Brevet FR2720308A1 — publié le 19951201

MACHINE PNEUMATIQUE D'USINAGE La présente invention a pour objet une machine portative d'usinage à entraînement pneumatique du type dans lequel un moteur pneumatique entraîne, en rotation, une broche, pouvant recevoir différents outils, destinée en particulier, mais non exclusivement à l'industrie aéronautique. De telles machines sont bien connues et utilisées, de préférence à un entraînement électrique, en raison de leurs performances puissance/poids mais également pour des raisons de sécurité. Dans les machines connues, un seul moteur pneumatique entraîne d'une part une broche en rotation et, par l'intermédiaire d'une vis et d'une noix, la même broche en translation. L'inconvénient de ces machines résulte de ce qu'elles ne peuvent pratiquement tourner, et par suite avancer qu'à une seule vitesse, déterminée par la vitesse de rotation du moteur pneumatique. La vitesse de rotation de la broche et d'avance de celle-ci peut toutefois être modifiée par échange d'un jeu de pignons existant par un autre jeu donnant un rapport de vitesses différent. Ainsi une même machine doit avoir plusieurs motorisations et plusieurs jeux de pignons pour pouvoir changer de type d'application, par exemple pour passer d'une avance de 0, 1 à 0,3 mm/tour, ce qui implique des montages et démontages ou la multiplication du nombre de machines. Or, on utilise de plus en plus, notamment en aéronautique, des matériaux composites constitués par l'assemblage de couches de matériaux différents et notamment des complexes aluminium-carbone-titane. Chacun de ces matériaux requiert des conditions de travail différentes. Il en résulte des problèmes d'état de surface, de précision et/ou de temps de cycle. La présente invention a pour objet de pallier cet inconvénient et de permettre la réalisation d'un outillage programmable pouvant travailler dans les conditions optimales quels que soient les matériaux à usiner et leur disposition dans un matériau complexe et notamment introduire une fonction d'avance variable de la broche, c'est à dire de l'outil par rapport à la pièce à usiner. Selon l'invention, I'outillage pneumatique comprenant un moteur pneumatique entraînant en rotation une broche porte-outils est caractérisé en ce que l'avance de la broche est commandée par un moteur électrique basse tension piloté par une carte électronique en fonction de la vitesse de rotation de la broche porte-outil et d'instructions mémorisées. Dans un appareil de coupe, tel qu'une perceuse, il est connu que 9/10e de l'énergie est consacré à la coupe proprement dite le dixième restant servant à l'avance de l'outil. L'utilisation d'un second moteur électrique se justifie donc par le fait qu'il est de puissance limitée et, par suite de poids limité. Un moteur électrique peut être facilement piloté par une carte électronique incluant un microprocesseur, prenant en charge l'exécution d'un programme d'usinage. Il peut faire progresser l'avance de la broche par fractions de pas en découpant le courant d'alimentation. Selon une autre caractéristique de l'invention, la carte électronique inclût deux microprocesseurs travaillant en parallèle, dont l'un synchrone, pilote le moteur électrique, le second, asynchrone, gérant le déroulement du programme d'usinage en fonction des différents paramètres disponibles. Ainsi, lorsque la vitesse nominale de la broche chute, par exemple de 20%, ou atteint un seuil mémorisé, le microprocesseur diminue l'avance de la broche, ce qui soulage le couple moteur, pour optimiser le fonctionnement de l'outil. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins qui représentent: - La figure 1, une vue en élévation d'une machine selon l'invention; - la figure 2, une vue en perspective par-dessus; - la figure 3, une schéma d'usinage complexe; - la figure 4, les positions de l'outil lors de l'usinage de la figure 3. Sur les figures, on voit qu'à l'intérieur d'un bâti constitué par trois platines 11, 12 et 13 réunies par des entretoises 10, sont montés un moteur pneumatique 1 et un moteur électrique 5 à avance pas à pas. Le moteur pneumatique est commandé par une électrovanne 2. Il entraîne en rotation par l'intermédiaire d'un jeu de pignons 4 une broche porteoutils 3 destinée à recevoir un forêt, une fraise, un alésoir ou tout outil complexe à plusieurs étages. La liaison entre l'arbre de sortie du moteur pneumatique 1 et la broche 3 est effectuée par l'intermédiaire du jeu de pignons 4 inclus dans un carter. Dans l'exemple représenté, la broche est à vitesse unique, mais de préférence, on incorpore entre le moteur pneumatique 1 et le train de pignons 4 un système de réduction crabotable de type connu à deux positions, piloté électriquement suivant le programme, ou un variateur linéaire ( à bille ou autre système) également piloté électroniquement. Cela permet d'obtenir une gamme plus étendue de vitesses, souvent nécessaires avec les matériaux modernes. A l'intérieur du bâti est également montée une carte électronique 18 à processeur double qui commande et contrôle le bon déroulement de l'avance de l'outil par rapport au programme préenregistré: - le fonctionnement des périphériques tels que les sécurités, le départ de cycle, I'affichage, la lubrification, la sélection de vitesse, - le pilotage du moteur électrique en fonction de paramètres tels que la vitesse de broche, la profondeur, la sécurité. Ces paramètres sont délivrés à la carte notamment par un capteur tachymétrique 19 pour asservir le moteur d'avance à la vitesse du moteur pneumatique et par un capteur optoélectronique 17 pour assurer le contrôle du déplacement par le moteur 5 et la précision de déplacement. Ces éléments constituent la base de fonctionnement de la machine pour ce qui concerne la vitesse de broche à deux niveaux, à avance modulable, Le moteur 5 fait tourner une broche d'avance 6 dont le pas est, par exemple, de un millimètre. Le moteur pas à pas peut toutefois être remplacé par un moteur à courant continu ou par tout autre moteur. La broche 6 pousse le chariot 7 par l'intermédiaire d'une noix 8 à recirculation de rouleaux, la noix 8 étant guidée par deux axes- entretoises 9 qui maintiennent la rigidité de l'ensemble du système avec d'autres entretoises 10 fixées sur les platines 11,12,13 du bâti. On peut également gagner de l'espace en mettant le moteur 5 en parallèle avec la broche 6, le moteur entraînant la broche par l'intermédiaire de poulies et courroies crantées. Ceci permet la réalisation d'un compartiment mécanique avec chariot, broche etc. et d'un compartiment électronique. Le chariot 7 est fixé sur la broche 3 et entraîne celle-ci en translation dès que le moteur 5 se met à tourner. Ces déplacements sont contrôlés par deux capteurs 15,16 de position, le capteur 16 servant au positionnement du zéro de référence, départ de cycle et comptage. Un capteur rotatif incrémental 17 est fixé en bout de l'arbre du moteur 5 et transmet ses informations à la carte électronique de traitement 18. Un tachymètre 19 placé sur un pignon d'entraînement du moteur pneumatique donne la valeur de la vitesse de rotation de la broche à la même carte électronique. Ce tachymètre peut être remplacé par un roulement à effet HALL ou par tout autre détecteur de vitesse. Suivant le programme installé dans ses deux microprocesseurs, la carte électronique 18 scrute le déplacement effectué par la broche, compare avec ses consignes d'avance programmée; scrute la vitesse de rotation de la broche par le tachymètre et les sécurités et module son avance: - si la profondeur de consigne est atteinte; - si le microprocesseur constate que la vitesse de broche est inférieure à la valeur qu'elle doit avoir. La carte électronique 18 est basée sur le principe des machines parallèles. Les deux microprocesseurs embarqués de technologie RISC ( Reduce Instructions Set Computer) sont respectivement synchrone et asynchrone. Le microprocesseur synchrone pilote le moteur 5 alors que le microprocesseur asynchrone gère l'environnement homme-machine c'est à dire qu'il prend en charge les paramètres autres que ceux de la commande de rotation du moteur synchrone, c'est à dire l'exécution du programme, la gestion des capteurs, la gestion des sécurités les arrêts et départs etc. Le moteur 5 est piloté selon un algorithme à pas variable avec pilotage en demi pas à basse vitesse, au pas en vitesse intermédiaire et au-dessus du pas pour les avances et retours rapides (ces paramètres pouvant être adaptés suivant les cas). Le microprocesseur peut découper l'intensité pour obtenir un fonctionnement par fractions de pas. Une carte programmable 21 distincte de la carte pilotage/puissance mais connectée à celle-ci se monte et se démonte à l'arrière de la machine. Sa fixation est rendue étanche par un boîtier lui-même étanche à démontage rapide. c'est cette carte qui mémorise les paramètres représentatifs d'un cycle complet de fabrication (vitesses, avances, profondeurs, débourrage, lubrification et autres variables). Cette carte est programmée par l'intermédiaire d'un micro-ordinateur via une liaison série RS 232. Lors d'un réglage avant mise en service sur chaîne de fabrication, le régleur transfert les données, les modifie à volonté. Il contrôle les résultats sur banc et finalement les mémorise. La machine en tiendra compte et modulera ses déplacements en consequence lors de son travail sur poste. L'air d'échappement du moteur pneumatique 1 est, de préférence réinjecté dans le corps de la machine à travers un filtre pour mettre l'intérieur du carter en surpression au cours du fonctionnement, pour éviter les infiltrations et ventiler les composants électroniques de puissance montés sur des radiateurs. Une lubrification axiale est effectuée dans la broche 3 par un tube plongeur coulissant dans la broche, I'étanchéité étant assurée par des joints toriques Cette lubrification est également pilotée par le programme par l'intermédiaire d'électrovannes permettant des combinaisons en fréquence et en durée par rapport à une profondeur. Un contrôle du verrouillage de la machine sur une grille de perçage est effectué par un positionnement d'un capteur de position ( non représenté) sur le mécanisme de verrouillage de la grille tel que celui qui est décrit dans FR-A-2 680 329. Dans ce dispositif, le verrouillage nécessite le maintien de la machine à deux mains lors de son verrouillage sur la grille. Un palpeur axial de position 20 ( composante du mécanisme d'outillage rapporté à la machine) est également installé dans le corps de la machine. Le canon palpeur, transmet une information précise de la position de l'outil par rapport à la pièce à percer et au palpeur axial. Cette information est transmise à la carte microprocesseur 18 et compare sa valeur à une valeur de réglage préalablement enregistrée. La machine corrige son déplacement en conséquence. L'outillage, élément démontable par rapport à la machine, comprend des trous sur un secteur de pièce qui seront "lus" par des capteurs placés dans le corps de la machine. Suivant les combinaisons possibles des trous, un code d'outillage peut être interprété par la machine et autoriser le fonctionnement de celle-ci. Ces différents paramètres permettent une modularité de fonctionnement incomparablement supérieure à celui des machines classiques qui ne dépend que du chargement ou du déchargement d'une carte programme effectué en quelques secondes et d'une motorisation pneumatique à, par exemple, deux vitesses fixes pilotables électroniquement. La vitesse d'avance travail de l'outil est elle-même linéaire et varie entre 0,035 et 0,3 mm/tour. l'ensemble de ces paramètres donne une indication exacte de la profondeur contrôlée en permanence. Il est ainsi possible d'avancer plus ou moins rapidement dans un matériau donné, faire des cycles de débourrage, effectuer des opérations ponctuelles de sortie de broche sans rotation. La figure 3 qui est un exemple d'application d'un outillage selon l'invention, représente, à sa partie supérieure un outil complexe 22 comprenant à sa partie inférieure un forêt de hauteur A, suivi d'un alésoir de hauteur F1 et d'une partie fraisureuse de hauteur F2. Cet outil permet d'effectuer le perc,çage, I'alésage et le fraisurage de la partie supérieure du trou. Le matériau à percer est un complexe comprenant de haut en bas, une couche d'aluminium, une couche de fibres de carbone et une couche de titane, chacun de ces matériaux devant être travaillé à des vitesses de rotation et d'avance de l'outil différentes. Dans l'exemple représenté, les vitesses d'avance pour le perçage dans les trois couches sont respectivement de 0,3 mm/tour pour l'aluminium, de 0,5 mm/tour pour le carbone et de 0,06 mm/tour pour le titane. La figure 4 représente la position de la pointe de l'outil. Les numéros apparaissant sur cette figure sont les numéros de blocs de programmes. A l'origine, la pointe de l'outil est au-dessus de la pièce à usiner dans une position pO, les vitesses de rotation et d'avance sont nulles. Dans un premier temps, I'outil avance rapidement pour prendre la position pl qui est extérieure mais voisine de la pièce. La première opération consiste dans le perçage de l'aluminium, I'outil descendant dans la position p3 ( avance 1). Un retour rapide en pl permet le débourrage de l'outil. Puis l'outil avance rapidement en p3 (moins le retrait r) et il reprend le perçage de l'aluminium (avance 1). Il revient ensuite en pl en vue de son débourrage. Il avance ensuite rapidement en p4 moins le retrait. L'aluminium est percé. L'étape suivante consiste dans le perçage du carbone (avance 2 supérieure à l'avance 1). L'outil avance en p5 et perce le carbone et avance ensuite en P6 o il perce le titane (avance 3). Il effectue alors un retour rapide en pl pour son débourrage et reprend ensuite son avance en p6 - retrait, position à partir de laquelle il reprend le perçage du titane ( avance 3). Après quoi il effectue à nouveau un retour rapide de débourrage en pl. Une avance rapide en p2+A-retrait permet au cours de l'avance ultérieure d'aléser l'aluminium, ( avance 4) puis en p4+A d'aléser le carbone (avance ), puis en p5+A le titane ( avance 6). Le fraisurage de l'aluminium est alors effectué en faisant avancer l'outil en p2+F2 (avance 7). L'outil revient alors en position pO et le microprocesseur arrête la rotation de la broche. Le passage dans cette position est immédiat, si la vitesse de rotation de la broche sort de sa plage de tolérance. Comme cela ressort de l'exemple ci-dessus, il a été nécessaire d'utiliser sept vitesses d'avance de l'outil correspondant respectivement aux usinages et matériaux différents. Seule une commande électronique permet d'obtenir ces variations. Il va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Machine pneumatique comprenant un moteur pneumatique (1) entraînant en rotation une broche porte-outils (3) caractérisée en ce que l'avance de la broche (3) est commandée par un moteur électrique (5) en fonction de la vitesse de rotation de la broche porte- outil (3) et d'instructions mémorisées dans une carte (21) et gérées dans une carte électronique (18) de pilotage/puissance. 2 Machine pneumatique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la carte électronique (18) inclût deux microprocesseurs travaillant en parallèle, dont l'un, synchrone, pilote le moteur électrique, et le second, asynchrone, gère les autres paramètres de la machine. 3 Machine pneumatique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle inclût une seconde carte électronique (21) amovible, connectée à la carte (18), dans laquelle sont inscrites les instructions nécessaires à l'exécution d'un programme particulier d'usinage. Machine pneumatique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un compteur tachymétrique est disposé sur le jeu de pignons (4) reliant l'arbre du moteur (1) à la broche (3), un capteur rotatif incrémental (17) contrôlant le déplacement axial de ladite broche. Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que un palpeur de profondeur (20) fait saillie en avant de la machine et mesure la position (p) de l'outil par rapport à la pièce. 6 Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la broche d'avance (6) de sortie du moteur électrique entraîne une noix (8) à recirculation de rouleaux, la translation de la noix étant détectée par des capteurs (15,16) de position pour le calage à zéro et la fin de course. 7 Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la lubrification est pilotée par la carte (18), le lubrifiant étant dirigé par un conduit axial dans la broche (3), par l'intermédiaire d'électrovannes. 8 Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'air d'échappement est recyclé, après filtration, dans le carter de la machine. 9 Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un dispositif crabotable piloté électriquement permet le choix de vitesses différentes. Machine pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le verrouillage de la machine sur la grille d'usinage par piston-crémaillère est piloté électroniquement.