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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
DISSERTAÇÃO apresentada ao CEFET-PR para obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIAS
por
LUIS FELIPE FERREIRA ROSINHA
PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS FLEXÍVEIS DE MANUFATURA E
DE MODELAGEM DE EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS
Banca Examinadora:
Presidente e Orientador: Prof. Dr. Luis Allan Künzle CEFET-PR
Examinadores
Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi USP-SP
Prof. Dr. Paulo Cézar Stadzisz CEFET-PR
Prof. Dr. Flávio Neves Júnior CEFET-PR
Curitiba, 28 de março de 2000
originais fornecidos pelo autor
PALAVRAS-CHAVE
Sistemas Flexíveis de Manufatura, Simulação, Modelagem de Equipamentos Industriais
ÁREA/SUB-ÁREA DE CONHECIMENTO
Ciência da Computação / Sistemas de Computação
RESUMO:
Este trabalho descreve o projeto de uma arquitetura de simulação para
sistemas flexíveis de manufatura (FMS) e propõe um modelo para os equipamentos
industriais que constituirão suas primitivas de modelagem. A arquitetura de
simulação é um dos componentes do ambiente computacional para auxílio do projeto
e análise de FMS em desenvolvimento no LSIP/CPGEI.
Descreve-se as principais características da arquitetura e o funcionamento da
simulação, além dos elementos que compõem a interface entre o controle de FMS e
o ambiente de manufatura simulado. Apresenta-se as estruturas de dados, modelo
comportamental e interpretador de comandos que constituem a base do modelo de
equipamento. Por fim, mostra-se o resultado da implementação do software editor,
para definição do modelo comportamental dos equipamentos, e a operação do
software simulador.
2000
No:
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
DISSERTAÇÃO
apresentada ao CEFET-PR para obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIAS
por
LUIS FELIPE FERREIRA ROSINHA
PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS FLEXÍVEIS DE MANUFATURA E
DE MODELAGEM DE EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS
Banca Examinadora : Presidente e Orientador :
Prof. Dr. Luis Allan Künzle CEFET-PR
Examinadores :
Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi USP-SP
Prof. Dr. Paulo Cézar Stadzisz CEFET-PR
Prof. Dr. Flávio Neves Júnior CEFET-PR
Curitiba, 28 de março de 2000.
LUIS FELIPE FERREIRA ROSINHA
PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS FLEXÍVEIS DE MANUFATURA E
DE MODELAGEM DE EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de "Mestre em Ciências" - Área de Concentração : Informática Industrial.
Orientador : Prof. Dr. Luis Allan Künzle
Curitiba 2000
AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pela graça concedida.
Ao orientador deste trabalho Prof. Dr. Luis Allan Künzle pela atenção, pelas críticas e pelo
esforço dedicados durante a realização deste trabalho.
Ao colega André Koscianski pelo auxílio, companheirismo e críticas durante o decorrer
deste trabalho.
Aos colegas de laboratório Antônio da Fonseca Lira, Alexandre Manoel dos Santos, Paulo
Roberto e Jean Marcelo Simão que tornaram as horas de trabalho mais descontraídas.
Ao pessoal do Helllabs pela capacidade de extrapolação do raciocínio lógico. We know who
you are!
A todos os demais colegas e aos meus familiares.
Ao Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná (CEFET - PR) pela acolhida
oferecida durante este curso de mestrado.
Aos funcionários do CPGEI, pelos serviços prestados durante este curso.
À CAPES pelo apoio financeiro através da concessão de uma bolsa de estudos.
3DStudio é marca registrada da Autodesk, Inc. 3D Studio Max é marca registrada da Autodesk, Inc. Arena é marca registrada da Systems Modeling Corporation KUKA é marca registrada da KUKA Schweissanlagen + Roboter GmbH Microsoft é marca registrada da Microsoft Corporation MODSIM e MODSIM III são marcas registradas da CACI Products Company OpenGL é marca registrada da Silicon Graphics, Inc. ProModel é marca registrada da Production Modeling Corporation SIMAN é marca registrada da Systems Modeling Corp. Simul8 é marca comercial da Visual Thinking International Inc Slam System e Slam II são marcas registradas da Pritsker Corporation Taylor II é marca comercial da F&H Simulations Inc. UNIX é marca registrada da UNIX System Laboratories, Inc. Windows é marca registrada da Microsoft Corporation Witness é marca registrada da AT&T Istel Limited
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................... ................................................... ix
LISTA DE TABELAS................................... ................................................... xi
LISTA DE SIGLAS.................................... ..................................................... xii
RESUMO ....................................................................................................... xiii
ABSTRACT........................................... ......................................................... xiv
Capítulo 1 – Introdução............................ ......................................................................... 1
Capítulo 2 – Sistemas Flexíveis de Manufatura...... ......................................................... 5
2.1. Introdução ............................................................................................ 5
2.2. Manufatura........................................................................................... 5
2.3. Automação........................................................................................... 6
2.4. Classificação dos sistemas de manufatura .......................................... 6
2.5. Sistemas flexíveis de manufatura ........................................................ 9
2.5.1. Definição........................................................................................ 9
2.5.2. Decomposição funcional................................................................ 11
2.5.2.1. Subsistema de manufatura ......................................................................... 11
2.5.2.2. Subsistema de manuseio de materiais.................................... 12
2.5.2.3. Subsistema de controle ........................................................... 14
2.5.3. Ciclo de vida...................................................................................................... 16
2.5.3.1. Visão geral do ciclo de vida para um FMS .................................................. 16
2.5.3.2. Projeto de FMS........................................................................................... 17
2.5.3.3. Desenvolvimento das soluções................................................................... 18
2.5.3.4. Projeto das estações de trabalho, células de manufatura e planta .................. 20
2.5.4. Análise........................................................................................... 21
2.6. Conclusão ............................................................................................ 23
Capítulo 3 – Simulação ............................. ........................................................................ 25
3.1. Introdução ............................................................................................ 25
3.2. Simulação por computador..................... .......................................... 25
3.2.1 Classificação da simulação ................. ........................................ 27
3.2.1.1 Simulação Monte Carlo................................................................................ 27
3.2.1.2 Simulação contínua.................................................................. 28
3.2.1.3 Simulação a eventos discretos .................................................................... 28
3.3. Componentes de um simulador a eventos discretos............................ 31
3.4. Simulação aplicada a sistemas de manufatura .................................... 32
3.4.1. Objetivos ........................................................................................................... 32
3.4.2. Características desejáveis para um simulador de sistemas de manufatura ........ 32
3.4.3. Análise de ferramentas para simulação de sistemas de manufatura 34
3.4.3.1. Arena....................................................................................... 34
3.4.3.2 Simul8 ...................................................................................... 36
3.4.3.3. Taylor II ................................................................................... 38
3.4.3.4. ANALYTICE ............................................................................ 40 3.5. Conclusão ............................................................................................................................................................43
Capítulo 4 – Projeto do Simulador.................. .............................................................................................................45
4.1. Introdução................................................................................................................ 45
4.2. Características de FMS e suas implicações no projeto do simulador .. 45 4.3. Características do simulador...............................................................................................................................47
4.4. Arquitetura de simulação ..................................................................... 50
4.4.1. Primitivas de modelagem................................................................................... 51
4.4.2. Controle do FMS..........................................................................................................................................53
4.4.3. Monitoração ................................................................................... 54
4.4.4. Ambiente físico e animador gráfico................................................ 55 4.4.5. Simulação do FMS ......................................................................................................................................57
4.4.6. Avanço do tempo simulado e animação gráfica ................................................. 57
4.4.7. Comunicação assíncrona com o kernel de simulação ........................................ 59
4.4.8. Funcionamento.................................................................................................. 60
4.5. Conclusão ............................................................................................................................................................61
Capítulo 5 – Modelagem de Equipamentos de Manufatur a .....................................................................................63
5.1. Introdução................................................................................................................ 63
5.2. Definição de modelos para os equipamentos de manufatura............... 63
5.3. Modelo de equipamento....................................................................... 64
5.3.1. Interface de acesso........................................................................ 65
5.3.1.1. Sinais de comando.................................................................. 66
5.3.1.2. Sinais de resposta................................................................... 66
5.3.1.3. Sinais de interação física......................................................... 67
5.3.1.4. Pontos de interação física ....................................................... 68
5.3.2. Interface de simulação................................................................... 68
5.3.3. Procedimentos de simulação......................................................... 68
5.3.3.1. Variáveis de estado e geométricas e parâmetros operacionais 69
5.3.3.2. Processos................................................................................ 70
5.3.4. Interpretador .................................................................................. 70
5.3.5. Modelo geométrico e cinemático ................................................... 71
5.3.5.1. Geometria................................................................................ 71
5.3.5.2. Árvore cinemática.................................................................... 72
5.4. Projeto do interpretador de comandos ................................................. 74
5.4.1. Definição informal da linguagem.................................................... 74
5.4.2. Especificação sintática .................................................................. 75
5.4.2.1. Palavras reservadas................................................................ 75
5.4.2.2. Regras de produção ................................................................ 75
5.4.2.3. Programa de exemplo ............................................................. 77
5.4.3. Seqüência e paralelismo................................................................ 78
5.4.4. Características da máquina virtual do interpretador....................... 78
5.4.4.1. Avaliação de expressões......................................................... 79
5.4.4.2. Processo de tradução e carga dos programas ........................ 80
5.4.4.3. Funcionamento da máquina virtual.......................................... 82
5.4.5. Resultados..................................................................................... 83
5.5. Modelo comportamental....................................................................... 83
5.5.1. Atualização geométrica.................................................................. 85
5.5.2. Interação física de troca de materiais ............................................ 85
5.5.3. Interface de apresentação do modelo comportamental ................. 87
5.6. Equipamentos de manuseio de materiais ............................................ 87
5.6.1. Malha de transporte ....................................................................... 87
5.6.2. Esteiras............................................................................................................. 89
5.7. Conclusão................................................................................................................ 89
Capítulo 6 – Editor do Modelo Comportamental e Simu lador......................................... 91
6.1. Introdução ............................................................................................ 91
6.2. Editor do modelo comportamental ....................................................... 91
6.2.1. Assistente de definição do modelo comportamental...................... 92
6.2.2.1. Identificação do equipamento.................................................. 92
6.2.2.2. Definição dos sinais de comando............................................ 93
6.2.2.3. Definição dos sinais de resposta............................................. 94
6.2.2.4. Definição dos processos ......................................................... 94
6.2.2.5. Definição dos pontos de interação física ................................. 95
6.2.2.6. Definição dos parâmetros operacionais, variáveis geométricas e de
estado 95
6.3. Edição do modelo comportamental........................................................................... 96
6.4. Simulador............................................................................................. 97
6.4.1. Diálogo de leitura dos equipamentos............................................. 98
6.4.2. Janela de animação....................................................................... 98
6.4.3. Monitoração do modelo comportamental ........................................................... 100
6.4.4. Apresentação do funcionamento do interpretador ......................... 102
6.5. Conclusão................................................................................................................ 102
Capítulo 7 – Conclusão Geral....................... .................................................................... 105
Anexo A : Malha de Transporte ...................... .................................................................. 109
Anexo B : Exemplo de Modelagem..................... .............................................................. 117
Referências Bibliográficas ......................... ...................................................................... 135
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 – CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE PRODUÇÃO DE ACORDO COM O
VOLUME DE PRODUÇÃO E A VARIEDADE DE PEÇAS ............................. 7
FIGURA 2.2 – SISTEMA FLEXÍVEL DE MANUFATURA............................................... 10
FIGURA 2.3 – DECOMPOSIÇÃO FUNCIONAL DE UM FMS ....................................... 11
FIGURA 2.4 – MODELO DE ATIVIDADE ................................................................. 16
FIGURA 2.5 – CICLO DE VIDA DE UM FMS........................................................... 17
FIGURA 2.6 – PROJETO DE FMS ....................................................................... 17
FIGURA 2.7 – DECOMPOSIÇÃO HIERÁRQUICA DO CONTROLE DE UM FMS .............. 19
FIGURA 2.8 – DESENVOLVIMENTO DE SOLUÇÕES ................................................ 20
FIGURA 2.9 – PROJETO DE ESTAÇÕES DE TRABALHO, CÉLULAS DE MANUFATURA
E PLANTA....................................................................................... 21
FIGURA 3.1 – EVOLUÇÃO CONTÍNUA DO ESTADO DO SISTEMA ............................... 28
FIGURA 3.2 – EVOLUÇÃO DISCRETA DO ESTADO DE UM SISTEMA........................... 29
FIGURA 3.3 – MECANISMO DE AVANÇO DE TEMPO ATRAVÉS DE TIME-SLICING ......... 29
FIGURA 3.4 – MECANISMO DE AVANÇO AO TEMPO DO PRÓXIMO EVENTO................ 29
FIGURA 3.5 – DIFERENTES FORMAS PARA DESCREVER A LÓGICA DE UM MODELO ... 30
FIGURA 3.6 – ESTRUTURA DE UM SISTEMA DE SIMULAÇÃO ................................... 31
FIGURA 3.7 – A NÁLISE DO TEMPO MÉDIO DE UMA PEÇA MOVENDO ATRAVÉS DE
UM SISTEMA DE MANUFATURA.......................................................... 34
FIGURA 3.8 – MODELO DE UM SISTEMA DE MANUFATURA EM SIMUL8..................... 37
FIGURA 3.9 – SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE MANUFATURA EM TAYLOR II ................ 39
FIGURA 4.1 – IMPLEMENTAÇÃO DA SEQÜÊNCIA DE PROJETO................................. 46
FIGURA 4.2 – DIAGRAMA DE CLASSES DA ARQUITETURA DE SIMULAÇÃO ................ 50
FIGURA 4.3 – MODELO GEOMÉTRICO DE EQUIPAMENTO DE MANUFATURA .............. 53
FIGURA 4.4 – DIAGRAMA DE CLASSES DO MÓDULO DE AMBIENTE FÍSICO E
ANIMADOR GRÁFICO ....................................................................... 55
FIGURA 4.5 – IMPLEMENTAÇÃO DE DIFERENTES NÍVEIS HIERÁRQUICOS DE UM
FMS NO SIMULADOR...................................................................... 57
FIGURA 4.6 – ANIMAÇÃO DO MOVIMENTO DE UM PÊNDULO COM E SEM O USO DE EVENTOS TIME-SLICE ...................................................................... 58
FIGURA 4.7 – (A) SIMULAÇÃO EM MODO ACELERADO; (B) SIMULAÇÃO EM MODO
DE CÂMERA LENTA E (C) SIMULAÇÃO EM MODO DE TEMPO REAL .......... 59
FIGURA 4.8 – MODELO EM RDP PREDICADO/TRANSIÇÃO DA ARQUITETURA DO
SIMULADOR ................................................................................... 60
FIGURA 5.1 – HIERARQUIA DE COMPOSIÇÃO DE EQUIPAMENTOS ........................... 64
FIGURA 5.2 – MODELO DOS EQUIPAMENTOS DE MANUFATURA .............................. 63
FIGURA 5.3 – ESTRUTURA DA INTERFACE DE ACESSO .......................................... 65
FIGURA 5.4 – ESTRUTURA DOS SINAIS DE COMANDO DO EQUIPAMENTO................. 66
FIGURA 5.5 – ESTRUTURA DOS SINAIS DE RESPOSTA........................................... 66
FIGURA 5.6 – ESTRUTURA DE UM SINAL DE INTERAÇÃO FÍSICA.............................. 67
FIGURA 5.7 – ESTRUTURA DOS PONTOS DE INTERAÇÃO FÍSICA ............................. 68
FIGURA 5.8 – ESTRUTURA DOS PROCEDIMENTOS DE SIMULAÇÃO.......................... 69
FIGURA 5.9 – ESTRUTURA DOS PARÂMETROS OPERACIONAIS, VARIÁVEIS DE
ESTADO E VARIÁVEIS GEOMÉTRICAS................................................. 69
FIGURA 5.10 – ESTRUTURA DOS PROCESSOS ..................................................... 70
FIGURA 5.11 – ESTRUTURA DO MODELO GEOMÉTRICO ........................................ 71
FIGURA 5.12 – ESTRUTURA DA ÁRVORE CINEMÁTICA ........................................... 73
FIGURA 5.13 – (A) MODELO GEOMÉTRICO E (B) MODELO CINEMÁTICO DE UM
ROBÔ KUKA KR 6/2. .................................................................... 73
FIGURA 5.14 – EXEMPLO DE PROGRAMA DE EQUIPAMENTO .................................. 77
FIGURA 5.15 – EXEMPLO DE PARALELISMO POSSÍVEL DE SER REPRESENTADO ....... 78
FIGURA 5.16 – EXEMPLO DE PARALELISMO IMPOSSÍVEL DE SER REPRESENTADOQ.. 78
FIGURA 5.17 – CONFIGURAÇÃO DA PILHA DE DADOS DURANTE A EXECUÇÃO DE
UMA ADIÇÃO .................................................................................. 79
FIGURA 5.18 – PROCESSO DE TRADUÇÃO E CARGA DOS PROGRAMAS NA
MEMÓRIA DA MÁQUINA VIRTUAL ....................................................... 81
FIGURA 5.19 – DIAGRAMA DE EXECUÇÃO DA MÁQUINA VIRTUAL ............................ 82
FIGURA 5.20 – SEQÜÊNCIA DE ATIVIDADES DE UMA INTERAÇÃO FÍSICA .................. 86
FIGURA 5.21 – INTERFACE DE COMUNICAÇÃO ..................................................... 87
FIGURA 6.1 – ETAPAS DA MODELAGEM DE UM EQUIPAMENTO................................ 91
FIGURA 6.2. – TELA DE IDENTIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO .................................... 93
FIGURA 6.3 – TELA DE IDENTIFICAÇÃO DOS SINAIS DE COMANDO .......................... 93
FIGURA 6.4 – DIÁLOGOS DE DEFINIÇÃO DOS SINAIS DE COMANDO E DOS
PARÂMETROS................................................................................. 94
FIGURA 6.5 – DIÁLOGO DE DEFINIÇÃO DOS PROCESSOS ...................................... 94
FIGURA 6.6 – DIÁLOGO DE DEFINIÇÃO DOS PONTOS DE INTERAÇÃO FÍSICA ............ 95
FIGURA 6.7 – TELA DE DEFINIÇÃO DAS VARIÁVEIS................................................ 95
FIGURA 6.8. – TELA DE EDIÇÃO DE MODELO COMPORTAMENTAL ........................... 96
FIGURA 6.9 – BARRA DE FERRAMENTAS DO EDITOR............................................. 97
FIGURA 6.10 – TELA INICIAL DO SIMULADOR........................................................ 98
FIGURA 6.11 – DIÁLOGOS DE DEFINIÇÃO DA POSIÇÃO INICIAL DOS EQUIPAMENTOS
DE MANUFATURA ............................................................................ 99
FIGURA 6.12 – TELA DA JANELA DE ANIMAÇÃO .................................................... 100
FIGURA 6.13 – JANELA DE CONFIGURAÇÃO DA MONITORAÇÃO.............................. 101
FIGURA 6.14 – GRÁFICOS DE MONITORAÇÃO ...................................................... 101
FIGURA 6.15 – DEPURAÇÃO DE UM PROGRAMA DO INTERPRETADOR..................... 102
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 – ATIVIDADES DIRETAS E INDIRETAS DE MANUFATURA......................... 5
TABELA 2.2 – BENEFÍCIOS DE DESEMPENHO APÓS A IMPLANTAÇÃO DE UM FMS EM UMA INSTALAÇÃO QUE USAVA UM SISTEMA DE MANUFATURA
TRADICIONAL ................................................................................. 10
LISTA DE SIGLAS
AGV Auto-Guided Vehicle (Veículo auto-guiado)
API Application Programmer Interface (Interface para o programador de aplicações)
AS/RS Automated Storage / Retrieval System (Sistema Automático de Armazenamento / Recuperação)
CAD Computer Aided Design (Projeto Auxiliado por Computador)
CAM Computer Aided Manufacturing (Manufatura Auxiliada por Computador)
CAPP Computer Aided Process Planing (Plano de Processos Auxiliado por Computador)
CIM Computer Integrated Manufacturing (Manufatura Integrada por computador)
CLP Controlador Lógico Programável
CMM Coordinate Measuring Machines (Máquinas de Medição de Coordenadas)
CNC Computadorized Numeric Control (Controle Numérico Computadorizado)
DNC Direct Numeric Control (Controle Numérico Direto)
FIFO First In / First Out (Primeiro a Entrar / Primeiro a Sair)
FMS Flexible Manufacturing System (Sistema Flexível de Manufatura)
I/O Input / Output (Entrada / Saída)
LIFO Last In / First Out (Último a Entrar / Primeiro a Sair)
MCU Machine Control Unit (Unidade de Controle da Máquina)
MTBF Mean Time Between Failures (Tempo Médio Entre Falhas)
MTTR Mean Time To Recovery (Tempo Médio de Reparo)
NC Numeric Control (Controle Numérico)
PIP Physical Interaction Point (Ponto de Interação Física)
RdP Rede de Petri
TLI Taylor Language Interface (Linguagem de Programação Taylor)
RESUMO
Este trabalho descreve o projeto de uma arquitetura de simulação para
sistemas flexíveis de manufatura (FMS) e propõe um modelo para os
equipamentos industriais que constituirão suas primitivas de modelagem. A
arquitetura de simulação é um dos componentes do ambiente computacional para
auxílio do projeto e análise de FMS em desenvolvimento no LSIP/CPGEI.
Descreve-se as principais características da arquitetura e o funcionamento
da simulação, além dos elementos que compõem a interface entre o controle de
FMS e o ambiente de manufatura simulado. Apresenta-se as estruturas de dados,
modelo comportamental e interpretador de comandos que constituem a base do
modelo de equipamento. Por fim, mostra-se o resultado da implementação do
software editor, para definição do modelo comportamental dos equipamentos, e a
operação do software simulador.
ABSTRACT
This work describes the project of a simulation architecture for flexible
manufacturing systems (FMS) and introduces a model for industrial equipment that
will constitute its modeling primitives. The simulation architecture is one of the
components of a FMS analysis and design tool in development at LSIP/CPGEI.
The main features of this architecture and its operation are described,
together with the elements that compose the interface between FMS control and
the simulated manufacturing environment. The data structures, behavioral model
and command interpreter that constitutes the basis of the equipament model are
also presented. Concluding this work are presented the editor software, used for
definition of the behavioral model of an industrial equipment, and the operation of
the simulator software.
Capítulo 1 – Introdução
A indústria de manufatura se encontra atualmente diante de um grande
desafio. Ela deve responder a exigências cada vez mais restritivas dos mercados
consumidores, oferecendo diversas variantes do mesmo produto e, até mesmo,
produtos personalizados. Do ponto de vista do processo industrial, o problema se
traduz na necessidade de aumentar a capacidade de lidar com produtos
diferenciados e com menor ciclo de vida. Além destas exigências, o aumento da
concorrência impõe produzir melhor, em menos tempo e com menor custo.
A automação, por sua vez, habilita o trabalho autônomo dos equipamentos
no chão-de-fábrica, implicando também em redução de custos, melhor
aproveitamento de matéria-prima, redução do tempo de manufatura e aumento de
precisão nas operações realizadas. Estes benefícios condizem com aqueles
procurados pela indústria de manufatura. A automação, entretanto, só produzirá
os resultados desejados se corretamente aplicada.
Os sistemas flexíveis de manufatura surgiram visando atender esse novo
contexto de produção e para isso empregam a tecnologia de automação,
juntamente com sistemas computadorizados, para executar e controlar a
transformação de matéria prima em produtos acabados. Sistemas flexíveis de
manufatura devem, portanto, apresentar os requisitos de qualidade, flexibilidade e
produtividade que são necessários para ser competitivo no panorama atual da
indústria de manufatura.
A complexidade inerente a um sistema flexível de manufatura, aliada aos
altos custos de sua implementação, tornam necessário o desenvolvimento de
metodologias que garantam que o sistema irá operar de acordo com sua
especificação. Para tanto devem ser empregadas técnicas de análise que
permitam determinar a viabilidade da implantação e os parâmetros de
desempenho de um determinado projeto.
Entre os métodos que podem ser aplicados à análise do projeto de
sistemas flexíveis de manufatura certamente o de maior destaque é a simulação
por computador. A simulação é considerada, por muitos, como a arte e ciência de
experimentar com modelos. Um estudo por simulação utiliza um modelo que
representa o sistema de manufatura e determina o seu comportamento através de
experimentos controlados.
Um estudo por simulação pode ser utilizado para verificar e otimizar um
projeto antes da sua implantação, ajudando a eliminar erros que porventura
existam. A simulação pode também ser utilizada para avaliação de desempenho,
treinamento de operários, apoio à tomada de decisões, etc.
O grupo de pesquisa em sistemas flexíveis de manufatura do Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI) do CEFET-PR desenvolveu um ambiente
computacional para o auxílio ao projeto e análise destes sistemas: ANALYTICE. Este projeto
permitiu verificar a viabilidade do desenvolvimento de uma ferramenta de análise baseada na
simulação computacional. Para sua implementação foram usadas como plataforma estações HP
com o sistema operacional UNIX.
A obsolescência da plataforma na qual ANALYTICE estava baseada torna necessário
“migrar” o sistema para outras plataformas, com por exemplo, microcomputadores PC. Além deste,
outros problemas relacionados com o projeto e a implementação de ANALYTICE foram
detectados:
• a flexibilidade do modelo comportamental levava a situações em que todo o sistema de
manufatura podia ser representado na forma de um único
equipamento;
• a desestruturação do software, aliada a inobservância das técnicas de engenharia de
software, resultou em uma implementação integrada somente até o projeto e
simulação do nível equipamento;
• diversos módulos foram desenvolvidos (ex.: controle de qualidade [37] e ambiente de
definição de arranjo físico [39]) mas não foram integrados ao ambiente principal do
simulador, devido em parte aos motivos descritos no item anterior.
Em função dos problemas descritos acima, e apoiado na experiência obtida em
ANALYTICE, foi iniciado o desenvolvimento de uma nova ferramenta para análise de sistemas de
manufatura no Laboratório de Sistemas Inteligentes do Produção do CPGEI. Esta ferramenta tem
como base a simulação a eventos discretos, usada para a obtenção de parâmetros que permitam
avaliar o comportamento do sistema de manufatura, tais como: taxas de produção por tipo de
peça, taxa de utilização das estações de trabalho e dos meios de transporte e armazenamento,
número médio de paletes em armazéns, entre outros.
Dentro deste contexto, os objetivos deste trabalho são:
• Especificar a arquitetura de simulação sobre a qual será construído o
simulador de sistemas de manufatura;
• Desenvolver um modelo para a descrição do comportamento e para a
simulação de equipamentos de manufatura, que se constituirão em
primitivas para a composição de estações de trabalho, células de
manufatura e planta do sistema;
• Implementar um ambiente computacional para a modelagem de
equipamentos de manufatura, de acordo com o modelo desenvolvido;
• Implementar um ambiente computacional para simulação de sistemas
flexíveis de manufatura, que permitira a depuração dos modelos
desenvolvidos.
Estrutura da dissertação
Esta dissertação é composta de cinco capítulos, além desta introdução e da
conclusão, e de dois anexos. No capítulo 2 são apresentadas as tecnologias que
possibilitaram o surgimento de sistemas flexíveis de manufatura. Além disto é
apresentada uma visão geral desses sistemas, sua decomposição funcional e o
seu ciclo de vida.
No capítulo 3 são discutidas as características da simulação por
computador. São expostas as variantes da simulação com relação a
representação do tempo, os componentes de um simulador e sua forma de
aplicação em sistemas de manufatura. Ao final deste capítulo são analisadas
ferramentas comerciais e acadêmicas usadas para a simulação de sistemas
flexíveis de manufatura.
No capítulo 4 são detalhadas as características gerais do simulador. É
descrita a arquitetura de simulação proposta, os componentes do kernel e seu
funcionamento. Neste capítulo também são apresentadas as primitivas de
modelagem adotadas.
O capítulo 5 descreve o modelo proposto para equipamentos de manufatura
e apresenta as estruturas de dados que definem suas características estáticas e o
modelo comportamental que implementa suas características dinâmicas. Ao final
do capítulo são discutidos tópicos referentes a simulação de equipamentos de
manuseio de materiais.
O capítulo 6 apresenta os ambientes computacionais implementados,
usando como exemplo um robô industrial KUKA KR 6/2.
Capítulo 2 – Sistemas Flexíveis de Manufatura
2.1. Introdução
A demanda dos consumidores por produtos personalizados fabricados de acordo com suas
necessidades e o aumento da competitividade, resultante da globalização da economia, requerem
da indústria de manufatura flexibilidade, para que possam se adaptar a mudanças inesperadas do
mercado, e também elevados níveis de produtividade e qualidade para aumentar sua capacidade
competitiva.
Para se adaptar a estes requisitos a indústria de manufatura necessita
conciliar as vantagens das linhas de produção automatizadas com a flexibilidade
existente nos job shops. Neste contexto surgem os sistemas flexíveis de
manufatura, que constituem uma solução desenvolvida para automação da
manufatura com o compromisso de conciliar flexibilidade e produtividade. Entre
benefícios diretos da utilização de sistemas flexíveis de manufatura estão o
aumento na qualidade dos produtos e a redução de custos.
Este capítulo visa identificar os conceitos e tecnologias relacionados a sistemas flexíveis de manufatura. Uma
atenção especial será dada ao ciclo de vida destes sistemas uma vez que a simulação computacional será apresentada
neste contexto.
2.2. Manufatura
Manufatura pode ser definida como uma série de atividades e operações
inter-relacionadas que têm como objetivo a produção de bens de consumo
discretos. As atividades do processo de manufatura variam conforme sua natureza
e envolvem seleção de materiais, operações de transformação da matéria-prima
em produtos acabados, planejamento e gerência da produção e também a venda
dos bens de consumo produzidos.
De acordo com [23] as atividades do processo de manufatura podem ser classificadas em atividades diretas de
produção, cuja execução implica na adição de valor ao bem fabricado, e em atividades indiretas, que têm como meta
suportar as atividades diretas de produção. A tabela 2.1 apresenta exemplos de atividades diretas e indiretas de produção.
Para a correta execução de suas funções cada atividade necessita receber como dados de entrada informações
provenientes de outras atividades, implicando que a eficiência do sistema de manufatura é dependente da integração que
existe entre as unidades responsáveis pela execução de cada atividade.
Tabela 2.1 – Atividades diretas e indiretas de manufatura
Atividades diretas Atividades indiretas
Fresamento Planejamento
Torneamento Projeto
Furação Controle de produção
Pintura Controle de qualidade
Vendas
2.3. Automação
O termo automação surgiu na indústria automobilística para descrever o uso de equipamentos e controles
automáticos nas suas linhas de produção [48]. Nos seus primórdios este termo era aplicado a técnicas e métodos capazes
de tornar um processo ou sistema automático.
Uma definição para o termo automação corresponde “ao conjunto de soluções tecnológicas relacionada à
aplicação de sistemas mecânicos, eletrônicos e computadorizados para operar e controlar o processo de manufatura” [11].
Esta tecnologia inclui o uso de máquinas-ferramentas com comando numérico, robôs industriais, sistemas integrados para
transporte e manuseio de materiais, sistemas para inspeção e controle de qualidade, entre outros.
A automação da manufatura pode ser classificada como rígida ou flexível. A automação rígida compreende o uso
de equipamentos especializados capazes de realizar uma única operação com grande desempenho, enquanto que a
automação flexível compreende o uso de equipamentos programáveis e elementos de software aplicados para executar
uma variedade de operações distintas. A automação flexível possui um desempenho inferior quando comparada a
automação rígida.
Alguns dos benefícios que tornam a automação uma alternativa atraente com relação aos métodos manuais de
manufatura são [11]: aumento de produtividade, aumento de qualidade, redução no tempo de manufatura, redução de
custos com a mão-de-obra e com o estoque de peças em processo, aumento na rapidez de soluções e aumento da
qualidade. Entretanto a automação também apresenta desvantagens como [48]: alto investimento inicial, rápida
obsolescência tecnológica, deslocamento da mão-de-obra e nível de manutenção mais elevado.
A tecnologia de automação também pode ser utilizada com o propósito de aumentar a flexibilidade do sistema de
manufatura. A flexibilidade pode ser definida como “adaptabilidade do sistema para uma grande gama de ambientes que
possam vir a ser encontrados” [29] e se traduz na possibilidade de alterar o sistema de manufatura em resposta a
modificações que possam surgir no seu ambiente.
É possível enumerar os tipos de flexibilidade que podem ser alcançados
pelo uso de automação como [3, 29]: flexibilidade de máquina, de manuseio de
materiais, de operação, de processos, de produtos, de roteamento, de volume, de
expansão, de produção e de mercado.
2.4. Classificação dos sistemas de manufatura
Uma classificação possível para sistemas de produção e amplamente utilizada na bibliografia especializada
classifica estes sistemas de acordo com seu volume de produção e a variedade de peças produzidas [10, 11] conforme
apresentado na figura 2.1. De acordo com esta classificação existe um compromisso entre a flexibilidade do sistema de
manufatura e sua produtividade. Segundo R. F. Masip [21], o aumento da flexibilidade em um sistema implica a perda de
produtividade e o aumento do custo unitário dos produtos. A seguir é realizada uma descrição de cada um destes sistemas
de produção.
Figura 2.1 – Classificação de sistemas de produção de acordo com o volume de produção e a variedade de peças
Linhas de transferência são indicadas quando for necessário obter um alto
volume de produção para um único tipo de peça. Para obter estas elevadas taxas
de produção, estes sistemas são compostos por máquinas especializadas
dispostas no chão-de-fábrica em um arranjo físico orientado aos produtos. Neste
arranjo físico as máquinas são distribuídas seqüencialmente de acordo com a
ordem das operações que realizam sobre as peças, resultando em sistemas de
produção dedicados [31].
Linhas de transferência ainda apresentam como características [1, 11, 17]:
• inexistência ou estoque pequeno de peças em processo;
• longos períodos de produção para um único tipo de peça;
• baixa especialização da mão-de-obra empregada, uma vez que esta
especialização foi transferida do operário para as máquinas;
• o tempo de setup para as linhas de transferência normalmente é grande,
porém como ocorre com pouca freqüência os custos associados são
amortizados sobre o volume de peças produzido;
Linhas de
transferênciaLinhas
Sistemas flexíveis
de manufatura Células
Máquinas isoladas (Job Shops)
Volume
Variedade de peças
Flexibilidade Produtividade
Sistemas
• sistema simplificado para transporte e manuseio de materiais, já que as
peças normalmente são deslocadas entre equipamentos contíguos;
• sistemas de controle e escalonamento de pouca complexidade, devido a
seqüencialização existente.
Máquinas isoladas (também denominadas job-shops, devido a seu arranjo
físico) são indicadas para a produção de uma grande variedade de peças em
pequenas quantidades. Estes sistemas são compostos por máquinas de uso geral
dispostas no chão-de-fábrica em um arranjo físico orientado aos processos. Neste
arranjo, as máquinas são agrupadas de acordo com a similaridade das operações
que executam, formando ilhas de produção dentro do chão-de-fábrica [31]. Este
tipo de arranjo permite a existência de roteiros alternativos para fabricação de
cada peça.
Outras características dos Job-shops são [1, 17]:
• grande estoque de peças em processo;
• curtos períodos de produção para cada tipo de peça;
• alta especialização da mão-de-obra;
• tempo de setup variável de curto (quando o novo lote de peças a ser
produzido é semelhante ao anterior) a longo (quando não existe
similaridade entre o novo lote de peças e o anterior), devido a grande
variedade de peças produzidas;
• sistema de transporte e manuseio de materiais bastante versátil,
complexo e custoso devido a grande variedade de roteiros alternativos
para cada peça;
• sistemas para controle e escalonamento complexos devido a variedade
de roteiros para cada peça e a concorrência por recursos.
Sistemas flexíveis de manufatura são utilizados para a produção de um
volume pequeno ou médio de peças que apresentam uma similaridade estrutural
e/ou operacional entre si. Sistemas flexíveis de manufatura são compostos por
máquinas de uso geral dispostas em um arranjo celular. Para a definição deste
tipo de arranjo as peças são agrupadas em famílias através da utilização de
técnicas como tecnologia de grupo [13] e as máquinas são agrupadas em células
de acordo com os requisitos de manufatura para as família de peças definidas
[31].
Algumas das características desejáveis de sistemas flexíveis de manufatura
são [1, 10]:
• pequeno estoque de peças em processo;
• tempos curtos para o setup das máquinas;
• capacidade para processar uma grande variedade de peças
simultaneamente no sistema;
• capacidade de operar sem intervenção humana por longos períodos de
tempo;
• cada célula de manufatura pode ter seu próprio sistema de transporte e
manuseio de materiais e, todas as células são interligadas por um único
sistema de transporte e manuseio de materiais;
• os sistemas de controle e escalonamento possuem complexidade
semelhante a encontrada em job-shops.
Os princípios sobre os quais um sistema flexível de manufatura se baseia,
como a organização dos equipamentos no chão-de-fábrica conforme um arranjo
celular ou a utilização de tecnologia de grupo para definição de famílias de peças,
podem ser aplicados com sucesso em outros sistemas de produção [10]. Quando
aplicados sobre as linhas de transferência cria-se um sistema de produção
denominado linhas flexíveis de transferência enquanto que quando aplicados em
job-shops surgem as células flexíveis de manufatura.
2.5. Sistemas flexíveis de manufatura
2.5.1. Definição
N. R. Greenwood [10] apresenta uma definição para sistemas flexíveis de manufatura que procura abranger todos
seus aspectos sem se limitar ao seu escopo de aplicação e evitando, ao mesmo tempo, ser subjetiva:
“A flexible manufacturing system (FMS), through the careful combination of
computer control, communications, manufacturing process and related equipment
enables a section of the production-oriented aspects of an organisation to respond
rapidly and economically, in an integrated manner, to significant changes in its
operating enviroment. Such systems typically comprise: work stations (for
example, machine-tools, robots, etc.), material handling equipment (for example,
robots, conveyors, automated guided vehicles, etc.), a communication system and
a sophisticated computer control system.”
Esta definição expõe uma das principais razões que motivam a instalação de um FMS: a manufatura econômica
de uma variedade de peças cujo mix e/ou volume de produção estão sujeitos a mudanças devido a influências
mercadológicas. Diversas situações podem afetar o ambiente de um sistema de produção como alterações nas ordens de
serviço sendo processadas, inclusão de novas ordens de serviço, avanços nos processos de manufatura, mudanças nas
famílias de produtos, pressões causadas pelo aumento da concorrência, entre outras.
Esta definição contém ainda os três elementos principais que compõem um
FMS: estações de trabalho, onde estão incluídas máquinas-ferramentas com
comando numérico (NC, DNC ou CNC); sistema de manuseio de materiais para
mover peças ou ferramentas entre estações de trabalho; e um sistema de controle
que coordena o trabalho das estações de trabalho e do sistema de manuseio de
materiais. A figura 2.2. apresenta um FMS cujas estações de trabalho constituem-
se de centros de usinagem e tornos automatizados, o sistema de manuseio de
materiais é composto por veículos auto-guiados e robôs industriais e o sistema de
controle é implementado por uma unidade de controle central.
Um elemento adicional e que não deve ser negligenciado em um FMS é a mão-de-obra
humana [11]. Embora um FMS seja capaz de operar com menor necessidade de intervenção
humana por maiores períodos de tempo, operários são necessários para executar e gerenciar
algumas das operações realizadas dentro do FMS. Funções típicas realizadas pelos operários são
carga e descarga de matéria-prima e peças no sistema, troca e posicionamento de ferramentas,
reparo e manutenção dos equipamentos, programação do comando numérico dos equipamentos e
operação do sistema de controle. Portanto, na implementação destes sistemas é imprescindível
treinar os operários capacitando-os para a execução das tarefas citadas anteriormente.
Negligência no treinamento é uma das causas que contribuem para o fracasso de um projeto de
FMS.
Figura 2.2 – Sistema flexível de manufatura
Diversos benefícios podem ser obtidos na implantação de um FMS com relação a sistemas convencionais de
manufatura [1, 10, 23]. Um sumário destes benefícios é apresentado na tabela 2.2 a seguir, que compila os resultados
obtidos após a implantação e uso de FMSs em diversas instalações industriais.
Tabela 2.2 – Benefícios de desempenho após a implantação de um FMS em uma instalação que usava um sistema de manufatura tradicional [33]
Benefícios Quantificados Porcentagem Redução do: Tempo para a manufatura de um lote
de peças 40
Tempo para a manufatura de uma única peça
53-75
Número de máquinas-ferramentas 53-81 Horas necessárias para manufatura 65 Espaço utilizado no chão-de-fábrica 42 Custos com ferramentas 30 Estoque de peças em processo 90 Número de operários 53-92 Custos totais anuais 24
Benefícios Não-Quantificados Melhorias na qualidade:
Aumento na precisão das medidas das peças Redução dos custos de retrabalho e aumento no aproveitamento de matéria prima
Melhores condições de trabalho: Diminuição do risco de acidentes Aumento de moral entre os empregados
Aumento de flexibilidade: Maior independência com relação ao tamanho dos lotes, tipos de peças e nas quantidades produzidas
Entretanto, para a implantação de um FMS existem problemas que devem serem tratados
como [10, 17]:
• mudança da abordagem tradicional de manufatura para a abordagem
flexível de manufatura;
• complexidade para o desenvolvimento do projeto, alto custo e longo
tempo para sua implantação;
• a mão-de-obra empregada necessita ser altamente especializada devido
a alta complexidade do sistema;
• utilização de sistema de controle hierárquico complexo;
• elevado grau de integração entre os diversos subsistemas;
• necessidade de utilização de um sistema de transporte com capacidade
de atender um elevado número de caminhos distintos.
2.5.2. Decomposição funcional
A decomposição funcional consiste basicamente em generalizar a definição
de FMS apresentada no item anterior no que se refere aos elementos que o
compõem. Desta forma, um sistema flexível de manufatura pode ser decomposto
em três subsistemas [18]: subsistema de manufatura, subsistema de transporte e
manuseio de materiais e subsistema de controle. Cada um destes subsistemas
realiza funções específicas dentro do ambiente de manufatura e é pela sua
interação, física ou através de um sistema de comunicação, que os objetivos de
produção são alcançados. A figura 2.3 mostra o diagrama da decomposição
funcional de um FMS.
Figura 2.3 – Decomposição funcional de um FMS
2.5.2.1. Subsistema de manufatura
O subsistema de manufatura é composto pelos equipamentos do FMS que transformam a matéria prima em
produtos acabados através de operações que têm por objetivo modificar sua forma física e/ou medidas. É neste subsistema
que se encontram os elementos do FMS que incrementam o valor agregado do produto [17]. Os principais equipamentos
que compõem o subsistema de manufatura são [10, 11, 24]:
Máquinas-Ferramentas – corresponde ao conjunto de equipamentos
capazes de processar material. As operações que podem ser realizadas pelas
máquinas-ferramentas dependem do tipo de peças que se deseja fabricar no
sistema de manufatura e podem ser de fresamento, torneamento, furação,
Sistema flexível de
Subsistema de manufatura Subsistema de manuseio de
materiais
Subsistema de controle
limagem, mandrilamento, etc. No contexto deste trabalho este termo será usado
como sinônimo para centros de usinagem (machining center).
Entre as características desejáveis que estes equipamentos devem
apresentar para seu uso em FMSs estão: comando numérico por computador,
troca automática de ferramentas, capacidade para operar sobre peças paletizadas
e funcionamento sem intervenção humana por longos períodos de tempo. Novos
avanços tecnológicos permitem que estes equipamentos estejam integrados a
elementos que realizam sua monitoração, detecção e correção de falhas,
aumentando sua autonomia.
Máquinas de limpeza – estes equipamentos removem de peças e paletes
os resíduos e farpas provenientes das operações de manufatura. Estes
equipamentos são normalmente instalados em sistemas que integram
equipamentos automatizados para inspeção, de forma que a leitura das
características geométricas das peças não seja afetada pela presença de corpos
estranhos.
Máquinas de inspeção – estes equipamentos determinam se o processo
de manufatura está sendo executado de forma correta através da inspeção das
medidas das peças. Estes equipamentos comparam os valores obtidos na leitura
com os armazenados em um banco de dados para determinar o estado da peça.
O método para inspeção mais utilizado corresponde ao uso de máquinas de
medição de coordenadas (CMM) que utilizam sensores de toque (contato físico)
[24], porém é crescente o uso de outras técnicas como visão por computador ou
ultra-som. Os dados obtidos pela inspeção são fundamentais ao controle de
qualidade.
Robôs industriais – correspondem ao elemento de maior flexibilidade
dentro do ambiente de manufatura. Normalmente no processo de manufatura
robôs estão associados às tarefas de manuseio de materiais, entretanto com o
aperfeiçoamento dos sensores e acionadores estes equipamentos estão sendo
usados em outras tarefas como solda, pintura, corte, lavagem de peças, etc.
2.5.2.2. Subsistema de manuseio de materiais
Os elementos deste subsistema lidam com o transporte e armazenamento
de peças e ferramentas durante o funcionamento do FMS. Entre as atribuições
deste subsistema podem ser citadas [11]:
1. Movimento independente e aleatório de peças entre as máquinas-
ferramentas
O subsistema de manuseio de materiais deve ser capaz de movimentar
uma peça de uma máquina a outra qualquer do sistema. Esta configuração
permite a implementação de roteiros alternativos para a manufatura das peças
possibilitando a fabricação simultânea de lotes de peças distintos, melhor balanço
na carga das máquinas-ferramentas e aumento na capacidade de tolerância a
falhas do sistema.
2. Operar com uma variedade de tipos distintos de peças simultaneamente
O subsistema de manuseio de materiais deve ser capaz de movimentar
vários tipos de peças simultaneamente permitindo a manufatura de diversos lotes
de peças distintos ao mesmo tempo. Normalmente isto é realizado através do uso
de paletes e fixadores capazes de acomodar diferentes configurações de peças no
sistema.
3. Armazenamento temporário
Embora o estoque de peças em processo em um FMS seja pequeno, é
desejável a criação de filas de espera para cada máquina-ferramenta como forma
de evitar ociosidade.
4. Acesso conveniente para a carga e descarga de peças
O subsistema de manuseio de materiais deve alimentar o sistema de
manufatura com matéria-prima e retirar as peças acabadas. Normalmente
colocam-se estações para carga e descarga em locais estratégicos no chão-de-
fábrica com o objetivo de reduzir o movimento das peças dentro do sistema.
5. Compatibilidade com o sistema de controle
O subsistema de manuseio de materiais deve ser capaz de trocar
informações com o subsistema de controle para direcionar as peças entre as
diversas máquinas-ferramentas, estações de carga e descarga e outros.
Existem diversas alternativas para a automação do sistema de manuseio de
materiais. As vantagens e desvantagens de cada configuração dependem da
quantidade e do tipo de peças que serão transportadas, da localização das
máquinas-ferramentas, da existência ou não de roteiros alternativos para cada
família de peças, etc.
Alguns exemplos de equipamentos de manuseio de materiais utilizados em
FMS são [10, 11, 24, 33]:
Esteiras – desenvolvidas para movimentar peças entre locais específicos
através de um caminho fixo no chão-de-fábrica. O movimento das peças é
realizado em um único sentido e pode ser contínuo ou discreto. Entre os tipos
existentes de esteiras que podem ser utilizadas encontram-se as com rolantes, de
correia, de correntes, suspensas, etc.
Carros sobre trilho – veículos que se deslocam sobre trilhos, utilizados
principalmente para transporte de materiais volumosos ou que apresentam forma
irregular. Carros sobre trilhos são especialmente apropriados para transportar
materiais em ambientes considerados hostis à saúde humana, como estações de
pintura.
Trocador – equipamentos que retêm as peças em plataformas que estão
conectadas a outros equipamentos. Um trocador possui a capacidade para
executar movimentos de rotação, alternando a posição de suas plataformas e
portanto das peças ali depositadas. Além disto, um trocador pode ter sobre suas
plataformas dispositivos adicionais para carga e descarga.
Robôs industriais – utilizados em um grupo de atividades denominadas
pick-and-place dentro do subsistema de manuseio de materiais. As principais
atividades de pick-and-place são a inserção e retirada de peças das máquinas-
ferramentas e a paletização e despaletização das peças.
Veículos auto-guiados (AGV – automated guided vehicles) – veículos
dotados de autopropulsão que se movimentam através de caminhos definidos
sobre o chão-de-fábrica. Estes caminhos normalmente são definidos pelo uso de
cabos enterrados ou fitas reflexivas. Para se movimentar no chão-de-fábrica os
veículos são equipados com sensores ou antenas capazes de detectar fitas
reflexivas ou cabos enterrados. Para determinar sua posição dentro do sistema
estes equipamentos são geralmente capazes de interagir com sensores instalados
em pontos específicos do caminho. Estes sensores podem ser magnetos para
veículos guiados por cabos ou sensores ópticos para códigos de barra para os
guiados por fitas reflexivas.
Os AGVs possuem grande flexibilidade com relação as rotas que podem
seguir e também aos materiais que podem transportar; porém sua implantação
normalmente requer um sistema de controle envolvendo além do seu próprio
equipamento, o controle de tráfego e gerenciamento do sistema.
Compõem ainda o subsistema de manuseio de materiais os elementos
responsáveis pelo armazenamento e recuperação de materiais no chão-de-
fábrica. Normalmente utilizam-se armazéns automatizados para
armazenamento/recuperação de peças (AS/RS – Automated Storage and
Retrieval System) integrados ao subsistema de controle com o objetivo de
gerenciar e otimizar estas atividades. Os tipos de armazéns que podem estar
presentes no chão-de-fábrica de um FMS são [2]: armazéns de peças brutas,
armazéns intermediários, armazéns de produtos acabados e armazéns de
ferramentas.
Uma lista de vantagens que podem ser obtidas através da instalação de um
AS/RS em um FMS são [1]: aumento na segurança dos materiais armazenados,
controle de estoque em tempo real, redução das interrupções durante a produção
e maximização do espaço físico usado para armazenamento. Entretanto existem
desvantagens para instalação de um AS/RS, como por exemplo seu alto custo e a
dificuldade para sua expansão conjunta com o sistema de manufatura.
2.5.2.3. Subsistema de controle
O subsistema de controle é responsável pelas tarefas de automação,
planificação e coordenação da produção. Os elementos principais que compõem o
subsistema de controle são [10]: uma unidade de processamento central,
composta de um ou mais computadores, um sistema de comunicação interligando
a unidade de processamento central aos equipamentos e as unidades de controle
responsáveis por monitorar e comandar as atividades de cada equipamento, como
CLPs (controladores lógico programáveis) ou microprocessadores. As funções realizadas pelo controle do FMS podem ser agrupadas em seis categorias, conforme [7, 11]:
1. Escalonamento da produção
O controle deve efetuar o escalonamento de forma eficiente para garantir que todas as ordens de serviço sejam
atendidas antes de esgotar seu prazo de entrega. Para efetuar o escalonamento, o controle necessita de informações sobre
número, tipo e disponibilidade das máquinas-ferramentas, mix e volume de peças a ser fabricado, número de paletes em
operação no sistema e quantidade de matéria-prima disponível. Em geral, o subsistema de controle deve ser capaz de
realizar tanto o escalonamento em batch, quanto durante o funcionamento do sistema.
2. Controle das estações de trabalho
O controle deve ser capaz de comandar cada estação de trabalho para garantir que os processos especificados
no escalonamento sejam corretamente executados. O controle normalmente especifica os programas NC que serão
executados por cada estação ao invés de enviar individualmente todos os comandos necessários para a execução de um
determinado processo.
3. Controle de roteamento
O controle deve decidir, com base no escalonamento da produção, qual a rota para cada peça e/ou palete dentro
do sistema e interagir com o subsistema de manuseio de materiais para garantir a execução destas rotas. O controle deve
acionar switches em ramificações ou pontos de encontro, parar as peças nos locais de carga e descarga das máquinas-
ferramentas e também movimentar as peças para os equipamentos de AS/RS. Caso a planta utilize AGVs deve se ter um
controle de tráfego para evitar colisões entre estes equipamentos durante sua operação.
4. Controle de ferramentas
O controle de ferramentas pode ser dividido em duas atividades: (i) rastrear a localização de cada ferramenta e (ii)
monitorar seu tempo de vida útil. A primeira atividade permite ao controle determinar se uma máquina-ferramenta será
capaz de efetuar uma determinada operação sobre uma peça, possibilitando a escolha de uma máquina alternativa caso a
operação não possa ser realizada. A segunda atividade permite determinar quando as ferramentas devem ser trocadas
antes que a qualidade das peças produzidas seja comprometida.
5. Monitoração
A monitoração corresponde a atividade de coleta de dados usados para determinar o estado do sistema em um
dado instante, verificando se é possível executar os processos definidos pelo escalonador. A monitoração deve, portanto,
prevenir falhas e indicar ações corretivas durante o funcionamento do sistema.
6. Emissão de relatórios apresentando o desempenho do sistema
O controle deve coletar dados sobre o desempenho do sistema e emitir relatórios sintetizando estas informações.
Os relatórios que podem ser emitidos pelo controle são: utilização do sistema e de cada máquina-ferramenta, peças que
estão em estoques intermediários, estado e posição das ferramentas e estado atual do sistema.
2.5.3. Ciclo de vida
A complexidade para projetar e operar um sistema flexível de manufatura
aliada aos altos custos envolvidos em sua implantação justificam a necessidade
de se formalizar seu ciclo de vida [6]. Esta seção apresenta uma proposta de ciclo
de vida para um FMS, detalhando as atividades relacionadas ao projeto. Esta
proposta de ciclo de vida é baseada em trabalhos anteriores apresentados em [17]
e [31].
O projeto de um FMS pode ser visto como uma seqüência lógica de
atividades, encadeadas de forma que as informações produzidas em uma
atividade são utilizadas como entrada para atividades posteriores. Durante o
projeto de um FMS, muitas vezes torna-se necessário retornar à atividades
anteriores quando novos dados forem obtidos a respeito do sistema ou para
alterar as decisões efetuadas naquele estágio do projeto.
Para a descrição das etapas do ciclo de vida usa-se a metodologia SADT
(Structured Analysis and Design Technique), em que cada diagrama é composto
por uma série de nodos interconectados por arcos. Os nodos representam as
atividades e os arcos representam o fluxo de dados entre as atividades. Cada
nodo ou atividade pode ser expandido em outro diagrama para detalhar seu
funcionamento. A figura 2.4 apresenta o modelo adotado para representar cada
atividade.
Figura 2.4 – Modelo de atividade
2.5.3.1. Visão geral do ciclo de vida para um FMS
O ciclo de vida proposto cobre as atividades desde a concepção do FMS
até a sua operação conforme mostrado na figura 2.5. As atividades
correspondentes ao ciclo de vida do FMS são:
Especificação do sistema – esta atividade compreende a realização de um
estudo de mercado com o objetivo de verificar a aceitação dos produtos e as
tecnologias disponíveis para sua produção. Com base nestes dados é possível
definir os produtos a serem manufaturados, dimensionar a capacidade do sistema,
escolher a flexibilidade desejada e ainda definir as estratégias gerais de operação.
Nesta atividade deve-se montar um cronograma com o tempo a ser gasto durante
as etapas de projeto e implantação, alocar o pessoal para o desenvolvimento do
FMS e também definir um orçamento preliminar para cada atividade com base no
capital disponível.
Projeto e análise – de posse das especificações do sistema e das
disponibilidades tecnológicas é possível realizar o projeto do FMS definindo os
elementos que compõem sua parte operativa e também suas relações estruturais
e comportamentais. Durante o projeto deve-se ainda desenvolver, implementar e
dados de
ferramentas / recursos
restrições
dados de saída Atividade
testar os algoritmos de controle. A atividade de projeto será detalhada nas
próximas seções.
Implantação – corresponde a compra, instalação e teste dos equipamentos conforme especificado no projeto.
Durante a implantação será instalado o sistema de comunicaçãoque irá interligar os elementos operativos ao controle
sendo, portanto, necessário especificar a topologia da rede, tipo de cabeamento que será utilizado, etc. Após instalado o
FMS será submetido a um processo de testes para validação do seu funcionamento.
Operação – corresponde a operação do sistema após sua implantação. A operação consiste em transformar
matéria-prima em produtos acabados sob operação automática e com capacidade de responder a alterações tecnológicas e
do mercado consumidor.
A cada etapa, caso não sejam encontradas soluções adequadas para manufaturar os produtos especificados ou
ainda que a implantação seja impossibilitada devido a restrições orçamentárias ou tecnológicas, deve-se retornar a etapa
anterior para alterações.
Figura 2.5 – Ciclo de vida de um FMS
2.5.3.2. Projeto de FMS
O projeto do FMS, conforme mostrado na figura 2.6, pode ser dividido em projeto dos produtos que devem ser
manufaturados e projeto dos diversos ambientes de manufatura capazes de fabricá-los. O projeto final é concluído com a
escolha do ambiente de manufatura mais adequado em função das especificações do sistema e do orçamento disponível.
Uma breve descrição de cada uma das atividades componentes do projeto é realizada a seguir:
Projeto dos produtos e definição das famílias –desenvolve-se um projeto
detalhado da geometria de cada peça que será produzida e relacionam-se as
operações requeridas para sua manufatura. Normalmente são utilizadas
ferramentas de CAD, CAM e CAPP para auxiliar a execução destas tarefas. O
alterações
equipamentos e recursos humanos
alterações de mercados e tecnologias
alterações
insumos e ordens de serviço
infraestrutura existente
produção
FMS instalado
projeto detalhado do FMS
especificações
pesquisa de mercado
tecnologia disponível
Especifica
çãodo
Projeto
Implantação
Operaç
orçamento
agrupamento das peças em famílias é realizado com base no estudo de
similaridade com o auxílio de técnicas de tecnologia de grupo.
Desenvolvimento das soluções – corresponde ao desenvolvimento de uma
ou mais alternativas de projeto para o ambiente de manufatura. Cada solução
deve ser capaz de manufaturar as famílias de peças geradas na etapa anterior e
deve obedecer as restrições de orçamento impostas. As atividades para
desenvolver uma solução para o projeto de FMS serão descritas na próxima
seção.
Escolha de uma solução adequada – corresponde a escolha da solução de
projeto que for mais adequada às especificações iniciais do sistema. Critérios
técnicos e econômicos devem ser avaliados para cada solução obtida levando-se
em conta parâmetros quantitativos e qualitativos.
Figura 2.6 – Projeto de FMS 2.5.3.3. Desenvolvimento das soluções
Uma solução para o projeto do FMS é composta pelo conjunto formado por: planos de processo para manufatura
das famílias de peças, arranjo físico dos equipamentos que irão compor o ambiente de manufatura e algoritmos de controle.
A construção de uma solução é realizada hierarquicamente e as informações produzidas em uma etapa compõem
o conjunto de primitivas que servirão de entrada para as etapas posteriores. Utiliza-se como base para decomposição a
pirâmide hierárquica utilizada para decompor o controle de FMS [6, 23, 42]. A pirâmide hierárquica de controle o separa em
quatro camadas, cada uma com um conjunto específico de atividades que deve executar. A figura 2.7 mostra a
decomposição hierárquica do controle. Os rótulos dentro da pirâmide servem para denominar o nível de cada camada e o
texto a seu lado a principal tarefa que executa.
alterações
Nível -
Nível - 3
Nível - 2
Nível - 1
Tomada de decisões estratégicas e avaliação de desempenho
Controle da manufatura e do fluxo de Operação em tempo real do FMS e Interface com os equipamentos
Controle local do equipamento
Desenvolvim
alterações
projeto do FMS
conjunto de soluções factíveis
espectro de famílias de peças especificações Projeto dos
produtos e
Escolha de
uma solução
seqüência de operações de manufatura das peças
Figura 2.7 – Decomposição hierárquica do controle de um FMS
Os equipamentos do subsistema de manufatura e de manuseio de materiais constituem o primeiro nível da
modelagem hierárquica. O agrupamento de equipamentos de manuseio dedicados à uma máquina-ferramenta dá origem ao
próximo nível que
corresponde a estruturas funcionais denominadas estações de trabalho [17]. Cada estação de trabalho é capaz de executar
uma ou mais operações do plano de processos em uma família de peças e é composta por uma máquina-ferramenta,
dispositivos de transporte e um sistema de controle.
O próximo nível corresponde as células de manufatura. Uma célula de manufatura realiza todo ou quase todo
trabalho de manufatura sobre uma determinada família de peças e é composta por estações de trabalho, sistema de
manuseio de materiais que interliga as estações e um sistema de controle da célula. O último nível corresponde à planta do
FMS que é composta pelo conjunto de células de manufatura e pelo sistema de transporte e manuseio que as interliga.
Também constitui este nível o sistema de controle da planta.
A figura 2.8 apresenta a seqüência de atividades para gerar uma solução para o projeto de FMS. Esta seqüência
deve ser executada tantas vezes quanto for necessário gerar soluções alternativas. A seguir é realizada a descrição das
atividades envolvidas:
Seleção dos equipamentos e geração dos planos de processos – com as
informações sobre o projeto das peças obtidas na etapa anterior é possível
selecionar os equipamentos que irão realizar as operações de manufatura,
inspeção, armazenamento e transporte dentro do sistema. A infraestrutura atual
disponível deve ser considerada para que seja possível aproveitá-la no FMS. Após
a seleção dos equipamentos, deve-se gerar planos de processo de manufatura
para cada peça. Um plano de processo apresenta roteiros de produção,
equipamentos envolvidos e ferramentas necessárias para a manufatura. Esta
etapa
envolve ainda a seleção e/ou desenvolvimento de ferramentas, paletes e fixadores
para as peças.
Definição dos grupos e da quantidade de equipamentos – corresponde a
agrupar os equipamentos de acordo com as famílias de peças que devem ser
manufaturadas. O dimensionamento de cada agrupamento é realizado de acordo
com o volume de produção de cada família de peças e da carga de trabalho
prevista para as máquinas.
Projeto das estações de trabalho – corresponde a desenvolver o projeto das
estações de trabalho que irão compor o sistema.
Projeto das células de manufatura – finalizado o projeto das estações de
trabalho, é possível realizar o projeto das células de manufatura.
Projeto da planta – a etapa final no desenvolvimento de uma solução
corresponde ao projeto da planta do FMS.
Figura 2.8 – Desenvolvimento de soluções
2.5.3.4. Projeto das estações de trabalho, células de manufatura e planta
O projeto das estações de trabalho, células de manufatura e planta são
semelhantes entre si quanto às atividades executadas no seu desenvolvimento. A
figura 2.9 apresenta a síntese dessas atividades. Sua descrição é realizada a
seguir:
alterações
grupos de máquinas
projetos das células
projetos das estações de trabalho
alterações
Definição dos grupos e
número de equipamentos
alterações
alterações
projeto do FMS
planos de processo
especificações, projetos das peças, seqüência de operações
Seleção
dos
equipament
Projeto
das
conjunto de máquinas
Projet
o das
Projeto da
planta
Seleção das primitivas – No nível estações de trabalho corresponde a
seleção dos equipamentos de manufatura e, caso necessário, equipamentos de
transferência e armazenamento de materiais. No nível célula de manufatura ocorre
a seleção das estações de trabalho e equipamentos de transferência e
armazenamento de materiais e para o nível planta dá-se a seleção das células de
manufatura.
Projeto do arranjo físico – O arranjo físico em todos os níveis deve ser
projetado de forma a manter um fluxo contínuo de materiais e garantir a existência
de um ou mais caminhos para todos os planos de processo das peças que serão
manufaturadas.
Projeto do controle – No nível estação devem ser elaborados os algoritmos
de controle capazes de coordenar as atividades dos equipamentos que a
compõem e ainda interagir com o sistema de transporte da célula de manufatura.
No nível célula o controle definido deve ser capaz de coordenar e distribuir o
trabalho entre as estações de trabalho que a compõem e reagir a situações não
previstas, como falhas ou inclusão de novas ordens de serviço. No nível planta
corresponde a definir os programas e sistemas responsáveis pela supervisão,
escalonamento e controle da produção.
Análise - a última atividade do projeto corresponde à análise de
desempenho e previsão do comportamento do controle. O resultado da análise
determina a validação do projeto ou o retorno à etapas anteriores para ajustes.
Figura 2.9 – Projeto de estações de trabalho, células de manufatura e planta
2.5.4. Análise
primitivas
alterações
alterações
projeto
programas de controle
arranjo físico
Especificações, primitivas
Seleção
Projeto do arranjo físico
Projeto do
Análise
Uma das principais atividades do ciclo de vida de um sistema flexível de
manufatura é a análise. Ela permite aumentar a compreensão sobre as interações
que ocorrem dentro do sistema e obter valores referentes a parâmetros
quantitativos, tais como [9, 10, 30]:
• taxa de produção do sistema;
• número de equipamentos de cada tipo que devem ser instalados para
obter uma determinada taxa de produção;
• taxa de utilização dos equipamentos;
• capacidade para os armazéns de peças brutas, intermediários e de
peças acabadas;
• número de paletes e fixadores necessários;
• tempo em que as peças ficam em transporte, armazenamento ou
processamento;
• tempo total em que uma peça permanece dentro do sistema
(makespan).
E também parâmetros qualitativos, tais como [9, 10] :
• avaliação dos efeitos de uma mudança no mix ou volume de produção;
• avaliação dos efeitos das quebras nos equipamentos;
• avaliação dos efeitos da adição de novos equipamentos;
• análise de gargalos na produção;
• análise dos algoritmos de escalonamento da produção;
• análise das estratégias e algoritmos de controle definidos.
A análise permite ainda testar e validar os programas de controle antes de sua instalação no sistema real,
evitando que erros nestes programas coloquem em risco a eficiência e a disponibilidade do sistema .
As técnicas de análise também são utilizadas em um FMS após o seu projeto. Em muitos casos é necessário
verificar como o sistema se comporta a mudanças no arranjo físico, a alterações no número de equipamentos instalados ou
a inclusão de uma nova família de peças, sem para isso utilizar o sistema físico instalado devido aos custos e riscos
envolvidos.
As técnicas de análise para FMS podem ser divididas em três categorias
[11] – métodos analíticos, modelos baseados em filas e simulação:
• Métodos analíticos – utilizam formalismos matemáticos para a
construção de modelos que representam o FMS. Estes modelos são
simplificados e restritos em função dos parâmetros de desempenho que
se deseja quantificar. Após a construção do modelo é possível trabalhar
com suas variáveis e relações para obter soluções exatas ou analíticas
[19] para os parâmetros que estão sendo estudados. Entre os métodos
analíticos utilizados na análise de FMS têm-se a programação linear,
não-linear e inteira.
• Modelos baseados em filas (semi-analíticos) – estes modelos são
baseados na teoria matemática das filas e permitem a inclusão de
algumas características dinâmicas do sistema, como por exemplo os
depósitos intermediários de peças (filas de espera). Com o seu uso é
possível obter valores médios para medidas de desempenho do sistema
durante sua operação em regime. Os modelos baseados em filas podem
empregar para análise técnicas como redes de Petri estocásticas [43] ou
cadeias de Markov.
• Simulação – Utiliza a descrição dos componentes físicos do FMS e da
sua lógica de operação para a definição dos modelos que representam o
sistema. As soluções são obtidas analisando o comportamento do
modelo durante a passagem do tempo. A simulação não obtém soluções
exatas, e sim valores médios para um determinado conjunto de
parâmetros de entrada. Entre as abordagens utilizadas para simulação
de um FMS têm-se a simulação numérica, simulação a eventos
discretos e simulação híbrida. Existe também uma variedade de estudos
usando modelos para simulação com redes de Petri [20, 35], grafos de
eventos [25] e orientação a objetos [8].
Na escolha do método mais apropriado para o estudo que se deseja
realizar sobre FMS, os seguintes tópicos devem ser considerados com relação
aos técnicas descritas acima:
• a construção de modelos analíticos ou semi-analíticos (como modelos
baseados em filas) para sistemas dinâmicos, com alto grau de interação
entre seus componentes e que apresentam comportamento estocástico
é uma atividade complexa e em muitos casos intratável. Para lidar com
estes sistemas normalmente reduz-se o número de parâmetros e o nível
de detalhes espelhados no modelo, o que o especializa em demasiado,
permitindo apenas a obtenção de um número limitado de parâmetros
para o sistema [35]. Modelos para simulação normalmente são
genéricos, representam uma grande gama de propriedades do sistema e
podem ser utilizados para obter um amplo número de parâmetros de
desempenho.
• um modelo analítico, quando possível de ser realizado, pode reproduzir
com perfeição o sistema para uma variedade de conjuntos de
parâmetros de entrada obtendo valores de saída idênticos aos que
seriam encontrados se o estudo fosse realizado com o sistema real. A
simulação produz apenas estimativas dos valores de saída para um
determinado conjunto de parâmetros de entrada, necessitando de
execuções independentes para cada conjunto de parâmetros de entrada
que se deseja estudar.
• métodos analíticos são pobres com relação a expansão dos modelos já
existentes principalmente para inclusão de novas propriedades do
sistema. Dependendo das características que se pretende incluir, o
modelo atual do sistema deve ser abandonado e um novo construído. A
expansão dos modelos nos métodos semi-analíticos e na simulação é
normalmente mais fácil.
Métodos analíticos normalmente são utilizados para problemas de
otimização [30]. Nestes casos é necessário obter os valores exatos para os
parâmetros que estão sendo otimizados de forma a avaliar se as alterações
introduzidas no sistema realmente produzem melhores resultados. A simulação é
mais adequada para comparar um número arbitrário de configurações alternativas
de um sistema [5] auxiliando o processo de escolha da configuração mais
adequada com relação a um conjunto de especificações definidas.
É possível também utilizar, durante a resolução de um único problema, os
métodos analíticos e a simulação [27]. Modelos analíticos, construídos com um
alto nível de abstração, poderiam ser utilizados para determinar uma variedade de
alternativas promissoras frente aos objetivos que se deseja estudar e, num
segundo passo, um estudo mais aprimorado destas alternativas pode ser
realizado pelo uso da simulação. Inversamente a simulação pode ser utilizada
para verificar e validar hipóteses necessárias para a construção de um modelo
analítico.
2.6. Conclusão
Um sistema flexível de manufatura envolve a integração de sistemas de manuseio de materiais, armazenamento,
inspeção e manufatura em um ambiente destinado a produção de uma espectro finito de peças. Devido à complexidade do
projeto destes sistemas, nos quais é necessário especificar tanto componentes de hardware quanto de software, a
ocorrência de erros pode facilmente levar a enormes prejuízos monetários.
A complexidade de um projeto de FMS o torna um candidato ideal para a aplicação da simulação para os fins de
análise. Os modelos desenvolvidos para estes sistemas permitem estudar com precisão diversos aspectos do seu
funcionamento como produtividade, utilização dos recursos, tempos de transporte, entre outros. Entretanto para a
simulação ser bem sucedida o modelo deve replicar com exatidão as propriedades que se deseja avaliar no sistema.
O capítulo 3 irá abordar tópicos de simulação por computador e apresentar características que devem ser
avaliadas no momento da seleção de um simulador para a análise de FMS.
