Maşini şi sisteme de producţie reconfigurabile

Maşini reconfigurabile Necesitatea maşinilor reconfigurabile Maşinile reconfigurabile (M.R.) sunt maşini a căror structură poate fi modificată pentru a asigura fie funcţii suplimentare fie modificarea capacităţii de producţie pentru a putea răspunde variaţiei cererii. Starea originală a maşinii poate fi restabilită continuu sau modificată pentru adăugarea de noi funcţii atunci când sunt necesare. Concepţia M.R. are deci două obiective:

1. Adaptarea funcţionalităţii maşinii pentru a putea prelucra noi membri ai unei familii de piese; 2. Creşterea productivităţii maşinii prin adăugarea de noi resurse.

M.R. sunt concepute pe baza caracteristicilor comune ale unei familii de piese, aceasta fiind principala trăsătură care le deosebeşte de maşinile flexibile sau specializate.

Exemplu: Chiar dacă între chiulasele din fig. există diferenţe destul de mari, configuraţia de bază a tuturor pieselor este aceeaşi. În această situaţie se poate proiecta o M.R. care să realizeze operaţiile de prelucrare comune tuturor membrilor familiei de piese. În mod similar poate fi concepută o maşină de control reconfigurabilă care să realizeze operaţiunile de inspectare a unui set de dimensiuni al pieselor familiei după care se poate reconfigura pentru inspectarea unui alt set de caracteristici. Conceptul M.R. poate contribui la fabricarea de piese la costuri scăzute.

Fig. 1. Chiulase de diverse tipuri

Maşinile reconfigurabile constituie o nouă clasă care umple golul dintre maşinile specializate şi maşinile flexibile (tab. 1).

Tipul maşinii Specializată Reconfigurabilă Flexibilă

Geometria piesei date

Configuraţie geometrică fixă

Configuraţie geometrică a familiei de piese

Orice geometrie

Viteza de operare Foarte rapidă Rapidă Redusă

Flexibilitate Rigidă Flexibilitate adaptată familiei de piese

Flexibilitate deplină

M.R. au o flexibilitate mai redusă însă compensează printr-o capacitate de producţie mult mai mare. Pentru crearea unei M.R., familia de piese (chiar şi cele potenţiale) trebuie bine analizată înainte de proiectarea maşinii. Aceasta va crea posibilitatea ca M.R. să opereze sarcini repetitive cu o viteză ridicată, similar maşinilor specializate, însă spre deosebire de acestea M.R. au suficientă flexibilitate astfel încât să producă la cerere, oricare din membrii familiei de piese în cantităţi mari. Comportarea M.R. într-un mediu dominat de volatilitatea cererii este superior maşinilor flexibile care sunt concepute pentru o gamă cât mai largă de operaţii şi apoi sunt adaptate pentru o anumită piesă prin intermediul programului de prelucrare. Scopul primar al M.R. este acela de a face faţă modificărilor producţiei sau pieselor prelucrate, variaţii ce pot fi de tipul:

geometria pieselor; volumul şi ritmul de producţie; procesele necesare; proprietăţile materialelor (tipul materialului, duritatea etc.).

Convertibilitatea - adaptarea funcţionalităţii la geometria piesei Adăugarea unui nou modul pentru creşterea numărului de axe de deplasare sau înlocuirea pentru schimbarea unuia din gradele de libertate poate schimba funcţionalitatea maşinii pentru diferite geometrii ale membrilor unei familii de piese. În fig. 2 este prezentată schema posibilităţilor de reconfigurare a unui centru de prelucrare cu 5 axe care include două axe de rotaţie opţionale.

Fig. 2. Componentele pentru reconfigurarea unei axe de rotaţie

Fig. 3. Centru de prelucrare prin strunjire şi frezare multiax

Scalabilitatea - modificarea volumului şi ritmului de producţie Pentru creşterea ritmului producţiei, productivitatea unei maşini poate fi modificată prin trecerea de la prelucrarea monoax la prelucrarea multiax. Aceasta permite realizarea simultană a mai multor operaţii de prelucrare. Pe o maşină se pot monta diverse capete de prelucrare cu viteze de aşchiere şi puteri diferite. Un exemplu este prezentat în fig. 3, în care pe o M.R. o piesă amplasată pe o masă rotativă este prelucrată simultan de patru capete de prelucrare. Reconfigurarea pentru modificarea operaţiilor de prelucrare În afara modificării tipului de scule şi a capului de prelucrare, uneori configuraţia maşinii unelte poate fi modificată pentru a se adapta la schimbarea tipului de prelucrări. În unele aplicaţii, strunjirea se pateu face nu doar pe centre de strunjire ci şi pe maşini de frezat, iar operaţii de frezarea sau găurire se pot realiza pe strunguri utilizând un cap de frezat care înlocuieşte suportul port-sculă. Reconfigurarea pentru proprietăţile materialului Frezarea titanului necesită momente de prelucrare ridicate la viteze mici, în timp ce frezarea aluminiului are cerinţe opuse, moment de prelucrare redus şi viteze ridicate de aşchiere. Pe acest considerent în industria aerospaţială exisă maşini de frezat proiectate pentru înlocuirea rapidă a capului de prelucrare în funcţie de materialul semifabricatului.

Caracteristicile şi principiile maşinilor reconfigurabile Maşinile reconfigurabile sunt proiectate în jurul unei familii de piese. Abordarea proiectării din acest punct de vedere creează maşini mai simple însă şi cu o flexibilitate mai redusă. Cu toate acestea maşina are toate funcţiile şi flexibilitatea necesare producerii întregii familii de piese. Această caracteristică poartă denumirea de specializare sau flexibilitate specializată, spre deosebire de flexibilitatea generală caracteristică maşinilor unelte CNC. O maşină reconfigurabilă poate fi definită ca maşina proiectată pentru modificarea rapidă a structurii în scopul ajustării capacităţii de producţie şi/sau a funcţionalităţii pentru prelucrarea unei familii de piese. M.R. pot fi uşor modificate astfel încât să corespundă unei piese sau alteia din familie, proprietate numită capacitate de răspuns. Aceasta este caracterizată printr-o serie de caracteristici de bază înglobate în structura sa mecanică şi în comenzile maşinii. În general sunt şase caracteristici de bază:

Individualizarea - proprietatea de a avea o flexibilitate specifică astfel încât să corespundă cerinţelor familiei de piese;

Scalabilitatea - reprezintă capacitatea de a putea modifica răspunsul maşinii prin eliminarea sau adăugarea de noi componente;

Convertibilitatea - reprezintă capacitatea de a redirecţiona eficienta funcţionalitatea maşinii şi comenzile acesteia pentru a corespunde cerinţelor producţiei;

Modularitatea - reprezintă compartimentarea funcţiilor şi componentelor fizice în unităţi care pot fi combinate pentru obţinerea de configuraţii diferite ale maşinii;

Integrabilitatea - este capacitatea de a integra modulele maşinii rapid şi precis printr-un set de interfeţe mecanice, informaţionale şi de comandă;

Diagnoza - este capacitatea de monitorizare a stării curente a maşinii şi comenzilor astfel încât să se detecteze şi diagnosticheze cauza principală a fabricării de produse defecte.

Principiile de proiectare a maşinilor reconfigurabile M.R. pot fi modificate pentru a răspunde variaţiilor geometriei pieselor sau cerinţelor pieţei şi pentru aceasta ele sunt proiectate conform următoarelor trei principii:

1. M.R. trebuie să aibă o structură ajustabilă care să permită scalabilitatea maşinii în raport cu cerinţele pieţei sau convertibilitatea pentru a se adapta la noi produse;

2. M.R. sunt proiectate în jurul unei familii de piese având o flexibilitate adaptată fabricării tuturor membrilor acesteia;

3. M.R. înglobează un set de caracteristici de bază atât în structura hardware cât şi în cea de control.

Maşini unelte reconfigurabile Maşini unelte modulare Există o tendinţă naturală în a asocia maşinile reconfigurabile cu cele modulare. Este adevărat că modularitatea componentelor maşinii este o condiţie suficientă pentru reconfigurare însă exisă maşini reconfigurabile fără a fi neapărat modulare. Cu toate astea, maşinile modulare reprezintă o clasă importantă a maşinilor reconfigurabile. În fig. 4 sunt prezentate exemple de centre de prelucrare modulare în trei axe.

Fig. 4. Centre de prelucrare modulare

Elementele de acţionare sunt electrice şi conectate prin fire la comenzi. Unele module necesită acţionare hidraulică sau pneumatică. Integrarea modulelor într-o maşină operaţională necesită interfeţe pentru conexiunile electrice, hidraulice, pneumatice etc. Aceste interfeţe pot fi clasificate în trei categorii: mecanice, de acţionare şi de informaţii sau control (fig. 5). Interfaţa mecanică defineşte geometria şi cinematica maşinii. Interfeţele de acţionare şi electrică limitează mărimea şi dinamica maşinii. Interfeţele informaţionale conectează diversele controale şi senzori prin reţele de comunicare cu calculatoarele realizând transmisia de date. Pentru a respecta cerinţele unei structuri deschise, modulare, aceste interfeţe trebuie stabilite în detaliu.

Fig. 5. Interfeţe ale modulelor

Legăturile electrice şi traseele hidraulice/pneumatice pot constitui un obstacol important în obţinerea reconfigurării. Absenţa interfeţelor mecanice adecvate care să asigure reglarea şi alinierea rapidă a modulelor poate, de asemenea, crea o barieră în reconfigurarea maşinilor. Un alt obstacol în utilizarea pe scară largă a maşinilor modulare îl constituie lipsa unor metode de calibrare rapidă şi de aliniere a modulelor. Din aceste motive, modificarea configuraţiei unei maşini este uneori puţin practică. Pentru a obţine maşini modulare practice este deci necesar ca fiecare modul să fie autonom şi funcţional

independent. Este de asemenea nevoie de o standardizare a interfeţelor de conectare a modulelor, acest lucru neexistând în acest moment. M.R. multi-scule Deşi beneficiază doar de o „flexibilitate adaptată”, M.R. asigură acea flexibilitate necesară prelucrării unei familii specifice de piese. Un exemplu de flexibilitate adaptată îl reprezintă maşinile de găurit multiax. Acestea au mai multe axe principale pe care sunt montate burghie ce pot găuri simultan conform unui anumit model. O maşină de găurit multiax reconfigurabilă poate realiza toate găurile necesare pentru un membru al unei familii de piese după care se reconfigurează pentru a realiza un alt model de găuri necesar unei alte piese din familie. Un exemplu este prezentat în fig. 6, maşina respectivă fiind capabilă să realizeze simultan între 10 şi 50 de găuri conform unui anumit model, dintr-o singură deplasare pe axa Z. La prelucrarea unei alte piese, capul de găurire poate fi înlocuit sau există posibilitatea ca însuşi capul de găurire să fie reconfigurabil.

Fig. 6. Maşină unealtă reconfigurabilă

Fig. 7. Module pentru reconfigurare

Un alt exemplu, în care module monoax pot schimba funcţionalitatea unei maşini este prezentat în fig. 7. În acest caz, prin utilizarea de module multiple se pot obţine configuraţii multiax cu prelucrare pe orizontală sau verticală. La M.R. mai sofisticate capul multiax este plasat pe o masă indexabilă ce se poate roti cu 80o pentru a se adapta mai bine pieselor prelucrate. Conceptul din fig. 7 a fost patentat de Koren & Kota. Conform acestuia module monoax pot fi montate pentru operarea simultană sub diverse unghiuri. La modificarea dimensiunilor şi formei pieselor, axele pot fi reamplasate pentru a realiza aceeaşi operaţie într-o altă locaţie sau înlocuite cu altele pentru operaţii diferite. O provocare majoră este păstrarea preciziei maşinilor după operaţia de reconfigurare. Multe M.R. conţin module care au fost integrate în diverse moduri pentru a rezulta noi configuraţii ale maşinii. Fiecare modul are interfaţa sa şi toleranţele sale. Mişcările combinate ale sculei aşchietoare şi semifabricatului determină

precizia maşinii, la fel ca şi diversele combinaţii ale modulelor şi interfeţelor acestora. Precizia generală a maşinii este influenţată de rigiditatea statică şi dinamică şi de deformaţiile termice ale elementelor. Maşini reconfigurabile de tip arcadă Maşinile reconfigurabile de tip arcadă au fost concepute pentru operaţii de frezare, găurire şi filetare a chiulaselor la 30 sau 45o faţă de planul de simetrie. Un exemplu este maşina prezentată în fig. 8. Trebuie menţionat faptul dacă s-ar fi utilizat o maşină CNC convenţională, ar fi fost necesare controlul a patru sau cinci axe pentru prelucrarea suprafeţelor înclinate ale piesei. În fig. 9 este prezentat un nou tip de maşină neortogonală, care are doar trei axe comandate şi care poate executa frezări şi găuriri pe suprafeţe înclinate la 45o. Maşina are capacitatea de ajustare a unghiului axei Z prin alunecarea pe o arcadă şi fixarea în poziţia dorită. Pentru aceasta se utilizează un mecanism de tip şurub cu bile care nu necesită toleranţele obişnuite ale axelor maşinilor CNC.

Fig. 8. Două configuraţii ale aceleiaşi maşini Fig. 9. Maşină în trei axe neortogonale

Fig. 10. Concept de maşină de tip arcadă

Principalele axe ale maşinii sunt: X - mişcarea orizontală a mesei maşinii, Y - mişcarea pe direcţie verticală şi Z - axa de înclinare.

Dispozitive reconfigurabile Prelucrarea în serie a pieselor de dimensiuni mari sau complexe (cum este cazul chiulaselor) necesită amplasarea acestora pe dispozitive speciale astfel încât să fie corect poziţionate în vederea aşchierii. Deoarece majoritatea pieselor au mai multe suprafeţe ce trebuie prelucrate, soluţia convenţională ar fi utilizarea unor dispozitive diferite pentru fiecare operaţie. Atunci când o suprafaţă este complet prelucrată piesa este eliberată din dispozitivul curent şi apoi plasată în altul pentru prelucrarea altei suprafeţe. Costul unui dispozitiv complex poate ajunge chiar şi la 30000 $. Un dispozitiv reconfigurabil poate cuprinde aceeaşi piesă pentru diferite orientări sau uneori poate fi utilizat pentru orientarea unor piese diferite din aceeaşi familie. Pentru scăderea costurilor, în industrie se utilizează uneori dispozitive modulare care sunt alcătuite din componente interconectate ce pot fi asamblate astfel încât să se potrivească diverselor piese din familie. Acest tip de dispozitive permit orientarea doar a unor piese simple. Piesele complexe necesită dispozitive cu un grad ridicat de reconfigurare. În acest scop au fost propuse o serie de concepte. Unul dintre acestea se bazează pe utilizarea unui pat de plunjere cu înălţimea ajustabilă, concept utilizat atât în deformarea plastică a tablelor cât şi în prelucrarea prin aşchiere. Fiecare plunjer necesită ajustarea precisă a înălţimii fie manual fie cu ajutorul unor motoare şi controlere. Niciunul dintre aceste moduri de reglare nu este practic fiind consumatoare de timp sau foarte scumpe. Centrul de Cercetare şi dezvoltare al General Motors a dezvoltat un concept alternativ pentru dispozitivele reconfigurabile. Acestea constau din elemente hidraulice modulare care asigură suportul (orientarea) şi fixarea semifabricatelor amplasate pe o bază magnetică (electromagneţi şi magneţi permanenţi) pentru poziţionarea modulelor. Magneţii permanenţi menţin elementele hidraulice în poziţia necesară chiar şi atunci când dispozitivul nu este alimentat cu energie electrică. Tot baza are şi elementele pentru acţionarea componentelor hidraulice.

Fig. 11. Dispozitiv reconfigurabil (General Motors)