¿Ha dicho hexápodos?

Las fresadoras convencionales están, generalmente, basadas en una estructura en serie (hay tantos ejes como grados de movimiento exigidos y los ejes están colocados en serie). Esto da como resultado una única cadena cinemática. Los ejes suelen estar dispuestos de acuerdo a los ejes cartesianos, lo que significa que hay un eje X, otro Y y otro Z, además de los ejes rotacionales, si fueran necesarios. Este tipo de máquinas son simples de operar porque cada eje controla directamente un grado cartesiano de movimiento y no se producen acoplamientos entre ellos.

La desventaja de estos mecanismos en serie es que cada eje debe transportar cargas en todas las direcciones y soportar el peso del resto de los ejes. Esto tiene como resultado la movilización de grandes masas con una escasa dinámica, especialmente en máquinas de grandes dimensiones.

La tendencia existente hoy en día hacia el uso de máquinas de alta velocidad hace imprescindible el desarrollo de máquinas con una elevada dinámica, es decir, construcciones robustas con pequeñas masas móviles.

Un paso adelante en este sentido es el uso de mecanismos paralelos. Los ejes de un mecanismo paralelo no están dispuestos en serie, sino que todos los ejes tienen un vínculo directo entre la plataforma y la base de la máquina.

Un ejemplo de este tipo de estructura es la "Stewart Platform" (Plataforma de Stewart), también conocida como "Hexápodo", que fue introducida por primera vez en 1949 por v. Gough para realizar pruebas de neumáticos. A finales de los años 60, D. Stewart adaptó este mecanismo para simuladores de vuelo. Esta estructura está compuesta por tantos ejes como grados de libertad (seis), y cada eje sólo define una única fuerza en la dirección de su propia orientación. Esto significa que no se producen inclinaciones; los ejes simplemente tienen fuerzas de tracción o de compresión, lo que se traduce en una construcción ligera pero de gran rigidez. La construcción de los mecanismos paralelos no es excesivamente cara ya que muchas de las piezas son similares y su fabricación no conlleva grandes complicaciones a nivel mecánico.

Entrada en Europa

A principios de este año se instaló en Europa el primer hexápodo; la Variax Hexacenter, diseñada y desarrollada por el constructor Giddings and Lewis (Wisconsin, Estados Unidos). La máquina, instalada en la Universidad de Nottingham, constituye la base de un programa de investigación denominado RAMM (Rapid Response Aerospace Manufacturing - (Respuesta Rápida a la Producción Aeroespacial). Un proyecto cuyo presupuesto alcanza los 600 Mptas, y que está destinado fundamentalmente al sector de la aeronáutica.

El primer objetivo del equipo de investigación de la Universidad de Nottingham es la optimización del comportamiento de los hexápodos. Para obtener el mayor rendimiento de este tipo de arquitectura, es necesario definir parámetros diferentes a los que se utilizan en las máquinas-herramienta tradicionales. El husillo portaherramientas se soporta en seis brazos que se extienden o se retraen según la forma de la pieza que a mecanizar. Esta geometría permite contar con una mayor rigidez, precisión y velocidad en el proceso. Se trata, sin duda, de una concepción muy distinta a las máquinas convencionales de arquitecturas ortogonales con bancadas de hierro apoyadas en grandes estructuras que contrarrestan los esfuerzos de corte.

La estructura del hexápodo no lleva piezas susceptibles de vibrar; de hecho, los brazos están en extensión o en compresión, por lo que se obtiene una rigidez muy elevada. Las piezas son, además, muy ligeras. Esta combinación, rigidez/ligera masa transportada, permite que las velocidades de corte sean muy elevadas, así como las aceleraciones y deceleraciones muy rápidas.

Sin embargo, no todo son ventajas para esta nueva concepción de maquinaria. Uno de los mayores frenos con los que se ha encontrado su desarrollo ha sido la potencia del cálculo. Los algoritmos matemáticos y los programas de mando que calculan la retracción o la extensión de los brazos para reposicionar constantemente el husillo dentro del espacio requieren una potencia de cálculo enorme. Para obtener la velocidad de cálculo necesario para realizar el control se requiere el equivalente a varios PCs trabajando en paralelo. Las coordenadas del accionador no se pueden expresar en las coordenadas cartesianas, por lo es necesaria su transformación. Además, para obtener un control exhaustivo, hay que calcular la dinámica de la máquina y todos los acoplamientos. Con la última generación de los procesadores RISC, como el PC 604/300, esto ya es posible. De hecho, se requieren prestaciones de cómputo similares a las de los robots avanzados.

Ha sido necesario, por tanto, esperar a que la potencia de cálculo requerida fuera asequible en términos físicos y económicos para continuar con el desarrollo de este tipo de arquitecturas. La sofisticación informática, sin embargo, no es patente para el usuario, ya que estas máquinas se programan exactamente igual que si se tratase de un centro de fresado tradicional. La interface con el operador es exactamente la misma.

Otro inconveniente que presentan los mecanismos paralelos es que el área de trabajo es menor que el de las máquinas convencionales. Además, ofrecen menos posibilidades para diseñar un área con una forma muy específica. El hexápodo debe construirse con unas dimensiones similares en cada lado, luego, si se quisiera realizar el mecanizado de una pieza que presenta diferentes longitudes en sus lados, sería necesario utilizar una máquina de grandes dimensiones.

Los brazos telescópicos presentan también un pequeño problema en este tipo de estructuras, pues es complejo fabricar telescopios muy rígidos y exactos. Además, el husillo del brazo produce calor, lo que provoca una desviación térmica.

Ocho brazos: octaedrópodo?

Otra de las máquinas de mecanismo paralelo instaladas en Europa es la fabricada por Ingersoll Milling. En este caso no se trata de un hexápodo, sino de un octaedro.

La máquina, que estuvo expuesta en la EMO de Hanover, fue suministrada al laboratorio de ensayos de máquina-herramienta de la Universidad de Aix-La-Chapelle. Según sus constructores, esta máquina permite obtener velocidades de avance 5 veces superiores a las obtenidas por las máquinas de 5 ejes tradicionales. Otra de las máquinas fabricadas por Ingersoll Milling se encuentra en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos.

En España ningún fabricante se plantea entrar en este tipo de máquinas, si bien Fatronik y Tekniker está investigando estructuras ligeras

Geodetic en Gran Bretaña, Hexel en Estados Unidos y Toyota en Japón son otros fabricantes que han debutado en el campo de la fabricación de este tipo de máquinas, cada uno con sus propias adaptaciones. Por ejemplo, en la máquina desarrollada por Ingersoll Milling, el accionamiento del hexápodo está situado en el interior de un chasis de forma octaédrica basado, como la estructura hexápoda, en triángulos, lo que supone una rigidez superior. Según sus fabricantes, el resultado de la combinación de la agilidad de movimiento de la estructura hexápoda y la rigidez de un chasis octaédrico es una máquina cinco veces más veloz que una máquina clásica.

En el modelo Variax de Giddings and Lewis, la rigidez se obtiene organizando los seis brazos como tres juegos de elevadores cruzados. Además, un sistema de control láser, desarrollado en colaboración con la firma Renishaw e instalado sobre cada brazo, permite realizar la medida y compensar las variaciones térmicas para obtener una mayor precisión.

Ingersoll Milling propone una variante basada en este mismo principio (la HOH 600) pero con un husillo de eje horizontal.

La americana Hexel también ha suministrado varios modelos de máquinas de esta arquitectura destinadas a la realización de ensayos de mecanizado.

Según expertos de la Universidad de Nottingham, los hexápodos constituyen hoy en día una herramienta muy costosa que todavía hay que poner a prueba. Es demasiado pronto para asegurar cuántas máquinas de este tipo se van a construir próximamente.

Optimismo de algunos fabricantes

Algunos fabricantes, sin embargo, son más optimistas en sus afirmaciones, y creen que el mercado de los hexápodos va a alcanzar cifras muy considerables en los próximos diez años. Consideran que la industria de la máquina-herramienta no ha desarrollado ningún concepto innovador desde hace una década y que las nuevas arquitecturas suponen un paso muy importante respecto a la tecnología disponible hoy en día.

Lo cierto es que en España no hay ningún fabricante que contemple la posibilidad de llevar a cabo un proyecto de construcción de un hexápodo. Según afirma Patricia Tamés, director técnico de Invema, "estamos siguiendo los avances que se están produciendo a nivel mundial en este campo. El único proyecto relacionado con la fabricación de estructuras ligeras es el que está llevando a cabo Fatronik conTekniker, pero no se trata de la construcción de hexápodos. En el campo del arranque de viruta, los hexápodos se ven aún como prototipos."

Sectores de aplicación

El sector aeronáutico y el de la fabricación de moldes y de matrices son los que más posibilidades tienen de adoptar las nuevas arquitecturas, ya que éstas permiten una mayor adaptación al mecanizado de piezas complejas, de pequeño volumen y de materiales muy duros. Ingersoll Milling tiene grandes esperanzas puestas en que los moldistas sustituyan las fresadoras de tres ejes por las nuevas estructuras hexápodas octaédricas. Y, a más largo plazo, que se sustituyan también la mayor parte de las máquinas de 5 ejes.

A pesar de la fuerte potencia de cálculo que requieren, la facilidad de utilización puede ser similar a la de un control numérico estándar.

Pero no todas las opiniones coinciden en este punto. Algunos expertos consideran que, más que sustituir a las máquinas-herramienta, los hexápodos van a crear nuevas áreas de mercado, fundamentalmente en aquellas tareas en las que sea necesario la actuación de personal muy cualificado, como puede ser el ensamblaje. Un ejemplo de ello es que las máquinas fabricadas por Hexel comprenden otras operaciones además del mecanizado. Es el caso de una pequeña estructura hexápoda de 300 mm de altura que posiciona un componente en el espacio para realizar una operación de soldadura muy delicada.

Asimismo, esta empresa está desarrollando una estructura hexápoda de grandes dimensiones para retirar la pintura de las superficies exteriores de un avión y otra para el remache de piezas aeronáuticas.

Espíritu conservador

Ahora que los hexápodos están disponibles en el mercado, queda sin embargo una gran barrera por atravesar; la de los usuarios de las máquinas-herramienta convencionales. Geodetic, empresa pionera en la construcción de este tipo de estructuras en el Reino Unido y que presentó su primera máquina G500 durante la pasada edición de la EMO, parece tener una solución al respecto. A pesar de que la máquina presenta un equipamiento de 5 ejes, en un principio se va a proponer una versión de 3 ejes que, posteriormente, mediante una simple modificación del programa, podrá convertirse en 5 ejes. El objetivo de esta propuesta es disminuir la inquietud de los usuarios y reducir la inversión.