Brevet FR2474373A1 — publié le 19810731

z474373 -1 - TABLE SANS GLISSiERES L'invention concerne une machine-outil comprenant une table mobile, sur laquelle est fixée la pièce à usiner. Cet- te table doit pouvoir supporter des charges très lourdes, qui doivent pouvoir être aisément déplacées selon deux axes dans le plan de cette table et perpendiculaires entre eux. Parfois, on demande encore un troisième degré de liberté, à savoir la rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan de la table. Du point de vue cinématique, on dit que la ta- ble est astreinte à se déplacer parallèlement à un plan. Une telle construction se rencontre fréquemment dans les machines d'usinage électrique, tel que l'usinage par électro-érosion ou par enlèvement électro-chimique. Pour les mouvements de translation, la solution usuelle est le systè- me de glissières bien connu qui comprend un premier jeu de glissières solidaires du socle de la machine, puis une par- tie intermédiaire qui peut coulisser le long de ces glissiè- res et qui comprend un deuxième jeu de glissières perpendi- culaires aux premières, et enfin une table qui peut coulis- ser selon une direction par rapport à la partie intermédiai- re, mais en translation dans toutes les directions par rap- port au socle de la machine. Ainsi, l'outil, qui en général dans les machines d'usinage électrique est astreint à ne se déplacer que verticalement, ou principalement verticalement avec des courses latérales de faible amplitude, peut attein- dre n'importe quel point du plan de la table mobile. La technique des glissières, bien qu'universellement répandue, présente plusieurs inconvénients majeurs. D'abord, la construction est coOteuse pour des raisons faciles à com- prendre. En effet, de nombreuses opérations d'usinage et de traitement thermique sont nécessaires. Un inconvénient non négligeable, surtout, dans les ta- bles motorisées, est celui qui résulte des frottements. D'une part, des moteurs de puissance suffisante sont nécessaires pour entrainer la table et, d'autre part, il faut prévoir des ensembles suffisamment rigides pour éviter -2- le phénomène de collage (stick-slip). Il est en effet bien connu que le coefficient de frottement au repos est plus é- levé que celui en mouvement, de sorte que l'application d'une certaine force est nécessaire pour faire décrocher la table de sa position de repos; dans un système mal conçu, la libération de l'énergie potentielle accumulée lors du tra- vail de déformation provoque une avance mal définie, par exemple un mouvement d'avance prévue continue se transforme en une avance par saccades, bien entendu au détriment de la précision. Cet inconvénient a pu être supprimé à l'aide de glissières à billes, mais au prix d'une plus grande com- plexité et de tolérances sévères, ce qui se répercute défa- vorablement sur les coûts. Des vis à billes sont également réalisées, mais avec les mêmes inconvénients de complexité plus grande et de prix plus élevé. Parmi les inconvénients majeurs, il faut encore citer celui de l'usure qui est toujours génératrice de jeux. Ce problème est particulièrement aigu dans certaines machines à électro-érosion, o des mouvements de translation avec composantes horizontales sont continuellement engendrés au cours de l'usinage par des déplacements de table. Enfin, il y a d'autres problèmes, comme celui d'assurer la lubrifica- tion ou le montage précis de glissières qui doivent être parfaitement parallèles ou perpendiculaires entre elles. Le but de l'invention est de remédier à l'ensemble des inconvénients précités, notamment par une construction moins coûteuse, par la simplicité géométrique des surfaces à usi- ner avec précision, par la réduction des frottements, par l'absence de collage et par la simplicité du montage des éléments. La machine-outil faisant l'objet de l'invention com- prend une table mobile sur laquelle est fixée la pièce à u- siner, qui est agencée de manière à se déplacer parallèle- ment à un plan défini par une table fixe, et qui est carac- térisée en ce qu'elle comporte un système d'appui de la table mobile sur la table fixe permettant tous les mouvements de k474373 -3- la table mobile dans ledit plan, au moins trois vérins pour entrainerla table mobile, reliés chacun au moyen d'une ar- ticulation, d'une part, à la table fixe et, d'autre part, à la table mobile, et un dispositif de commande des longueurs de ces vérins pour obtenir à tout instant et de manière uni- que une position prédéterminée de la table mobile. L'invention présente l'avantage de supprimer les glis- sières et du même coup tous les inconvénients inhérents à ce système, construction coûteuse, complexité des disposi- tions géométriques des surfaces à usiner, frottement, col- lage et montage délicat. Elle permet de bénéficier des avan- tages des systèmes connus assurant des mouvements parallè- les à un plan tels que le système à coussin d'air, à film d'huile, à billes ou à aiguilles. Ces systèmes assurent la fonction de support avec plusieurs avantages, tels que rec- tification de surfaces toutes dans le même plan, absence de frottement, collage, et enfin montage plus aisé, ensemble d'avantages qui se traduisent par une construction moins coûteuse. La machine possède fondamentalement les memes fonctions de guidage que la table classique à mouvements croisés. Elle permet de plus la fonction d'ajustement de la position angulaire, qui nécessitait avant la présente inven- tion l'utilisation d'un plateau tournant; cette fonction peut être obtenue ici sans aucune pièce mécanique supplémen- taire. Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'inven- tion. La figure 1 est une machine à électro-érosion, vue en élévation, avec une-table sans glissières, entraînée par trois vérins et reposant sur coussin d'air. La figure 2 est une coupe selon II-II de la figure 1. La figure 3 est un schéma-bloc des commandes électroni- ques de la machine mentionnée ci-dessus. La figure 4 est un autre exemple de machine à électro- érosion, vue en élévation, particulièrement adaptée aux en- -4- trainements par vérins hydrauliques de faible course à l'ai- de d'une commande électronique simplifiée. La figure 5 est une coupe selon V-V de la figure 4. On reconnalt à la figure 1, la disposition usuelle d'une machine à électro-érosion: une table mobile 4 sur la- quelle sont fixés un bac 7 rempli de liquide diélectrique et une pièce à usiner 9, une tête d'usinage 8 composée d'un boîtier 81 contenant un moteur électrique ou hydraulique et, enfin, une électrode-outil 82 entrainée dans un mouvement vertical. Des décharges érosives sont provoquées dans un in- tervalle 10 entre la pièce 9 et l'électrode 82 au moyen d'un générateur non représenté. La table mobile 4 ne repose pas sur des glissières, mais sur un système à coussin d'air schématisé par uoe pompe 6 injectant de l'air sous pression dans des chambres 41 et 42. Des systèmes de ce genre sont déjà connus et utilisés dans l'industrie, de sorte qu'ils ne seront pas décrits plus en détail. Ils ont la capacité de maintenir la table mobile 4 à une distance constante d'une table fixe 5 et de permet- tre, presque sans frottement, tous les déplacements parallè- les à un plan. La cinématique nous apprend qu'ils peuvent toujours se décomposer en deux translations selon des axes dans le plan de la table fixe et en une rotation selon un axe perpendiculaire audit plan, ce qui nous donne trois de- grés de liberté. Le système à coussin d'air a été cité à titre d'exem- ple, mais ce n'est pas le seul système d'appui connu. On peut utiliser un film d'huile, un jeu-de billes ou d'ai- guilles; tous ces systèmes d'appui obéissent à la même ciné- matique et sont caractérisés par des forces de frottement très faibles avec tous les avantages qui en découlent. On peut prévoir un système à ressorts qui plaquent la table mobile contre la table fixe afin de compléter l'action de la pesanteur. L'indisnensable fonction de guidage est assurée par trois vérins 1, 2 et 3 représentés à la figure 2. A chaque k474373 -5- extrémités du vérin 1, on trouve une articulation, à axe vertical ou du type rotule, qui réalise la liaison, d'une part, avec la table fixe au point C1 et, d'autre part, avec la table mobile au point Pl. Les vérins 2 et 3 forment res- pectivement les segments C2 P2 et C3 P Il existe plusieurs exécutions possibles pour ces vérins. L'exemple des figures 1 et 2 montre que le vérin 1 comprend un moteur électrique 11, une vis 12 et un écrou solidaire d'un corps cylindrique 13. Le moteur 11 peut être du type pas à pas ou du type à courant continu associé à un capteur angulaire représenté à la figure 3 et désigné par 14. Une autre solution est d'a- dopter un vérin hydraulique dont la course est mesurée élec- triquement soit par un capteur de position du type magnéti- que, soit par une règle optique digitale. Il faut alors com- prendre que l'élément 14 de la figure 3 est un capteur liné- aire. Enfin, les vérins 2 et 3 sont similaires au vérin 1, avec les moteurs 21 et 31 avec les capteurs 24 et 34, ces derniers n'étant représentés qu'à la fiure 3. Il faut en- core noter qu'il est possible de construire la machine avec quatre vérins ou plus, mais l'ensemble des vérins forme tou- jours trois groupes indépendants de commande. Le point commun à ces diverses exécutions est la possi- bilité de commander électroniquement les longueurs C1 Pl, C2 P2 et C3 P3 que nous appellerons par la suite u, v et w. Il est intéressant de choisir pour la tête d'usinage verti- cal 8 un système similaire à celui adopté pour les vérins horizontaux et nous appellerons z la cote commandée par ce dernier système. Pour simplifier les calculs indispensables à la comman- de précise de position, il est intéressant de définir une position "centrée" comme suit: lorsque les vérins sont ali- gnés parallèlement aux côtés de la table fixe, les côtés de la table mobile doivent eux aussi leur être parallèles. On appellera uo, vo et wo les longueurs des vérins qui corres- ú474373 _-6 pondent à cette position particulière. Pour bénéficier de courses symétriques, il est intéressant d'agencer le système de manière que pour cette position centrée les vérins 2 et 3 soient de longueur égale v0 et que le centre de la table mo- bile coïncide avec le centre 0 de la table fixe. Il se peut que l'opération qui consiste à obtenir le parallélisme des côtés de la table fixe et de la table mobile soit malcommode ou coateuse à réaliser par le moyen de la commande électro- nique; dès lors, il est intéressant de prévoir un ajustement mécanique de la longueur de chacun des vérins; par exemple, un vérin hydraulique peut être complété par un ensemble vis- écrou qui ne sert qu'à l'ajustement manuel dudit parallélis- me. La figure 3 montre à titre d'exemple de réalisation le dispositif de commande électronique des mouvements de la ta- ble mobile apparaissant aux figures 1 et 2. Un bloc 40 per- met d'entrer les données générales spécifiant la trajectoire désirée de la table, par exemple un déplacement donné selon l'axe Ox. Les moyens d'entrée de données peuvent être des commandes manuelles ou une lecture d'un programme figurant sur une bande perforée, sur une cassette magnétique ou tout autre système connu en informatique. Ces données d'entrées sont transmises par un ensemble de lignes symbolisé par une seule ligne à un bloc de commande 41 qui est usuellement une commande numérique; ce bloc a pour tâche de générer les si- gnaux x(t), y(t), z(t) et éventuellement 9 (t). Ces signaux sous forme digitale ou analogique, commandent les mouvements horizontaux de la table 4, le mouvement vertical de l'élec- trode-outil 82 et l'éventuelle rotation E de la table. Dans le cas particulier de l'électro-érosion, il est indispensa- ble que la commande 41 reçoive à l'aide d'une ligne en re- tour la tension de l'électrode 82, afin d'asservir aux con- ditions d'usinage le mouvement relatif électrode-pièce; dans l'exemple du déplacement selon Ox, il faut prévoir que les ordres d'avance x(t) deviennent des ordres de retrait en cas k474373 -7- de court-circuit. Les signaux x(t), y(t) et 9(t) sont trans- mis de la commande 41 à un calculateur 42, tandis que le si- gnal z(t) est transmis directement de la commande 41 à une commande de puissance 44. Celle-ci contient un anplificateur de puissance et attaque le moteur 81 d'entraînement verti- cal. Dans le cas o ce dernier élément est un moteur pas à pas, un seul groupe de lignes symbolisé par une seule liai- son va de la commande de puissance 44 au moteur 31. On peut aussi utiliser un moteur à courant continu associé à un cap- teur angulaire 84; celui-ci doit transmettre ses informations de position angulaire par un groupe de lignes symbolisé par une seule liaison allant du capteur 84 à la commande de puissance 44. Un vérin hydraulique peut également être utilisé; sa commande s'inscrit selon le même schéma, sauf que le capteur 84 devient un capteur linéaire de position. Le calculateur 42 a pour tâche de convertir les signaux x(t), y(t) et @(t) en signaux u(t), v(t) et w(t) qui repré- sentent les longueurs des vérins réalisant les déplacements conçus dans le référentiel cartésien Oxy. Ces signaux sont transmis à une commande de puissance 43 qui attaque les mo- teurs 11, 21 et 23 qui apparaissent dans les figures 1, 2 et 3 et imposent donc mécaniquement une longueur à chacun des vérins 1, 2 et 3. Il est facile de comprendre pourquoi un système compre- nant au moins trois vérins permet d'obtenir une position prédéterminée de la table mobile. Supposons par exemple que le vérin 1 soit absent; rien n'empêche alors la rotation des vérins 2 et 3, de sorte que les points C2 P2 C3 P3 for- ment un parallélogramme qui peut se déformer librement, bien que les côtés soient de longueur constante. Dès l'adjonction d'un troisième vérin, le parallélogramme n'est plus libre de se déformer et la position de la table mobile est parfaite- ment déterminée; il est bien entendu que les articulations P1' 2 et P3 doivent toutes être distinctes. On peut aussi se référer à la cinématique en rappelant que la table avec son système d'appui est un système à trois degrés de liberté et que les trois vérins permettent d'écrire trois équations de liaison, de sorte que la position de la table est entiè- rement déterminée par les longueurs respectives des vérins. En se référant à la position "centrée" définie dans les des- criptions de la figure 2, en appelant x et y les écarts par rapport à cette position et en se limitant au cas simple des translations, il est facile d'écrire'les relations qui lient les déplacements désirés x et y aux longueurs des vérins u = (x + uo)2 + y2 v = w= x + (vo y)2 Ces équations, dans le cas de la translation, définissent en- tièrement la fonction du calculateur 42 représenté à la figu- re 3, à savoir le passage des déplacements désirés x et y en signaux de commande appropriés pour les vérins. Il se peut que l'on désire que la table ait un mouve- ment commandé de rotation e par rapport à la position "cen- trée"; il faut alors des commandes indépendantes pour les vérins 2 et 3. A l'aide de la trigonométrie, il est toujours possible d'établir les équations plus compliquées qui permet- tent de passer de x, y, e à u, v, w. Tout ce qui vient d'être dit au sujet de la réalisation électro-mécanique de l'entraînement vertical s'applique ici et ne sera donc pas répété en détail. Hormis le cas des mo- teurs pas à pas, des capteurs de position 14, 24 et 34 sont indispensables avec leurs lignes en retour à la commande de puissance 43. Dans une forme d'exécution plus simple de la commande électronique représentée à la figure 3, on renonce à générer des rotations de table par voie électronique pour se limiter aux seules translations; dès lors, la ligne e(t) peut être omise, de même que la ligne w(t) entre les blocs 42 et 43. k474373 -9- La figure 4 est un autre exemple d'exécution de machine à électro-érosion. Il diffère de celui de la figure 1 par l'utilisation de vérins à faible course associés à une com- mande simplifiée rendant inutile le calculateur 42 de la fi- gure 3. On retrouve sur cette figure 4 la table mobile 4, la table fixe 5, le bac 7, la pièce à usiner 9, l'intervalle d'usinage 10, l'électrode-outil 82 et le bloc 81 entraînant ladite électrode dans un mouvement vertical. Compte tenu de l'utilisation de vérins à faible course responsables des dé- placements rapides asservis de la table mobile, la tête d'u- sinage 8 comprend, en plus du bloc 81 déjà décrit à la figu- re 1, un bloc 83 d'avance à longue course X et également un bloc 84 d'avance à longue course Y. Ces deux derniers entrai- nements ne sont responsables que des avances lentes non as- servies et ne nécessitent donc pas des moteurs performants et coûteux. Les vérins 1, 2 et 3 qui apparaissent à la figu- re 5 sont agencés de la même manière que sur la figure 2; comme il s'agit de vérins à faible course, on pense princi- palement à des vérins hydrauliques. Comme le montre la figure 5, des capteurs 15, 25 et 55, disposés à proximité des vérins 1, 2 et 3, sont montés soli- dairement de la table fixe 5. Leurs palpeurs appuient sur des surfaces planes spécialement aménagées sur la table mo- bile 4 et mesurent donc directement les déplacements x et y, pour autant qu'il n'y ait aucune rotation. La commande élec- tronique de chaque vérin est réalisée selon le schéma usuel d'un système bouclé. Par exemple pour le vérin 1, la valeur de consigne x est comparée avec la valeur mesurée par le capteur 15 pour former une grandeur de commande qui, ampli- fiée, attaque une servo-valve dont le circuit hydraulique de sortie attaque le corps du vérin. En définitive, le piston s'équilibre non pas à une élongation du vérin, mais à un dé- placement x de la table. Cette forme d'exécution présente l'avantage d'une com- mande directe des déplacements x et y, de sorte qu'un calcu- lateur 42 n'est plu- nécessaire, pour autant que la rotation k474373 -10de la table soit empêchée en imposant aux vérins 2 et des longueurs égales. Les deux formes d'exécution décrites se rapportaient des machines conventionnelles pour l'usinage par électro-é- rosion. Il est toutefois bien évident que la disposition dé- crite convient également aux machines pour l'usinage par é- tincelage du type à fil ainsi que, de façon générale, à tou- te machine-outil de type conventionnel. -11- R E V 3 N D I C A T I 0 N S 1. Machine-outil comprenant une table mobile (4), sur laquelle est fixée la pièce à usiner (9), agencée de manière à se déplacer parallèlement à un plan défini par une table fixe (5), caractérisée en ce qu'elle comporte un système d'appui de la table mobile (4) sur la table fixe (5) permettant touz les mouvements de la table mobile (4) dans ledit plan, au moins trois vérins (1,2,3) pour entrainer la table mobile (4) dans ce plan, reliés chacun au moyen d'une articulation, d'une part, à la table mobile (4) et, d'autre part, à la ta- ble fixe (5), et un dispositif de commande des longueurs de ces vérins (1, 2,3) pour obtenir à tout instant et de manière unique une position prédéterminée de la table mobile (4). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un fluide sous pression est intercalé entre la table fixe (5) et la table mobile (4). 3. Machire selon la revendication 1, caractérisée en ce ce qu'elle comporte un calculateur (42) pour convertir les déplacements de la table mobile (4) conçus dans un référen- tiel en signaux de commande appropriés pour chaque vérin (1,2,3). 4. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vérins (1, 2,3) comportent des réglages mécaniques pour ajuster la position angulaire de la table mobile (4).