Industria del corte de piezas
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Industria del corte de piezas. Optimización de la distribución de piezas irregulares en chapas en superficies planas con anidamiento bidimensional (Nesting), para el aprovechamiento del material continúa representando un importante indicador de eficiencia para evaluar la calidad de la distribución de las piezas y los costos de producción.
Sumario
Descripción preliminar
Las nuevas tecnologías de fabricación, procesamiento y comunicación han determinado, en las últimas décadas, la generación de nuevas soluciones para la mayor parte de los problemas científicos de la ingeniería. La industria del corte no escapa a esta influencia. En la solución a este problema se han obtenido resultados tecnológicos de relevancia, los cuales han revolucionado la concepción y formas de operación durante la manufactura de diferentes productos. A pesar de la marcada evolución sufrida por estas tecnologías, el aprovechamiento del material continúa representando un importante indicador de eficiencia para evaluar la calidad de la distribución de las piezas y los costos de producción.
Las técnicas heurísticas, de inteligencia artificial y otras con enfoques de evolución y comportamiento natural, han constituido en los últimos años, las herramientas matemáticas principales para abordar el problema del anidamiento bidimensional (nesting), corte rectangular guillotinado y de empaquetamiento tridimensional (packing). Sin embargo, en la bibliografía disponible se constata que a pesar de los logros obtenidos, los mejores trabajos reflejados no satisfacen aún plenamente los requerimientos actuales de la industria, ya que quedan aún reservas no explotadas de aprovechamiento de material. Esta realidad determina la necesidad de búsqueda de nuevos de procedimientos de solución a este problema que aseguren la obtención de mejores distribuciones en el menor tiempo posible.
Antecedentes
Un método muy difundido para la distribución bidimensional de piezas de configuración irregular consiste en la aproximación poligonal (Figura 1). Las evaluaciones correspondientes con formas geométricas más aproximadas permiten reducir la complejidad y el tiempo de las evaluaciones, pero trae como desventaja que la ubicación real de la pieza esté sujeta a la ubicación relativa del contorno de aproximación y se restringen tanto los movimientos para su posicionamiento como la consideración del área real que contiene el contorno irregular.
Así, Art. en el año 1966, presentó por primera vez la aplicación de la técnica del “not fit-poligon” dentro del campo del corte de piezas en chapas 5. En 1976 esta técnica, o herramienta de tratamiento gráfico, fue reintroducida por Adamowicz y Albano 1 al simplificar las piezas de carácter irregular usando rectángulos y buscando el área mínima de acoplamiento entre ellos.
Empelo de la Técnica
Muchos investigadores han empleado esta técnica, modificándola y realizando adaptaciones a casos específicos durante la generación de soluciones, para el corte de piezas en superficies planas. Autores como E.K. Burke, R.S.R. Hellier, G. Kendall y G. Whitwell en el año 2007 propusieron mejoras en la robustez de la técnica inicial para el tratamiento de cavidades interiores y agujeros en la pieza.
Otra propuesta fue realizada por Antonio Miguel Gomes y José Fernando Oliveira en el año 2001 al presentar la aplicación del procedimiento de búsqueda aleatoria conocido por Greedy Randomised Adaptive Search Procedure (GRASP) a la tarea estudiada integrado con la técnica del “not fit-poligon” mediante la cual se analiza la vecindad de la secuencia de piezas a cortar. De la misma manera Liu Hu-yao y He Yuan-jun en el año 2005 proponen el uso de la técnica del “not fit-poligon” adicionando el análisis rotacional de la pieza desde su centro de gravedad.
Esta modificación posibilita extender la técnica del “not fit-poligon” no solo a la traslación entre las piezas por sus lados geométricos sino que, además, permite considerar las diferentes posiciones según su ángulo de inclinación. Esta técnica fue integrada a un método de búsqueda basado en algoritmos genéticos lo cual proporciona resultados satisfactorios para el tratamiento de piezas irregulares pero en pequeños lotes y sobre chapas de forma rectangular. El tratamiento y evaluación geométrica durante la distribución de piezas ha sido enfrentado por la mayoría de los autores con métodos o técnicas de aproximación geométrica, donde el compromiso del aprovechamiento del material se ve afectado por la precisión de la geometría de trabajo. Sin embargo, ya en el año 2005 Yuping, Shouwi y Chunli proponen el uso de una modificación del método de enfriamiento simulado (Simulated Annealing) para buscar una aproximación a las soluciones óptimas teniendo en cuenta los contornos irregulares reales de las piezas a distribuir. A pesar del avance que representa este enfoque, adolece de tratamientos gráficos eficientes de la geometría de las piezas, que faciliten la búsqueda rápida de opciones de distribución, lo que, en adición a otros factores, condiciona procesamientos lentos en la búsqueda de soluciones racionales.
En lo adelante, se presenta un enfoque que integra un tratamiento gráfico eficiente de la geometría real de las piezas con heurísticas de búsqueda de soluciones, con el fin de generar opciones de distribución en tiempos de procesamiento adecuados a los esquemas productivos y alcanzar un alto aprovechamiento del material tomando en consideración el sistema completo de preferencias del eventual decidor, el que incluye indicadores de carácter cuantificable y no cuantificable.
Tratamiento gráfico de la geometría real de las piezas
El proceso de evaluación de las geometrías de las diferentes piezas que se ubican para el corte, comprende un pre-procesamiento encargado de la descripción de su contorno o frontera, en zonas cóncavas y convexas. Esta descripción permite establecer criterios adecuados para la determinación de la posición final de las piezas. Aunque la etapa de pre-procesamiento del contorno demanda un tiempo de ejecución, éste no afecta el tiempo de generación final de las soluciones, ya que permite eliminar un conjunto considerable de evaluaciones y encontrar, mediante algoritmos de baja complejidad y alta velocidad de procesamiento, las ubicaciones de las piezas que mejor satisfacen los criterios de calidad definidos.
Para la descripción del contorno en zonas cóncavas y convexas se definen previamente algunos conceptos y procedimientos básicos:
- Definición del vector dirección Vd.: Establece la dirección desde el interior de un espacio al exterior del mismo a partir de su frontera. En el caso de las piezas, este vector se define señalando el exterior de la región que la delimita, definiendo esta zona libre para el acoplamiento con otras piezas y el interior como zona no evaluable a posicionamientos. La chapa se considera como el caso contrario, pues el vector indica al interior de la región siendo esta la zona evaluable a posicionamientos de las diferentes piezas. En la figura. 2 se ilustra este concepto.
- Amplitud de la Zona Amp: Se determina por la máxima distancia entre los puntos extremos que pertenecen a la zona.
- Profundidad de la Zona Pr: Se determina por la máxima distancia entre los puntos de la zona perpendicular a la recta que definen los puntos extremos de la misma.
- Angulo de Ataque de la Zona: Se determina por la magnitud angular entre las rectas tangentes que pasan por los puntos anterior y posterior al punto de máxima profundidad.
Para la determinación de las mejores opciones de acople entre pares de piezas, se establece la evaluación de las diferentes zonas descritas en cada una de ellas. Inicialmente se evalúan las zonas convexas de una pieza contra las zonas cóncavas de la otra o viceversa, este tipo de procedimiento permite descartar un considerable numero de evaluaciones en las que las soluciones de acoplamiento no serían satisfactorias.
