Brevet FR2648383A1 — publié le 19901221

L'invention a pour objet un système de découpe utilisable notamment sur des carrosseries ou caisses de véhicules assemblées. A l'heure actuelle, on utilise pour cela des machines robotisées avec laser qui comportent généralement un laser Co2. Il s'agit soit de robots cartésiens ou de portiques ayant de trois à six axes, soit de robots anthropomorphes. Pour effectuer une découpe suivant un trajet donné, il faut d'une part amener le système de découpe à l'endroit où celle-ci doit être effectuée et, d'autre part, créer la trajectoire de découpe. Dans les systèmes actuels, la fonction de découpe est entièrement confiée aux axes du robot: pour obtenir la trajectoire désirée, il faut piloter un nombre d'axes pouvant aller jusqu'à six. Dans le cas d'un robot cartésien, il est possible d'obtenir une bonne répétabilité de trajectoire, mais il est difficile d'atteindre certains points d'une caisse de véhicule assemblée. Dans le cas de robots anthropomorphes, il est quasiment impossible, en l'état actuel des techniques, de respecter les tolérances sur la trajectbire de découpe, qui sont de l'ordre de 0,2mm. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un système local de découpe qui permet un positionnement précis pratiquement en tout point d'une caisse de véhicule assemblée ainsi qu'une bonne répétabilité de trajectoire tout en respectant les tolérances exigées à l'heure actuelle. Le système de découpe objet de l'invention, du type comportant une tête de découpe apte à être montée sur un bras de préhension, se caractérise en ce qu'il comporte des moyens pour déplacer la tête de découpe, par rapport au bras de préhenseur, en rotation autour d'un premier axe et en translation suivant une direction perpendiculaire à ce premier axe. Selon d'autres caractéristiques du système de découpe objet de l'invention: - celui-ci comporte: un support monté sur le bras de préhenseur et mobile en rotation par rapport à celui-ci autour de ce premier axe, la tête de découpe étant montée sur ce support et mobile en translation par rapport à celui-ci suivant ladite direction perpendiculaire au premier axe, des moyens d'entraînement en rotation du support, et des moyens d'entraînement en translation de la tête de découpe; - les moyens d'entraînement en rotation du support comprennent: un arbre, solidaire du bras de préhenseur, et dont l'axe est confondu avec le premier axe de rotation, le support étant monté à rotation sur cet arbre; et un moteur, porté par le bras de préhenseur (ou le support), et entraînant un pignon qui engrène avec une roue dentée portée par le support (ou le préhenseur); - les moyens d'entraînement en translation de la tête de découpe comprennent: un chariot, monté sur le support et mobile en translation, suivant ladite direction perpendiculaire au premier axe de rotation, le long de rails portés par ce support, la tête de découpe étant solidaire du chariot en translation; et des moyens de déplacement du chariot en translation; - les moyens de déplacement du chariot comprennent un système vis-écrou; - les moyens de déplacement du chariot comprennent: . un moteur fixé sur le support; et . une vis, montée sur le support et immobilisée en translation, cette vis étant entraînée en rotation par ce moteur et coopérant avec un filetage prévu sur le chariot; - la tête de découpe est montée mobile en rotation par rapport au chariot autour d'un deuxième axe confondu avec l'axe du faisceau laser sortant de la tête de découpe; - le faisceau laser est amené à la tête de découpe par une fibre optique dont une première extrémité est reliée & une source laser et dont l'autre extrémité pénètre à l'intérieur d'une tête de focalisation solidaire de la tête de découpe, cette fibre optique étant en outre fixée au préhenseur; - le système de découpe objet de l'invention comporte: un arbre, solidaire dudit chariot, et dont l'axe est confondu avec le deuxième axe de rotation; et un support de tête, solidaire de la tête de focalisa tion et monté à rotation sur cet arbre. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique de profil du système de découpe objet de l'invention; - la Figure 2 est une vue schématique en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; et - la Figure 3 est une vue schématique en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. Si l'on se reporte d'abord aux figures 1 et 2, on voit que le système de découpe objet de l'invention, portant la référence générale 1, se compose d'un ensemble de découpe relié à un bras de robot (ou autre préhenseur) par une pièce de liaison 2. Cette dernière est montée de manière fixe sur le bras du robot et l'ensemble de découpe est mobile en rotation par rapport à cette pièce 2 autour d'un axe 3 qui constitue le premier axe de rotation. La pièce 2 peut faire partie intégrante du bras de robot ou être rapportée sur celui-ci. L'ensemble de découpe comprend essentiellement un support 4 et une tête de découpe 5. C'est le support 4 qui est monté directement sur la pièce 2 et est mobile en rotation par rapport à celle-ci autour de l'axe 3 tandis que la tête de découpe 5 est mobile en translation par rapport au support 4 suivant une direction perpendiculaire å l'axe 3. La tête de découpe est de forme généralement cylindrique terminée par une partie 6 en forme de tronc de cône. Elle présente donc une symétrie de révolution autour d'un axe 7 et ce dernier est disposé parallèlement & l'axe 3. Le faisceau laser est amené par une fibre optique 8 qui pénètre à l'intérieur d'une tête de focalisation 9 constituée par un boîtier solidaire de la tête de découpe. La fibre 8 est reliée à une source laser (non représentée.) qui peut être de type YAG. Elle pénètre dans le boîtier 9 à travers l'une de ses parois, mais son extrémité se trouve à l'intérieur de ce boîtier près de cette paroi. La tête de focalisation 9 et la tête de découpe 5 contiennent tous les éléments nécessaires (miroirs, lentilles de focalisation, système de refroidissement éventuel...) pour dévier le faisceau et le focaliser à l'endroit de la découpe. Ces éléments sont connus en soi et ne seront donc pas décrits ici. Ils sont disposés de manière que le faisceau sorte de la tête de découpe 5 par la pointe de la partie 6, suivant l'axe 7. Comme indiqué plus haut, la tête de découpe 5 est mobile en translation par rapport au support 4, ce qui permet de faire varier la distance d entre les axes 3 et 7 (figure 1). Les mécanismes permettant ces différents mouvements vont maintenant être décrits plus en détail en .référence notamment aux figures 2 et 3. Pour faire tourner le support 4 par rapport à la pièce 2, on a prévu sur celle-ci un moteur 10 qui entraîne un pignon 11, lequel est en prise avec une roue dentée 12 prévue sur le support 4 et dont l'axe est confondu avec l'axe 3. On voit encore sur la figure 2 que la pièce 2 comporte un arbre 13 dont l'axe est confondu avec l'axe 3 et que le support 4 est monté mobile en rotation par rapport à cet arbre grâce à des paliers ou des roulements 14. Pour permettre la translation de la tête de découpe 5 par rapport au support 4, on a prévu sur celui-ci des rails 15 permettant le coulissement d'un chariot 16 portant la tête de découpe 5. Dans le mode de réalisation illustré aux dessins, les rails 15 ont une section en forme de M et le chariot 16 est guidé dans ces rails par des cages à aiguilles 17. Les rails 15 peuvent par exemple se présenter sous la forme de pièces rapportées fixées au corps du support 4 par des vis ou boulons 18. Le mouvement du chariot est commandé par un moteur 19 porté par un support 20 lui-même fixé au support 4. Le moteur 19 entraîne une vis 21 (figure 3) par l'intermédiaire d'une courroie 22. La vis 21 peut'être une vis à billes et elle coopère avec un filetage prévu sur le chariot 16, constituant ainsi un système vis-écrou, la vis 21 étant mobile uniquement en rotation et le chariot 16 uniquement en translation. Dans le cas d'une vis à billes, le filetage est ménagé sur un écrou 21a lui-même monté fixement sur le chariot 16. On voit encore sur la figure 2 que ce dernier est solidaire d'un arbre 23 dont l'axe est confondu avec l'axe 7. Un support de tête 24, solidaire de la tête de focalisation 9, est monté mobile en rotation sur l'arbre 23 par des paliers ou roulements 25. L'ensemble rigide constitué par le support 24, la tête de focalisation 9, et la tête de découpe 5 est donc mobile par rapport au chariot 16, mais uniquement en rotation autour de l'axe 7. Cet ensemble est entraîné par le chariot lorsque celui-ci se déplace en translation. L'axe 7 constitue ainsi le deuxième axe de rotation précité. Le système de découpe objet de l'invention fonctionne de la manière suivante: Supposons qu'il faille découper un trou circulaire dans une paroi métallique, par exemple dans le tablier d'une caisse de véhicule assemblée. Tout d'abord, le robot est actionné pour que le bras portant la pièce de liaison 2 prenne une position telle que l'axe 3 soit perpendiculaire à la tôle et coïncide avec l'axe du trou à découper. Par ailleurs, on déplace le chariot 16 jusqu'a ce que la distance SI entre les axes 3 et 7 soit égale au rayon de ce trou. On met en route le faisceau laser et on fait tourner le support 4 autour de l'axe 3 en actionnant le moteur 10: la tête de découpe 5 tourne alors autour de l'axe 3 et le faisceau laser décrit le cercle desiré. Le pilotage du robot et la commande des moteurs 10 et 19 se font par des moyens connus en soi (armoires de commande, automates programmables, etc...) qui ne seront pas décrits ici. Si la partie à découper n'est pas de forme circulaire, cela n'est pas gênant car le système objet de l'invention est commandé en coordonnées polaires: à une position angulaire donnée du support 4, à partir d'une position de référence, correspond un "rayon", c'est-à-dire une distance d , bien défini. Il suffit donc de programmer le dispositif de commande en conséquence pour actionner le moteur 19 au cours de la rotation du support 4. On peut ainsi découper de manière automatique des trous de n'importe quelle forme: ovale, carrée, rectangulaire, etc... Le dispositif peut être concu de manière que le chariot 16 se déplace entre une première position dans laquelle les axes 3 et 7 sont confondus et une deuxième .position dans laquelle la distance D est maximale, correspondant à la course du chariot. Le faisceau laser peut alors décrire n'importe quelle courbe comprise à l'intérieur du cercle C (figure 3) dont le rayon est égal à la course du chariot. La figure 3 correspond au cas où le chariot est en bout de course, la distance d entre les axes 3 et 7 étant alors maximale (ces axes sont perpendiculaires au plan de la figure 3). On a représenté en pointillés sur cette figure l'emplacement de la tête de découpe 5 dans ce cas, l'axe 7 se trouvant alors sur le cercle C. Il est enfin à remarquer que, si la tête de découpe 5 était rigidement liée au chariot 16, elle effectuerait un tour complet sur elle-meme pendant la rotation autour de l'axe 3. On risquerait alors des détériorations de la fibre 8, soit qu'elle subisse des sollicitations mécaniques importantes, soit qu'elle prenne un rayon de courbure trop faible. C'est pour éliminer ce risque que l'ensemble tête de découpe 5-tête de focalisation 9 est monté mobile en rotation par rapport au chariot 16 gracie au support 24 et à l'arbre 23. En effet, comme la fibre 8 est entourée d'une gaine de protection semi-rigide, cette dernière retient le boîtier 9 et l'ensemble tête de découpe 5-tête de focalisation 9-support 24 reste à peu près parallèle à lui-même: comme la rotation par rapport au chariot 16 se fait autour de l'axe 7, la position du faisceau laser sortant de la tête de découpe 5 n'en est pas affectée. Pour donner encore plus de rigidité à l'extrémité de la gaine afin qu'elle retienne mieux le boîtier 9, il est préférable de la fixer au robot ou au préhenseur qui porte le système de découpe. Bien entendu, la tête de découpe 5, la tête de focalisation 9 et le support 24 peuvent se présenter sous la forme de pièces distinctes assemblées rigidement les unes aux autres, ou plusieurs d'entre elles peuvent être réalisées sous la forme d'une pièce unique. Ainsi, le système de découpe objet de l'invention présente des avantages particulièrement intéressants dont le principal est grande flexibilité et la grande précision qu'il permet d'obtenir. Ceci est essentiellement du au fait que la fonction positionnement" et la fonction génération de trajectoire" sont séparées, ce qui lui permet de s'adapter à de nombreux cas d'application. D'autre part, le nombre d'axes à piloter pour engendrer la trajectoire de découpe est réduit à deux, ce qui permet d'obtenir une grande précision de trajectoire. Si cette trajectoire est un cercle, ce qui représente la majorité des applications automobiles, cette grande précision peut être obtenue facilement de la manière suivante: il suffit de régler le rayon à l'aide de la translation du chariot, puis d'effectuer un tour avec la rotation principale (autour de l'axe 3). Le porteur d'un tel système (bras de robot ou manipulateur) doit donc être précis en position, mais il n'est pas nécessaire qu'il le soit pour engendrer une trajectoire donnée, ce qui permet d'utiliser des robots moins performants, donc moins coûteux, que ceux utilisés actuellement dans le domaine de la découpe laser. On peut utiliser par exemple des robots polyarticulés comme porteurs. Comme, en outre, le système de découpe proprement dit est lui-même réalisé avec des éléments simples et peu coûteux, le coût de l'ensemble s'en trouve réduit. De plus, si la pièce à découper présente des dispersions, le recalage en position est facile. En effet, il suffit de recalculer uniquement le point où se positionne le porteur, sans toucher au réglage de la trajectoire, alors qu'avec les systèmes de l'art antérieur, il faut également recalculer tous les points de la trajectoire de découpe. Enfin, le système de l'invention permet d'utiliser un faisceau laser transmissible par fibre optique sans risque de détérioration de cette dernière. Ceci est du au fait que la tête de découpe est solidaire d'une tête de focalisation elle-même mobile en rotation par rapport au reste du système, la gaine semi-rigide de protection entourant la fibre étant fixée à cette tête de focalisation. Ainsi, au cours du mouvement de rotation du système autour de l'axe 3, cette gaine retient le mouvement de la tête de focalisation. L'ensemble tête de découpe-tête de focalisation reste donc à peu près parallèle à lui-même: la fibre ne risque pas de subir de sollicitations mécaniques trop importantes ni de prendre un rayon de courbure trop faible. I1 est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation décrit et représenté mais qu'elle en couvre au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Système de découpe par faisceau laser, comprenant une tête de découpe (5) apte à être montée sur un bras de préhenseur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déplacer la tête de découpe (5), par rapport au bras de. préhenseur, en rotation autour d'un premier axe (3) et en translation suivant une direction perpendiculaire à ce premier axe (3). 2. Système de découpe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un support (4) monté sur le bras de préhenseur et mobile en rotation par rapport à celui-ci autour de ce premier axe (3), la tête de découpe (5) étant montée sur ce support (4) et mobile en translation par rapport à celui-ci suivant ladite direction perpendiculaire au premier axe (3); - des moyens d'entraînement en rotation du support (4); et - des moyens d'entraînement en translation de la tête de découpe (5). 3. Système de découpe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement en rotation du support (4) comprennent: - un arbre (13), solidaire du bras de préhenseur, et dont l'axe est confondu avec le premier axe de rotation (3), le support (4) étant monté à rotation sur cet arbre (13); et - un moteur (10), porté par le bras de préhenseur (ou le support), et entraînant un pignon (11) qui engrène avec une roue dentée (12) portée par le support (ou le bras de préhenseur). 4. Système de découpe selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens d'entraîne- ment en translation de la tête de découpe (5) comprennent: - un chariot (16), monté sur le support (4) et mobile en translation, suivant ladite direction perpendiculaire au premier axe de rotation (3), le long de rails (15)'portés par ce support (4), la tête de découpe (5) étant solidaire du chariot (16) en translation; et - des moyens de déplacement du chariot (16) en transla tion. 5. Système de découpe selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de déplacement du chariot (16) comprennent un système vis-écrou. 6. Système de découpe selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de déplacement du chariot (16) comprennent: - un moteur (19) fixé sur le support (4); - une vis (21), montée sur le support (4) et immobilisée en translation, cette vis (21) étant entrainée en rotation par ce moteur (19) et coopérant avec un filetage prévu sur le chariot (16). 7. Système de découpe selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la tête de découpe (5) est montée mobile en rotation par rapport au chariot (16) autour d'un deuxième axe (7) confondu avec l'axe du faisceau laser sortant de la tête de découpe (5). 8. Système de découpe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau laser est amené à la tête de découpe (5) par une fibre optique (8) dont une première extrémité est reliée à une source laser et dont l'autre extrémité pénètre à l'intérieur d'une tête de focalisation (9) solidaire de la tête de découpe (5), cette fibre optique (8) étant en outre fixée au préhenseur. 9. Système de découpe selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte: - un arbre (23), solidaire dudit chariot (16) et dont l'axe est confondu avec le deuxième axe de rotation (7); et - un support de tête (24), solidaire de la tête de focalisation (9) et monté à rotation sur cet arbre (23).