4 -
4 1.97 0.1 1,2
8 1.87 0.6 3,4
5 1.3 0.3 2
7 1.21 0.32 3
6 1 0.11 3
10 1 0.38 5,8
9 0.89 0.27 6,7,8
11 0.62 0.5 9,10
12 0.12 0.12 11
SoluciónEstación Elemento de
trabajoTek (min) Tiempo
estación (min)
1 1 0.2
3 0.7 0.9
2 2 0.4
4 0.1
5 0.3
6 0.11 0.91
3 8 0.6
7 0.32 0.92
4 10 0.38
9 0.27 0.65
5 11 0.5
12 0.12 0.62
En su ritmo más rápido, el balance de la línea mejora y el ritmo de producción se incrementa
El tiempo del ciclo es Tc = Ts + Tr = 0.92 + 0.08 = 1.00; por lo tanto,
entonces
Rp = 60 x 0.96 = 57.6 unidades/hr
Esto es mejor que los métodos anteriores de balance de línea.
Eb=4.0
5.92=.87
Rc= 601.0
=60 ciclos/hr
Existen otros modelos de diseño de líneas de ensamble automático. Muchos de ellos consideran sistemas mixtos, paralelos, entre otros. Con el fin de mejorar los ritmos de producción y eficiencia de la línea.
Otras consideraciones
Conclusiones
Hemos visto una introducción a sistemas de manufactura manual
Se mencionaron tipos de transportadores manuales
Ejemplos para el cálculo de parámetros de líneas de producción manual
Próxima sesión
Líneas de Producción Automatizadas
Células de Manufactura
Sistemas flexibles de manufactura.