modélisation cinématique dune machine cnc.pdf

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

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.

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.4.3. 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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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

Introduction gnrale

2

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.

Chapitre I

Modlisation cinmatique des machines outilsclassiques et ncessits des structures parallles

en U.G.V

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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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]


5


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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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]


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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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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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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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]


10

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)


11

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,

4

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,

5

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


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


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


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.


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


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]


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.


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.


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.


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


mouvement relatifmouvement relatif

liaison compltedmontableliaison compltedmontable

outil

porte outil

pice

porte pice

Espace des tches

Support despices


outil

porte outil

outil

porte outil

pice

porte pice

Espace des tches

pice

porte pice

pice

porte pice

Espace des tches

Support despices


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


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.


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

=


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


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.


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


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


Figure I-21: Matrice de forge pour bielle (51HRC) [13]

Vitesses de coupe

Avances



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.


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.

Chapitre II

Synthse de mcanismes parallles et tudecomparative entre les machines-outils et les robots

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


30

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]


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]


32

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.


33

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]


34

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]


35

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)


36

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]


37

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]


38

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]


39

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]


40

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]


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]


42

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]


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]


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.


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]


46

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]


47

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]


48

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

modélisation cinématique dune machine cnc.pdf

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