aide au choix du posage en usinage 5 axes continus par la modÉlisation du comportement cinÉmatique...

AIDE AU CHOIX DU POSAGE EN USINAGE 5 AXES CONTINUS PAR LA MODÉLISATION DU COMPORTEMENT CINÉMATIQUE DES

MACHINES – OUTILS

Xavier PESSOLES

Encadrants :

Walter RUBIO

Yann LANDON

Lundi 5 Juillet 2010

2 Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

ContexteAnalyse du comportement des MOCN en 5 axesAssistance au choix du posageConclusions & Perspectives

Contexte industriel et scientifique

Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes

Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine

Choix de l’orientation de la pièce

Choix du positionnement de la pièce

Conclusions et perspectives

Post – Processing

Métrologie

Contexte industriel ProblématiqueCadre de l’étude

Contexte industriel

Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Contraintes physiquesContraintes d’assemblageContraintes esthétiques

Post – Processing

Métrologie

Contexte industriel

Contraintes physiquesContraintes d’assemblageContraintes esthétiques

Choix des outils et des conditions de coupeChoix de la stratégie d’usinage

Métrologie

MachineCommande Numérique Options diverses

Contexte industriel

Contraintes physiquesContraintes d’assemblageContraintes esthétiquesChoix des outils et des

conditions de coupeChoix de la stratégie d’usinage

Post – Processing

Métrologie

Contexte industriel

Métrologie

Contexte industriel

Post – Processing

Choix arbitraire du posageChoix de la machine

Influence importante sur le temps d’usinage

Problématique

FAOPost –

ProcessingMOCN

VF = 2m/min

Comment réduire le temps d’usinage ?

Tu réel : 10min

Modifier la trajectoireRéduction de la distance usinée [Tournier, 2001]

Maximisation des performances cinématiques [Lavernhe, 2006]

Lissage des commandes sur les axes rotatifs [Castagnetti, 2008]

Tu FAO : 1min 24s

Problématique

FAOPost –

ProcessingMOCN

VF = 2m/min

Comment réduire le temps d’usinage ?

Tu réel : 10min

Modifier le posage de la pièce

Analyser le comportement de la MOCN

Tu FAO : 1min 24s

Tu réel: 3 min.

Compréhension du comportement des machinesAnalyser expérimentalement le comportement de la CN et des axes en usinage 5 axes continus

Définir les sources de perte de productivité

Développer des modèles permettant de traduire ce comportement

Modification du posage pour réduire le temps d’usinage

Déterminer l’ensemble des orientations et des positionnements qui permettent d’usiner la pièce

Aider le BM à choisir un posage parmi toutes les solutions possibles

Cadre de l’étude

Conclusion et perspectives

Constat Temps d’usinage FAO : 2,6s.

Temps d’usinage réel : 7,8s.

Exemple de l’usinage d’une pièceModélisation en usinage 5 axesApplicationImplémentation et conclusions

Usinage d’une passe

VF = 2m/min

Le déplacement des axes de translation est piloté par le déplacement des axes rotatifs

Modélisation de l’interpolation linéaire en 5 axes sur un bloc

Modélisation des transitions entre blocs [Pateloup, 2005], [Aguilar, 2007] …

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axesS1,Pr ; uS1 ; S2,Pr ; uS2 ;

Calcul de BSi et CSi

Calcul du temps de parcours sur B et C

Calcul de VB et VC

Calcul de JB, JC, AB, AC

Calcul de B(t), C(t), Xm(t), Ym(t), Zm(t)

et des dérivées successives

J(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max

A(X|Y|Z)(t) ≤ A(X|Y|Z),max

J(B|C),max

A(B|C),max

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes

Calcul de VB et VC

J(B|C),max

A(B|C),max

S1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; VF

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes

Calcul de VB et VC

J(B|C),max

A(B|C),max

S1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; VF

Passage des transitionsAnalyse du comportement de la CN

Chute de la vitesse outil – pièce

Modèle circulaire utilisé classiquement

Choix d’un modèle polynomialInconnues D1,D2, Vin, ai, bi, ci, T

Hypothèses :Symétrie

Accélération nulle

Calcul de ai(Vin), bi(Vin), ci(Vin), T(Vin) et détermination de D1 et D2

Calcul de Vin

Respect de l’accélération maximale

Respect du jerk maximum

Modélisation d’une transition – Cas généralVitesse mesurée sur XVitesse mesurée sur YVitesse outil – pièce

[Dugas, 2002]

Espaces de travailEspace RPr

Espace RBC

Passage de la transition dans différents espaces

Transition dans RBC

uniquement

Transition dans RPr uniquement

Transition dans RBC et RPr

Modélisation d’une transition

RBCRPr

Modélisation du passage des discontinuitésS1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; S3,Pr ; U3,Pr ;

Transition dans RBC

J(X|Y|Z|B|C)(t) ≤ J(X|Y|Z|B|C),max

A(X|Y|Z|B|C)(t) ≤ A(X|Y|Z|B|C),max

Calcul de T_RBC et

Transition dans RPr

Transition dans RBC

Transition dans RPr

T_RBCT_RPr

T_RPr < T_RBCT_RPr > T_RBC

T_RPr > T_RBC

Modélisation d’une passe & RésultatsSimulationMesure

Bonne fidélité des profils mesurés et simulés

Erreur de 5% sur le temps d’usinage

Certaines chutes de vitesse ne sont pas détectées

Erreur sur le jerk ?

Conclusions

Simulateur développé en JAVATemps de calcul : 1s pour 35 blocs

Validations expérimentalesPour des vitesses d’avance de 0 à 10 m/min

Erreur sur le calcul de Tu inférieure à 5%

Spécificités liées à notre MOCNMauvaise interprétation du besoin du programmeur

Modification de la vitesse programmée par bloc

Vers le posage

Analyse du pilotage des MOCN en 5 axesLes axes rotatifs sont ceux qui limitent le plus la productivité du processus

Les axes de translation peuvent limiter la productivité lors des phases d’accélérations et de décélérations ou lors du passage des transitions

Utilisation du simulateurLe temps de calcul limite son utilisation dans une boucle d’optimisation sur un cas pratique

Dans le cadre du posage : Détermination de l’orientation Détermination du positionnement

Dans le cadre du posage : Utilisation pour valider des posages optimisés

ProblématiqueChoix de l’orientationChoix du positionnementApplication

Posage d’une pièce dans la machineDéfinition

Positionnement (en translation) et orientation (en rotation) de la pièce dans la machine

EnjeuDiminuer le temps d’usinage

Contrainte : la FAO est fixéePas de modification du programme initial

Gestion des collisions non prise en compte

LeviersChanger l’orientation

Supprimer les retournements du plateau

Diminuer la distance réalisée sur B et C

Changer la positionDiminuer la distance réalisée sur les axes de translation

Modifier l’orientati

on Modifier (i,j,k) Modifier

(B,C) Modifier Tu

Modifier position Modifier

(Xm,Ym,Z

m) Modifier (A(X|Y|Z),J(X|Y|Z)) Modifier

Expression du temps d’usinage

Idéalement : utilisation du simulateurTemps de calcul important → Estimation du temps d’usinage

Modélisation non paramétrable → Test d’un ensemble de solutions

Stratégie de résolution

Problématique

FAOChoix de

l’orientationChoix de la

position Proposition d’un

posage

Génération d’un ensemble de solutionsRéduction de l’ensemble de solutionsChoix d’une orientation

Génération d’un ensemble de solutionsChoix d’un positionnement

Paramétrage : utilisation des angles d’Euler

ProblématiqueChoix de l’orientationChoix du positionnementApplicatio

Orientation de la pièce dans la machine

Paramétrage : utilisation des angles d’Euler

Espace

Orientation de la pièce dans la machine

Grille des solutions

Suppression des solutions impossibles

Suppression des retournements plateau

Espace des solutions

0°60°

120°180°240°300°

Ui ; (θj,φk)

Calcul de

FINSuppression (θj,φk)

de la grille de résultat

VF = 2m/min

Grille des solutions

Suppression des solutions impossibles

Suppression des retournements plateau

Espace des solutions

0°60°

120°180°240°300°

dVF = 2m/min

Ui ; Ui+1 ; (θj,φk); r

Calcul de

Calcul de d

FINSuppression

(θj,φk) de la grille de résultat

Pseudo temps

Posage optimisé : (56°, -160°)

Pseudo temps : 116s.

Temps de calcul : 662s.

Temps d’usinage : 13min.

Critères de choix d’une solution

Posage initialTemps d’usinage : 21min. 13s.

Pseudo temps : 348s.

Pseudo longueur : 663 rad

Pseudo longueur réalisée dans BC

Posage optimisé : (56°, -160°)

Pseudo longueur : 265 rad.

Temps de calcul : 536s.

Temps d’usinage : 13 min.

Temps d’usinageSimulateur 100s par posage

Grilles adaptatives

Discrétisation 20°

T optim : 20 s.291 rad

Discrétisation 8°

Tu : 13 min

Discrétisation 4°

Tu : 13 min

Discrétisation 1°

Tu : 13 min

Temps total d’optimisation : 208 s.

TempsTemps d’usinage

Gains de 10% à 60%

Temps de calculQuelques secondes à plusieurs dizaines de minutes

Une discrétisation fine n’est pas forcément intéressante

Bureau des méthodesMise à disposition d’un outil simple pour le choix du posage

Choix du posage en fonction de montages d’usinage déjà existant

Proposition d’orientation pour l’usinage de plusieurs pièces

ProblématiqueChoix de l’orientationChoix du positionnementApplication et conclusion

ParamétrageVecteur

Espace de travailProblématique

Pour un posage donné, l’exécution du simulateur ne permet pas d’obtenir des résultats dans un temps raisonnable

Définition de l’espace de travailEnsemble des positions de l’espace de programmation qui garantit d’obtenir un point dans les courses de la machine

Limite de la définitionRestrictif

Avantage de la définitionEspace de travail valable quelle que soit la pièce

Positionnement de la pièce dans la machine

TGIDans les courses

TGI Hors courses

TGIDans les courses

Volume de travail pour le DMU 50 eVo

Détermination expérimentale du volume de travail

Variation du vecteur

Critère de choix

Représentations 3D

Choix d’un positionnement

Dec X Dec Y Dec Z Tu Gains ou pertes

0 0 200 12 min. 44s. -

7 14 218 12 min. 40s. -1%

57 74 298 13 min 14s. +4%

Gain très faible sur le temps d’usinage

Diminution de 60% de la distance parcourue sur les axes

Evolutions envisageables Proposer de jauges outils adaptées à un usinage

Déterminer l’espace de travail dédié à une orientation donnée pour une pièce

Bilan sur le positionnement

Application – Usinage d’une pale d’hélice de bateau

Posage optimisé :

Tu : 9 min. 05.

Choix de la position207 s.

Proposition d’un

posage347 s.

VF = 2m/min

5100 blocs

140 s.

Solution FAO : Tu : 10 min.

Posage optimisé : Tu : 9 min. 40 s.

Pire des cas :Tu : 17 min. 30s.

Gain total sur Tu :

Conclusions et perspectives

Conclusions

FAOPost –

ProcessingMOCN

ConclusionsPerspectives

Tu réel : 21 min 13sVF = 2m/min

Tu FAO : 4 min

Conclusions

FAOPost –

ProcessingMOCN

Tu réel : 21 min 13s

VF = 2m/min Tu FAO : 4 min

Optimisation Posage

Analyse du comportement de la MOCN

Conclusions

FAOPost –

ProcessingMOCN

Optimisation Posage

Analyse comportement MOCN

Conclusions

FAOPost –

ProcessingMOCN

Optimisation Posage

Solution FAO Optimisation orientation

+ positionnement

Optimisation orientation

+ positionnement + analyse MOCN

Gain total : 73%

Conclusions

FAOPost –

ProcessingMOCN

Optimisation Posage

Problématique : Comment réduire le temps d’usinage ?

Notre approche : L’analyse du comportement de la MOCN et un choix

judicieux du posage de la pièce permettent de diminuer le temps d’usinage de 10 à 80%.

Simulateur Améliorer les performances

Mode de calcul des jerks et accélérations sur les axes limitants

Gestion des discontinuités

Gestion de l’anticipation dynamique

ConclusionPerspectives

Perspectives – 1/2

Choix du posageDéterminer un espace de travail associé à une pièce

Prise en compte de collisions

Proposer des dimensions d’outils permettant d’usiner une pièce sur une machine donnée

Bouclage du simulateur et du choix du posage

Simulateur Définir un protocole permettant d’analyser le comportement d’une MOCN

Tester sur d’autres MOCN

Comparer avec d’autres simulateurs

ConclusionPerspectives

Perspectives – 2/2

Choix du posageTester la méthodologie sur d’autres MOCN

Coupler le choix du posage avec des méthodes de lissage

Adapter le simulateur à d’autres MOCN

AIDE AU CHOIX DU POSAGE EN USINAGE 5 AXES CONTINUS PAR LA MODÉLISATION DU

COMPORTEMENT CINÉMATIQUE DES MACHINES – OUTILS

Xavier PESSOLES

Encadrants :

Walter RUBIO

Yann LANDON

Lundi 5 Juillet 2010

Modélisation des transitions : cercle ou polynôme ?Modèle circulaire [Dugas, 2002], [Pateloup, 2004]

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