Brevet FR2671994A1 — publié le 19920731

La présente invention concerne un système d'usinage pour la réalisation de trous sur des pièces. Généralement, les systèmes d'usinage connus de ce type comportent au moins une broche dans laquelle est monté un outil de coupe tel que, selon l'opération d'usinage à effectuer, un foret ou un alésoir, ladite broche étant susceptible d'être entralnée en rotation et déplacée axialement entre une première position, pour laquelle l'outil est éloigné de la pièce, et une seconde position, pour laquelle l'outil a exécuté dans la pièce l'opération d'usinage. Plus particulièrement, si le mouvement en rotation de la broche est obtenu le plus souvent par l'intermédiaire d'un moteur électrique, le mouvement d'avance de la broche de ces systèmes peut être réalisé de différentes façons. Selon une première technique, la commande du mouvement d'avance de la broche porte-outil dudit système est effectuée par un vérin fluidique auquel est relié un limiteur de débit permettant de réguler la vitesse d'exécution de l'opération d'usinage, par exemple, un perçage. Les avantages de cette technique résident d'une part, dans la possibilité d'effectuer des opérations de débourrage en cours de perçage permettant d'évacuer les copeaux et, d'autre part, dans le réglage aisé du mouvement d'avance de la broche en agissant sur le limiteur de débit. Cependant, cette première technique présente l'inconvénient de réguler la vitesse en fonction de la résultante des efforts produits lors de l'usinage (poussée du vérin, efforts de coupe). De la sorte, la vitesse d'avance de la broche n'est pas constante, ce qui a pour conséquence d'entraîner une usure prématurée des outils de coupe et, par suite, des changements fréquents des outils et une qualité d'état de surface médiocre. Selon une seconde technique, la commande du mouvement d'avance de la broche porte-outil est obtenue par un mécanisme du type à vis-mère. Polir cela, le mécanisme est relié au moteur d'entrainement en rotation de la broche par l'intermédiaire d'un boîtier réducteur. Ainsi, il en résulte un mouvement d'avance régulier de la broche, c'est-à-dire une avance par tour constante. Lorsque la broche occupe la seconde position, son retour vers la première position est assuré par le bottier réducteur en bloquant l'une de ses roues dentées, ce qui a pour effet d'inverser le mouvement d'avance. Cette seconde technique présente néanmoins des inconvénients. En effet, les possibilités de réglage du mouvement d'avance de la broche sont limitées, puisque le mécanisme à vis-mère est relié au moteur d'entraînement en rotation de la broche par le boîtier. De plus, les opérations de débourrage et de lubrification de l'arête coupante en cours d'usinage sont impossibles en raison de cette liaison. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de ces techniques connues et concerne un système d'usinage du type précité dont la commande du mouvement d'avance de la broche autorise notamment une vitesse d'avance régulière de la broche et qui permet également de contrôler les opérations d'usinage. A cet effet, le système d'usinage pour réaliser notamment des trous dans des pièces, du type comportant au moins une broche, dans laquelle est monté un outil de coupe et qui est susceptible d'être entraînée en rotation et déplacée axialement entre une première position, pour laquelle l'outil est éloigné de la pièce, et une seconde position, pour laquelle l'outil a réalisé dans la pièce l'opération d'usinage, est remarquable, selon l'invention, en ce que le mouvement de rotation et le mouvement d'avance axial de la broche sont engendrés par des moteurs distincts, en ce que celui desdits moteurs commandant le mouvement d'avance de la broche est électrique à courant continu asservi en vitesse, en ce que sont prévus des moyens de détection et de traitement du courant électrique alimentant le moteur électrique à courant continu durant son cycle de fonctionnement, et en ce que sont reliés, auxdits moyens de détection et de traitement, des moyens d'inversion du sens du mouvement d'avance de la broche lorsque celle-ci atteint la seconde position. Ainsi, grâce à l'invention, puisque les mouvements respectivement d'avance et de rotation de la broche sont obtenus par des moteurs indépendants l'un de l'autre, l'avance de la broche peut être réglée, de façon régulière et constante, à la vitesse souhaitée, indépendamment de sa vitesse de rotation, ce qui, par conséquent, accroît la durée de vie de l'outil de coupe et permet d'effectuer en cours d'usinage des opérations de débourrage et de lubrification de l'outil. Aussi, puisque le moteur électrique de commande du mouvement d'avance de la broche est à courant continu asservi en vitesse, on peut aisément contrôler, grâce auxdits moyens de détection et de traitement, le courant électrique du moteur lors de l'opération d'usinage, qui est représentatif des efforts exercés par ledit outil durant l'usinage. Ainsi, l'analyse de ce courant électrique par les moyens de détection et de traitement permet de vérifier le bon déroulement de l'opération d'usinage et de contrôler en permanence l'usure de l'outil par la mesure de l'intensité du courant électrique consommée par le moteur d'avance.En effet, si au cours de l'usinage, on relève, par les moyens de détection et de traitement, une variation de l'intensité du courant électrique, alors que celle-ci doit être normalement sensiblement constante, on peut en déduire par exemple que l'outil de coupe est défectueux et doit être réaffûté ou changé. Par ailleurs, lorsque la broche atteint sa seconde position, pour laquelle 11 outil a alors effectué, dans la pièce, l'usinage proprement dit, le courant électrique varie brusquement, de façon significative, pour atteindre un seuil donné, de sorte que, grâce aux moyens d'inversion, réglés à ce seuil et reliés aux moyens de détection et de traitement, la broche retourne automatiquement vers sa première position. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système peut comprendre une unité de commande programmable contenant les paramètres relatifs aux différents types, diamètres et longueurs d'outils à utiliser, en fonction des opérations d'usinage à effectuer, ainsi que lesdits moyens de détection et de traitement du courant électrique alimentant le moteur du mouvement d'avance de la broche, et lesdits moyens d'inversion du sens d'avance de la broche, auxquels est reliée la servocommande dudit moteur électrique du mouvement d'avance de la broche. Ainsi, grâce à ladite unité, la durée des cycles de fonctionnement, correspondant à des opérations d'usinage spécifiques et préalablement programmées, peut être optimisée. Avantageusement, dans ladite unité de commande programmable sont prévus, d'une part, un convertisseur analogiquenumérique relié audit moteur électrique à courant continu du mouvement d'avance de la broche et adressant les signaux traités, correspondant à l'intensité dudit courant, auxdits moyens de détection et de traitement, et, d'autre part, un convertisseur numérique-analogique recevant les signaux issus desdits moyens de détection et d'inversion, et les transmettant à ladite servocommande dudit moteur d'avance de la broche. Plus particulièrement, lesdits moyens de détection et de traitement du courant alimentant le moteur du mouvement d'avance de la broche comportent au moins un ampèremètre destiné à mesurer l'intensité dudit courant lors des opérations d'usinage. Aussi, ledit moteur à courant continu, commandant le mouvement d'avance de la broche, peut être asservi en vitesse par un amplificateur de vitesse à transistors. Par ailleurs, la première position de la broche est par exemple donnée par un capteur. La seconde position de la broche peut être donnée par une butée, qui est agencée entre la broche et la pièce à usiner et contre laquelle est susceptible de s'appliquer la face frontale de la broche. Dans un mode préféré de réalisation, ladite broche est portée par un support susceptible de se déplacer axialement dans des glissières par l'intermédiaire d'un mécanisme à vis à billes, couplé audit moteur d'avance par un engrenage. Dans une application préférentielle, quoique non exclusive, le système selon l'invention est plus particulièrement destiné à effectuer le perçage et/ou l'alésage de trous dans les pièces de structure des aéronefs, telles que la voilure et le fuselage, afin de permettre par la suite leur assemblage par l'intermédiaire d'organes appropriés. Dans ce cas, en raison de la multiplicité des trous à réaliser et de la précision d'exécution qui s'ensuit, le système selon l'invention comprend, de plus, un montage d'usinage fixé à la pièce et comportant une grille, pourvue de canons de perçage dont l'emplacement sur la grille correspond à celui des trous à réaliser dans la pièce et dans chacun desquels est susceptible de s'engager l'outil de coupe approprié en y étant ainsi guidé et centré coaxialement. Ladite butée, définissant la seconde position de la broche, est alors avantageusement prévue sur chaque canon de perçage dudit montage d'usinage. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple de réalisation du système d'usinage selon l'invention, qui comporte, dans ce cas, un montage d'usinage et dont la broche porte-outil est dans la première position haute. La figure 2 est une vue partielle dudit système, analogue à la figure 1, dans laquelle la broche occupe la seconde position basse, l'outil de coupe ayant effectué l'usinage correspondant dans la pièce. La figure 3 est une vue synoptique partielle de l'unité de commande programmable à laquelle est relié le moteur commandant le mouvement d'avance de la broche et qui comprend les moyens de détection et de traitement du courant issu dudit moteur. La figure 4 représente, à titre d'exemple, la courbe représentative de la variation de l'intensité du courant électrique alimentant le moteur d'avance de la broche en fonction de la durée d'un cycle d'usinage correspondant à une opération d'alésage, courbe délivrée par lesdits moyens de détection et de traitement. En se référant à la figure 1, le système d'usinage 1 représenté comprend un bâti 2 dans lequel est montée une broche 3 portant à son extrémité inférieure un outil de coupe 4 tel que, dans cet exemple de réalisation, un alésoir. La broche 3 est susceptible d'être entraînée en rotation autour de son axe 5 et déplacée axialement le long de celui-ci. Selon l'invention, deux moteurs 6 et 7 commandent respectivement les mouvements de rotation et d'avance de la broche. Ainsi, en regard de cette figure 1, le moteur 6, par exemple pneumatique ou électrique, assure la rotation de la broche 3 par l'intermédiaire d'une transmission par exemple t courroie 8, connue en soi. La broche est montée par des roulements 9 dans un support 10, auquel est fixé le moteur 6 et qui est lié de façon coulissante par rapport au bâti. Le moteur 7 est électrique et assure, quant à lui, le déplacement axial de la broche 3 par l'intermédiaire d'un mécanisme à vis 11. Plus particulièrement, le moteur 7 est fixé au bâti 2 du système et un engrenage 13 transmet le mouvement de rotation du moteur à la vis 11A, qui est fixe axialement, par un palier 11B monté autour de celle-ci et solidaire du bâti 2. De plus, le mécanisme comporte une noix 11C coopérant avec la vis par des billes 11D, et fixée au support 10.On comprend donc que la rotation du moteur électrique 7 entrante, par l'engrenage 13, celle de la vis liA laquelle, immobilisée axialement, provoque simultanément le déplacement en translation de la noix 11C et donc du support 10. Pour cela, ce dernier est monté, de façon connue et non représentée, dans des glissières prévues sur le bâti et autorisant un guidage précis du support 10 par rapport au bâti 2. Par conséquent, cet agencement commande le mouvement d'avance de la broche 3. Le système d'usinage 1 comprend également, dans cet exemple de réalisation, un montage d'usinage 12 de type usuel, constitué d'une plaque ou grille 12A qui est fixé à la pièce à usiner 14 par des brides non représentées et dans laquelle sont logés des canons de perçage 12B. Ainsi, la disposition géométrique des canons de perçage 12B dans la plaque 12A correspond précisément à celle des trous (perçage, alésage, etc...) à réaliser dans la pièce 14 et les canons de perçage garantissent de plus un guidage et un centrage appropriés de la broche 3. En outre, le bâti 2 se prolonge, à sa partie inférieure, par un mandrin 15 fixé à celle-ci et disposé coaxialement à l'axe 5 de la broche 3. Ce mandrin 15 a pour but, d'une part, de maintenir le bâti du système en position par rapport au canon de perçage correspondant 12B et, d'autre part, d'assurer l'alignement de l'axe 5 de la broche 3 avec l'axe géométrique du passage 12C dudit canon, correspondant à celui du trou à réaliser. On voit, sur la figure 1, que le mandrin 15 lié au bâti entoure la partie supérieure 12D du canon faisant saillie par rapport à la plaque 12A. La broche 3 occupe une première position haute pour laquelle l'outil de coupe 4 est éloigné de la pièce 14, en étant engagé dans le passage axial 12C du canon, ainsi que l'extrémité avant de la broche. La première position haute de la broche est donnée par un capteur 16 disposé, par exemple, entre la noix 11C et le palier fixe 11B du mécanisme 11. Lorsque la noix est au contact du palier, la broche est dans sa position haute. La seconde position, basse, de la broche est donnée par une butée 17 traversant longitudinalement la paroi du canon 12B. L'extrémité inférieure de la butée 17 est en appui sur la surface de la pièce à usiner 14, et contre son extrémité supérieure est susceptible de s'appliquer la face frontale 18A d'une bague 18 rapportée au support 10 et disposée coaxialement à la broche 3, comme on le verra ultérieurement en regard de la figure 2. Par ailleurs, le moteur électrique 7, commandant le mouvement d'avance de la broche 3, est avantageusement à courant continu asservi en vitesse et il est du type à terre rare, lui conférant notamment une puissance massique élevée. Aussi, en se référant à la figure 3, des moyens de détection et de traitement 21 du courant électrique, alimentant le moteur électrique 7, sont prévus dans le système d'usinage 1, et ils permettent ainsi de contrôler l'intensité du courant électrique du moteur 7 en cours de son fonctionnement durant les différents cycles. A ces moyens sont de plus reliés des moyens d'inversion 22 du sens du mouvement d'avance de la broche 3 lorsque celle-ci atteint la seconde position basse et dont le fonctionnement sera décrit ultérieurement. Dans un exemple d'application préférentielle, le système d'usinage 1 est plus particulièrement destiné à réaliser des opérations de perçage et/ou d'alésage dans les pièces de structure du fuselage et de la voilure des aéronefs afin de procéder, par la suite, à leur assemblage au moyen d'organes de fixation appropriés. Aussi, en raison de la multiplicité des trous à réaliser, le système comprend, outre le montage d'usinage 12, une unité de commande programmable 20, contenant les paramètres relatifs aux différents types, diamètres et longueurs d'outils à utiliser (foret, alésoir,...) en fonction des opérations d'usinage à effectuer, et les cycles de fonctionnement, pour ces opérations, préalablement programmés. Aussi, les moyens de détection et de traitement 21 et les moyens d'inversion 22 du moteur d'avance sont intégrés à cette unité de commande 20.Pour cela, en se référant à la figure 3, qui ne représente que partiellement ladite unité, on prévoit dans celle-ci un convertisseur analogique-numérique 23 relié, par une liaison 24, à l'alimentation du moteur électrique 7 commandant le mouvement d'avance de la broche 3, et transmettant les signaux traités numériquement, correspondant à l'intensité du courant alimentant le moteur 7 au cours du cycle, auxdits moyens de détection et de traitement 21, puis aux moyens d'inversion 22 qui n'agissent que lorsque l'intensité relevée atteint un seuil préétabli correspondant à la position basse de la broche. Les signaux sont ensuite adressés à un convertisseur numérique-analogique 25 qui les transmet alors à la servocommande 26 du moteur 7, comprenant, notamment, un amplificateur de vitesse à transistors pour l'asservissement en vitesse du moteur. A cette unité est également relié le moteur 6 d'entranement en rotation de la broche. Le fonctionnement d'un cycle d'usinage du système 1 selon l'invention se déroule de la façon suivante. En regard de la figure 1, on suppose qu'un trou 30 a été préalablement réalisé à l'aide d'un foret dans la pièce 14 et qu'une opération d'alésage doit être effectuée pour mettre le trou 30 à un diamètre donné. Le broche 3, équipée de l'alésoir 4, est en position haute contre le palpeur 16. Les moyens de détection et de traitement 21, qui comportent notamment un ampèremètre, vont permettre de contrôler l'intensité du courant électrique alimentant le moteur 7 durant son fonctionnement lors du cycle d'alésage. Aussi, ce contrôle de l'intensité peut se traduire par une courbe C, telle que celle représentée sur la figure 4 pour un cycle d'alésage et dont l'axe des ordonnées correspond à l'intensité du courant Ic, tandis que l'axe des abscisses correspond au temps t. En se référant à cette figure 4, la courbe C représentative de l'intensité du courant présente une première phase tl correspondant de façon usuelle à la montée en régime puis à la stabilisation à une vitesse de rotation donnée du moteur électrique 7. La phase t2 correspond à l'usinage, c'est-à-dire à l'alésage du trou 30 par l'alésoir, la broche 3 par l'intermédiaire du mécanisme 11 descendant progressivement selon une vitesse d'avance programmée. On remarque donc que, durant la phase t2, l'intensité du courant, qui est représentative des efforts exercés par l'alésoir dans la pièce, est constante. Par conséquent, l'interprétation de cette phase t2, grâce à ces moyens de détection et de traitement 21 de l'intensité du courant dudit moteur 7, est particulièrement importante. En effet, si on constate une variation de l'intensité durant l'opération d'usinage (phase t2), alors que cette intensité doit être sensiblement constante, on en déduit automatiquement une anomalie dans le cycle de fonctionnement, anomalie qui peut être due par exemple à une détérioration de l'alésoir (affûtage défectueux), de sorte qu'on peut procéder dans ce cas à son changement ou à son réaffûtage. On comprend donc tout l'intérêt de l'analyse du courant délivré par la courbe, grâce aux moyens 21. La phase t3 correspond à l'arrivée de la broche 3 dans sa seconde position, telle que représentée sur la figure 2. Dès que la face avant 18A de la bague 18 solidaire du support 10 vient au contact de la butée 17 intégrée au canon de perçage 12B dudit montage 12, l'intensité du courant Ic augmente brutalement pour atteindre un seuil d'intensité Is prédéterminé. Le contact de la broche 3 contre cette butée 17 provoque au niveau du variateur de vitesse prévu dans la servocommande 26 du moteur une montée de l'intensité. Simultanément, les moyens d'inversion 22 basculent pour ordonner l'ordre d'inversion du sens de rotation du moteur électrique 7 et, donc, la remontée de la broche 3 à une vitesse rapide de sa seconde position basse vers sa première position haute, terminant le cycle d'usinage correspondant à l'alésage du trou. On voit sur la figure 2 le trou 30A mis à la cote appropriée par l'action de l'alésoir 4. De ce qui précède, il ressort que grâce à l'utilisation de deux moteurs distincts pour commander respectivement le mouvement d'avance et le mouvement de rotation de la broche, on peut contrôler le déroulement des cycles d'usinage par les moyens de détection et de traitement de l'intensité du courant du moteur électrique d'avance. De plus, comme les mouvements d'avance et de rotation de la broche sont indépendants, on peut procéder à des opérations de débourrage en cours de perçage et/ou d'alésage. Par ailleurs, grâce à l'unité de calcul programmable, on peut optimiser la durée des cycles puisque les paramètres des outils sont programmés et procéder même à des changements de vitesse d'avance en cours de cycle, par exemple effectuer une opération d'ébauche à une première vitesse d'avance, puis une opération de finition à une vitesse moindre. La régularité de la vitesse d'avance conduit à un allongement de la durée de vie des outils de coupe. REVENDICATIONS 1 - Système d'usinage pour réaliser notamment des trous dans des pièces, du type comportant au moins une broche (3) dans laquelle est monté un outil de coupe (4) et qui est susceptible d'être entraînée en rotation et déplacée axialement entre une première position, pour laquelle l'outil est éloigné de la pièce, et une seconde position, pour laquelle l'outil a réalisé dans la pièce l'opération d'usinage, caractérisé en ce que le mouvement de rotation et le mouvement d'avance axial de la broche (3) sont engendrés par des moteurs distincts (6,7), en ce que celui (7) desdits moteurs commandant le mouvement d'avance de la broche est électrique à courant continu asservi en vitesse, en ce que sont prévus des moyens de détection et de traitement (21) du courant électrique alimentant le moteur électrique à courant continu (7) durant son cycle de fonctionnement, et en ce que sont reliés, auxdits moyens de détection et de traitement, des moyens d'inversion (22) du sens du mouvement d'avance de la broche (3) lorsque celle-ci atteint la seconde position. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande programmable (20) contenant les paramètres relatifs aux différents types, diamètres et longueurs d'outils à utiliser, en fonction des opérations d'usinage à effectuer, ainsi que lesdits moyens de détection et de traitement (21) du courant électrique alimentant le moteur du mouvement d'avance de la broche, et lesdits moyens d'inversion (22) du sens d'avance de la broche, auxquels est reliée la servocommande (26) dudit moteur électrique (7) du mouvement d'avance de la broche. 3 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans ladite unité de commande programmable (20) sont prévus, d'une part, un convertisseur analogique-numérique (23) relié audit moteur électrique (7) à courant continu du mouvement d'avance de la broche et adressant les signaux traités, correspondant à l'intensité dudit courant, auxdits moyens de détection et de traitement (21), et, d'autre part, un convertisseur numérique-analogique (25) recevant les signaux issus desdits moyens (21,22) de détection et d'inversion et les transmettant à ladite servocommande (26) dudit moteur d'avance de la broche. 4 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection et de traitement (21) du courant alimentant le moteur du mouvement d'avance de la broche (3) comportent au moins un ampèremètre destiné à mesurer l'intensité dudit courant lors des opérations d'usinage. 5 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moteur à courant continu (7) commandant le mouvement d'avance de la broche est asservi en vitesse par un amplificateur de vitesse à transistors. 6 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première position de la broche (3) est donnée par un capteur (16). 7 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde position de la broche est donnée par une butée (17), qui est agencée entre la broche et la pièce à usiner et contre laquelle est susceptible de s'appliquer la face frontale de la broche (3). 8 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite broche (3) est portée par un support (10) susceptible de se déplacer axialement dans des glissières par l'intermédiaire d'un mécanisme à vis à billes (11), couplé audit moteur d'avance (7) par un engrenage (13). 9 - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un montage d'usinage (12) fixé à la pièce (14) et comportant une grille (12A), pourvue de canons de perçage (12B) dont l'emplacement sur la grille correspond à celui des trous à réaliser dans la pièce et dans chacun desquels est susceptible de s'engager l'outil de coupe approprié (4) en y étant ainsi guidé et centré coaxialement. 10 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite butée (17) définissant la seconde position de la broche est prévue sur chaque canon de perçage (12B) dudit montage d'usinage (12).