Unele modele alternative de mașini-unelte au apărut în ultimele decenii, fiecare dintre ele având un anumit punct forte în comparație cu mașinile-unelte dedicate sau cu centrele de prelucrare CNC descrise anterior. Cercetarea și dezvoltarea acestor mașini-unelte au fost active pentru a promova acceptarea industrială prin abordarea limitărilor, îmbunătățirea fiabilității și reducerea costurilor. Această secțiune își propune să evidențieze câteva tehnologii importante de mașini-unelte, care și-au stabilit prezența și au fost preconizate a avea o penetrare potențială mare în unitatea de producție.

Roboți industriali

Un robot industrial este o mașină abilă controlată automat, reprogramabilă, multifuncțională, care este adesea proiectată urmând anumite caracteristici asemănătoare omului. Caracteristica cea mai evidentă este brațul robotic, care se numește manipulator. În combinație cu utilizarea controlului inteligent, manipulatorul este capabil să îndeplinească diverse sarcini în unitatea de producție, cum ar fi extragerea, mutarea și plasarea materialelor sau uneltelor, vopsirea prin pulverizare, sudarea în puncte și, cu siguranță, prelucrarea, care este interesul pentru acest capitol. Componentele de bază ale unui robot industrial sunt manipulatoarele, unitățile de acționare, efectorii finali și sistemul de control.

Manipulatorul este unitatea mecanică care asigură mișcarea traiectoriei astfel încât capătul manipulatorului să poată ajunge într-un punct din spațiu cu o anumită orientare. Este format din articulații și legături. O articulație permite mișcarea relativă între legăturile de intrare și de ieșire. Articulațiile pot fi clasificate ca liniare sau rotative. Mișcarea coordonată a acestor articulații permite unui robot industrial să miște, să poziționeze și să orienteze un obiect. Pentru un robot industrial general, un actuator independent asigură mișcarea fiecărui grad de libertate (DOF = degree of freedom) al fiecărei articulații. Acționările pot fi electrice, pneumatice sau hidraulice.

Există cinci configurații de bază ale manipulatorului, așa cum se arată în Fig. 58. Acestea sunt (a) robot cartezian/rectiliniu/portal, (b) robot cilindric, (c) robot polar/sferic, (d) robot articulat/revolut, și (e) SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm).

Capătul manipulatorului este atașat cu un efector final pentru a îndeplini sarcina necesară asupra unui obiect. Dacă un manipulator robot este proiectat ca având o funcție a brațului uman, efectorul final este proiectat având una a mâinii. Locația efectorului final pentru fiecare configurație a manipulatorului din Fig. 58 este marcată prin suprafața neagră.

Pentru prelucrare, manipulatorul trebuie să asigure mișcarea relativă între scula de tăiere și piesa de prelucrat. Efectorul final poate fi echipat cu o sculă de tăiere cu un singur punct, sau multipunct. Dacă este necesar, un ax poate fi atașat pe efectorul final, așa cum se arată în Fig. 59a. O altă opțiune este să montați piesa de prelucrat pe efectorul final, în timp ce scula de tăiere (pe un ax) este montată pe o masă de lucru, așa cum se arată în Fig. 59b.

Sistemul de control primește intrări, fie de la senzori, fie de la coduri programate, și livrează comenzi actuatoarelor pentru a regla mișcarea robotului. Roboții industriali pot fi clasificați pe baza intrării comandate.

(a) Robotul de secvență este robotul tradițional de tip pick-and-place, care poate fi programat pentru o anumită secvență de operații. Intrarea conține doar un ciclu de mișcare de la o locație la alta care trebuie repetat.
(b) Robotul de redare repetă mișcarea efectuată de utilizator. Utilizatorul poate preda mișcarea robotului fie mânuind direct efectul său final al robotului, fie utilizând alte intrări (de exemplu, joystick). Sistemul de control înregistrează traseul și mișcarea corespunzătoare a fiecărei articulații și apoi le repetă continuu.
(c) Robotul controlat numeric primește intrări definite de utilizator și funcționează la fel ca o mașină-unealtă controlată numeric.
(d) Robotul inteligent, sau senzorial, utilizează diverși senzori, cum ar fi senzori vizuali și tactili, pentru a observa și a evalua mediul înconjurător pe baza percepției și a recunoașterii modelelor. Robotul ia decizia cu privire la următoarea mișcare în timp real pe baza acestor intrări.

Un aspect important al unui robot industrial este dimensiunea spațiului său de lucru. Spațiul de lucru este definit ca spațiul sau volumul în care un manipulator își poate poziționa efectorul final. În general, spațiul de lucru este important pentru a determina dacă un robot este potrivit pentru anumite aplicații. Spațiul de lucru al diferitelor manipulatoare este prezentat în Fig. 58.

Dezavantajul major al mașinilor-unelte convenționale este spațiul lor limitat de lucru. De exemplu, o mașină de frezat tipică cu trei axe seamănă cu robotul cartezian din Fig. 58a, care are un spațiu de lucru în formă de prismă dreptunghiulară. Acest lucru impune limite asupra formei și dimensiunii piesei prelucrate. Alte DOF trebuie adăugate mașinii-unelte pentru a-și mări spațiul de lucru. Pe de altă parte, roboții industriali pentru prelucrare iau în general o formă de robot articulat din Fig. 58d, care are, de asemenea, trei DOF-uri. Acest robot nu numai că are un spațiu de lucru mai mare, dar, de asemenea, datorită cinematicii sale extinse și flexibile (adică, accesibilitate mai mare), este adesea capabil să prelucreze piese cu detalii complicate și forme complexe, ceea ce ar necesita dispozitive și tehnici speciale pentru a le produce utilizând mașini-unelte convenționale.

Însă, cel mai mare neajuns al roboților industriali pentru a efectua operațiuni de prelucrare este flexibilitatea lor structurală. Legăturile și articulațiile unui robot industrial sunt mult mai puțin rigide decât cele ale mașinilor-unelte convenționale. Prin urmare, acuratețea și repetabilitatea mișcărilor unui robot sunt inferioare față de omologul său mașină-unealtă. Această flexibilitate are ca rezultat, de asemenea, o frecvență naturală structurală scăzută a robotului industrial, care este ușor de excitat în timpul operațiilor tipice de prelucrare și creează vibrații de amplitudine mare datorită rezonanței. Această vibrație rezonantă este nedorită deoarece produce o calitate slabă a suprafeței, sparge unealta de tăiere și deteriorează robotul.

Mașini-unelte cinematice paralele și hibride

După cum s-a discutat anterior, roboții industriali utilizează arhitectura cinematică în serie, care este o serie de legături sau corp conectate prin articulații de la bază la efectorul final. Principalele avantaje ale mecanismului serial sunt spațiul său mare de lucru și cinematica simplă. Mașinile-unelte CNC sunt, de asemenea, construite pe baza acelorași arhitecturi, în care fiecare DOF suplimentar este montat pe cel precedent. Principala diferență este că mașinile-unelte CNC sunt construite folosind structuri masive și baze largi pentru a asigura rigiditatea și, prin urmare, acuratețea la vârful sculei de tăiere. Dar, limitările acestui mecanism nu mai pot fi ascunse pe măsură ce tendința se îndreaptă către prelucrarea de mare viteză. Se datorează faptului că structurile grele ale mecanismului în serie sunt încă susceptibile la sarcini de încovoiere și vibrații atunci când se mișcă cu viteză mare.

Într-o arhitectură cinematică paralelă, toate legăturile (adică, barele) sunt conectate la baza fixă ​​și la aceeași platformă mobilă, care acționează ca efector final. Arhitectura oferă o rigiditate mai mare și mase în mișcare mai mici, ceea ce este un model atractiv pentru sarcini solicitante, cum ar fi prelucrarea de mare viteză. Majoritatea mașinilor-unelte cinematice paralele (PKMT = parallel kinematic machine tools) existente pot fi clasificate în două categorii principale pe baza articulației dintre legături și sol (sau bază), așa cum se arată în Fig. 60. Cea din Fig. 60a are articulații multi-DOF și bare de lungime variabile, în timp ce cea din fig. 60b are bare de lungime fixă cu articulații de alunecare.

PKMT-urile au fost promovate pentru mai multe avantaje. Au capacități de transport sarcini mai mari, deoarece sarcina totală poate fi împărțită de un număr de legături paralele. În plus, legăturile pot fi ușoare și foarte rigide pentru a minimiza inerția, pentru a crește rigiditatea structurală și raportul sarcină utilă-greutate și pentru a îmbunătăți performanțele dinamice, deoarece se poate obține o lățime de bandă mai mare. PKMT-urile sunt intrinsec mai exacte deoarece erorile reflectate la efectorul final sunt eroarea medie a articulaților în loc de eroarea cumulativă ca în cazul omologilor lor în serie. Utilizarea abundentă a articulațiilor multi-DOF (adică, sferice și universale) în PKMT asigură că legăturile suferă doar sarcini de compresiune sau de tracțiune, dar fără forțe de forfecare și momente de încovoiere sau de torsiune. Acest lucru reduce deformarea platformei, chiar și la sarcini mari. PKMT-urile complete/pure au tot atâtea grade de libertate cât numărul de bare. Un exemplu este prezentat în Fig. 61. Axul este montat pe platformă, care este deplasată de trei bare paralele. Această configurație este utilizată pe scară largă în găurirea sau filetarea de mare viteză.

Cinematica paralelă este, de asemenea, denumită cinematică în buclă închisă, în timp ce omologul său în serie este numit cinematică în buclă deschisă. În consecință, relațiile cinematice ale PKMT-urilor sunt considerabil mai complexe. Prezența articulațiilor pasive (adică, fără actuator) și multi-DOF (sau universale) complică și mai mult analiza cinematică. Astfel, controlul și calibrarea PKMT-urilor suferă de o sarcină de calcul grea. PKMT-urile sunt, de asemenea, predispuse fie la singularități seriale, fie paralele. Singularitățile sunt scenarii în care realizarea unei traiectorii ale platformei necesită valori extreme fie ale vitezelor articulare, fie ale forțelor articulare. Singularitățile seriale sunt configurații de mașină în care o viteză finită a platformei necesită viteze infinite ale articulației. În aceste scenarii, amplificarea vitezei este nulă, în timp ce amplificarea forței este infinită. Singularitățile paralele sunt configurații în care platforma devine incontrolabilă. În aceste scenarii, amplificarea vitezei este foarte mare, în timp ce amplificarea forței este aproape de zero. Pe lângă aceste dezavantaje, PKMT-urile au spațiu de lucru neregulat și o gamă limitată de mișcare, în special cea de rotație. Acest lucru limitează dimensiunea și forma piesei care pot fi prelucrate.

Pentru a rezolva problemele legate de PKMT complete, sunt introduse mașini-unelte cinematice hibride sau cinematice în serie-paralele. Ele combină mecanismele complet paralele cu mecanism serial suplimentar. Figura 62 prezintă o configurație hibridă utilizată pe scară largă pentru unelte de frezat cu 5 axe. În această configurație, un mecanism serial cu două DOF este montat pe un mecanism paralel asemănător cu cel prezentat în Fig. 61.

Mașini-unelte reconfigurabile (RMT =Reconfigurable Machine Tools)

Piețele competitive de astăzi sunt marcate de o tendință către un ciclu scurt de viață al produsului și o schimbare rapidă a cererii clientului pentru tipul și cantitatea de produs. Acest lucru necesită un răspuns rapid din partea sistemului de producție. Cele mai vechi sisteme de producție, cunoscute sub numele de Dedicated Manufacturing Systems (DMS), nu mai sunt potrivite pentru a îndeplini această tendință. Acest lucru se datorează faptului că astfel de sisteme sunt construite pentru a optimiza procesul de fabricație și uneltele în jurul unei piese sau unui produs specific. Adesea, astfel de sisteme produc o singură piesă prin operarea mai multor mașini-unelte în același timp. În consecință, sunt economice pentru volum mare și rate de producție ridicate, dar nu pot fi convertite pentru a manipula produse noi.
Pe de altă parte, sistemele flexibile de fabricație (FMS = flexible manufacturing systems) folosesc mașini-unelte CNC multifuncționale. Aceste mașini-unelte sunt capabile să găzduiască o mare varietate de piese, care este posibil să nu fi fost specificate în etapa de proiectare. Astfel, sistemele pot produce o gamă largă de produse diferite la volum modificabil. Însă, FMS sunt scumpe și gestionează o capacitate relativ mai mică. Experiențele industriale (Mehrabi et al. 2002) au arătat, de asemenea, că flexibilitatea mașinilor este adesea subutilizată pe parcursul ciclului lor de viață. În general, FMS nu are eficiența și robustețea în comparație cu DMS și resursele irosite fac ca FMS să fie neeconomic pentru multe situații de producție. Pe scurt, DMS au productivitate ridicată, dar flexibilitate scăzută, în timp ce FMS au caracteristici opuse, care sunt productivitate scăzută și flexibilitate ridicată.

Sistemul de fabricație reconfigurabil (RMS = reconfigurable manufacturing system) (Koren și colab. 1999) este un nou concept care face puntea dintre DMS și FMS. Este definit ca un sistem „proiectat la început pentru schimbarea rapidă a structurii, precum și a componentelor hardware și software, pentru a ajusta rapid capacitatea de producție și funcționalitatea într-o familie de piese ca răspuns la schimbările bruște ale pieței sau cerințelor de reglementare.” Cu alte cuvinte, acest sistem este proiectat să ofere suficientă flexibilitate (adică, funcționalitate) pentru a produce o întreagă familie de piese și pentru a crește și a se schimba pe durata de viață pentru a răspunde relativ rapid la schimbările pieței. Scopul RMS este de a atinge „exact capacitatea și funcționalitatea necesare, exact atunci când este nevoie”.

În timp ce o mașină CNC cu 3 axe poate fi modulul de bază pentru reconfigurarea multor sisteme de fabricație, Reconfigurable Machine Tool (RMT) poate aduce principiul reconfigurării la nivelul componentelor unui sistem de producție (Landers et al. 2001). Luați în considerare un exemplu de alegere a unei mașini-unelte pentru procesul de frezare de finisare a chiulasei auto cu suprafețe înclinate. Diferiți parametri în acest proces, incluzând toleranțele de prelucrare și parametrii de proces, au fost aceiași pentru toate suprafețele înclinate. Însă, suprafețele care urmează să fie frezate sunt în unghiuri diferite față de orizontală: 30^o (pentru chiulasa V6) și 45^o (pentru chiulasa V8), așa cum se arată în Fig. 63. O soluție dedicată pentru mașini-unelte ar avea nevoie de o stație personalizată pentru fiecare unghi. Astfel, luând în considerare varietățile de produse și cererile de produse în schimbare, cel mai probabil se va înclina spre mașinile CNC. Însă, o soluție comercială de mașini-unelte CNC ar necesita o mașină-unealtă CNC cu 5 axe, cu cinematică ortogonală. Ca alternativă, acum se poate lua în considerare o soluție reconfigurabilă în care mașina-unealtă este capabilă de cinematică pe 3 axe, cu un DOF pasiv suplimentar disponibil pentru reconfigurare în funcție de înclinarea suprafeței.

Figura 64 prezintă mai multe configurații RMT posibile bazate pe o cinematică cu trei DOF. Primul rând arată RMT-uride tip pivot în care axa poate fi rotită de-a lungul unei anumite axe. Pe al doilea rând sunt prezentate cele de tip arc în care axul poate fi orientat de-a lungul unui arc. Aceste diferite concepte de mașină au fost evaluate pe baza frecvenței naturale cele mai scăzute și a spațiului de lucru. RMT-urile de tip pivot aveau avantajul de a avea o masă în mișcare mai mică și, prin urmare, erau mai rigide. Cele mai scăzute frecvențe naturale obținute pentru RMT-uri de tip pivot au fost mai înalte decât cele ale diferitelor RMT-uri de tip arc. Însă, spațiul de lucru al RMT-urilor de tip pivot a fost restricționat la unghiuri mari de reconfigurare.

Primul prototip la scală maximă de RMT de tip arc montat lateral (Dhupia et al. 2006, 2008b), bazat pe Fig. 64f, este prezentat în Fig. 65. A fost construit în 1999 în Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems (ERC/RMS) de la Universitatea din Michigan pentru a prelucra o familie de piese de produse cu suprafețe înclinate, care există în unele blocuri motor sau chiulase de automobile. Mașina unealtă are trei DOF controlate de-a lungul coloanei sale, de-a lungul axei arborelui și de-a lungul axei mesei. O mișcare pasivă reconfigurabilă manual este mișcarea de reconfigurare unghiulară a arborelui, care permite reconfigurarea poziției unghiulare a arborelui în cinci locații prestabilite, la -15^o, 0^o, 15^o, 30^o și 45^o. Astfel, această mașină poate fi utilizată pe diferite suprafețe înclinate.

RMT de tip arc este o mașină non-ortogonală care poate avea caracteristici diferite la fiecare configurație a mașinii. Mașina este proiectată pentru a găuri și freza pe o suprafață înclinată, astfel încât unealta să fie perpendiculară pe suprafață.