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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOHAMMED KHIDER BISKRAFACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES DE LINGENIEUR
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE
MEMOIREPrsente pour lobtention du diplme de
MAGISTERE
Spcialit : GNIE MCANIQUE
Option : CONSTRUCTION MCANIQUE
Prsent par :BOUREBBOU Amor
Modlisation cinmatique dune machine outil structure parallle Usinage Grande
Vitesse (UGV).
Travail effectu au sien du laboratoire de recherche en productique (Universit de Batna)
Soutenue en 04/05/2008 devant la commission dexamen compose du jury :
HECINI Mebrouk, Matre de confrence, Universit de Biskra, Prsident
ASSAS Mekki, Matre de confrence, Universit de Batna, Rapporteur
MAZOUZ Hamoudi, Matre de confrence, Universit de Batna, Examinateur
BEN SAADA Said, Matre de confrence, Universit de Biskra, Examinateur
2008
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Remerciements
Je remercie Dieu pour m?avoir donn la sant la patience et le courage tout au longdu travail.
En cadre de la collaboration entre le dpartement de Gnie Mcanique de l?universit
de Biskra et le dpartement de Mcanique de l?universit de Batna, ce travail a t ralis au
sien de l?quipe Systme de Production Intgr du Laboratoire de Recherche en Productique
(LRP) du dpartement de mcanique de l?universit de Batna.
Je tien remercier chaleureusement mon directeur de mmoire, Dr Assas Mekki.
Merci pour votre coute, vos conseils et vos encouragements qui m?ont t prcieux pour
mener ce travail son terme.
Je remercie aussi tout particulirement les membres de jury, savoir :
Monsieur Hecini Mebrouk, Matre de confrence a l?universit de Biskra, qui a bien voulu
me faire l?honneur de prsider le jury de soutenance.
Monsieur Mazouz Hamoudi, Matre de confrence a l?universit de Batna, et Monsieur Ben
Saada Said, Matre de confrence a l?universit de Biskra, qui ont accept d?examiner ce
travail.
Mes sincres remerciements vont tous les membres du LRP, toutes les personnes qui
ont contribu de prs ou de loin la ralisation de ce travail, en particulier Maalim Madani,
tout mes collgues de la promotion 2006.
De mme j?associe mes remerciements tous les enseignants qui ont contribu ma
formation en particulier les enseignants du Dpartement de Gnie Mcanique de l?universit
de Biskra et les enseignants du Dpartement de Mcanique de l?universit de Batna.
Bien sur, je n?oublie pas remercier mes parents, frres, s?urs et tous mes collgues.
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Table des matires ..
Table des matires
Introduction gnrale 1
Chapitre IModlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des
structures parallles en U.G.V
I.1. Introduction..
I.2.Dfinitions .
I.3.Quelques machines-outils.
I.3.1. Les tours.
I.3.2. Les fraiseuses..
I.3.3. Centre d'usinage (CU)
I.4.Terminologie.
I.4.1. Machine-outil commande numrique (MOCN)
I.4.2. Centre d'usinage (CU)
I.4.3. Machine autonome flexible
I.4.4. Cellule flexible.
I.4.5. Ligne transfert flexible.
I.4.6. Atelier flexible
I.5.Machine-outil commande numrique (MOCN)
I.5.1. Structure physique dune MOCN
I.5.2. Structure matrielle dune MOCN.
I.5.3. Classification des machines-outils commande numrique.
I.6.Choix dune machine en fonction de lusinage dune pice..
I.7.Modlisation gomtrique des machines-outils commande numrique..
I.7.1. le rle de la modlisation des MOCN..
I.7.2. Diffrents types de modlisation.
I.7.3. Modlisation conventionnelle dune MOCN..
I.7.4. Repres gomtriques associs une MOCN.
I.7.5. Dfinition normalise des axes numriques dune MOCN [NF ISO 841]
I.7.6. Mise en oeuvre du modle gomtrique
I.7.6.1.Caractristiques des repres associes une MOCN
I.7.6.2.Programmation des MOCN.
I.7.6.3.Modle gomtrique associ l'espace de tches.
I.7.6.3.1. Machine travaillant dans un espace affine trois dimensions
I.7.6.3.2. Machine travaillant sur une matire d'?uvre deux dimensions
I.8. La modlisation.
I.9.Modlisation des machines..
I.10. L'usinage grande vitesse (UGV)..
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I.10.1. Dbuts de l UGV.
I.10.2. dfinition de lUGV
I.10.3. Intrt de lUGV
I.10.4. Domaines d'application.
I.10.4.1. Laronautique
I.10.4.2. Les outilleurs..
I.10.4.3. Les moulistes.
I.10.5. Les spcificits des machines-outils d'usinage grande vitesse UGV..
I.10.5.1. La structure.
I.10.5.2. Structures parallles pour les machines-outils..
I.10.6. Les mcanismes parallles.
I.10.7. Caractristiques de lUGV influenant le processus de fabrication
I.11. Conclusion..
Chapitre IIsynthse de mcanismes parallles et tude comparative entre les machines-
outils et les robotsI.1. Introduction.
II.2 Historique.
II.3 Etat de l'art des mcanismes parallles.
II.4 Machine-outil parallle
II.5 Quelques machines outils parallles
II.5.1 Machine Ingersoll Hoh600..
II.5.2 Mikromat 6X Hexapod
II.5.3 Hexel Tornado 2000.
II.5.4 Machine Hexact.
II.5.5 Machine Hexapode CMW..
II.5.6 Machine Hexaglide.
II.5.7 Machine HexaM ..
II.5.8 Machine Triaglide..
II.5.9 Machine Dyna-M
II.5.10 Machine Georg V
II.5.11 Machine Eclipse.
II.6 Les robots industriels.
II.6.1 Constituants mcaniques des robots.
II.6.2 Organe terminal..
II.6.3 Nouvelles gnrations de robots
II.6.4 Les robots parallles
II.6.5 Les avantages des robots parallles
II.7 Les tches ralises par les mcanismes parallles..
II.7.1 Les tches ralises par les robots.
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II.7.1.1 Applications spatiales
II.7.1.2 Applications mdicales
II.7.1.3 Applications industrielles
II.8 Synthse de mcanismes en robotique
II.9 Etude comparative entre les machines-outils et les robots parallles
II.9.1 Architectures parallles candidates pour les machines-outils
II.9.1.1 Performances dynamiques..
II.9.1.2 Comportement thermique
II.9.1.3 Rigidit.
II.9.1.4 Rduction des cots.
II.10 Classification des mcanismes parallles.
II.11 Introduction .
II.12 La Conception Assiste par Ordinateur .II.13 Principe de fonctionnement.
II.14 Dessins et bases de donnes.II.15 Utilisation industrielle de la CAO/DAO
II.16 DAO (Dessin Assist par Ordinateur) .II.17 Avantages de la CAO
II.18 La technologie CAO/DAO ..II.19 Prsentation de logiciel SolidWorks
II.20 Performances majeures du SolidWorks..
II.21 Intention de conception..II.22 Conclusion..
Chapitre IIIApproche propos de modlisation
Conventions de reprsentation.
III.1.1 Les vues en perspective (ou photographies).
III.1.2 le schma cinmatique.
III.1.3 Le dessin densemble
III.1.4 Les paramtres de Denavit-Hartenberg
III.1.5 Les graphes dagencement..
III.2 Formule de Grbler.
III.3 Dfinition de la thorie des mcanismes
III.4 rappel mathmatique.
III.4.1 Dfinition du solide indformable.
III.4.2 Reprer un solide
III.4.3 Changement de base
III.4.4 Vecteur
III.5 approche propose de modlisation.
III.5.1 Choix de l'architecture
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III.5.2 Modlisation gnrique
III.5.2.1 Paramtrage.
III.5.3 Modlisation gomtrique
III.5.3.1 Des orientations
III.5.4 Modle gomtrique inverse.
III.5.5 Modle gomtrique direct..
III.6 Modlisation cinmatique.
III.6.1 Modle cinmatique inverse.
III.6.2 Remarques.
III.6.3 Modle cinmatique direct..
III.7 Les critres cinmatiques.
III.7.1 Indice de manipulabilit
III.7.2 Le facteur de conditionnement
III.7.3 Conditionnement de la matrice jacobienne
III.8 Conclusion..
Chapitre IV Application et tude de cas
IV.1 Introduction..
IV.2 Problmatique.IV.3 La machine-outil URANE SX
IV.4 La vue en perspective (ou photographie).IV.5 Le schma cinmatique
IV.6 Le graphe dagencement.
IV.7 Formule de GrblerIV.8 Description et notation.
IV.9 Modlisation de larchitecture choisieIV.9.1 Paramtrage..
IV.9.2 Modles gomtriques..IV.9.3 Modles cinmatiques
IV.9..3.1 Modle cinmatique inverse..
IV.9..3.2 Modle cinmatique direct..IV.10 Etude du cas.
IV.10.1 Modle cinmatiqueIV.10.1.1 Modle cinmatique inverse..
IV.10.1.2 Modle cinmatique direct..IV.11 Dessin du mcanisme
IV.11.1 Processus de conception appliqu.IV.11.1.1 Esquisses
IV.11.1.2 Cotation
IV.11.1.3 Fonctions
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Table des matires ..
IV.11.2 La partie fixe (le bti).
IV.11.3. La partie mobile
IV.11.3.1 Platine porte lectro-brocheIV.11.3.3 Les barres.
IV.11.3.3 Les actionneurs (Les glissires).IV.11.4 Lassemblage du mcanisme
IV.12 Conclusion
Conclusion gnrale?????????????????????????????????????????...
Bibliographie?????????????????????????????????????????????.
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Introduction gnrale
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Introduction gnrale
Le monde de la machine-outil est en volution permanente afin de rpondre au
march, trs ractif, des pices usines. De nos jours, il existe une grande demande de
machines rapides commande numrique, notamment pour lindustrie automobile.
Les premires machines-outils architecture parallle ont fait leur apparition sur
le march. Elles sont inspires des mcanismes et des robots parallles largement
tudis par les roboticiens au cours de ces 25 dernires annes. Les outils proposs sont
ltablissement des modles gomtrique, cinmatique.
Lindustrie exige des machines de plus en plus performantes en termes de
vitesses, d'acclrations, de prcision, de productivit, de fiabilit, ...
La conception assiste par ordinateur C.A.O. est devenue un outil prvlig en
ingineering. Elle permet un gain considrable en temps et en cot lors de l'laboration
d'un projet de conception d'une machine.
Ce travail comporte quatre chapitres. Le premier chapitre est divis en deux parties :
Dans une premire partie nous prsentons les machines-outils (dfinitions, diffrents
types des machines-outils existe.). Et dans le deuxime partie nous prsentons lusinage
grande vitesse (UGV) comme une nouvelle technologie denlvement de matire, et
quelle type dquipements ncessaire pour ce type dusinage.
Dans le deuxime chapitre nous allons faire une synthse bibliographique sur les
mcanismes parallles avec une tude comparative entre les robots et les machines
outils parallles. On s'intresse l'outil (CAO) et son utilisation pour la conception, suivi
d'une application sur lutilisation de logiciel SolidWorks pour la conception dune machine-
outil et les diffrentes dmarches de conception.
Dans le chapitre trois nous prsentons une approche de modlisation des mcanismes
parallles. Cette approche consiste des tapes suivre pour faire une bonne
modlisation.
Enfin, dans le dernier chapitre nous appliquons cette approche sur une machine-
outil d'usinage parallle trois axes. De type URANE SX. Ce chapitre est consolid par
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Introduction gnrale
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une partie pratique concernant le dessin de la machine en utilisant le logiciel de CFAO
SolidWorks ainsi qune application numrique pour calculer les positions des articulations
par rapport la position de la nacelle.
Problmatique
Actuellement on assiste une utilisation de plus en plus large des machines-outils
usinage grande vitesse (UGV) surtout dans lindustrie aronautique et automobile.
Ces machines outils sont conues pour atteindre des performances cinmatiques
et dynamiques plus leves, lamlioration de performance de ces machines outils
demande une bonne modlisation cinmatique de la structure de la machine.
But de ltude
Etude des machines outils classiques et ncessits des machines outils structure
parallles en usinage grande vitesse.
Etude des approches de modlisation des machines outils classiques et
prsentation de lapproche propose de modlisation des machines outils structure
parallle.
Application de cette approche sur une machine parallle trois axes utilise en
usinage grande vitesse.
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Chapitre I
Modlisation cinmatique des machines outilsclassiques et ncessits des structures parallles
en U.G.V
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.1. Introduction
Le prsent chapitre comprend deux parties:
Dans une premire partie nous prsentons sommairement les machines-outils
(dfinitions, diffrents types des machines-outils.).
Nous commenons ce chapitre par l'analyse de la structure matrielle de la partie
oprative dune machine-outil dont le but de faire une tude cinmatique de cette structure.
Ensuite nous prsentons les diffrentes modlisations possibles dune machine-outil, et
leurs applications.
Nous nous intressons essentiellement la modlisation conventionnelle, qui impose les
vocabulaires de la commande numrique, et la modlisation vectorielle, qui permet de
mener rapidement ltude des mouvements des machines simples.
Dans la deuxime partie nous prsentons l'usinage grande vitesse (UGV) comme une
nouvelle technologie d'enlvement de matire, et les d'quipements ncessaires pour de ce
type d'usinage.
I.2.Dfinitions
Une machine-outil est un appareil destin faire fonctionner des outils
mcaniquement, le mouvement tant transmis la machine par l'intermdiaire d'un
moteur . Les machines-outils employes pour le travail des mtaux sont trs diverses et
trs rpandues.
La machine-outil et son volution actuelle, la machine-outil commande numrique,
reprsentent encore le moyen de production le plus important des pices mcaniques. De
par lavance des techniques, la machine-outil a subi des modifications, et le couple outil -
machine-outil sest adapt aux exigences de productivit moderne.
Une machine outil a pour but de raliser physiquement les mouvements de coupe
ncessaires lobtention dune surface par enlvement de matire. Elle ralise le
mouvement de coupe et le mouvement davance de loutil par rapport la pice. De plus,
elle doit permettre lobtention de pices en respectant les spcifications fonctionnelles. [1]
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.3.Quelques machines-outils
I.3.1. Les tours
Les tours permettent de raliser des surfaces hlicodales (filetage) et des surfaces
de rvolution : cylindres, cnes et plans (gnratrice perpendiculaire l'axe de rvolution).
L'utilisation principale des ces machines est l'usinage des arbres. La pice, gnralement
tenue par le mandrin, a un mouvement de rotation (mouvement de coupe) transmis par la
broche. L'outil peut se dplacer en translation suivant deux directions. Ces deux directions,
perpendiculaires entre elles, appartiennent un plan auquel l'axe de la broche est parallle.
Le premier mouvement de translation est parallle l'axe de la broche. Le deuxime
mouvement de translation est perpendiculaire l'axe de la broche.
I.3.2. Les fraiseuses
Les fraiseuses ont supplant certaines machines (raboteuses, taux limeurs) pour
l'usinage de surfaces planes. Ces machines peuvent galement servir pour des oprations
de contournage. L'outil, une fraise, est fix dans la broche et est anim d'un mouvement de
rotation (mouvement de coupe). Il peut se dplacer en translation par rapport la pice
suivant trois directions.
Figure I-1: Tour traditionnel et tour commande numrique [2]
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.3.3. Centre d'usinage (CU)
L'appellation fraiseuse commande numrique n'est pas trs utilise, on parlera
plutt de centre d'usinage 3 axes.
I.4. Terminologie
Le Mmotech de gnie mcanique (collection A. Capiliez, Educalivre, ditions
Casteilla, 1993) donne des dfinitions gnrales relatives la dsignation des machines
d'usinage :
Figure I-2: Fraiseuse broche horizontale et fraiseuse commande numrique.
Figure I-3: Centre d'usinage 5 axes tte rotative 1 axe et plateau tournant.
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.4.1. Machine-outil commande numrique (MOCN)
Machine-outil programmable quipe d'une commande numrique par calculateur
(CNC). Elle est ddie des fabrications varies de pices diffrentes lances en petits lots
rptitifs. [3]
I.4.2. Centre d'usinage (CU)
C'est une MOCN quipe d'quipements priphriques qui assurent le changement
automatique d'outils stocks dans les magasins d'outils, le changement automatique de
pices (palettisation) et ventuellement le convoyage des copeaux (convoyeur). Il est ddi
des fabrications varies de pices diffrentes. [4]
I.4.3. Machine autonome flexible
C'est un CU dot d'un carrousel de palettes pour le chargement et le dchargement
des pices, de plusieurs magasins d'outils, de moyens d'auto-contrle, d'un systme de
dtection des bris et usures d'outils. Elle est ddie des fabrications varies de plusieurs
familles de pices. [4]
I.4.4. Cellule flexible
Il s'agit d'un systme form de plusieurs CU (2 3) semblables ou non relis entre
eux par un dispositif de transfert de pices. Les fonctions de stockage, chargement et
dchargement des pices brutes et finies sont aussi automatiques. Elle est ddie des
oprations spcifiques sur plusieurs familles de pices. [4]
I.4.5. Ligne transfert flexible
Il s'agit d'un systme form de plusieurs MOCN, machines spciales ( ttes
interchangeables automatiquement) agences linairement conformment au flux des
produits (gamme de fabrication). Elle est ddie une famille de pices. [4]
I.4.6. Atelier flexible
C'est un systme form de plusieurs MOCN ou cellules flexibles (de 5 15) associ
des dispositifs de transfert de pices (chargement, dchargement, stockage, contrle)
entirement automatiss et grs par un ordinateur central. Il est ddi l'usinage des
pices dune mme famille. [4]
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.5.Machine-outil commande numrique (MOCN)
Une machine outil commande numrique assure la ralisation automatise des
pices, les mouvements ncessaires sont dcrits dans un programme.
On reprsente la structure dune machine, en cours dusinage, par un systme boucl,
chaque lment contribue la ralisation du contrat fonctionnel. Le rglage de la machine
consiste mettre en position relative ces diffrents lments. [3]
I.5.1. Structure physique dune MOCN
Si on ne sintresse quaux mthodes denlvement de matire par mouvement de
rotation (cas classiques du tournage, perage, fraisage), la machine doit avoir la structure
suivante :
- des systmes, autant que ncessaire, assurant la mise en position de loutil par
rapport la pice et les mouvements davance. Ce sont les axes de la machine ;
- un systme qui ralise le mouvement de coupe par mise en rotation des outils ou de
la pice : la broche ;
- un systme de contrle - commande, qui permet le suivi automatique du
programme de commande de la machine ;
- un lment mcanique qui assure le lien entre ces systmes : le bti.
A cela, il faut ajouter des lments dinterfaces spcifiques la production permettant
la mise en position les outils et des pices sur la machine. [3]
MACHINE-OUTIL
PORTE-OUTIL
OUTILPIECE
PORTE - PIECE
Figure I-4: modle de la structure dune machine-outil
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.5.2. Structure matrielle dune MOCN
La structure matrielle de la partie oprative dune MOCN peut tre modlise de la
manire suivante:
Le bti
Le bti assure le guidage des axes de mouvements, et lagencement des autres
organes de la machine. Pour assurer une gomtrie correcte, et encaisser les actions
mcaniques dues aux acclrations leves des mobiles, le bti doit tre rigide et limiter les
dformations dues la chaleur. Les nouvelles machines intgrent de nouveaux matriaux
de construction (bton), et la rpartition des masses est optimise. [3]
Figure I-5: Systme de construction modulaire pour une fraiseuse grande vitesse
Figure I-6: structure de machines, bti de tour (document Ernault)
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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La broche
La broche cre le mouvement de coupe ncessaire lusinage. Elle assure donc la
mise en rotation de la pice ou de loutil. Ces deux cas posent des contraintes fonctionnelles
diffrentes. Cinmatiquement, la broche est en liaison pivot avec le bti ou un chariot.
Dynamiquement, elle doit tre trs rigide, et stable thermiquement de faon garantir la
position relative de loutil par rapport la pice durant lusinage.
Laugmentation des vitesses de coupe impose une augmentation des frquences de
rotation et des couples admissibles au niveau des broches. En fraisage, on cherche
actuellement ce que le couple frquence de rotation - puissance atteigne (50 000 tr.mn-1
- 50 kW). Industriellement, on utilise des broches atteignant (25 000 tr.mn-1 - 30 kW). A
ces frquences de rotation, les effets dynamiques sont importants et lquilibrage des
parties tournantes est vital. [3]
Les lectro-broches sont actuellement les plus utilises en UGV.
Leur vitesse de rotation peut atteindre 60.000 ttrr..mmiinn--11 eett lleeuurr ppuuiissssaannccee 7700 kkWW..
Le porte-outil
Les porte-outils ont pour fonction dassurer la liaison entre loutil et la machine.
Suivant le mode dusinage, ils supportent des sollicitations dynamiques diffrentes.
Dans le cadre du tournage, le porte-outil doit essentiellement supporter un effort de
coupe important, les surfaces dappui doivent tre tendues.
Dans le cadre du fraisage, les porte-outils assurent la liaison au moyen dun cne
normalis.
Figure I-7: Electro-broche palier magntique Figure I-8: Electro-broche roulements [3]
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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Laugmentation des frquences de rotation impose des contraintes dynamiques plus
importantes. A grande vitesse, le contact entre les parties male et femelle de la liaison nest
plus assur. Pour y remdier on assure un effort de tirage important sur le cne, ce qui a
tendance modifier la position de lextrmit de loutil. Enfin de nouveaux attachements
sont normaliss en Allemagne, ce sont des attachements du type cne-face, dnomm HSK.
Le cne male est creux, ce qui permet une meilleure dformation par leffet centrifuge. De
plus lappui plan est prpondrant et autorise des efforts de serrage plus importants. Au
dessus de 30 000 tr.mn-1, il est ncessaire dquilibrer les parties tournantes, et dajuster
parfaitement les outils dans les porte-outils. On utilise des systmes demmanchement par
chauffage du porte-outil. [3]
Le porte-pice
Le porte-pice a pour fonction dassurer la liaison entre la pice et la machine.
La structure matrielle de la partie oprative dune MOCN peut tre modlis comme suite:
Le BATI La BROCHE
Les CHARIOTS
L V T
LePorte-outil
+ outil
Leporte-pice
La PIECE
Liaisonmcanique etcinmatique
sige dumouvement
de coupe Mc
Liaisonsmcaniques etcinmatiques
sige dumouvement
davance Mf
Figure I-10: structure matrielle de la partie oprative dune MOCN [5]
Figure I-9: Attachement d'outil HSK (Hohl Shaft Kegel)
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
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I.5.3. Classification des machines-outils commande numrique
Le classement des machines est ncessaire car il aide au choix de machines, lors
dtude de gammes de fabrication. Traditionnellement, on a class les machines en fonction
des formes de surfaces raliser : cylindriques / paralllpipdiques, tournage / fraisage.
Cette classification est remise en cause, car la commande numrique et ladaptation des
structures de machine cassent le lien entre les deux couples.
On classe maintenant les machines-outils par le nombre de mouvements lmentaires
quelles peuvent mettre en oeuvre lors du dplacement de loutil par rapport la pice.
Seuls les axes sont compts. La mise en oeuvre simultane de plusieurs outils entrane
laugmentation du nombre daxes. Cette classification ne permet pas dassocier directement
un type de forme usinable une classe de machine, car elle ne reflte pas la cinmatique
de loutil. Par exemple un tour cinq axes ne permet pas de faire des pices diffrentes par
rapport un tour trois axes. [3]
dsignation du type d'usinage et des oprationspossibles
mouvementsNombred'axes
fraisage : surfaage, perage, fraisage de poches, de rainureset de surfaces gauches. L'axe outil reste parallle unedirection fixe par rapport a la pice.
X, Y, Z3
fraisage : surfaage, perage, fraisage de poches, de rainureset de surfaces gauches. L'axe outil reste contenu dans un planfixe par rapport la pice.
X, Y, Z, A, CX, Y, Z, B, CX, Y, Z, A, B,
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fraisage de formes gauches : fraisage avec le flanc de I'outil,fraisage avec de pinage, perage en toutesdirections.
X, Y, Z, A, CX, Y, Z, B, CX, Y, Z, A, B,
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I.6. Choix dune machine en fonction de lusinage dune pice
Lors de ltablissement de lavant-projet de fabrication, on est amen choisir le type
de machine capable de raliser la pice. Il nexiste pas de mthode simple de choix de la
machine. Le choix provient dun processus de synthse de lanalyse des mouvements
possibles des diffrentes machines utilisables.
Tableau I-1: classification des machines-outils
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
12
Au niveau morphologique, on distingue encore nettement les deux types de pices
ralisables : prismatiques et cylindriques. Pour linstant, de manire gnrale, il est toujours
plus productif dusiner les cylindres sur un tour, et les formes prismatiques sur une
fraiseuse. Les axes supplmentaires servent finir les pices sans dmontage.
Ltude de la morphologie de la pice peut consister associer un polydre la pice.
A chaque entit usiner, on associe une facette plane perpendiculaire laxe de loutil
usinant cette entit. Pour un perage, cest le plan perpendiculaire laxe du trou, pour un
surfaage, cest le plan surfac, mme chose, pour un fond de poche, ou un contournage.
Si la cinmatique dune machine donne permet de rendre perpendiculaire cette
facette laxe de la broche, alors la machine est capable dusiner lentit.
En particulier, lorsque les entits retenues ont toutes une facette identique, une
machine-outil trois axes suffit. Si les facettes sont toutes perpendiculaires un mme
plan, un centre quatre axes suffit.
Dans le cas contraire, on restreint le nombre dentits raliser sans dmontage, ou
on a recours une machine cinq axes.
Laugmentation du nombre daxes diminue le nombre de prises de pice et de
dmontages ncessaires, et vice-versa. Pour usiner un polydre n faces quelconque, une
machine trois axes a besoin de n prises de pices, une machine quatre axes dau plus n
/ 2 prises, car si laxe de rotation est perpendiculaire larte commune deux facettes,
alors les deux facettes sont usinables sans dmontage, et une machine cinq axes de deux
prises. [3]
Figure I-11: exemple dassociation de facettes des entits dusinage
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
13
Les contraintes autres que cinmatiques restreignent ltendue de cette mthode. La
prise et le bridage de la pice empchent lusinage sur certaines faces. Les courses des axes
influent sur les dimensions de la pice usiner. Les courses des axes de rotation peuvent
tre faibles (200 degrs damplitude sur certaines machines en cinq axes), et les longueurs
doutil limitent le volume usinable.
I.7.Modlisation gomtrique des machines-outils commande numrique
Cette partie prsente les diffrentes modlisations possibles dune machine-outil, et
leurs applications. [3]
Nous nous intressons essentiellement la modlisation conventionnelle.
I.7.1. le rle de la modlisation des MOCN
Par dfinition, le pilotage dune machine-outil commande numrique est ralis par
un ordinateur qui tablit une stratgie de commande des axes (sortie) en fonction des
dplacements mesurs de la machine (entre). Pour pouvoir agir, le calculateur doit se
reprsenter la machine dans lespace en fonction des donnes (dplacements sur les axes).
Il sappuie sur le modle. La modlisation mcanique de la partie oprative est ncessaire
au calcul de lasservissement. De mme la modlisation gomtrique de la machine est
ncessaire sa commande par loprateur. [3]
I.7.2. Diffrents types de modlisation
Il existe plusieurs modlisations, suivant le point de vue adopt, et les objectifs
recherchs.
Au sens de lutilisation, il existe un ensemble de rgles et conventions normalises,
qui simplifient lemploi des machines-outils commande numrique, et autorisent le
passage dun programme dune machine lautre. Cest une modlisation cinmatique, qui
codifie la description des dplacements.
Elle est ncessaire au programmeur. Par contre, elle nest pas suffisante, lorsquon
envisage la mise en production dune pice, car les notions de prcision dusinage
napparaissent pas dans le modle.
Au sens de lobtention de la pice, on cherche avant tout obtenir une gomtrie
correspondant au contrat de phase. Cette gomtrie est exprime sous forme de ctes
nominales et de tolrances dimensionnelles. Il faut donc trouver un modle qui permette de
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
14
dcrire les positions successives de loutil dans lespace machine et de placer correctement
loutil par rapport la pice. Ceci impose une modlisation, qui dcrit les dimensions
caractristiques de la machine et de son environnement. Le rgleur assure lobtention de
pices bonnes en corrigeant les valeurs de ces caractristiques. Cest la modlisation
vectorielle de la machine-outil.
Au sens de la commande, la commande numrique doit tre capable de transformer
les ordres de mouvement donns dans un systme de coordonnes particulier, en des
commandes de dplacement sur chaque axe. Il faut avoir une modlisation gomtrique
plus complte inspire des modles de la robotique, qui permette de passer dun systme
lautre. De plus cette modlisation gomtrique prend en compte les dfauts gomtriques
de la machine et assure une commande plus prcise. Les travaux de MM Mathieu et Mry
dfinissent prcisment cette modlisation.
Au sens de la commande daxe, on peut tre amen raliser une modlisation
dynamique de laxe, en prenant en compte les rigidits et les inerties des axes de
dplacement. Cette modlisation permet de construire le schma fonctionnel de
lasservissement de laxe, et de le corriger afin de rpondre au cahier des charges
dynamique de la machine. [3]
I.7.3. Modlisation conventionnelle dune MOCN
Lutilisation dune machine-outil commande numrique impose de fait lutilisation
dun modle associ. La dfinition normalise des axes et les usages de programmation y
concourent. Dans cette partie, nous rappelons les conventions indispensables connatre
lors de llaboration dun programme de commande numrique
I.7.4. Repres gomtriques associs une MOCN
On associe un repre chaque solide ou groupe de solides identifis comme un sous-
ensemble dans lopration dusinage. On obtient ainsi :
- le repre de programmation : associ la pice, il permet la programmation de ses
usinages. Il est compos dune origine choisie arbitrairement, et dun tridre direct.
- le repre pice : associ la pice, il permet la mise en position de lorigine
programme. Il est construit partir des lments constituant la liaison complte entre le
porte-pice et la pice.
- repre porte-pice : associ au porte-pice, il dfinit la position de lorigine du
repre pice dans le repre machine.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
15
- repre machine : associ la machine, il est form dune origine souvent choisie
comme lorigine mesure, et dun tridre direct parallle aux axes de translation de la
machine.
I.7.5. Dfinition normalise des axes numriques dune MOCN [NF ISO 841]
La norme [NF ISO 841] dfinit un systme de coordonnes et dsigne les divers
mouvements de manire ce quun programmeur puisse dcrire les oprations dusinage
indpendamment de la cinmatique de la machine. On considre toujours les mouvements
de loutil par rapport la pice tenue pour fixe.
Le systme normal de coordonnes est un systme cartsien rectangulaire de sens
direct, li une pice place sur la machine, et ayant des artes parallles aux glissires
principales de la machine. Il est dsign par les lettres X, Y, Z non munies du signe
prime.
Le sens positif du mouvement dun chariot de la machine est celui qui provoque un
accroissement sur la pice dans la coordonne correspondante. [6]
Figure I-12: Systme normalis de coordonnes
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Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
16
L'axe Z du mouvement est l'axe du systme normal parallle l'axe de la broche
principale. Dans le cas d'une machine ayant des mouvements de rotation (cas du 5 axes),
on choisit l'axe parallle une des positions que peut occuper la broche. L'axe X est
perpendiculaire a I'axe Z. Sur les machines comportant des pices en rotation I'axe X est
radial. [6]
Mouvements de translation X, Y, Z:
Axe Z de mouvement:
Laxe Z est parallle la broche principale de la machine.
Axe X de mouvement:
Laxe X doit tre horizontal et parallle la surface de bridage de la pice.
Axe Y de mouvement:
Laxe Y de mouvement forme avec les axes X et Z un tridre de sens direct. [3]
Mouvements de rotation A, B, C :
Les angles A, B et C dfinissent les mouvements de rotation effectus respectivement
autour daxes parallles X, Y et Z.
Direction :
Le sens positif des axes est dfini de manire telle quun mouvement dans une
direction positive daxes de translation ou de rotation, augmente les valeurs positives de la
position de la pice par rapport la machine. [3]
Mouvements additionnels :
Mouvements de translation :
Quand, en plus des mouvements de translation primaire X, Y et Z, il existe des
mouvements de translation secondaires parallles ceux-ci, ils seront respectivement
dsigns par U, V et W.
Mouvements de rotation :
Quand, en plus des mouvements de rotation primaires A, B et C, il existe des
mouvements de rotation secondaires parallles ou non A, B et C, ceux-ci seront dsigns
par les lettres D ou E. [3]
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
17
I.7.6. Mise en oeuvre du modle gomtrique
Une fois les repres gomtriques dfinis, on peut tudier les mouvements dun point
de lespace des tches dans lespace articulaire. Lobjet de la modlisation est de dterminer
le modle gomtrique qui permet de passer dune configuration de lespace articulaire vers
une position (de loutil par rapport la pice) de lespace des tches.
I.7.6.1. Caractristiques des repres associes une MOCN
Il est important de noter que les axes de rotation sont grs indpendamment des
axes de translations.
On commande une rotation ou une translation sur un axe, indpendamment lune de
lautre. On nopre pas, une transformation gomtrique dun repre dans un autre. Cela
permet de garantir la portabilit des programmes dusinage. Quelle que soit la
configuration, et la cinmatique de la machine, un ordre de dplacement donn conduit un
unique rsultat. Mais on peut tre oblig de recaler les origines des repres aprs rotation.
De mme, le repre pice ne tourne pas avec la rotation physique des lments de la
machine. Il ny a pas de transformation de coordonnes, laxe Z reste laxe de dplacement
parallle la broche.
Figure I-13: dfinition des axes sur diffrentes machines-outils.
configurationsparamtresarticulaires
positions de loutilcoordonnes
Modlegomtrique
Figure I-14: espace articulaire et espace des tches.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
18
I.7.6.2. Programmation des MOCN
La programmation des MOCN repose aussi sur des conventions, savoir les langages
de programmation normaliss. Les normes [NF ISO 6983-1], [NF Z 68-036], [NF Z 68-037],
[NF ISO 4342] dcrivent les langages de programmation.
I.7.6.3. Modle gomtrique associ l'espace de tches
L'espace de tches est constitu d'lments matriels (table ou se trouvent les pices
assembler, gabarit de soudage, table de la machine-outil, etc.) Pour situer la matire
d'?uvre et l'effecteur dans cet environnement matriel il faut associer un repre l'espace
des tches. Deux cas se prsentent dans la pratique:
- machine travaillant dans un espace affine trois dimensions.
- machine travaillant sur une matire d'?uvre deux dimensions.
I.7.6.3.1. Machine travaillant dans un espace affine trois dimensions
C'est le cas de la plupart des robots. Ceux qui dplacent des objet volumiques ou
qui interviennent dans un environnement volumique. C'est le cas des machines-outils qui
permettent l'usinage dans des volumes (machine fraiser, machines d'lectrorosion, etc.).
La description de la matire d'?uvre et de l'action des outils impose d'associer l'espace de
la tche un repre 3D. [7]
I.7.6.3.2. Machine travaillant sur une matire d'?uvre deux dimensions
Dans la pratique. Il s'agit essentiellement d'une matire d'?uvre plane (tle dcoupe,
poinonner, tissus dcouper). Bien souvent la machine possde des dplacements qui
font intervenir les 3 dimensions habituelles (par exemple le mouvement du poinon est
perpendiculaire la tle travaille). Cependant la description de la tche excuter
Vf
N
Vc
z
y
x
Figure I-15: Repre 3D associ une tche de fraisage ou de perage.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
19
n'implique pas la prise en compte de ce "mouvement accessoire". Seulement du la mise
en ?uvre de l'effecteur, cette description n'implique que deux dimensions. [7]
I.8.La modlisation
Les systmes mcaniques permettant le dplacement d'un solide (qu'il on appellera
l'organe terminal), par rapport une base fixe joue un rle trs important dans le multiples
applications. Un solide dans l'espace peut effectuer diffrents types de dplacement. Des
translations et des rotations que l'on appelle ses degrs de libert.
Pour un solide dans l'espace le nombre total de degr de libert ne peut excder
6 (par exemple 3 translations selon des axes perpendiculaire entre eux et 3 rotations,
autour de ces axes).On repre la position et l'orientation de l'organe terminal et des angles
qui dfinissent son orientation, ds que l'on peut commander plusieurs degrs de libert
de l'organe terminal par l'intermdiaire d'un systme mcanique. [8]
I.9.Modlisation des machines
La cellule lmentaire: description dune tche sur une machine automatise
aspect technologique: prparation ncessitant les mobilisations des
connaissances relatives la matrise du procd (choix des quipements, du
processus et des conditions de mise en ?uvre).
aspect gomtrique: localisation (positionnement, paraxial, suivi de
trajectoire) de leffecteur dans lespace de la tche.
lments permanents concourant la ralisation de la tche:
loutil
leffecteur
la machine porteuse
le systme de commande
le systme de retour dinformation qualifiant la tche (gomtrique ou
technologique).
1 la situation relative de l outil par rapport la pice est assure par une chane de
solides: liaison complte, mouvement de translation ou de rotation assur par
rglage ou par commande laide dun actionneur.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
20
2 la gomtrie des surfaces, les dimensions de la porte pice est dfinies dans lespace
des tches les mouvements relatifs sont exprims dans lespace articulaire. [8]
Chane de solides
Les machines-outils et robots sont constitus de chanes de solides (simple et ouverte
dans la plupart des cas) ou structure mcanique articule.[8]
mouvement relatif
liaison compltedmontable
outil
porte outil
pice
porte pice
Espace des tches
Support despices
Supportdes outils1 2 ... n
Espace articulaire
mouvement relatif
liaison compltedmontable
outil
porte outil
pice
porte pice
Espace des tches
Support despices
Supportdes outils1 2 ... n
mouvement relatifmouvement relatif
liaison compltedmontableliaison compltedmontable
outil
porte outil
pice
porte pice
Espace des tches
Support despices
Supportdes outils1 2 ... n
outil
porte outil
outil
porte outil
pice
porte pice
Espace des tches
pice
porte pice
pice
porte pice
Espace des tches
Support despices
Supportdes outils1 2 ... n
Espace articulaire
Figure I-16: La relation entre espace articulaire et espace des tches [8]
bti
outil
Porte outil
Support outil
pice
Porte pice
Support des pices
bti
outil
Porte outil
Support outil
pice
Porte pice
Support des pices
Figure I-17: Chane de solides
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
21
Modle gomtrique
matrice en coordonnes homognes
0 0 1 1 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 1 1
O m O O O M x x y y z z
ax b y c z x x y y z z
= + = + +
= + + + + +
uur uur uur
uur uur uur uur uur uur
On multiplie scalairement par les vecteurs de base 0B
premier membre = composantes de 0O m dans le repre 0R = coordonnes
homognes de 0O m
matrice 0 /1B : matrice de passage du repre 0R vers le repre 1R
=oprateur de changement de repre colonnes: composantes dans 0R des
vecteurs unitaires de 1R et de 0 1O O
o0
0xv
0yr
0zv
o0
0xv
0yr
0zv
1O
1yuur
1xur .
m
1zuur
0 11 12 13 1
0 21 22 23 1
0 31 32 33 1
*
1 0 0 0 1 1
x p p p a xy p p p b yz p p p c z
=
Figure I-18: repre d'espace articulaire et repre d'espace des taches.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
22
vecteur = composantes de 1O m dans le repre 1R = coordonnes homognes
de 1O m
la matrice 3 x 3 reprsentent la rotation et la dernire colonne la translation
Transitivit:
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]0/ 0 /1 1/ 2 2 / 3 3/ 4 1/............n n nB B B B B B -=
matrice inverse [ ] [ ] 11/0 0/1B B-
=
la position de lorgane terminal est dfinie en situation (orientation et position) par
les six coordonnes oprationnelles (articulaires)
modle direct [ ]0 / nB : permet de dfinir la situation de lorgane terminal par rapportau bti en fonction des coordonnes articulaires
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]0/ 0 /1 1/ 2 2 / 3 3/ 4 1/............n n nB B B B B B -=
le modle inverse [ ]/ 0nB : permet de dterminer les coordonnes articulairesconnaissant la position de leffecteur dans lespace de la tache (problme de
commande en position), la rsolution du problme inverse peut tre difficile
(solutions impossible ou multiples)
on peut galement ajouter des limites aux dplacements
Le but de cette modlisation est de dfinir l'orientation et la position de lorgane
terminal en situation des coordonnes oprationnelles (articulaires).
Par identification on peut exprimer le vecteur [ ]1 2 3, , , , ,X x y z q q q dfinissant laposition de lorgane terminal dans lespace de la tche en fonction du vecteur q des
coordonnes articulaires qi. [8]
1 11 12 13 1 1 0 0
1 21 22 23 1 1 0 0
1 31 32 33 1 1 0 0
.
.*
.1 0 0 0 1 1
x p p p x O O xy p p p y O O yz p p p z O O z
=
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
23
I.10. L'usinage grande vitesse (UGV)
Pour tous les processus de fabrication retenus, il existe des points de
fonctionnement rpondant la qualit des surfaces usines demande.
Cependant tous ces points de fonctionnement ne sont pas quivalents et seuls
quelques-uns rpondent aux critres de productivit. Lvolution des moyens de production
permet daccrotre sans cesse la productivit et il est donc important de slectionner les
process et de choisir les paramtres associs optimisant les performances des moyens de
production.
En effet, dans lindustrie automobile, les produits fabriquer ont une dure de vie
qui est de plus en plus courte et les lignes transferts ncessitent une dure damortissement
qui devient incompatible avec la dure de vie des produits quelles fabriquent. Ainsi, les
lignes transferts sont petit petit remplaces par des machines agiles ; machines-outils qui
allient aux grandes vitesses de coupe de grandes vitesses de dplacement.
En effet, sur les lignes transferts, les industriels utilisaient principalement des outils
spciaux et complexes avec des trajectoires dusinage simples se limitant la plupart du
temps un mouvement dans une seule direction.
La productivit tait assure par lquilibre des temps sur chaque poste de travail et
par lexcution simultane de toutes les oprations dusinage. [9]
Avec le saut technologique li la venue des machines agiles, ces techniques ne
sont plus applicables car nous sommes en prsence dune machine effectuant une seule
opration dusinage la fois.
Pour amliorer la productivit, le temps dusinage li chaque opration doit tre le
plus court possible ; on obtient ce rsultat grce lusinage grande vitesse (UGV) et les
temps improductifs entre deux oprations dusinage, y compris les temps de changement
doutil, doivent reprsenter une part la plus faible possible du temps total ; ceci est obtenu
par les grandes vitesses de dplacement. Une stratgie souvent adopte consiste
minimiser le nombre de changements doutil en utilisant des outils standard associs des
trajectoires plus complexes comme par exemple lalsage la fraise par interpolation
orbitale. [10]
Sous limpulsion des entreprises de hautes technologies et de leurs exigences en
matire de rduction des temps et des cots, lusinage grande vitesse (UGV) est devenu un
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
24
moyen de mise en forme la mode depuis une dizaine dannes. Ce procd subit et
ncessite un dveloppement quasi permanent des machines et des outils.
I.10.1. Dbuts de l UGV
Dvelopp au dbut des annes 1980 par le constructeur franais Forest-Lin pour
les besoins de lindustrie aronautique, lusinage grande vitesse (UGV) sest dmocratis.
De nombreux ateliers, petits et grands, se sont quips de telles machines et ont appris,
parfois en essuyant les pltres, les exploiter convenablement.
LUGV porte bien son nom : elles vont en effet trs vite ces machines. Leurs broches
tournent en gnral 18 000 ou 20 000 tr/min et mme beaucoup plus dans les oprations
de perage ou lusinage de finition. L, on atteint des vitesses daxe et des acclrations
couper le souffle grce aux moteurs linaires. [11]
Il existe diffrentes dfinitions de lUGV suivant les domaines dutilisations.
q Lusinage grande vitesse de coupe (Vc)
q Lusinage grande vitesse de broche (N)
q Lusinage forte avance (Vf)
q Lusinage haute productivit
Toutefois si on considre le couple outil-matire, on peut dire dune faon plus gnrale:
"LUGV est un procd denlvement de matire dont les conditions de coupe sont 5 10
fois suprieures celles utilises en usinage conventionnel pour un matriau donn." [11]
Vf
N
Vc
Figure I-19: Les vitesses de
coupe, de la broche, et d'avance.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
25
I.10.2. dfinition de lUGV
LUsinage Grande Vitesse ne signifie pas uniquement une vitesse de broche trs
leve, pas plus que de dplacements de table dpassant la moyenne laquelle sont
habitus les ateliers. Cette technologie consiste augmenter les vitesses de coupe (5 10
fois suprieures), et implique un ensemble de caractristiques de base au niveau machine :
commande numrique, broche, outil, sans oublier, en amont, la programmation sur un
systme de CFAO. [12]
I.10.3. Intrt de lUGV
Dans la thorie, pour le mme effort de coupe, lUGV permet denlever un volume
de matire par unit de temps suprieure un usinage avec des vitesses conventionnelles.
LUGV ayant pour but daugmenter le taux denlvement du mtal et rduire les
efforts de coupe, il peut tre une solution pour satisfaire le ncessaire amlioration du
process de fabrication en cots, dlais et qualit. Cependant, pour de nombreux
mcaniciens, lapplication et le champ daction de lUGV paraissent limits. [12]
I.10.4. Domaines d'application
I.10.4.1. Laronautique
Grce lUGV, lusinage de voiles minces en aluminium est possible du fait de la
rduction des efforts de coupe.
Vitesses de coupe
Avances
Profondeurs de passe
Figure I-20: voiles minces en aluminium utilis en aronautique
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
26
I.10.4.2. Les outilleurs
LUGV permet dusiner des matrices de forge en acier trait.
I.10.4.3. Les moulistes
LUGV a permis de remplacer llectrorosion dans lusinage des moules.
I.10.5. Les spcificits des machines-outils d'usinage grande vitesse UGV
I.10.5.1. La structure
Pour obtenir des pices usines de grande qualit et viter les vibrations, la structure
de la machine UGV doit tre rigide, notamment grce un bti souvent ralis en bton de
synthse prcontraint renforc de fibres et de matriaux spciaux.
Les lments mobiles, mus par des vis billes ou des moteurs linaires, sont conus
pour autoriser de grandes acclrations et vitesses. On peut atteindre des vitesses de
lordre de 60 m/min avec les nouvelles gnrations de vis billes et 90 m/min avec les
moteurs linaires. Les carters doivent rsister aux chocs et aux grandes tempratures car la
chaleur leve des copeaux, lclatement de loutil ou ljection de plaquettes, combins aux
grandes vitesses de rotation de la broche, peuvent avoir des consquences sur la scurit
de loprateur.
Les lectro-broches haute frquence utilises dans les machines UGV peuvent tre
quipes de roulements prcontraints en acier, de roulements hybrides billes en
Vitesses de coupe
Avances
Profondeurs de passe
Figure I-21: Matrice de forge pour bielle (51HRC) [13]
Vitesses de coupe
Avances
Profondeurs de passe
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
27
cramique sur cages en acier ou encore de paliers magntiques actifs. Les vitesses de
rotation peuvent atteindre 160 000 tr/min et les puissances disponibles jusqu 100 kW .
[12]
I.10.5.2. Structures parallles pour les machines-outils
quatre ans aprs la sortie des premiers modles prototypes des machines
architectures parallles hexapodes, aussi appeles les PKMT (Parallel Kinematic Machine
Tool), plusieurs constructeurs proposent des machines exploitables par lindustrie et
quipes (systmes de chargement / dchargement automatiss, dvaluation des
copeaux,). Les premiers retours dexpriences industrielles semblent tre positifs.
Ces structures hexapodes sont intressantes notamment pour des applications en
UGV (Usinage Grande Vitesse) grce leur qualit structurelle : une grande rigidit, de
faibles masses en mouvement, et donc de grandes vitesses de dplacement. [12]
I.10.6. Les mcanismes parallles
Un mcanisme structure parallle est un mcanisme en chane cinmatique
ferme dont lorgane terminal est reli la base par au moins deux chanes cinmatiques
indpendantes
Merlet dfinit un manipulateur parallle comme un mcanisme en chane cinmatique
ferme, constitu dun organe terminal n degrs de libert et dune base fixe, relis entre
eux par au moins deux chanes cinmatiques indpendantes. [14]
Si le nombre de chanes cinmatiques indpendantes est gal au nombre de degrs de
libert alors le manipulateur est dit pleinement parallle, sil est strictement infrieur il est
dit hybride. Ainsi, les manipulateurs parallles se diffrencient des manipulateurs sriels
dont larchitecture consiste en un empilement de segments motorises.
I.10.7. Caractristiques de lUGV influenant le processus de fabrication
La premire caractristique de lUGV est laugmentation des sollicitations dynamiques
appliques machine-outil. La frquence de rotation de la broche et les vitesses davance
est dcuple.
Au cours dune opration dusinage standard sans incident dusinage, les sollicitations
dynamiques (flexions, vibrations) supportes sont multiplies et ne peuvent plus tre
ngliges lors de la conception de la phase de fabrication.
-
Chapitre I Modlisation cinmatique des machines outils classiques et ncessits des structures parallles en U.G.V
28
La seconde caractristique intresse la qualit des pices obtenues. Utilis dans de
bonnes conditions, l'UGV ralise des pices respectant des spcifications gomtriques
exigeantes, sans qu'il soit ncessaire de pratiquer des oprations longues de rectification ou
de polissage. Lobtention de ce niveau de qualit passe par une prparation soigne de
lopration de finition et donc des oprations dbauche et de demi-finition.
Le travail de prparation de la fabrication doit adapter les gammes et stratgies
dusinage de faon les rendre conformes aux conditions demploi de lUGV.
Enfin les gains de productivit associs permettent de remettre en cause
lordonnancement des oprations de fabrication dans le cas de production en grande srie.
[15]
I.11. Conclusion
Dans cette partie, nous avons prsent les volutions des mthodes de fabrication
des pices dues lintroduction de lUGV. De par la qualit des pices usines et les gains
en productivit assurs, lUGV remet en cause la gamme complte de fabrication, voire la
structure des ateliers dans le cadre de productions dans laronautique ou lautomobile.
Gnralement, on considre que lon obtient des pices de meilleure qualit pour
des cots identiques. Lintroduction de lUGV permet donc une simplification importante des
gammes de fabrication.
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Chapitre II
Synthse de mcanismes parallles et tudecomparative entre les machines-outils et les robots
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
29
I.1. Introduction
Lusinage grande vitesse (UGV) exige des performances dynamiques de plus en
plus leves de la part des machines-outils. Ces performances peuvent tre amliores en
quipant les machines-outils de moteurs plus puissants. Cependant, ces amliorations sont
limites par les masses leves des axes des machines-outils classiques dites srielles
(axes en sries). [16]
Sur une machine-outil srielle, les axes sont empils les uns sur les autres. Sur
la figure II-1 par exemple, laxe Y supporte laxe X. Le moteur de laxe Y doit donc dplacer
deux corps massifs.
Pour diminuer les inerties des machines-outils, une solution trs intressante
consiste changer larchitecture cinmatique en plaant les axes non pas en srie mais en
parallle (architecture parallle) [17] La premire application industrielle connue des
mcanismes parallles est la plate forme de Gough [18] (Figure II-2), destine au test de
pneumatiques. A la fin des annes soixante, D.Stewart rutilisera cette architecture pour
concevoir un simulateur de vol [19].
Les exigences actuelles du march en terme de productivit et de flexibilit induisent
de nouveaux dveloppements sur les machines-outils. La qualit, les performances
techniques et la souplesse deviennent des exigences incontournables des machines.
Les grandes tendances de loffre en machines dusinage se positionnent dans les
performances suivantes : augmentation de la vitesse de travail, respect dune grande
prcision dusinage, possibilit deffectuer des trajectoires plus prcises et plus complexes.
On note galement, que la principale tendance est laugmentation de la dynamique
des machines (grce lexploitation des moteurs linaires) avec de plus fortes acclrations
et des temps de changement doutillage plus courts. Certains centres dusinage sont mme
capables de combiner diverses oprations (tournage, fraisage ou usinage et rectification).
Figure II-1 : Machine outil sriel
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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II.2 Historique
Historiquement les premires machines ont donc t des tours pour la fabrication de
pices de rvolution. Les tours actuels sont toujours bass sur le mme principe. Par
exemple, les machines raboter et les limeuses (rebaptises ultrieurement taux limeurs)
ont quitt les ateliers, remplaces par les fraiseuses. A la fin des annes 70, l'apparition des
premires commandes numriques a rvolutionn le monde de la machine-outil.
Les types de machines (tours. fraiseuses) n'ont pas fondamentalement chang, mais
les temps de reconfiguration de ces machines ont t considrablement rduits par le
remplacement des butes rglables (mcaniques ou lecto-mcaniques) par des butes
logicielles. L'utilisation des commandes numriques a galement permis d'augmenter la
complexit des formes ralises grce la combinaison de mouvements suivant plusieurs
axes.
II.3 Etat de l'art des mcanismes parallles
en 1955: le premier mcanisme parallle a t imagin par Gough [GOUG_57] afin
de tester le comportement de pneumatiques. La plate-forme mobile de ce mcanisme
parallle possde 6 degrs de libert. La nacelle est relie la base l'aide de 6 pattes
identiques. Chacune de ces pattes est connecte, d'une part la base par un joint de
cardan et d'autre part la nacelle par une liaison rotule. La longueur de chacune des pattes
est modifie l'aide d'un vrin. Plusieurs robots reposant sur ce principe ont t proposs.
Les variations par rapport la plate-forme originale sont lies la position des points
d'ancrage des pattes sur la base et sur la nacelle.
en 1965: Stewart [STEW_65] raliser un simulateur de vol 6 degrs de libert.
Les plates-formes de Gough et de Stewart, souvent appeles abusivement toutes deux
Figure II-2 : Plate-forme de Gough. [16]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
31
plate-forme de Stewart , possdent des actionneurs mobiles et par consquent une
dynamique rduite, bien que dj meilleure que celle des robots srie. [20]
Pour amliorer la dynamique de la plate-forme de Gough, l'ide est d'intervertir les
liaisons glissire et cardan en utilisant des barres de longueur fixe donc plus lgres. Les
actionneurs sont alors disposs sur la base. Cela aboutit au prototype main gauche
dvelopp l'INRIA par Jean-Pierre Merlet.
En 1980: Le robot Delta, cr l'Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne
[CLAV_88] rpond ce besoin. Les mouvements de l'organe terminal de ce robot sont les 3
translations.
Figure II-3 : Simulateur de vol pneus de STEWART [16]
Figure II-4 : Prototype main gauche [21]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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En1991: Franois Pierrot propose une volution du concept 3 axes du robot Delta
vers un concept 6 axes. Ses travaux ont dbouch sur la cration du robot Hexa. Il est
compos de 6 actionneurs rotatifs relis chacun par une liaison rotule une barre de
longueur fixe. Chacune de ces barres est relie la nacelle par une liaison rotule. Tout
comme le robot Delta, il s'agit d'un robot lger, donc rapide.
En 1994: Le robot Tricept a t rcemment dclin sous forme de machine-outil.
Figure II-6 : Robot Hexa.
Figure II-5 : le robot DELTA de R. Clavel(Brevet EPFL, Suisse) [16]
Figure II-7 : Robot Tricept.
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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II.4 Machine-outil parallle
La premire prsentation officielle dune machine-outil parallle remonte 1994 avec
la Variax (Gidding & Lewis) au salon de Chicago. Cette machine reprenait larchitecture de
type plate-forme de Gough-Stewart communment appele
hexapode.
Depuis 1994, date de la prsentation publique de la premire machine-outil
structure parallle, de nombreux prototypes ont t dvelopps. Cependant trs peu dentre
eux sont actuellement utiliss dans lindustrie et lorsque cela est le cas, ces machines
ralisent principalement des oprations de perage, lamage, taraudage mais pas ou peu
dusinage de formes. Pourtant, lintrt majeur de ces machines rside dans leurs
caractristiques dynamiques qui pourraient savrer trs intressantes dans le
dveloppement de lusinage grande vitesse de formes complexes. [22]
II.5 Quelques machines outils parallles
La premire machine d'usinage architecture parallle propose est la Variax de
Giddings&Lewis en 1994 [SHEL_95]. Sa structure parallle est du mme type que celle de la
plate-forme de Gough. Les machines de ce type sont appeles Hexapodes.
III.5.1 Machine Ingersoll Hoh600
Il s'agit d'une des premires machines d'usinage 5 axes du type hexapode. 6 pattes
tlescopiques montes sur rotules relient la nacelle au bti. La version prsente ici est
broche horizontale. Une version broche verticale existe galement
Figure II-8 : Machine Variax. [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.5.2 Mikromat 6X Hexapod
Comme son nom l'indique cette machine appartient la famille des hexapodes. Elle
est similaire la machine INGERSOLL ci-dessus. Sa principale diffrence est la disposition
des articulations rotule sur la nacelle. En effet, les centres des liaisons rotule
n'appartiennent pas au mme plan. Ils sont situs dans deux plans distincts
perpendiculaires l'axe de la broche. Cette disposition constructive est intressante afin de
rduire les risques de collision entre barres. Par contre, pour les pattes les plus loignes de
l'outil, le dbattement angulaire est accentues ce qui contribue rduire la plage de
variation de l'orientation de la nacelle
III.5.3 Hexel Tornado 2000
Il s'agit d'une machine de type hexapode similaire la machine INGERSOLL.
Figure II-9 : Machine Ingersoll H0h600. [23]
Figure II-10 : Machine Mikromat 6X [23]
Figure II-11 : Machine Tornado2000 [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.5.4 Machine Hexact
Il s'agit encore d'une machine de type hexapode dont la disposition des pattes est
intressante.
III.5.5 Machine Hexapode CMW
Cette machine est de type hexapode. Elle peut tre utilise soit de manire
autonome (son volume de travail est alors limit), soit porte par une structure cartsienne
destine la positionner en plusieurs endroits afin de recouvrir un volume de travail plus
important..
III.5.6 Machine Hexaglide
L'Hexaglide est une machine qui appartient la famille main gauche . Elle est
compose de 6 actionneurs linaires fixes et d'une nacelle relie par des barres de longueur
fixe montes sur rotule. Il s'agit d'une machine d'usinage 5 axes. Sa particularit rside
dans la disposition des liaisons glissires qui sont toutes coplanaires et de mme direction.
Cette disposition permet d'avoir une direction de dplacement privilgie afin d'usiner des
pices longues.
Figure II-12 : Machine HEXACT. [23]
Figure II-13 : Machine-outil parallle hexapode (doc. CMW)
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.5.7 Machine HexaM
Cette machine construite par la socit Toyoda est une variante du robot Hexa
III.5.8 Machine Triaglide
La machine Triaglide est une machine 3 axes actionneurs linaires. Il s'agit de la
version machine-outil de l'architecture du robot Delta. Les liaisons glissires sont parallles
entre elles ce qui permet d'avoir une direction de dplacement privilgie pour l'usinage de
pices longues.
Figure II-14 : Machine Hexaglide. [23]
Figure II-15 : Machine Toyoda HexaM [23]
Figure II-16 : Machine Triaglide. [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.5.9 Machine Dyna-M
Il s'agit d'une machine 3 axes compose d'un mcanisme parallle plan chanes
passives portant un axe Z.
III.5.10 Machine Georg V
III.5.11 Machine Eclipse
La machine Eclipse* [KIM_98] de l.Universit Nationale de Soul. Cette machine
redondante permet aussi bien de raliser des usinages de surfaces complexes 5 axes, des
usinages 5 faces sans dmontage sur des pices prismatiques et du tournage vertical.
Figure II-17 : Machine Dyna-M. [23]
Figure II-18 : Machine Georg V. [23]
Figure II-19 : Machine Eclipse [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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II.6 Les robots industriels
Trs vite, dans le monde industriel est apparu le besoin de robots capables de se
substituer lhomme, et prsentant une grande flexibilit. On parle ds lors de robots
industriels :
Un robot industriel est un manipulateur automatique asservi en position, polyvalent,
reprogrammable, capable de positionner et d'orienter des matriaux, des pices, des outils
ou des dispositifs spcialiss au cours de mouvements variables et programms pour
l'excution de tches varies1 . [24]
La plupart des robots industriels construits ce jour est de type sriel, c'est--dire que
leur structure mobile est une chane ouverte forme d'une succession de segments relis
entre eux par des liaisons un degr de libert2. Chaque articulation est commande par
un actionneur situ l'endroit de l'articulation ou sur un des segments prcdents [25]
III.6.1 Constituants mcaniques des robots
Figure II-20 : Le robot IRB 7600-150 (ABB) : photo et graphe dagencement [24]
Figure II-21 : Constituants dun robot [26]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.6.2 Organe terminal
La position et lorientation dun manipulateur est dcrite par le systme de
coordonnes de loutil terminal (tool frame) attach lorgane terminal. Ce systme est
dcrit par rapport au systme de coordonnes de la base du manipulateur (base frame).
[26]
Ces robots ont pour avantage de disposer dun grand volume de travail et dtre
relativement simples sur le plan des calculs lis leur commande. Leurs principaux dfauts
sont rsums ci-dessous :
Inertie leve due aux masses rparties sur toute la chane cinmatique4
(actionneurs, organes de transmission) ;
Manque de rigidit par la mise en srie dlments lastiques ;
Fatigue et usure des liaisons de puissance assurant lalimentation des actionneurs
(cbles, tuyaux flexibles) ;
Fatigue et usure des liaisons assurant la circulation des informations entre les
capteurs et la commande ; sur le plan scurit, ce point est essentiel puisquune
erreur de transmission peut avoir des consquences dsastreuses sur les
mouvements du robot. [24]
III.6.3 Nouvelles gnrations de robots
Les robots parallles (bass sur la structure de stewart) : Lorgane terminal est reli une
base mcanique fixe par plusieurs chane parallles.
- Une plus grande rigidit,
- Plus grande prcision
- Capacit de charge leve
- Modification rapide de la situation de lorgane terminale dans lespace en fonction des
obstacles. [24]
Figure II-22 :lorgane terminal dun robot [26]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.6.4 Les robots parallles
Dfinition : Un manipulateur parallle est un mcanisme en chane cinmatique ferme,
dont lorgane terminal est reli la base par plusieurs chanes cinmatiques indpendantes
[27]
III.6.5 Les avantages des robots parallles
La mise en parallle de plusieurs chanes cinmatiques entranes chacune par un
actionneur conduit gnralement aux avantages suivants:
Capacit de charge leve,
Possibilit de mouvements haute dynamique (acclrations leves),
Rigidit mcanique leve,
Faible masse mobile,
Frquence propre leve, donc peu d'erreur de rptabilit due une oscillation
incontrle de la structure mobile,
Possibilit de positionner les actionneurs directement sur la base fixe ou trs proche
de celle ci; cette particularit a les consquences positives suivantes :
- grand choix de moteurs et de rducteurs par le fait que leur masse joue peu de rle
dans l'inertie du manipulateur,
- simplification importante des problmes de liaisons entre les moteurs, les capteurs et
le contrleur (cblage plus simple et plus fiable),
- facilit de refroidissement des actionneurs, donc diminution des problmes de
prcision dus aux dilatations et puissance potentielle leve,
- facilit d'isoler les moteurs de l'espace de travail pour des activits en atmosphre
propre ou avec risque de dflagration ou encore pour les applications ncessitant des
lavages grande eau.
Facilit d'intgration de capteurs,
Figure II-23 : Le robot Hexamove-System (OHE Hagenbuch AG) : photo
et graphe dagencement [27]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
41
Construction mcanique modulaire, simplicit de fabrication et possibilit de srie
par la prsence de plusieurs composants identiques sur un robot.
Effet des tolrances de fabrication sur la prcision limit. [25]
II.7 Les tches ralises par les mcanismes parallles
III.7.1 Les tches ralises par les robots
Les robots permettant de ralise des oprations difficiles ou impossibles l'excuter
manuellement l'aide d'un outil simple (efforts trop importants produire, prcision
irralisable par un geste humain, etc.) [28]
III.7.1.1 Applications spatiales
Les application dans le spatial des manipulateurs parallles peuvent tre divises en
deux catgories: les dispositifs terrestres destins la simulation d'apesanteur et les
dispositifs embarques. [28]
III.7.1.2 Applications mdicales
Le robot "Delta" est actuellement utilis comme support de microscope l'hpital
Necker, et un robot parallle est utilis dans le simulateur "Gellsim" destin l'exploration
des molcules. [28]
Figure II-24 : tlescope (vertex RSI, Allemagne) [16]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.7.1.3 Applications industrielles
La prcision de positionnement et la raideur leve des robots parallles devraient
en faire des instruments utiles dans des domaines varis de l'industrie. L'assemblage et le
suivi de contour sont des applications favorites des manipulateurs parallles.
Certaines structures spciales de manipulateurs parallles, comme le "Delta", ont t
utilises pour des tches de dpose rapide. Citons l'utilisation d'un robot gnral comme
support pour une buse de peinture d'un mini robot se dplacent l'intrieur de conduites.
[28]
Figure II-25 : robot mdicale [29]
Figure II-26: robot industriel. [29]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
43
II.8 Synthse de mcanismes en robotique.
La synthse de mcanismes consiste trouver un mcanisme, le meilleur au sens
d'un ou de plusieurs critres prdfinis, pour accomplir une tche donne.
Pour un robot, la tche est l'ensemble des positions atteindre qui peuvent tre une
liste de points de passage, une trajectoire parcourir, une surface laquelle le robot doit
accder et/ou un volume de travail. Ces positions doivent tre atteintes sous une ou
plusieurs des contraintes physiques de nature:
Gomtrique (collisions avec l'environnement du robot, zones o le robot ne doit
pas pntrer).
Cinmatique (vitesse de parcours d'une trajectoire).
Dynamique (masse transporter, acclration minimale ou effort exercer par le
robot).
Environnementale (spcificit de l'environnement du robot telle que atmosphre
marine ou apesanteur).
Concernant le mcanisme proprement dit, sa cinmatique est totalement
caractrise par la connaissance du triplet {T, D, P} o T reprsente la topologie du
mcanisme, D ses dimensions et P son placement par rapport au repre de rfrence [30]
En effet, les tches s'effectuent par les machines-outils parallles dans un volume de
travail simple dans lequel des contraintes de performances minimales doivent tre
respectes.
Parmi ces contraintes, nous pouvons citer la vitesse d'avance et l'acclration qui
conditionnent la productivit de la machine, la prcision et la rigidit auxquelles est lie la
qualit des surfaces usines et l'encombrement de la machine qui est capital si cette
dernire doit s'insrer dans une ligne transfert.
II.9 Etude comparative entre les machines-outils et les robots parallles
Il faut bien videment mentionner la premire fraiseuse reposant sur le principe
d'une plate-forme de Gough propos par la socit Giddings & Levis sous le nome
"Variax", ralisent ainsi la vision de commentateurs du papier de Stewart. Elle a constitu le
clou de l'exposition de la machine-outil Chicago en 1994. [26]
-
Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
44
III.9.1 Architectures parallles candidates pour les machines-outils
III.9.1.1 Performances dynamiques
Les performances dynamiques des machines-outils conditionnent leur productivit.
Les machines-outils structure cartsienne souffrent du mme dfaut que les robots srie
savoir leur faible capacit d'acclration. Etant donn que, pour un effort de pousse donn,
l'acclration rsultante est inversement proportionnelle la masse dplace, l'amlioration
des performances dynamiques passe obligatoirement par une rduction des masses en
mouvement. Cette dernire constatation est particulirement difficile mettre en ?uvre
dans le cas des architectures srie o on doit concilier la rduction des masses avec une
bonne rigidit de la structure.
Avec les technologies actuelles, notamment en matire de motorisation, les
machines structure cartsienne ralises tendent s'approcher des limites (1,2 g
d'acclration pour la machine Urane) en matire de capacit d'acclration et ce,
principalement cause de l'importance des masses transportes. Leur rduction revt donc
une importance capitale. L'utilisation des logiciels de calcul lments finis et, dans certains
cas, d'alliages base d'aluminium la place de la fonte ont permis d'obtenir des pices plus
lgres, donc des machines possdant une meilleure dynamique. Cependant, les limites
sont sur le point d'tre atteintes.
Le principal intrt d'utiliser des mcanismes parallles la place des architectures
srie rside dans le fait que leurs performances dynamiques sont intrinsquement
meilleures.
Afin de profiter au maximum de l'amlioration de ces performances, nous devons
choisir des architectures dont les pices en mouvement sont les plus lgers possibles, c'est
dire les structures dont les actionneurs (qui comptent parmi les pices les plus massives)
sont fixs sur le bti de la machine. [23]
III.9.1.2 Comportement thermique
Si, du point de vue des performances dynamiques, les machines-outils structure
parallle doivent dpasser les machines-outils cartsiennes, sur d'autres points tels que la
prcision, leurs performances doivent tre au moins gales celles des structures srie. La
prcision des machines est influence par la qualit de ralisation de leurs organes, par la
finesse de leur talonnage ainsi que par leur comportement thermique.
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
45
Si nous examinons le cas des hexapodes, par exemple la machine Ingersoll, nous
constatons que l'nergie thermique dissipe par les moteurs provoque une augmentation de
la temprature des pattes de la machine car ces pattes sont isoles thermiquement
de la nacelle et du bti de la machine par les articulations.
Cette augmentation de temprature induit un allongement des barres qui nuit au
positionnement prcis de l'outil. Une solution ce problme est d'quiper la machine de
capteurs de temprature et d'effectuer une compensation en ligne. Cependant, la solution
idale est d'vacuer l'nergie thermique dissipe par les moteurs dans le bti, ce denier
tant beaucoup plus massif que les barres, son augmentation de temprature et donc ses
dformations seront trs faibles. Pour se rapprocher au maximum de cette solution, nous
devons avoir, comme dans le cas des performances dynamiques, des actionneurs fixs sur
le bti de la machine.
III.9.1.3 Rigidit
La rigidit des organes de la chane cinmatique reliant la broche l'outil est un
point capital pour les machines-outils et ce afin que les efforts de coupe ne provoquent pas
un dplacement de l'outil trop important entranant un dfaut de la gomtrie et de la
position de la surface usine, mme si ces efforts de coupe diminuent en usinage TGV. Pour
obtenir une machine rigide, chacune des pices charges du mcanisme doit avoir une
dformation minimale ce qui implique soit, l'utilisation de pices massives au dtriment de
la dynamique de la machine, soit, un chargement des pices favorable par rapport leur
gomtrie. Nous voyons que, par rapport notre problme, la deuxime solution est
Actionneurs mobiles Actionneurs fixes
Figure II-27 : Dissipation de la chaleur gnre par les moteurs [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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prfrable. Nous allons maintenant examiner les sollicitations de chacune des pices
constituant typiquement un mcanisme parallle :
Le bti de la machine est, par dfinition, un ensemble fixe. Sa masse n'a donc pas
d'influence sur l'acclration de la machine. On a donc intrt augmenter sa masse afin de
le rigidifier et de contribuer la stabilit de la machine.
La nacelle porte la broche de la machine. Pour ne pas pnaliser la dynamique de
l'ensemble, sa gomtrie doit tre optimise afin d'obtenir une pice rigide avec une masse
minimale.
Les articulations de la machine devront galement tre rigides et leur masse
minimale. Comme, pour certaines machines, il s'agit d'articulations du commerce (de
marque INA, par exemple).
Figure II-28 : la nacelle. [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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La motorisation, comme les articulations sont des organes d'intgration standard.
Nous ne parlerons donc pas de leur conception. Par contre, le choix du type de motorisation
(linaire ou rotative) est important. Sur la Figure II-30, nous avons reprsent les deux
types de motorisations pour un robot Hexa. Nous constatons que dans le cas de la
motorisation rotative, un bras de levier est utilis. Les sollicitations l'intrieur de ce
bras sont de type flexion dvie, torsion et traction-compression. Ses dformations sont
donc mal matrises et, de plus, la flexion n'est pas une sollicitation favorable par rapport
notre problme. Nous retiendrons donc les architectures utilisant des actionneurs linaires
(moteur linaire ou vis billes).
Enfin, il nous reste considrer les lments reliant la nacelle au bti, savoir,
suivant le cas, les barres ou les vrins. Les sollicitations entranant les dformations les plus
faibles pour ce type de pices qui sont, par dfinition, lances sont des sollicitations en
traction-compression ou en torsion suivant leur axe. Les sollicitations de type flexion
entranent des dformations importantes, donc une mauvaise rigidit de la machine.
Figure II-30 : Comparaison motorisation rotative, motorisation linaire. [23]
Liaison rotule 3 pivots concourants Liaison rotule billes
Figure II-29 : Solution pour la ralisation des liaisons rotule. [23]
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Chapitre II synthse des mcanismes parallles et utilisation de loutil CAO
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III.9.1.4 Rduction des cots
Pour terminer, nous considrons l'aspect modulaire et la simplicit de ralisation. Par
aspect modulaire, nous entendons la possibilit d'utiliser plusieurs fois dans la machine le
mme assemblage de pices afin de rduire les cots d'tude et de fabrication de la
machine.
Ce type de conception est difficile pour les machines srie dans lesquelles les
charges portes par chacun des axes sont diffrentes. Par contre, pour les robots parallles,
on a la possibilit d'utiliser plusieurs pattes identiques.
Cette constatation revient rejeter les solutions de mcanismes parallles base de
chanes passives qui, de plu