Brevet FR2658442A1 — publié le 19910823

La présente invention concerne un traceur tridimensionnel, c'est-à-dire une machine dans laquelle un support d'outils, en particulier une tête de travail sur laquelle peuvent être montés des outils de types différents, peut se déplacer en suivant une surface tridimensionnelle définie par l'intermédiaire d'un système de conception assistée par ordinateur (CAD) ou bien détectée et convertie numériquement directement par la machine par l'intermédiaire d'instruments appro- priés qui sont également agencés pour être montés sur le support mobile précité. Le logiciel de commande de la machine comporte également un système de fabrication assistée par ordina- teur (CAM) et un processeur secondaire, afin de permettre une liaison directe entre le traceur et un système CAD, pour éviter l'intervention de dispositifs qui effectuent les traitements intermédiaires du fichier de surface établi par ce système. Cette caractéristique rend l'utilisation de la machine très simple et aisée même pour du personnel qui n'est pas très expert. Conformément à l'invention, le traceur est un système capable d'effectuer de nombreuses opérations de mise en oeuvre, comme des dessins, des levés, des analyses, des conversions numériques, des fraisages, etc, et il est très utile dans des bureaux d'études et de conception o, après le dessin d'une structure, il est nécessaire de réaliser un modèle en vraie grandeur à la fois pour vérifier l'aspect et pour effectuer des tests, apporter des modifications, etc. Par exemple ce besoin se fait sentir dans différents services de conception, comme des services o des surfaces compliquées, telles que des caisses de voitures, sont étudiées et conçues. Dans des cas tels que celui indiqué dans l'exemple, il est nécessaire, une fois que le dessin est prêt, d'effectuer une réalisation rapide et peu coûteuse du modèle pour voir comment il est réellement et ensuite, après avoir apporté toutes les modifications nécessaires, il est nécessaire de l'adapter à la surface CAD pour les phases ultérieures de production et de fabrication de matrices, etc. Il est clair que, dans des situations analogues à celle mentionnée ci-dessus, l'utilisation des instru- ments traditionnels crée de sérieuses difficultés. En fait, il est très difficile de réaliser avec précision le dessin d'un modèle auquel une série de modifications ont été apportées manuellement. Il existe déjà plusieurs appareillages utilisés pour effectuer l'une ou l'autre des opérations individuel- les mentionnées ci-dessus. Par exemple, il existe des dispositifs capables d'analyser des surfaces et dans lesquels une sonde se déplace le long de la surface en prenant les coordon- nées de chaque point et en produisant une série de signaux permettant l'adaptation mathématique ultérieure et le traitement des données par ordinateur. En outre il existe des machines, par exemple des traceurs bidimensionnels, capables de reproduire le dessin ainsi que des machines-outils capables de reproduire le modèle à partir du dessin, ou mieux à partir d'un fichier contenant toutes les données se rapportant à ce dessin une fois qu'il a été correcte- ment traité. Tous ces dispositifs ne conviennent pas pour être utilisés dans un service technique du fait qu'ils ont souvent de très grandes dimensions et du fait qu'il est nécessaire de disposer de différentes machines et que leur utilisation est assez compliquée. En relation avec les techniques connues un système CAD-CAM capable de créer un modèle mathémati- que de la surface tridimensionnelle est nécessaire ainsi qu'un système capable de traiter ce modèle mathéma- tique au moyen d'un processeur de fraisage, tout cela parce que les systèmes CAD-CAM créent des trajets d'ou- tils ayant des formats indépendants du format de la machine. Pour mieux comprendre le processus utilisé pour la réalisation des modèles avec les moyens maintenant disponibles, on peut se référer à la figure 1 qui indique le schéma à blocs concernant le processus de traitement et d'adaptation des données engendrées par le système CAD en vue de la réalisation du modèle tridimensionnel. Le système CAD établit un fichier de surface qui doit être introduit dans un système CAM ou envoyé à celui-ci certaines entrées non retardables, par exemple les profils d'outils et les tolérances dimensionnelles doivent ensuite être fournis à ce système CAM. Sur la base desdites données, le système CAM définit, à partir du fichier de surface, une série de trajets d'outils, ou " fichier CL". Cependant ce fichier CL n'est pas compatible avec le format du fichier CNC et en conséquence il est nécessaire d'effectuer un autre traitement au moyen d'un deuxième processeur, ou " processeur secondaire". Il est également nécessaire de fournir au système d'autres directives de guidage pour la programma- tion au point correspondant au pivot d'outil, par exemple la longueur d'outil, les tolérances de linéarisation, la commande d'avance au centre d'outil, etc Le processeur secondaire produit à sa sortie un fichier appelé " fichier NC", habituellement enregistré sur un support magnétique. Toutes ces opérations sont effectuées usuelle- ment dans le centre de traitement de données tandis que les opérations suivantes sont effectuées dans l'atelier o la machine-outil est installée. Une fois que le fichier NC de la machine-outil a été chargé, les paramètres de vérification des libertés restantes ( compensation, diamètre et longueur d'outil, modification d'avance et vitesse de broche, symétrie, fente de pièce, etc) doivent être établis; après ces opérations, l'usinage peut être commencé. Il est clair que l'exécution des opérations mentionnées ci-dessus coûte de l'argent et prend du temps. Différents équipements et ouvriers spécialisés sont nécessaires et les temps d'usinage deviennent également très longs. Cela explique pourquoi, dans ce domaine, on a besoin d'une machine, c'està-dire un genre de traceur tridimensionnel, capable d'effectuer automatique- ment toutes les opérations précitées. Une machine de ce genre, qui devra être utilisée dans un service technique, doit avoir des dimensions limitées mais devra avoir un rapport entre le volume de la pièce à usiner et le volume extérieur de la machine qui permette la production de modèles ayant des dimensions qui ne soient pas trop limitées mais qui soient cependant comparables avec les dimensions réelles En outre, la machine devra être d'une utilisation facile afin qu'elle puisse être utilisée également par des techniciens n'ayant pas subi un entraînement spécifique dans ce domaine, et néanmoins elle devra être capable d'effectuer tous types d'usinages nécessaires avec une grande précision afin de permettre l'utilisation du produit, qui peut être au modèle ou un fichier de surface, même pour une production de série et sans l'obligation d'effectuer d'autres opérations, des retrai- tements de données, etc. En conséquence il est clair que la réalisation d'une machine du type précité permettra de résoudre certains problèmes techniques sérieux lors de la réalisa- tion à la fois de la partie mécanique et de la partie électronique de la machine. La machine devra être capable d'effectuer des usinages avec des tolérances de quelques centièmes de millimètre, ce qui nécessite la création d'une structu- re rigide capable d'absorber sans déformations - les réactions transmises par l'outil en cours d'usinage et d'absorber les fortes accélérations (jusqu'à 0,5 g) qui sont engendrées dans le support d'outil pendant ses déplacements. Cette caractéristique ne contribue pas à satisfaire à l'obligation d'installer une structure légère et solide dans un bureau en même temps que les accessoires et le système d'isolation phonique nécessaire. En outre, l'insertion des pièces devra être réalisée aisément, même lorsque l'espace disponible est réduit. En outre la machine, pour être réellement d'une utilisation pratique, devra permettre sa conduite même par du personnel non spécialisé, afin d'éviter plusieurs opérations intermédiaires dans le traitement du fichier de surface, qui nécessite maintenant la participation de techniciens spécialisés. Même en ce qui concerne des paramètres à fournir à la machine pendant les phases différentes du cycle de traitement, il est nécessaire que cette opération soit aussi simple que possible. Le problème est alors rendu plus difficile par le fait que, à la différence des traceurs bidimen- sionnels o la position de l'outil dans ce cas une pointe de plume est définie seulement à l'aide de deux coordonnées cartésiennes, il est nécessaire dans un traceur tridimensionnel de définir à la fois la position de l'outil dans l'espace au moyen de trois coordonnées cartésiennes et son orientation au moyen des cosinus des angles d'orientation de la normale à la surface. En dehors des paramètres précités, il existe également d'autres paramètres intervenant en fonction du type d'usinage à effectuer et de l'outil utilisé; ces paramètres seront définis ultérieurement de façon spécifique lors de la description de la partie électroni- que de la machine. Il résulte de ce qui a été précisé ci-dessus que le problème est assez compliqué. Ce problème, et d'autres, peut être résolu avec le traceur conforme à l'invention, qui va maintenant être décrit en détail en relation avec un exemple non limitatif et en référence aux dessins ci-joints dans lesquels: -la figure 2 est une vue d'ensemble du traceur conforme à l'invention; la figure 3 est une vue de face et en partie en coupe du traceur de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe latérale partielle de la machine; la figure 5 représente à échelle agrandie un détail de la figure 4; la figure 6 est une vue en plan du traceur la figure 7 est une vue en coupe du traceur; la figure 8 est une vue en coupe en référence à un plan perpendiculaire à celui de la figure 7; la figure 9 est une vue en coupe horizontale de la base de la machine; la figure 10 est un schéma à blocs des dispositifs de commande de la machine; les figures 11 et 12 sont des schémas à blocs montrant la structure matérielle du traceur les figures 13 à 15 représentent des organigrammes concernant l'interpolation linéaire, la boucle de commande et l'unité CPU de commande d'axes. En référence à la figure 2, le traceur conforme à l'invention comprend une base 1 sur laquelle sont disposées deux structures portantes ou poutres parallèles 2 et 2 ' supportées par quatre montants 3 placés dans les coins de la machine. Un support transversal 4 d'un manchon 5 s'appuie sur les deux poutres et glisse sur elles. A l'extrémité inférieure du manchon 5, qui coulisse verticalement à l'intérieur du support transver'- sal, il est prévu une tête 6 ayant 2 degrés de liberté. De cette manière, la tête 6 se déplace dans le plan XZ entre les montants 3 le long de l'axe X et entre les poutres 2 et une table 7 de maintien de pièce le long de l'axe Z. La table 7 de maintien de pièce se déplace dans une direction orthogonale aux axes X et Z ( axe Y), cet axe Y étant le dernier des trois axes orthogonaux de mouvement. En dehors des axes de travail X, Y et Z mentionnés ci-dessus, il est prévu des axes polaires A et C dont la tête 6 est pourvue, ce qui lui confère au total cinq degrés de liberté Cette configuration d'ensemble permet d'obtenir des avantages remarquables: du fait que la tête 6 peut coulisser dans l'espace existant entre deux poutres 2 et 2 ', il est possible de limiter les dimensions de la structure tout en obtenant simultanément le maximum de rigidité. En outre il est possible de placer le support de tête à une hauteur inférieure, en abaissant ainsi le point d'application des forces de réaction appliquées à la structure lorsque la machine travaille, avec une diminution résultante des déformations. Grâce aux caractéristiques mentionnées ci-des- sus, il est possible d'obtenir une machine compacte ayant une zone intérieure d'usinage dont les dimensions sont proches de celles de la machine proprement dite. Cette structure très compacte est également obtenue du fait que la tête 6 est pourvue d'une broche montée en porte-àfaux au lieu d'être montée sur fourche, ce qui permet de réduire encore l'espace nécessaire. Sur la figure 4, la référence 6 ' désigne une broche électrique montée sur la tête 6. Les figures 7, 8 et 9 montrent la composition de la structure du traceur. Les montants 3 se composent d'un tube 8 de section circulaire et d'un tube 9 de section carrée qui sont reliés entre eux au moyen de goussets 10 par des joints soudés ( figure 9). Dans la partie supérieure ( figure 8) les tubes 8 sont reliés à des tubes semblables 11 et 11 ', qui constituent les bords des poutres 2 et 2 '. Dans la partie inférieure, un chevalet, se composant de tubes carrés 12 soudés sur des barres 13 faisant partie de la base ( figure 7), sert de support pour la table mobile 7, qui glisse le long de guides à recirculation de billes sur un bâti 27 ( figure 3) fixé sur la base 1 par l'intermédiaire des supports 14 ( figure 7). Le chevalet définit les espaces de logement de la partie électronique et des systèmes de commande de la machine ( figure 3). Dans cette structure, le support transversal 4 se déplace le long des poutres 2 et 2 ' en glissant sur une paire de guides prismatiques à billes au moyen de nombreuses paires de blocs de glissement désignés respectivement par 15 et 16, les premiers étant placés dans un plan vertical et les autres dans un plan horizon- tal, en permettant ainsi un réglage plus facile du support transversal, par exemple au moyen de vis micromé- triques ou analogues. Les déplacements du support 4, avec la tête 6, le long de l'axe X sont commandés par un moteur à courant continu 17 actionnant une vis à billes 18, qui est en prise avec un coulisseau 19 solidaire du support 4 ( figure 5) Un codeur, non représenté, enregistre ces mouvements. Egalement les mouvements des axes Y et Z ( table de maintien de pièce et manchon) de la machine sont produits par l'intermédiaire de vis à recirculation de billes et de moteurs et sont détectés par des codeurs correspondants. Sur la figure 4, la référence 20 désigne le moteur commandant les déplacements de la table 7 de maintien de pièce le long de l'axe Y, en transmettant le mouvement par l'intermédiaire d'une courroie 21 à une vis à recirculation de billes 22 qui est reliée à la table 7. La référence 23 désigne la cellule de détection qui est associée au moteur, une solution commune aux systèmes de détection des axes X, Y et C Une paire de cylindres pneumatiques 24 ( figure 2) est disposée à côté du manchon 5 de façon à exercer une poussée dirigée vers le haut pour contrebalancer le poids du manchon. Des orifices 225 d'aspiration de poussières sont prévus dans la base à proximité du plan 7. Du fait que les poutres 2 sont supportées par quatre montants placés dans les coins de la machine, il est possible d'entrer dans la machine par les quatre côtés, ce qui rend plus facile le chargement des pièces à usiner, même lorsqu'elles ont de grandes dimensions. Dans ce but, il est prévu des rouleaux 26 à proximité des bords du plan 7 et à la même hauteur. Comme indiqué ci-dessus, dans le traceur conforme à l'invention, le processeur secondaire traitant le fichier de données provenant du système CAD est combiné avec d'autres dispositifs de commande électronique de la machine Ce sujet nécessitera une explication plus précise. Usuellement, il est prévu en aval du système CAD un système CAM produisant un fichier ( fichier CL) qui est ensuite converti par un processeur secondaire de manière à obtenir un fichier de travail ( fichier -NC) Ce fichier, une fois qu'il a été transféré dans la machine-outil, commande son fonctionnement. Une fois que le système CAM a une surface disponible ( qui provient par exemple du systèrne CAD en utilisant les Poles de Bezier ou les coefficients multinomiaux, etc), il est nécessaire de définir le processus de génération des trajets d'outil. Pour obtenir les mouvements du centre d'outil, il est nécessaire de définir au préalable des trajets obligatoires sur la surface ( par exemple des lignes isoparamétriques) pour le point de tangence entre l'outil et la pièce et ensuite, en tenant compte de l'orientation d'axe d'outil, le positionnement est complètement déterminé par la condition de tangence; en variante, il est possible de fixer directement et de façon partielle le mouvement du centre d'outil en conservant un degré résiduel de liberté permettant d'établir la condition de tangence en un point non défini entre un outil et une pièce ( comme dans le cas d'un fraisage de plans parallèles). Ensuite, il est nécessaire de coder au moyen d'un transducteur approprié (processeur secondaire)- les trajets calculés dans un format qui soit compréhensi- blé pour le système de commande de la machine. Le présent procédé de calcul des trajets d'usinage dans un système CAM rend nécessaire de revenir au centre de traitement de données pour la correction des programmes qui font ressortir des erreurs de programmation NC dans la machine Il en résulte un transfert bidirectionnel d'informations désavantageux entre deux systèmes qui sont séparés logiquement et physiquement. La souplesse de segmentation des trajets est insuffisante puisqu'un programme concernant la production d'une pièce standard est lié de façon indissoluble à l'utilisa- tion d'un outil particulier et à la précision dimension- nelle exigée par le système CAM Enfin la quantité d'informations contenues dans un fichier NC est usuelle- ment bien supérieure à ce qui est suffisant pour définir la surface usinée Toutes ces circonstances empêchent la création d'archives de programmes de pièces dans la machine. Dans le traceur conforme à l'invention, un sous-système local est prévu et comporte un interpola- teur non-linéaire pour créer des déplacements et des trajets avec compensation des dimensions d'outil, en vue d'un usinage des surfaces dans un format standard en tenant compte d'un ensemble de directives de guidage simples qui sont définies au moment de l'exécution et qui commandent directement les adresses des axes de la machine. En conséquence des étapes de traitement du système CAM, le traitement par le processeur secondaire et l'interprétation du fichier-NC sont collectés en seulement une phase par le système de commande de la ma- chine. Il est possible de consulter les archives d'informations compactes et souples pour l'exécution immédiate de pièces en inventaire et en outre d'apporter des modifications, de définir des paramètres géométriques, etc, au moyen de programmes d'exploitation qui sont conservés dans la machine. Le système est capable de traiter des fichiers NC traditionnels, qui peuvent même être produits sur place en vue d'une exécution ultérieure lorsque les performances de l'ensemble du système de commande de la machine peuvent être complètement exploitées par élimination de calculs compliqués en temps réel. Il suffit au technicien de transférer le fichier de surface qui a été établi par le système CAD prévu dans le traceur tridimensionnel conforme à l'invention et de régler dans la machine les valeurs nécessaires pour obtenir le modèle. Les figures 11 et 12 représentent les schémas à blocs concernant la structure matérielle de l'unité de commande de la machine. Le composant caractéristique du système est le bus multiple standard MULTIBUS II, qui correspond à une architecture de bus indépendante du processeur et qui comprend un BUS 32 bits de système en parallèle, un BUS de mémorisation locale et un BUS d'expansion I/O ( entrée/sortie). Cette structure à BUS multiples présente l'avantage que chaque BUS est optimisé pour une fonction spécifique et des BUS différents peuvent effectuer des opérations en parallèle, ce qui augmente la vitesse de traitement. Les connexions C Ol C 06 permettent l'accès au MULTIBUS d'un nombre correspondant d'unités CPU, en vue de l'exécution des activités indiquées. En particulier le BUS d'expansion I/O relie les cartes d'interface avec les capteurs et les organes d'actionnement existant dans la machine La connexion entre le BUS d'EXPANSION I/O et l'unité CPU DE COMMANDE D'AXES est représentée en détail sur la figure 12. La référence 28 désigne la carte comportant l'unité CPU DE COMMANDE D'AXES, se composant d'une interface de connexion avec le MULTIBUS II et d'un BUS local reliant ladite interface avec l'unité CPU de traitement et avec une interface I/O MIX ( mélange entrée/sortie). L'interface I/O MIX est reliée à une interface I/O MIX semblable se trouvant sur une carte 29 et reliée à un TRANSMETTEUR DE DONNEES, à une LOGIQUE DE COMMANDE et à une mémoire 30. Le TRANSMETTEUR DE DONNEES est constitué d'une série de portes logiques pour un découplage du traitement de signaux provenant de l'interface I/O MIX, avec le BUS LOCAL DE TRANSFERT. La LOGIQUE DE COMMANDE est une logique de commande de transmetteurs de données et du BUS LOCAL DE TRANSFERT; elle définit le minutage de synchronisation entre les signaux créés par le BUS I/O MIX et envoyé au BUS LOCAL DE TRANSFERT. La mémoire 30 est une mémoire rémanente RAM contenant des informations concernant la personnalisa- tion de configuration des cartes d'interface. L'unité CPU DE COMMANDE D'AXE obtient en provenance du fichier temporaire créé par l'unité CPU de traitement secondaire les blocs de mouvements qui sont définis en référence aux coordonnées du centre d'outil de fraisage et de l'orientation de la tête de travail Au moyen des informations mentionnées ci-des sus, l'interpolateur linéaire est dirigé de façon à produire les données à fournir à la Boucle de Commande. La tâche de l'interpolateur linéaire consiste à établir, pour chaque intervalle d'échantillonnage, l'augmentation d'espace et la vitesse correspondante, en se basant sur des positions initiales et finales et sur des orientations de la tête de travail, de façon à pouvoir commander les " combinaisons réciproques d'axes " de la machine Le programme de fonctionnement de l'interpolateur linéaire est défini dans les organigram- mes indiqués sur la figure 12 L'interpolateur linéaire est activé dans chaque intervalle d'échantillonnage du système et, après calcul de la nouvelle position et également de la nouvelle vitesse, il assure l'activa- tion de la BOUCLE DE COMMANDE. La tâche de la BOUCLE DE COMMANDE consiste à maintenir la position réelle de la machine aussi proche que possible de la position théorique établie par l'interpolateur. Dans ce but, après chaque intervalle d'échan- tillonnage de système, les valeurs d'axes sont lues et comparées avec la valeur de position théorique calculée par l'interpolateur Le résultat de cette comparaison, converti en un signal analogique, est appliqué aux éléments de combinaison réciproques des axes Le schéma opératoire est indiqué sur la figure 13. L'unité CPU DE COMMANDE D'AXES reçoit le fichier contenant les blocs linéaires établis par l'unité CPU D'EXPLOITATION DE SURFACES et elle assure son trans- fert, en commandant simultanément les axes de la machine, en correspondance au schéma indiqué sur la figure 14. Un technicien expert dans ce domaine sera alors capable de concevoir différentes modifications et variantes, qui devront être considérées comme rentrant dans le cadre de cette invention. REVENDICATIONS 1 Traceur tridimensionnel du type comprenant une tête de travail, avec un outil interchangeable monté sur un support ayant plusieurs degrés de liberté et des dispositifs électroniques commandant les déplace- ments de ladite tête et dudit support, caractérisé en ce qu'il est prévu une unité de traitement secondaire intégrée dans les dispositifs électroniques de commande mentionnés ci-dessus et qui est capable de traiter un fichier de surface CAD en produisant un fichier NC. 2 Traceur tridimensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un interpolateur nonlinéraire pour traiter les fichiers de surface et pour produire un fichier NC, ainsi qu'un interpolateur linéaire recevant ledit fichier NC et commandant les axes de la machine. 3 Traceur tridimensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu une unité centrale de traitement CPU séparée pour l'exploitation des surfaces CAD et CAM, le traitement secondaire, la commande des disques et la commande des axes, l'unité CPU précitée étant reliée à un BUS DE SYSTEME EN PARALLELE tandis que l'unité CPU pour la commande des axes est reliée aux capteurs et aux organes d'actionnement prévus dans la machine par l'intermédiaire d'un BUS d'EXPANSION. 4 Traceur tridimensionnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité CPU DE COMMANDE D'AXES précitée est reliée au BUS D'EXPANSION I/O par l'intermé- diaire d'une unité comportant une interface I/O MIX, un TRANSMETTEUR DE DONNE Es pour le découplage des siqnaux de traitement avec le BUS D'EXPANSION I/O, et une LOGIQUE DE COMMANDE définissant le minutage de synchronisation des signaux de commande parvenant audit BUS D'EXPANSION. Traceur tridimensionnel selon la revendication 5 1, caractérisé en ce que ladite tête de travail ( 6) est montée sur un manchon ( 5) se déplaçant dans une direction verticale et monté sur un support ( 4) se déplaçant sur un guide horizontal, constitué par deux poutres ( 2, 2 ') situées à la partie supérieure du bâti de la machine, lesdites poutres ( 2, 2 ') étant parallè- les et espacées, l'intervale d'espacement existant entre lesdites poutres ( 2, 2 ') permettant le passage de la tête de travail ( 6) précitée. lo 6 Traceur tridimensionnel selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les déplacements le long de l'axe Y sont effectués par déplacement du plan de support ( 7) de la pièce à usiner. 7 Traceur tridimensionnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit support transversal ( 4) coulisse le long de deux guides ( 8, 9), dont l'un comporte une face verticale et l'autre une face horizonta- le. 8 Traceur tridimensionnel selon une des revendi- cations 1 ou 3, caractérisé en ce que les poutres ( 2,2 ') de support du manchon ( 5) et de la tête de travail ( 6) sont installées sur deux montants ( 3, 3 ') qui sont chacun placés dans les coins de la machine de telle sorte que des pièces à usiner puissent pénétrer par chaque côté. 9 Traceur tridimensionnel selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il a une structure de support en forme de caisson.