Balanceo De Linea Deensamble Universidad Los Andes.pdf

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Fundamentos de Producción (IIND-2202)

BALANCEO DE LÍNEA DE ENSAMBLE NT-2202-BL-01 Cuando un sistema de manufactura tiene gran volumen y poca variedad de artículos, se utiliza típicamente una línea de producción. La línea de producción es una distribución de planta orientada al producto. Si se ensamblan artículos, estamos hablando de línea de ensamble. En la siguiente nota técnica se trata el tema de balanceo de línea de ensamble.

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La Línea de Ensamble

Una línea de ensamble es un tipo de distribución orientada al producto y en casos generales, éstas están generalmente enlazadas por algún dispositivo de manejo de material como por ejemplo una banda transportadora, grúas, etc. Según Miralles1 para la producción en línea de ensamble existen los siguientes requisitos:       

2

Demanda uniforme Reducción del contenido de mano de obra Estandarización del producto Material ajustado a las especificaciones del producto y aprovisionados a tiempo. Alta confiabilidad de los equipos, puesto que una falla podría provocar paro del flujo de la línea de producción. Correcto equilibrado de las tareas y la asignación de las estaciones. Todas las operaciones deben realizarse en el tiempo establecido en el equilibrado de la línea.

Balance de la Línea de Ensamble

El problema principal de una línea de ensamble consiste en la asignación de las tareas a unas estaciones de trabajo de forma tal que se cumplan los requisitos de producción y a la vez se equilibren las cargas en las estaciones de trabajo2. Dichas estaciones de trabajo, son el lugar donde se realizan las actividades (tareas). En la figura 1, las operaciones 1, 2, 3 y 4 son las actividades a asignar en las estaciones 1 y 2, donde las operaciones 1 y 2 se asignaron a la estación 1 y las operaciones 3 y 4 a la estación 2. El trabajo que se realiza en cada estación es el que se hace sobre un producto al realizarle operaciones de transformación o ensamble de partes3. Al asignar tareas a las estaciones se busca que cada estación tenga un contenido de trabajo similar.

1

Notas de clase, Curso avanzado de líneas de producción. , Verano 2006, Uniandes – UPV. Tomado de: Chase, 2000. Pág. 383 3 Íbid. 2

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El requerimiento de producción o tasa de producción es la cantidad de producto que sale del sistema por unidad de tiempo. El tiempo de ciclo4 se define como el tiempo que transcurre entre la salida de unidades de producto sucesivas al final de la línea. Si se observa la figura 1, idealmente el tiempo en que sale una unidad de producto del sistema, es igual al tiempo en que demora cada estación de trabajo en procesar dicho producto en esa estación. En realidad el tiempo de ciclo del sistema es el tiempo de la estación límite o la estación con tiempo de ciclo mayor5. Esta es la estación cuello de botella. Cuando el tiempo en una de las estaciones de trabajo, es menor que el tiempo de ciclo, la diferencia entre el tiempo de ciclo y el tiempo de la estación se llama tiempo restante6 o demora inherente7. La suma de los tiempos restantes se conoce como tiempo inherente del sistema, que es el total de tiempo que tardan los operarios en adaptarse al ritmo de la estación cuello de botella8. El tiempo total de atención de las máquinas en una estación de trabajo se llama cantidad de trabajo9. Finalmente, el tiempo necesario para fabricar una pieza, se denomina tiempo estándar. Al momento de balancear una línea se debe tener presente el orden de las operaciones: es decir, que una operación no se puede realizar antes que otra en una estación porque las entradas a la operación, dependen de la anterior; estas relaciones de precedencia especifican el orden en que se deben ejecutar las actividades en la línea de ensamble10. Cuantas más relaciones de precedencia existan dentro del sistema, existen menos posibilidades de encontrar diferentes formas de configurar una línea de ensamble11. Por ejemplo, en la figura 1, Todas las operaciones deben realizarse. La operación 2 se puede realizar antes de la operación 1 o viceversa. La operación 3 no puede realizarse sin que haya terminado la operación 2; la operación 4 no puede comenzar si aún no ha terminado las operación 3. Al momento de asignar las operaciones a las estaciones, por ejemplo, la operación 4 no se puede asignar a la estación 1 puesto que ésta es precedida por las operaciones 1 y 3; por otro 4

Ibid. Tomado de: Niebel, 1976. Pág. 134. 6 (2) op. Cit. pág. 386. 7 Notas de clase, Seminario de gestión y control de líneas de producción. , Verano 2008, Uniandes – UPV. 8 (1) Op. Cit. 9 Ibid. 10 (2) op. Cit. Pág. 374. 11 (5) op. Cit. Pág. 135. 5

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lado, la asignación de la operación 3 en la estación 1 es posible, mientras se respete la precedencia y que el tiempo total de esta estación (la suma de los tiempos de las operaciones en dicha estación) no supere el tiempo de ciclo requerido. Existen también otros tipos de restricciones llamadas zonificación negativa y positiva. La primera indica que ciertas actividades no se deben colocar juntas en una misma estación de trabajo, y la segunda que hay actividades que deben colocarse juntas en la misma estación de trabajo12. 2.1

Notación

TDP: Tiempo disponible para producción THr: Tasa de producción requerida C: Tiempo de ciclo teórico o requerido CR: Tiempo de ciclo real tj: Tiempo de la operación o tarea j N: Número mínimo teórico de estaciones NR: Número real de estaciones TS: Tiempo estándar CTi = Cantidad de trabajo de la estación i ri: Tiempo de retraso teórico de la estación i rri: Tiempo de retraso real de la estación i DIi: Demora inherente en la estación i 2.2

Metodología para Balancear una Línea de Ensamble

Existen diferentes maneras de balancear una línea, que van desde heurísticas simples hasta modelos complejos que dan resultados cercanos al óptimo. En esta sección se presenta un enfoque de balancear líneas utilizando métodos heurísticos. Los pasos para balancear son:

1. Especificar las relaciones de precedencia entre las tareas. 2. Construir una gráfica de precedencias. 3. Determinar el tiempo de ciclo requerido. Se tiene que cumplir con una demanda esperada o una tasa de producción. Este tiempo de ciclo se calcula mediante la siguiente fórmula:

12

Tomado de: Sule, 2001. Pág. 167.

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4. Determinar el número teórico mínimo de estaciones requeridas de la siguiente forma: ∑ [

]

5. Determinar una regla primaria para asignar las tareas a las estaciones de trabajo, y una segunda regla para desempatar. Por ejemplo: Largest number of followers: Asignar las tareas factibles (cuyos predecesores ya fueron asignados) usando como regla de desempate, la tarea que tiene mayor número de sucesores. Longest work – element time: Asignar las tareas factibles (cuyos predecesores ya fueron asignados) usando como regla de desempate, la tarea que tiene mayor tiempo de proceso. Shortest number of predecesors: Asignar las tareas factibles (cuyos predecesores ya fueron asignados) usando como regla de desempate, la tarea que tiene menor número de predecesores. 6. Asignar las tareas, una a la vez; a la primera estación de trabajo hasta que no pueda asignar ninguna tarea por exceder el tiempo de ciclo o porque no se respeten las restricciones de secuencia o zonificación. Se repite el proceso hasta asignar todas las operaciones a todas las estaciones. A continuación se calcula la cantidad de trabajo por estaciones y los tiempos restantes de cada estación. La cantidad de trabajo por estación se calcula como la sumatoria de los tiempos de operación que hacen parte de esa estación de trabajo. Los tiempos restantes o demoras inherentes por estación son la diferencia del tiempo de ciclo con la sumatoria de los tiempos de operación de los trabajos que han sido asignados hasta el momento a dicha estación. Siempre que se asignen las tareas a las estaciones, deben cumplirse las relaciones de precedencia. 7. Determine el tiempo de ciclo real del sistema, tomándolo como el MAX {CTi} . 8. Calcular el tiempo estándar del producto final ensamblado. El tiempo estándar se calcula de la siguiente manera: TS = CR * N R

ó

TS = ∑CTi + ∑DIi

(3)

Donde: DI i = CR – Ct

(4)

9. Evaluar la eficiencia del sistema. La eficiencia se evalúa mediante la siguiente ecuación: ∑

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10. Si la eficiencia no es satisfactoria, volver a balancear la línea utilizando otro procedimiento de asignación diferente. 2.3

Ejemplo13 de balanceo de línea

El trencito J debe ensamblarse sobre una banda transportadora. Se requieren 500 trencitos diarios. El tiempo de disponible para producción por día es de 420 minutos, y los tiempos de ensamble junto con las relaciones de precedencia se encuentran en la tabla 1. Se necesita encontrar el balanceo de línea que minimice el número de estaciones, sujeto a la restricción de tiempo de ciclo y a las restricciones de precedencia: Tabla 1. Precedencia y tiempos de ensamble para los trencitos J.

Operación

Tiempo Precedencia (Segundos)

A B C D E F G H I J K

45 11 9 50 15 12 12 12 12 8 9

A B D C C E E F, G, H, I J

Solución: 1) Especificar las relaciones de las tareas. Ver Tabla 2. Tabla 2. Relaciones de Precedencia Operación A B C D E F G H I J K

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Ejemplo tomado de: Chase, 2000. Pág. 384.

Precedencia A B D C C E E F,G,H,I J

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2) Dibujar diagrama de precedencias (Figura 2)

Figura 2. Grafo de precedencias ejemplo 1

3) Determinar el tiempo de ciclo requerido:

4) Determinar el número teórico mínimo de estaciones ∑ [

]

[

]

[

]

5) Determinación de regla primaria y segundaria. Regla primaria: (largest number of followers). Ver tabla 3. Tabla 3. Número de sucesores por operación.

Operación A B, D C, E F, G, H, I J K

Número de tareas Sucesoras 6 5 4 2 1 0

Regla secundaria: (longest work – element time): Se utiliza para desempatar cuando haya empate entre una o más operaciones.

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6) Asignación de tareas a las estaciones: La asignación de tareas a las estaciones se muestra en la tabla 4 y se visualiza en la figura 3. Para comenzar, se asignan las operaciones a las estaciones utilizando la regla primaria. Para este ejemplo, A es la operación que más tiene actividades sucesoras, por ello se asigna primero, como C = 50.4 segundos/trencito, entonces asignamos A y calculamos el ri. Para el primer caso ri es 5.4 segundos, dado que el tiempo de la actividad A es de 45 segundos. Como el tiempo restante es muy pequeño, y no hay una operación con un tiempo menor o igual a 5.4 segundos, no se puede asignar una operación en esta estación, entonces se procede a asignar operaciones en otra estación. El procedimiento de asignar operaciones a las estaciones con esta regla primaria consiste en tomar la operación con el mayor número de operaciones sucesoras de las candidatas a ser asignadas, y asignarla a la estación analizada. Sidos operaciones con igual número de sucesores son candidatas a ser asignadas, se desempatan por la que tenga mayor tiempo de operación teniendo en cuenta que el tiempo de operación sea menor que el tiempo restante de la estación. En caso de tener un nuevo empate, la selección de la tarea se puede realizar de forma lexicográfica. Tabla 4. Balanceo de Línea Estación

1 2 3

4 5

Operaciones Candidatas

Operación

tj

ri

CTi

A, D B, D B, E C, E C, H, I F, G, H, I G, H, I H, I I J K

A D B E C F G H I J K

45 50 11 15 9 12 12 12 12 8 9

5,4 0,4 39,4 24,4 15,4 3,4 38,4 26,4 14,4 6,4 41,4

45 50

Figura 3. Balance de Línea de ensamble

47

44 9

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7) Calculamos el tiempo de ciclo real del sistema. MAX {CTi}=50 8) Determinación del tiempo estándar. La primera manera de hacerlo es: TS = CR * N R = 50 * 5 = 250 Otra forma es: pero primero calculamos la suma de las cantidades de trabajo de cada ∑ ∑ estación de trabajo: ∑ Calculamos las demoras ∑

{

}

{

}

Se calcula ∑ Entonces de la otra manera podemos calcular el tiempo estándar así: ∑

∑

Se obtiene la misma respuesta utilizando diferente información 9) Evaluamos la eficiencia del sistema: ∑

10) Como la eficiencia no es satisfactoria (típicamente debería ser del 90% o más), se vuelve a balancear la línea. Esta vez, la regla secundaria será la regla primaria y viceversa. Bajo las nuevas reglas de balance se tiene el siguiente procedimiento: a) b) c) d) e)

Las relaciones entre las tareas son las mismas de la tabla 2. El diagrama de precedencias es el mismo observado en la figura 2. El tiempo de ciclo corresponde a C=50,4 segundos/trencito. El número mínimo de estaciones teórico corresponde a N=4. Regla Primaria (Longest Work) Regla Secundaria (Largest number of followers)

6) Para el proceso de asignación lo primero que se hace es analizar las operaciones que son candidatas a ser asignadas a una estación de trabajo por cumplir con las restricciones de precedencia. Una vez identificadas las operaciones disponibles, se analizan de acuerdo a la regla primaria (mayor tiempo de proceso) y los desempates con la regla secundaria (mayor número de trabajos sucesores) y en caso de tener un nuevo empate, se puede elegir la tarea lexicográficamente. Con estas reglas se obtiene el siguiente orden de asignación (tabla 5 y figura 4).

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Fundamentos de Producción (IIND-2202) Tabla 5. Balanceo de línea (Segunda configuración) Estación 1 2

3

4

Operaciones Candidatas D, A A, E B, E H, I, B I, B B C F, G G J K

Operación

tj

ri

CTi

D A E H I B C F G J K

50 45 15 12 12 11 9 12 12 8 9

0,5 5,4 35,4 23,4 11,4 0,4 41,4 29,4 17,4 9,4 0,4

50 45 50

50

Figura 4. Balance de línea de ensamble con cuatro estaciones

7) El tiempo de ciclo real del sistema es MAX{CTi}=50 segundos. 8) Determinación del tiempo estándar. Al igual que en el ejercicio anterior, el tiempo estándar se puede calcular de dos formas distintas. TS = C R * N R = 50 * 4 = 200 segundos La otra forma de calcularlo es con la ecuación de tiempos inherentes y cantidad de trabajo de cada una de las estaciones: ∑

∑

Por tanto se calcula cada uno de los términos de la expresión como sigue: ∑

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∑

{

}

{

}

∑ Alcanzando un tiempo estándar de 200 segundos: ∑

∑

9) Finalmente se calcula la eficiencia. ∑

3. Ejercicios14 Ejercicio 1. Una línea de ensamble debe operar ocho horas diarias con una producción deseada de 30 unidades por hora. La siguiente tabla presenta la información sobre las tareas que requiere el producto, el tiempo de cada tarea y la relación de precedencia.

Tarea A B C D E F G H

Tabla 6. Datos ejercicio 1 Tiempo (Segundos) Precedencia 60 80 A 20 A 50 A 90 B, C 30 C, D 30 E, F 60 G

a. Dibuje el diagrama de precedencia. b. ¿Cuál es el tiempo de ciclo del sistema? c. Equilibre la línea de ensamble utilizando como regla primaria el tiempo más largo de la tarea. d. ¿Cuál es la eficiencia del balanceo de línea?

Ejercicio 2. La producción diaria deseada por una empresa es de 360 unidades. Esta línea de ensamble trabaja de 7:00 am a 4:30 pm. Durante dicha jornada de trabajo, los operarios destinan una hora y media para el almuerzo, y dos sesiones de 15 minutos para dos descansos por suplementos. La siguiente tabla contiene información sobre la tarea requerida para este producto el tiempo de la tarea y las relaciones de precedencia.

14

Ejercicios tomados de Chase, 2000.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Fundamentos de Producción (IIND-2202) Tabla 7. Datos ejercicio 2

Tarea A B C D E F G H

Tiempo (Segundos) 30 35 30 35 15 65 40 25

Precedencia A A B C C E, F D, G

a. Dibuje el diagrama de precedencia. b. ¿Cuál es el tiempo de ciclo del sistema? c. Equilibre la línea de ensamble utilizando como regla primaria el mayor número de tareas sucesoras y como regla de desempate el tiempo más largo de la tarea. d. ¿Cuál es la eficiencia del balanceo de línea?

3

Resumen

Cuando una empresa maneja una alta fabricación de producto y poca variedad de productos, ésta se puede asociar a una empresa con distribución por producto, ya que los equipos y estaciones se ubican en una línea para alcanzar una alta producción. Las líneas de ensamble son consideradas un caso especial de la distribución por producto. En el análisis de las líneas de ensamblaje, es de gran importancia la correcta determinación del tiempo de ciclo, el cual es el tiempo que transcurre entre las unidades sucesivas que salen al final de la línea de ensamblaje, ya sea como producto final o como parte de un producto. Dicho tiempo de ciclo es determinado por la estación cuello de botella, es decir por la estación con mayor tiempo de ciclo, la cual determinará a su vez la tasa de producción de la línea. Ante este fenómeno, las demás actividades con menor tiempo de proceso se pueden agrupar en estaciones, buscando balancear la línea de ensamblaje y equilibrar las cargas por estación. Dado que el tiempo de ciclo determina la tasa de producción de una línea, éste debe ser el adecuado para alcanzar una tasa de producción esperada o requerida, la cual se calcula con base en la demanda y en los recursos de la empresa, tal como el tiempo total disponible. En resumen, el balanceo de una línea de ensamblaje consiste en la correcta asignación de tareas a estaciones, de manera que no se violen restricciones de tiempo de ciclo (capacidad de producción), ni restricciones de precedencia, ni restricciones de zonificación, además de lograr minimizar el tiempo inherente por estación, ya que estos tiempos son costos en los cuales incurre la empresa sin recibir ningún beneficio.

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Para lograr los objetivos del balanceo de línea existen heurísticas y reglas que arrojan soluciones factibles y en algunos casos cercanos al óptimo. El procedimiento para balancear una línea ya fue descrito durante la nota técnica mediante la teoría y mediante dos ejemplos numéricos.

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Referencias

[1] R. Chase, N. Aquilano & F. Jacobs. Administración de producción y operaciones: manufactura y servicio. Colombia: McGraw Hill, 2000. [2] O. Garcia. Administración financiera: Fundamentos y aplicaciones. Colombia: Prensa moderna impresores, 1998. [3] D. Sule. Instalaciones de manufactura: Ubicación, planeación y diseño. México: Thompson Learning, 2001. [4] B. Niebel. Ingeniería Industrial: Estudio de tiempos y movimientos. México: Representaciones y servicios de ingeniería S.A., 1980. [5] Miralles Notas de clase, Curso avanzado de líneas de producción. Verano 2006, Uniandes – UPV.