1. Introducere

1.1. Scurt istoric al aparitiei si dezvoltarii sistemelor de fabricatie flexibila (SFF)

In analiza evolutiei modelului dominant aplicat fabricatiei in diferite perioade de timp [https://www.uky.edu/~dsianita/611/fms.html], ne raportam la interactiunea dintre:

evolutia pietei de desfacere a produselor (dezvoltarea cerintelor clientilor);

nivelul de dezvoltare al tehnicii si tehnologiei fabricatiei;

nivelul de evolutie si perfectionare a tehnicii informatice.

La mijlocul anilor '60 competitia pe piata a produselor a devenit mai intensa.

Intre anii 1960 si 1970 costul produselor a fost prioritatea numarul unu a managerilor. Scaderea costului produselor s-a produs printr-o crestere a productivitatii mijloacelor de productie, generata de automatizare. Modelul dominant in acea vreme era productia obtinuta in liniile de transfer automate, caracteristice unei productii de masa. In figura 1.1 se prezinta ciclul evolutiei economiei pentru productia de serie.

Figura 1.1. Ciclul evolutiei economiei de serie

Mai tarziu, calitatea produselor a constituit o preocupare intensa. Pe masura ce schimburile comerciale s-au intensificat si au devenit mai complexe, viteza mare de livrare a comenzilor a devenit o caracteristica importanta a societatilor comerciale.

Astfel, s-a definit o noua strategie, aceea de personalizare a produselor, in functie de dorintele clientilor. Companiile si-au adaptat mediul de operare pentru a deveni mai flexibile in fabricatie si a satisface asteptarile diferitelor segmente de piata. Introducerea SFF a devenit rentabila in competitia de pe piata.

SFF este, in primul rand o tehnologie de fabricatie. In al doilea rand, SFF este un model sistemic transpus fizic.

'Sistem' este un cuvant cheie. 'Agilitate' este caracteristica SFF introdusa in ultimii ani, ceea ce mareste viteza de livrare pe piata, opereaza cu cele mai scazute costuri de productie si are cea mai mare abilitate de a satisface clientii. SFF este o cale prin care fabricantii sunt capabili de a obtine aceasta agilitate.

1.2. Productie. Fabricatie. Fluxuri

Productia cuprinde etape din viata unui produs care insumeaza activitǎtile/sectoarele/serviciile de marketing, aprovizionare, conceptie constructivǎ si tehnologicǎ, fabricatie (prelucrare, asamblare), control al calitǎtii, vanzare si service al produsului. Fiecare reper al produsului inglobeazǎ caracteristici si calitǎti rezultate din functiile de bazǎ ale intreprinderii: cercetare si dezvoltare, prelucrare si montaj, logisticǎ, asigurarea calitǎtii, marketing si organizare.

Procesul de productie (conform DIN 66201) este ansamblul intrǎrilor intr-un sistem de productie, sub formǎ de materie, energie sau informatii, intrǎri succesive si dependente reciproc, care sunt transformate, transferate si inmagazinate in produsul finit.

Produs: este ansamblul iesirilor dintr-un sistem de productie, care cuprind transformǎri ale materiei, energiei si informatiilor. Produsele se pot prezenta sub formǎ concretǎ, materialǎ sau imaterialǎ (servicii).

Procesul de fabricatie este acea parte a procesului de productie in care materia, sub forma de semifabricat, este supusa unor transformǎri de formǎ, dimensiuni, pozitii reciproce ale suprafetelor, caracteristici fizico-chimice ale materialului, calitate/aspect a suprafetelor sau sunt realizate situǎri reciproce a mai multor repere si fixǎri prin asamblare demontabilǎ sau nedemontabilǎ. Procesul de fabricatie se desfǎsoarǎ prin executia operatiilor de prelucrare/asamblare sau de manipulare.

Intreprinderea industriala este un sistem care urmareste armonizarea sistemului de fabricatie cu cerintele mediului extern. Performanta unei intreprinderi industriale se evalueaza prin numarul diversificat de produse de calitate, prin costurile minime ale acestora, livrari de comenzi la momente prestabilite cu utilizarea cat mai eficienta a resurselor disponibile (mijloace de productie si resurse umane). Asupra intreprinderilor industriale actioneaza permanent un sistem de forte din mediul acestora:

forta pietei comerciale de produse (concurenta, clientii, mediul de afaceri si cel politic)

forta pietei muncii (dezvoltarea resursei umane, educatia, mediul politic)

forta cerintelor ecologice (protectia mediului, dezvoltarea de tehnologii nepoluante)

forta dezvoltarii tehnicii si tehnologiei (tehnologii noi, produse performante)

forta dezvoltarii tehnologiei informatice (produse hard si soft noi, sisteme de comunicare).

Sistemul de fabricatie este multimea instalatiilor tehnice (mijloace de productie) si a relatiilor dintre acestea constituite pentru rezolvarea unui sarcini de fabricatie. Sarcina de fabricatie este diferenta de eliminat intre starea initialǎ a materiei si cea finalǎ, propusǎ ca si scop a desfǎsurǎrii procesului de productie. Instalatiile tehnice prelucreazǎ in timp intrǎrile materiei, energiei si informatiilor in iesiri de aceeasi naturǎ. Sistemul de fabricatie este un ansamblu de masini unelte, utilaje, instalatii, dispozitive grupate in spatiu pentru efectuarea unor operatii ale procesului tehnologic. Sistemul de fabricatie, in functie de gradul de implicare al operatorului uman in cadrul procesului de fabricatie, poate fi:

sistem de fabricatie clasic (in care operatorul uman executǎ manual toate miscǎrile necesare desfǎsurǎrii procesului de fabricatie);

sistem de fabricatie mecanizat (in care operatorul uman comandǎ realizarea miscǎrilor relative sculǎ-piesǎ si a miscǎrilor necesare aducerii/evacuǎrii pieselor la/de la masinǎ, miscǎrile sunt executate de sisteme de actionare);

sistem de fabricatie automat (in care operatorul supravegheazǎ/monitorizeaza, programeazǎ si initializeazǎ sistemul de fabricatie, sistem care executǎ miscǎrile necesare procesului de fabricatie fǎrǎ interventia nemijlocitǎ sau ritmicǎ a operatorului uman).

- sistem de fabricatie automat rigid (in care schimbarea sarcinii de fabricatie necesitǎ transformǎri radicale ale sistemului de fabricatie);

- sistem de fabricatie automat flexibil (SFF) (in care sarcinile de fabricatie care se pot executa in sistem sunt diverse, variabilitatea din sistemul flexibil vizand dimensiuni si materiale ale pieselor, regimuri si precizii de prelucrare, tipuri de operatii de prelucrare/asamblare, costuri de productie, termene de livrare si cantitǎti de piese). In figura 1.2 se prezinta un grafic al variatiei flexibilitatii si productivitatii in sisteme de fabricatie.

Figura 1.2. Variatia flexibilitatii si a productivitatii sistemelor de fabricatie

Fluxul de intrare intr-un sistem de fabricatie este variatia in timp a cantitǎtii de material, consumului de energie, cuantumului de informatii. Fluxul de iesire dintr-un sistem de fabricatie este de naturǎ materialǎ (cu informatii de formǎ) si informationalǎ. Produsul final inmagazineazǎ materialul, energia si informatiile necesare transformǎrii semifabricatului in cadrul procesului desfǎsurat in sistemul de fabricatie.

Un sistem este definit ca multimea componentelor sistemului si a relatiilor dintre acestea, organizate astfel incat sǎ se realizeze un 'tot' unitar. Prin structura unui sistem se intelege multimea elementelor componente si multimea relatiilor stabilite intre acestea.

Un SFF poate fi caracterizat din punctul de vedere al teoriei sistemelor ca un sistem:

deschis (are relatii orientate cu mediul sistemului si cu sistemul ierarhic superior)

complex (numǎrul de componente este mare)

concret (spre deosebire de sistemul abstract, de idei)

artificial (creat de om)

determinat (are un comportament predictibil)

realizat cu un scop predefinit.

Figura 1.3. Structura unui SFF

Se pot identifica intr-un SFF subsisteme de rang inferior (de exemplu subsistemul de prelucrare care este ansamblul mijloacelor de productie din sistem, subsistemul de manipulare care este ansamblul echipamentelor si dispozitivelor automate cu functii de manipulare ale obiectelor de lucru). Un SFF este un subsistem component al unui sistem de rang superior (de exemplu, metasistemul de productie CIM). Un SFF este ierarhizat, ceea ce inseamnǎ cǎ se identificǎ in structura acestuia subsistemele componente prezentate in figura 1.3.

Definitii ale SFF:

National Institute of Standards and Technology-NIST: Un SFF este un aranjament de masini unelte (centre de prelucrare cu comanda numerica), dotate cu dispozitive automate de schimbare a sculelor, interconectate printr-un sistem de transport. Sistemul de transport asigura piesele necesare pentru masinile unelte pe palete sau alte elemente de interfata, pentru o servire automata, rapida si precisa. Un calculator central comanda masinile si sistemul de transport. SFF poate prelucra simultan diferite tipuri de piese.

Economic Commision of Europe: Un SFF este un complex integrat, condus de calculator, compus din masini unelte cu comanda numerica, dispozitive automate de manipulare a pieselor si sculelor si echipamente automate de masura si control care, cu un minim de interventie umana si timp de modificare scurt, poate sa fabrice produse apartinand unei familii de piese, conform unei planificari anterioare a productiei.

O alta schema de structura a unui SFF, in conformitate cu definitiile de mai sus, este prezentata in figura 1.4.

Figura 1.4. Structura unui SFF cu evidentierea fluxurilor din sistem

1.3. Cerinte de flexibilitate ale pietei si posibilitǎti de realizare a acestora

In figura 1.5 sunt prezentate cerintele de flexibilitatea ale pietei de desfacere a produselor.

Figura 1.5. Cerinte de flexibilitatea ale pietei

In figura 1.6. se prezinta ciclul evolutiei economiei orientate spre client.

In figura 1.7. sunt prezentate sintetic posibilitǎtile de realizare a cerintelor de flexibilitate ale pietei.

Figura 1.6. Ciclul evolutiei economiei orientate spre client

Figura 1.7. Posibilitǎti de realizare a cerintelor de flexibilitate a pietei

Figura 1.8. Dependenta dintre tipul de organizare al productiei, volumul productiei anuale si marimea spectrului de tipuri de piese

In figura 1.8 este prezentat graficul dependentei dintre tipul de organizare al productiei (in linii de transfer, SFF, celule de fabricatie flexibilǎ si sisteme de fabricatie mecanizate), productia anualǎ si numǎrul de tipuri de piese diferite prelucrate in aceste sisteme.

1.4. Caracteristici ale SFF

Un SFF poate avea urmǎtoarele componente tipice: masini unelte (de lucru) universale cu comanda numerica cu calculatorul (CNC) sau comanda numerica distribuita (DNC), echipamente de schimbare automatǎ a sculelor si magazii de scule, posturi de incǎrcare/descǎrcare, echipamente de manipulare automatǎ (roboti sau dispozitive automate de transfer), depozit central sau depozite intermediare, palete cu/fǎrǎ dispozitive de fixare ale pieselor, sistem de comandǎ/conducere programabil, adaptiv sau inteligent, retele de calculatoare, magistrale de camp, interfete si echipamente de monitorizare.

Pentru a evidentia caracteristicile unui SFF, in cele ce urmeaza se vor compara un sistem automat rigid (LT) cu un sistem automat flexibil de fabricatie.

Figura 1.9. Schema de principiu a unei linii de transfer

Figura 1.10. Schemǎ de principiu a unei linii de fabricatie flexibilǎ

Linia de transfer este denumirea uzuala a unui sistem automat rigid cu o dispunere liniarǎ in spatiu a mijloacelor de productie (masini unelte agregat, capete de gǎurit multiax, capete de fortǎ de frezat, etc) grupate in posturi de lucru. Transportul obiectelor de lucru este realizat dintr-un post de lucru in altul de un conveior cu functionare intermitentǎ. Semifabricatul intrǎ la un capǎt al liniei de transfer si este prelucrat pana la evacuare la celǎlalt capǎt al conveiorului. Capacitatea productiva a liniei este foarte mare, dar schimbarea sarcinii de fabricatie este dificilǎ din cauza necesitǎtii realizǎrii unui numǎr mare de reglaje la schimbarea curselor de lucru sau la schimbarea sculelor. In figura 1.9. este prezentatǎ o schema de principiul a unei linii de transfer.

Linia de fabricatie flexibilǎ are, de asemenea, o dispunere in linie a mijloacelor de productie, dar masinile de lucru sunt cu CNC sau DNC (sistem de comandǎ numericǎ distribuita mai multor masini de lucru). Schema de principiu a unei linii de fabricatie flexibilǎ este prezentatǎ in figura 1.10.

In tabelul 1.1 este prezentatǎ comparatia performantelor liniilor de transfer si liniilor de fabricatie flexibilǎ.

Tabelul 1.1. Comparatie intre linii de transfer si linii de fabricatie flexibilǎ

Celula de fabricatie flexibilǎ are in componentǎ 1, 2, 3 masini de lucru cu comandǎ numericǎ si sistem propriu automat de manipulare, cu rol de servire al masinilor. In cazul in care sistemul contine numai o masinǎ de lucru, atunci acesta se numeste modul de fabricatie flexibilǎ.

Sistemul de fabricatie flexibilǎ are in componentǎ mai multe celule de fabricatie flexibilǎ legate intre ele prin flux de material. Un sistem de transport (transfer lung) automat are rolul de transport ale obiectelor de lucru de la o celulǎ la alta, in functie de itinerarul tehnologic al tipurilor de piese. SFF are sistem de comandǎ si de conducere automat si reprogramabil.

In tabelul 1.2 sunt prezentate caracteristicile principale ale unui SFF.

Tabelul 1.2. Caracteristicile principale ale unui SFF

1.5. Avantajele si dezavantajele exploatarii SFF

Avantajele exploatarii SFF sunt:

• schimbari rapide, cu cost scazut, a tipului de piesa de fabricat, ceea ce imbunatateste utilizarea capitalului investit in acest sistem
• costuri de fabricatie scazute, prin capacitate de productie crescuta si reducerea manoperei
• inventar curent redus (numar de piese aflate simultan in fabricatie), datorita planificarii tactice a productiei si a ordonantarii precise
• o calitate crescuta a productiei, prin programare si controlul automat/semiautomat al calitatii produselor
• costuri de manopera/unitate de produs finit scazute, datorita productivitatii muncii crescute la acelasi numar de operatori umani
• economii la costuri indirecte din reducerea erorilor, remedierilor, reparatiilor, rebuturilor nerecuperabile.

Dezavantajele exploatarii SFF sunt:

• abilitate limitata de adaptare la schimbarile produsului sau la amestecul de tipuri de piese aflate in fabricatie (masinile unelte au o flexibilitate limitata de a indeplini operatiile tehnologice si capacitate limitata a magaziei de scule)
• activitate laborioasa de pregatire a fabricatiei
• investitie necesara mare si foarte mare
• complexitate ridicata a SFF.

Complexitatea si costul ridicat al SFF este motivul pentru care s-a manifestat reticenta in acceptarea acestora in industrie. In cele mai multe cazuri s-a acceptat implementarea mai intai a unor sisteme sau celule simple, acestea urmand a fi integrate intr-un sistem mai complex, dupa o perioada de exploatare de succes.

1.6. Metasistemul CIM

Dacǎ fluxul informatiilor dintr-o intreprindere este in totalitate sau partial automat si asistat de programe in retele de calculatoare, sistemul de productie este un sistem CIM (Computer Integrated Manufacturing). In metasistemul CIM se realizeaza integrarea cu calculatorul pe platformele functionale a activitatilor departamentelor (serviciilor) de marketing, de conceptie, de planificare a productiei, de fabricatie, de management financiar.

In figura 1.11 sunt prezentate principalele platforme si facilitǎti ale unui sistem CIM, considerat sistem ierarhic superior unui SFF.

Sistemul CIM este structurat ierarhic, este compus din mai multe aplicatii complexe, dedicate, interdependente intre ele. Aplicatiile prelucreaza un numar mare de date si ruleaza pe echipamente de calcul diferite, care necesita interfete specializate, iar procedurile de tratare a erorilor sunt complexe si inconsistente [Curaj].

Platformele CIM de integrare a activitatilor si de transmitere de informatii trebuie sa prezinte urmatoarele caracteristici:

sa permita un acces transparent la resurse

sa fie deschise pentru dezvoltarea produsului de catre terti

sa fie aplicatii distribuite pe mai multe calculatoare

sa fie modularizate si extersibile pentru adaugarea de noi blocuri functionale

sa permita o configurare dinamica a aplicatiei

sa asigure consistenta datelor si siguranta transmisiei

sa asigure refacerea starii sistemului dupa un restart

sa-si optimizeze viteza de rulare a aplicatiilor pentru a deveni compatibile cu cerintele de comanda in timp real

sa prezinte mecanisme de securitate pe diferite niveluri de acces la date.

Figura 1.11. Facilitǎtile sistemului CIM (CAO= Computer Aided Office, CAQ= Computer Aided Quality, CAD= Computer Aided Design, CAPP= Computer Aided Process Planning, CAPS= Computer Aided Programming and Scheduling)

1.7. Sisteme de productie Post CIM

Dupa extensia in intrega lume a Internetului s-au dezvoltat noi conceptii de fabricatie denumite in literatura de specialitate: Next Generation Manufacturing, Advanced Manufacturing System, Intelligent Manufacturing System sau Concurent Enterprise. Toate aceste noi sisteme de fabricatie inca in faza de conceptie si experimentare se bazeaza pe modelele dezvoltate in ultimii ani: holonic, fractal, bionic sau virtual.

Modelul holonic

Denumirea provine de la grecescul holon ce inseamna parte dintr-un intreg. Holon (d.p.d.v. al teoriei sistemului) este ceva simultan si intreg si parte a unui sistem. Holonul este un intreg in sine si parte a unui sistem mai mare. Un holon se poate observa ca o suma de sisteme integrate unul in altul. O ierarhie de holoni formeaza o holarhie. Informatia este integrata bidirectional de la mai mic (holon) la mai mare (holarhie) si invers.

Conceptul de baza al unui sistem holonic (holarhiei) este un sistem format din blocuri autonome si cooperative si a fost promovat de catre Kstler. Principiul sistemelor de fabricatie holonice se bazeaza pe observatie ca un sistem complex este format din subsisteme simple care exista si depind de coorperarea cu sistemele superioare.

Sistemul holonic de fabricatie (figura 1.12) prezinta urmatoarele caracteristici:

stabilitate la perturbatii interne si externe ale sistemului

adaptabilitate rapida la schimbarile pietei

flexibilitate ridicata prin reconfigurare interna a sistemului

eficienta in exploatarea resurselor holonilor.

Holonii sunt unitati autonome de fabricatie care coopereaza intre ei pentru a indeplini sarcinile de fabricatie. In baza autonomiei, ei pot sa realizeze comanda locala a masinilor, optimizarea interna a functionarii componentelor, autoordonantarea fabricatiei, autoconfigurarea si autodiagnoza prin invatare.

Figura 1.12. Structura unui sistem holonic de fabricatie

S-au identificat 3 clase de holoni informationali, ca subsisteme ale holonilor autonomi:

- Holon de resursa care contine informatii cu privire la metode de organizare, exploatare si comanda;

- Holon de produs care contine informatii despre: realizarea pieselor, ciclul de viata al produselor, comenzi de productie, asigurarea calitatii productiei;

- Holon de comanda care contine informatii despre: comanda fabricatiei si logistica.

In figura 1.13 se prezinta schimbul de informatii intre holonii informationali.

Tab 1. 3. Comparatie intre CIM si sistem de fabricatie holonic

Figura 1.13. Schimbul de informatii intre holoni

Modelul fractal

Modelul fabricii, companiei fractale (introdus de H. J. Warnecke) consta in entitati productive cu actiuni independente, care functioneaza pe baza unor obiective si performante precise.

iesiri

intrari

Fractal

Fractalii (figura 1.14) au structuri similare, sunt auto-organizate si -optimizate, au structuri dinamice, orientate pe scop. In tabelul 1.4 se prezinta o comparatie intre un segment de fabricatie si un fractal.

Figura 1.14. Model fractal.

Tabelul 1.4

Modelul bionic (propus de Ueda-Universitatea Kobe, Okino-Universitatea Kyoto) s-a inspirat din organizarea organismelor vii si a propus o structura similara pentru sistemele de fabricatie. Fiecare parte a sistemului de productie este comparat/transformat/asimilat cu entitati din lumea biologica. In tabelul 1.5 este prezentata aceasta structura in paralel cu structura unui organism viu.

Tabelul 1.5

Sistemele de fabricatie bionice contin masini unelte, scule, mijloace de masurare si control, echipamente de transfer lung, operatori umani care coopereaza pe baza unor informatii (asimilate cu informatia ADN, continuta in piesa) ce determina comanda productiei si autoreproducerea fabricatiei. Un aspect important al programelor de comanda si conducere este al sistemelor bionice este inteligenta in luarea deciziilor.

Modelul fabricii virtuale

Se bazeaza pe implementarea controlului adaptiv, prin care se urmareste rezolvarea unor probleme ale fabricatiei, de exemplu incertitudini ale mediului, uzuri ale componentelor, defectiuni ale echipamentelor sau erori umane. O alta directie de dezvoltare este comanda inteligenta a sistemului de fabricatie prin tehnici ale inteligentei artificiale (neuro-fuzzy, algoritmi genetici). Fabrica virtuala are o structura bazata pe agenti autonomi, pe care ii coordoneaza.

Tehnicile utilizate sunt programarea orientata pe obiecte si modelarea solidelor, pentru care sunt utilizate aplicatiile soft si echipamentele specifice Virtual Reality.

Conceptia unei noi fabrici, implementarea unei linii de fabricatie, exploatarea unui nou echipament, realizarea unui nou produs, implementarea unei noi stategii de comanda pentru un sistem de fabricatie sunt asistate in procesul de modelare-simulare-validare de tehnici de realitate virtuala.

Modelele si aplicatiile soft ale realitatii virtuale descriu evolutia dinamica a unui sistem de fabricatie, sunt utilizate in decizii strategice in procesul de dezvoltare, de alocare a resurselor si in managementul de procese tehnologice.

In mediul industrial, pe baza dezvoltarii actuale a tehnicii (mai ales informatice), se concretizeaza urmatoarele directii principale de dezvoltare in viitorul apropiat a SFF:

imbunatatirea raspunsului la comenzile personalizate ale clientilor: exactitate, rapiditate si pret scazut;  

- activitatea de marketing se va reduce prin satisfacerea directa a cerintelor clientilor, nemaifiind     nevoie de anticiparea prin cercetare a tendintelor pietei; 

inventarul de piese finite ale unei companii se va reduce, de vreme ce necesarul individual al consumatorului se va satisface direct ; 

- coordonarea si controlul international al productiei. Retelele de comunicare globalizeaza productia in companiile multinationale ;

 - internationalizarea si facilizarea prin retele a aprovizionarilor minimizeaza inventarul de piese curente ;

dezvoltarea unor standarde care faciliteaza integrarea informationala a tuturor echipamentelor ;

- SFF vor fi integrate in fabrici automate care livreaza produsul finit direct in depozite, cu integrarea unui numar minimal de statii de lucru cu servire manuala ;

- tehnologia de fabricatie se va putea rapid adapta cerintelor pietei ;

- va creste gradul de automatizare al planificarii proceselor, ca urmare se va economisi timpul pierdut cu proiectari repetitive si erori ;

- imbunatatirea echipamentelor si a programelor de comanda a SFF, tehnicile mai bune de instalare a pieselor pe palete vor creste coeficientul de utilizare al masinilor spre 100% ;

- utilizarea in aplicatii industriale a unor roboti cu inteligenta artificiala, capabili sa ia decizii ;

- diagnoza automata va imbunatati disponibilitatea masinilor si va facilita mentenanta SFF.