Acum, informații pe scurt despre aceste aplicații una câte una.

1. Mașini cu control numeric din computer (CNC) 

Mașina CNC este cel mai bun și de bază exemplu de aplicare a mecatronicii în automatizarea producției. Funcționarea eficientă a mașinilor unelte convenționale, cum ar fi strungurile, mașinile de frezat, mașina de găurit depinde de abilitatea și instruirea operatorului. De asemenea, se consumă mult timp în setarea grupului de lucru, alegerea sculelor și controlul parametrilor de proces: alimentarea, viteza, adâncimea de tăiere. Astfel, prelucrarea convențională este lentă și costisitoare pentru a face față provocărilor schimbării frecvente a formei și mărimii produsului/piesei.  

Figura 1.2.1 Comparație între o mașină-unealtă convențională și o mașină-unealtă CNC 

Mașinile CNC sunt acum utilizate pe scară largă în industrii de scară mică și mare. Mașinile-unelte CNC sunt parte integrantă a sistemului de fabricație asistată de computer (CAM) sau a sistemului de fabricație integrată cu computer (CIM). CNC înseamnă operarea unei mașini-unelte printr-o serie de instrucțiuni codate constând din numere, literele alfabetului și simboluri pe care unitatea de control a mașinii (MCU) le poate înțelege. Aceste instrucțiuni sunt convertite în impulsuri electrice de curent pe care le urmează motoarele și comenzile mașinii pentru a efectua operațiuni de prelucrare pe o piesă de lucru. Numerele, literele și simbolurile sunt instrucțiunile codificate care se referă la distanțe, poziții, funcții sau mișcări specifice pe care mașina unealtă le poate  înțelege.  

CNC ghidează automat mișcările axiale ale mașinilor-unelte cu ajutorul computerelor. Operațiunile auxiliare, cum ar fi lichid de răcire on-off, schimbarea sculei, deschidere-închidere ușă sunt automatizate cu ajutorul microcontroller-elor. Fig. 1.2.1  arată diferențele fundamentale dintre o mașină-unealtă convențională și una CNC. Operarea manuală a mișcărilor de masă  și axului este automatizată prin utilizarea unor controlere și servomotoare CNC. Viteza axului și fluxul de lucru pot să fie  controlate și menținute cu precizie la nivelul programat de regulator. Controlerul dispune de facilitate de auto-diagnosticare  care în mod regulat alarmează operatorul în caz de orice încălcare a normei de siguranță: ușa deschisă în timpul prelucrării, uzură/rupere sculă etc. Mașinile-unelte moderne sunt acum echipate cu driver-e cu mai puțină frecare, cum ar fi driver-e cu șurub cu bile recirculate, motoare liniare etc. Studiul în detaliu a diferitelor elemente de astfel de sistem bazat pe mecatronică este principal obiectiv al acestui curs și ele sunt descrise în următoarele module.

 2. Sisteme de monitorizare a uneltelor  

Prelucrarea neîntreruptă este una dintre provocările producătorilor din față pentru a îndeplini obiectivele de producție și satisfacția clienților în ceea ce privește calitatea produselor. Uzura sculelor este un factor critic care afectează productivitatea unei operațiuni de prelucrare. Automatizarea completă a unui proces de prelucrare se realizează atunci când există o predicție cu succes a stării (uzurii) sculei în timpul operațiunii de prelucrare. Sistemul de monitorizare a condițiilor de uzură-sculă de așchiere bazat pe mecatronică este o parte integrantă a camerelor de scule automate și a fabricilor fără oameni. Aceste sisteme prezic uzura sculei și dau alarmă operatorului de sistem pentru a preveni deteriorarea mașinii-unelte și piesei de lucru. Prin urmare, este esențial să cunoaștem modul în care mecatronica ajută la monitorizarea uzurii uneltei. Uzura sculelor poate fi observată într-o varietate de moduri. Acestea pot fi clasificate în două grupe (tabelul 1.2.1). 

Tabelul 1.2.1 Sisteme de monitorizare a uneltelor [2] 

Metodele directe se referă la aplicarea diferitelor instrumente de măsurare și detectare, cum ar fi microscop, viziune mașină/  cameră; tehnici radioactive pentru măsurarea uzurii uneltei. Sculele de tăiere folosite sau uzate vor fi duse la secția de metrologie sau inspecție a atelierului de sculărie unde vor fi examinate folosind una dintre metodele directe. Dar, aceste metode pot fi  aplicate cu ușurință în practică atunci când unealta de tăiere nu este în contact cu piesa de prelucrat. Prin urmare, ele sunt numite sistem offline de monitorizare a uneltelor. Figura 1.2.2 prezintă o schemă de măcinare sau înlocuire a muchiilor sculei, bazată pe măsurarea efectuată cu ajutorul sistemului de monitorizare offline. Metodele offline consumă mult timp și sunt dificil de utilizat pe parcursul unei operațiuni efective de prelucrare în atelier.  

Figura 1.2.2 Sistem de monitorizare a uneltelor off-line și on-line pentru măcinarea muchiilor sculei 

Metodele indirecte prezic starea sculei de tăiere prin analizarea relației dintre condițiile de tăiere și răspunsul procesului de prelucrare ca o cantitate măsurabilă prin semnalele de ieșire ale senzorului, cum ar fi forța, emisia acustică, vibrația sau  curentul. 

Fig. 1.2.2 prezintă un exemplu tipic de sistem de monitorizare on-line a uneltelor. Acesta folosește forțele de tăiere înregistrate pe durata operației de tăiere în timp real pentru a prezice uzura uneltei. Forțele de tăiere pot fi detectate prin utilizarea traductorului de forță bazat pe piezoelectricitate sau marcă tensometrică. Un sistem de control bazat pe microprocesor monitorizează  continuu semnalele „condiționate” primite de la Sistemul de Achiziție a Datelor (DAS). Acesta este, în general, programat/instruit cu date empirice, înregistrate în trecut, pentru o largă gamă de condiții de proces pentru o varietate de materiale. Instrumente de inteligență artificială (AI), cum ar fi rețeaua neuronală artificială (ANN), algoritmul genetic (GA) sunt utilizate pentru a instrui regulat sistemul bazat pe microprocesor. Pe baza acestei instruiri, sistemul de control ia decizia de a schimba unealta sau de a alarma operatorul. În Figura 1.2.3 sunt prezentate diverse etape urmate în abordarea on-line pentru a măsura uzura uneltei și pentru a lua măsurile corespunzătoare. 

 Figura 1.2.3 Pașii urmăriți într-un sistem indirect de monitorizare a uneltelor 

Multe studii academice, precum și cercetări industriale au fost efectuate pe studii numerice și experimentale de proiectare, dezvoltare și analiză a „Sistemelor de monitorizare a condițiilor uneltei”. Cititorilor li se recomandă să răsfoiască diverse reviste internaționale, cum ar fi International Journal of Advanced Manufacturing Technology (Springer), International Journal of Machine Tool and Manufacture; International Journal of Materials Processing Technology (Elsevier) etc. pentru a afla mai multe despre aceste tehnici. 

3. Sisteme avansate de fabricație 

 3.1 Sistem flexibil de fabricație 

În prezent clienții cer o mare varietate de produse. Pentru a satisface această cerere, conceptul de „producție” al producătorilor s-a îndepărtat de la „masă” la un tip de „lot” mic. Producția de lot oferă mai multă flexibilitate în fabricarea produselor. Pentru a răspunde acestei nevoi, s-au dezvoltat sistemele flexibile de fabricație (FMS). 

Conform lui Rao, P.N. [3], FMS combină microelectronica și ingineria mecanică pentru a aduce economiile la scala lucrării pe lot. Un computer online central controlează mașinile-unelte, alte stații de lucru și transferul de componente și scule. Computerul oferă monitorizare și controlul informațiilor. Această combinație de flexibilitate și control general face posibilă producerea unei game largi de produse în număr mic. 

FMS este o celulă sau un sistem de producție constând dintr-una sau mai multe mașini CNC, conectate prin sistem automatizat de manipulare a materialelor, roboți pick-and-place și toate operate sub controlul unui computer central. De asemenea, are subsisteme auxiliare precum stația de încărcare/descărcare a componentelor, sistemul de manipulare automată a uneltelor, presetarea uneltelor, stația de măsurare a componentelor, stația de spălare etc. Fig. 1.2.4 prezintă un aranjament tipic al sistemului FMS și componentele sale. Fiecare dintre acestea va avea mai departe elemente care depind de cerința descrisă mai jos, 

A. Stații de lucru 

• Mașini-unelte CNC

• Echipament de asamblare

• Echipament de măsurare

• Stații de spălare 

B. Echipamente de predare a materialelor

• Stații de încărcare-descărcare  (paletizare)

• Robotică

• Vehicule ghidate automat (AGV)

• Sisteme automatizate de stocare și regăsire (AS/RS) 

C. Sisteme de scule

• Stații de setare a sculelor

• Sisteme de transport scule 

D. Sisteme de control

• Echipamente de monitorizare

• Rețele 

Se poate observa că FMS este prezentat cu două centre de prelucrare, adică, centru de frezare și centru de strunjire. Pe lângă acestea, are stații de încărcare/descărcare, AS/RS pentru stocarea pieselor și materiilor prime și un AGV ghidat pe sârmă pentru transportul pieselor între diverse elemente ale FMS. Acest sistem este complet automat, înseamnă că are facilități de schimbare  automată a uneltelor (ATC) și de schimbare automată a paletelor (APC). Computerul central controlează funcționarea și coordonarea generală între diverși componenți ai sistemului FMS. 

Video atașat aici oferă o imagine de ansamblu a unui sistem FMS

Caracteristicile unui sistem FMS sunt următoarele: 

1. FMS rezolvă problemele de producție de varietate medie și de volum mediu pentru care nu sunt adecvate nici liniile de transfer cu viteză ridicată de producție, nici mașinile CNC de sine stătătoare și cu înaltă flexibilitate.
2. Mai multe tipuri de amestec definit pot fi procesate simultan.
3. Schimbarea sculei în timp este neglijabilă.
4. Manipularea pieselor de la mașină la mașină este mai ușoară și mai rapidă din cauza angajării sistemului de manipulare a materialelor controlat de computer.

Beneficiile unui FMS

• Flexibilitate pentru a schimba varietatea de piese
• Productivitate mai mare
• Utilizarea mai mare a mașinii
• Mai puține respingeri
• Calitate ridicată a produsului
• Lucru în proces și inventar reduse
• Un control mai bun asupra producției
• Fabricare la timp
• Funcționare cu echipă minimă
• Mai ușor de extins 

3.2 Fabricarea integrată cu computer (CIM) 

În ultima prelegere, am văzut că o serie de activități și operații, adică proiectarea, analiza, testarea, fabricația, ambalarea, controlul calității etc. sunt implicate în ciclul de viață al unui produs sau al unui sistem (vezi fig. 1.1.4). Aplicarea principiilor automatizării la fiecare dintre aceste activități sporește productivitatea numai la nivel individual. Acestea sunt denumite „insule de automatizare”.  Integrarea tuturor acestor insule de automatizare într-un singur sistem îmbunătățește productivitatea generală. Un astfel de sistem este numit „Computer Integrated Manufacturing (CIM)”.

Societatea Inginerilor de Fabricare (SME) a definit CIM drept „CIM este integrarea întreprinderii totale de producție prin utilizarea  sistemelor integrate și a comunicațiilor de date, împreună cu noi filozofii manageriale care îmbunătățesc eficiența organizațională și personală”.

CIM practic implică integrarea unor tehnologii avansate, cum ar fi proiectarea asistată de computer (CAD), fabricația asistată de  computer (CAM), controlul numeric prin calculator (CNC), roboți, sisteme automate de manipulare a materialelor, etc. Astăzi CIM s-a mutat cu un pas înainte prin includerea și integrarea activităților de îmbunătățire a afacerii, cum ar fi satisfacția clienților, calitatea totală și îmbunătățirea continuă. Aceste activități sunt acum gestionate de computere. Echipele de afaceri și marketing  alimentează continuu feedback-ul clienților către echipele de proiectare și producție prin utilizarea sistemelor de rețea. Pe baza cerințelor clienților, echipele de proiectare și producție pot îmbunătăți imediat designul produsului existent sau pot dezvolta un produs complet nou. Astfel, utilizarea computerelor și automatizarea tehnologiile au făcut industria de fabricație capabilă să ofere un răspuns rapid la nevoile în schimbare ale clienților.  

4. Roboți industriali 

Roboții industriali sunt mașini reprogramabile de uz general, care răspund la semnale senzoriale primite din mediul sistemului.  Pe baza acestor semnale, roboții desfășoară o muncă sau activitate programată. De asemenea, iau decizii independente simple și comunică/interacționează cu celelalte mașini și computerul central. Roboții sunt angajați pe scară largă în următoarele aplicații din fabricare [3]:   

A. Manipularea pieselor: implică diverse activități, cum ar fi:

• Recunoașterea, sortarea/separarea pieselor
• Alegerea și plasarea pieselor în locațiile dorite
• Paletizare și de-paletizare
• Încărcarea și descărcarea pieselor pe mașinile necesare 

B. Prelucrarea pieselor: aceasta poate implica multe operațiuni de fabricație, cum ar fi: 

• Decupare
• Frezare
• Nituire
• Sudare cu arc
• Măcinare
• Tăiere cu flacără
• Debavurare
• Vopsire prin pulverizare
• Acoperire
• Sablare
• Acoperire prin imersiune
• Lipire
• Lustruire
• Tratament termic 

C. Construirea de produse: aceasta implică dezvoltarea și construirea de produse diverse cum ar fi:

• Motoare electrice
• Caroserii auto
• Solenoizi
• Plăci de circuite și operații de genul 

o Fixare cu șuruburi
o Nituire
o Sudura în puncte
o Sudura cu cusături
o Inserție
o Fixare în cuie
o Montare
o Lipirea adezivă
o Inspecție 

5. Sisteme automate de control și inspecție a calității 

Furnizarea unui produs sau a unui sistem de bună calitate pe piață este obiectivul de bază al industriei prelucrătoare. Produsul trebuie să satisfacă nevoile clienților și trebuie să fie fiabil. Realizarea acestui parametru important al produsului într-un timp scurt  este o provocare pentru industria prelucrătoare. Acest lucru poate fi obținut prin crearea „calității” chiar din stadiul de proiectare a produsului; și menținerea standardelor în „etapele de producție” până la livrarea produsului pe piață.

Au fost dezvoltate o serie de senzori și sisteme care pot monitoriza calitatea continuu cu sau fără asistența operatorului. Aceste tehnologii includ diverși senzori și sisteme de achiziție de date, sisteme de vizualizare a mașinii, instrumente de metrologie, cum ar fi mașina de măsurare în coordonate (CMM), profilometre optice, calibratoare digitale și manometre cu șurub etc. În zilele noastre,  activitățile de control al calității se desfășoară chiar din etapa de proiectare a dezvoltării produselor. Diferite software de simulare bazate pe fizică sunt utilizate pentru a prezice performanța produsului sau a sistemului care urmează să fie dezvoltat. La fabricarea de produse precum nave spațiale sau avioane, toate componentele sunt monitorizate critic prin utilizarea sistemele de imagistică digitală de-a lungul dezvoltării lor. 

În modulul următor, vom studia diverși senzori, dispozitive de condiționare a semnalului și dispozitive de conversie a datelor care sunt utilizate în mod obișnuit în mecatronică și automatizarea producției.

Sarcina 1 Vizitați în atelierul de scule din apropiere sau atelierul de lucru CNC și pregătiți un studiu de caz pe un exemplu de viață reală pentru sistemul de monitorizare a uzurii uneltei utilizat în același lucru.

Sarcina 2 Diferențiază între un sistem FMS și un sistem CIM. Pregătiți un raport cu privire la modul în care automatizarea poate spori productivitatea unui atelier de sculărie pentru fabricarea matrițelor pentru a răspunde cerințelor în schimbare ale clienților în ceea ce privește forma, dimensiunea și calitatea matrițelor.