Brevet FR2743741A1 — publié le 19970725

STRUCTURE LOGIQUE D'UNE MACHINE-OUTIL D'USINAGE A GRANDE VITESSE DU TYPE PORTE-BROCHE. La présente invention a trait au domaine des machines-outils et concerne plus particulièrement des adaptations permettant d'assurer dans les meilleures conditions, les déplacements à grande vitesse selon trois axes X, Y et Z, d'un coulant portant l'organe mobile d'usinage. L'usinage à grande vitesse de pièces dans une machine-outil s'opère en général à partir d'outils rotatifs installés en bout d'un coulant lui-même monté mobile selon trois axes dont deux X, Y sont disposés dans un plan P(x,y) parallèle au plan d'usinage des pièces et dont le troisième Z est disposé dans un plan P(x,z) perpendiculaire au même plan d'usinage desdites pièces Pour une meilleure lecture de la description qui va suivre, le plan d'usinage des pièces sera supposé vertical, ce qui représente la majorité des cas de réalisation de cette catégorie de machines-outils dans le domaine de l'usinage dit à grande vitesse, de sorte que le plan P(x,y) des deux premiers axes X et Y est considéré vertical et le plan P(x,z) du troisième axe Z est considéré horizontal. Une machine-outil d'usinage à grande vitesse comporte en général trois postes de travail principaux à savoir: - un poste d'usinage proprement dit comportant l'outil entraîné en rotation en bout du coulant et façonnant la pièce à usiner, - un poste d'entraînement situé après le poste d'usinage et constitué d'un ensemble d'organes assurant notamment les déplacements X, Y et Z du coulant, lequel assure également le mouvement de rotation de l'outil porté en bout, - et un poste de commande collaborant avec le poste d'entraînement en fonction d'un programme d'instructions préétablies pour organiser et assumer les différentes phases d'usinage de ladite pièce. Dans de telles machines-outils, la structure logique de la machine est bâtie essentiellement autour du poste d'entraînement et notamment en fonction de l'agencement des rails guidant les déplacements rectilignes alternatifs du coulant selon les trois axes X, Y et Z. La conception traditionnelle du bâti d'une telle machine consiste à disposer:: - deux rails de guidage parallèles dans le plan horizontal P(x,z), pour autoriser les déplacements horizontaux transversaux dudit coulant selon l'axe X, - deux rails de guidage parallèles dans le plan vertical P(x,y), pour autoriser les déplacements verticaux dudit coulant selon l'axe Y perpendiculairement à l'axe X, - et deux rails de guidage parallèles dans le plan horizontal P(x,z), perpendiculairement aux rails des déplacements transversaux selon l'axe X, pour autoriser les déplacements horizontaux longitudinaux dudit coulant selon l'axe Z, perpendiculairement aux axes X et Y. Les déplacements transversaux X et longitudinaux Z du coulant sont compris dans le contexte de l'invention par rapport à l'axe longitudinal de la machine le long duquel sont alignés les trois postes de travail. Si un tel agencement ne fait l'objet actuellement d'aucune évolution dans le domaine des machines-outils, c'est que les organes mobiles sont généralement actionnés dans leur mouvement de translation par des moteurs électriques rotatifs coopérant avec des courroies et des engrenages pour convertir les mouvements tournants en mouvements linéaires. En outre, le problème d'encombrement au sol des machines-outils n'étant pas la principale préoccupation des constructeurs, cet agencement de structure logique trois axes n'a jamais été remis en cause dès lors qu'il offre une assise plus confortable du bâti au sol, notamment lorsque les organes composant la machine-outil tels que les cassettes d'outils, les moteurs, etc...sont volumineux et lourds. Ce que constatant, la demanderesse a mené des recherches ayant pour objet l'étude d'un nouveau mode de réalisation de structure logique du bâti d'une machine-outil à grande vitesse qui utilise des concepts classiques de mécanique dans sa réalisation, avec des critères spécifiques d'adaptation à l'installation d'organes légers et rapides. De ce fait, la présente invention intègre des critères originaux qui constituent un principe de conception d'une telle machine dont il résulte des avantages nouveaux parmi lesquels l'adéquation de la machine à sa destination particulière d'usinage à grande vitesse par un mode d'agencement préféré des rails de guidage des mouvements de translation des organes mobiles selon les trois axes de déplacement X, Y et Z. Pour respecter les objectifs recherchés d'un usinage à grande vitesse, il a donc été imaginé une machine-outil autorisant les déplacements d'un coulant porte-broche selon trois axes X, Y et Z, adoptant une structure logique particulière remarquable en ce qu'elle comprend: - deux rails de guidage transversaux disposés parallèlement dans le plan vertical P(x,y) et autorisant les déplacements horizontaux transversaux dudit coulant selon l'axe X, - deux rails de guidage latéraux disposés parallèlement dans le même plan vertical P(x,y) et autorisant les déplacements verticaux dudit coulant selon l'axe Y, perpendiculairement à l'axe X, - deux rails de guidage longitudinaux disposés parallèlement dans le plan horizontal P(x,z) et autorisant les déplacements horizontaux longitudinaux dudit coulant selon l'axe Z, perpendiculairement aux axes X et Y. L'arrangement inédit de ces trois paires de rails de guidage selon les trois axes de déplacement X, Y et Z offre de nombreux autres avantages et parmi ceuxi: - une augmentation notable de la rigidité de la structure logique, - un rapprochement des masses mobiles par rapport à un plan vertical, - un encombrement au sol extrêmement réduit, - une possibilité d'allégement de la structure des éléments-supports des rails de guidage, - etc.... Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, les deux rails de guidage longitudinaux disposés parallèlement dans le plan horizontal P(x,z) et autorisant les déplacements horizontaux longitudinaux dudit coulant selon l'axe Z sont situés de part et d'autre du plan vertical P(x,y) des axes X et Y, de sorte que que le centre de gravité des masses mobiles est situé sur l'axe Z au plus près du plan vertical P(x,y) Cette structure logique de l'invention permet d'imaginer une nouvelle conception de machine-outil d'usinage à grande vitesse du type porte-broche.Cette machine-outil est à cet effet constituée d'un bâti se composant d'un châssis-support ouvert en son centre agencé dans un plan vertical P(x,y) d'une paire de rails transversaux horizontaux parallèles autorisant, selon un mouvement horizontal transversal le long de l'axe X, un coulissement d'une table verticale ouverte en son centre formant cadre-support. Cette table verticale est bordée latéralement d'une paire de rails verticaux parallèles disposées perpendiculairement à la première paire de rails transversaux et sur lesquels coulisse, selon un mouvement vertical le long de l'axe Y, une poupée, laquelle est traversée par un coulant porte-broche coulissant selon un mouvement horizontal le long de l'axe Z normal aux axes X et Y.L'architecture particulière de cette machine est d'obtenir une configuration générale symétrique permettant notamment: - de disposer de l'aire d'accès et/ou de dégagement à droite ou à gauche de la machine, - d'accoler plusieurs machines latéralement, - d'occuper une surface au sol réduite de l'ordre de 1600 mm en largeur autorisant une intégration de la machine dans une unité de transfert d'un pas de B00 mm, - etc... Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, la table verticale et la poupée assurant le support des deux paires de rails de guidage selon les deux axes Y et Z sont façonnées dans de l'aluminium qui, tout en établissant un rapport très équilibré entre l'allégement des masses mobiles et la rigidité de l'ensemble de la structure mobile, permet d'obtenir des accélérations élevées des masses mobiles. L'architecture particulière des trois paires de rails guidant la mobilité des organes le long des trois axes X, Y et Z de la structure logique de cette machine-outil est en outre particulièrement indiquée pour l'adoption de moteurs linéaires aux lieu et place des moteurs rotatifs, pour actionner les déplacements rectilignes alternatifs desdits organes mobiles selon les trois axes X, Y et Z, tout en permettant un arrangement très serré des rails de guidage et des mêmes moteurs linéaires. Bien que les aspects principaux de l'invention considérés comme nouveaux aient été exprimés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, de plus amples détails concernant un mode de réalisation préférée d'une machine-outil d'usinage du type portebroche respectant les concepts fondamentaux de l'invention, seront mieux compris en se référant à la description ci-après et aux dessins l'accompagnant illustrant ce mode de réalisation. Sur ces dessins: La figure 1 est une vue en perspective d'une telle machine avec la pièce à usiner disposée dans un plan vertical.. La figure 2 est une vue en perspective partiellement éclatée du poste d'entraînement d'une telle machine, dépouillée de son habillage. La figure 3 est une vue de profil du même poste d'entraînement. Comme on peut le voir sur le dessin de la figure 1, le poste d'entraînement P1 d'une machine-outil d'usinage à grande vitesse référencée M dans son ensemble est situé entre un poste d'usinage P2 non représenté comportant l'outil entraîné en rotation pour façonner la pièce à usiner et un poste de commande P3 collaborant avec le poste d'entrainement P2 en fonction d'un programme d'instructions préétablies pour organiser et assumer les différentes phases d'usinage de ladite pièce. Le poste d'entraînement P1 est représenté sur le dessin de la figure 2 dépouillé de ses pièces d'habillage afin de mieux mettre en exergue la structure logique des différents organes nécessaires à son fonctionnement et notamment de ceux assurant les déplacements rectilignes alternatifs (flèches à double sens X, Y et Z) du coulant 100, lequel assure le mouvement de rotation de l'outil porté en bout. Suivant l'invention, la structure logique de ce poste d'entraînement P1 est constituée d'un châssis-support 200 (apparent partiellement sur le dessin de la figure 3) formant le bâti du poste P1. Ce châssis-support 200 est aménagé de deux longerons transversaux 210a et 220a destinés à supporter deux rails transversaux horizontaux parallèles 210 et 220 et délimitant entre eux une ouverture de passage 230 au travers dudit bâti. Ces deux rails transversaux 210 et 220 sont, suivant le concept fondamental de l'invention, dressés dans un plan vertical P(x,y) pour autoriser, selon un mouvement horizontal transversal porté par l'axe X, un coulissement (symbolisé par la flèche à double sens X) d'une table verticale 300.Cette dernière formant un cadre-support est bordée latéralement de deux montants latéraux 310a, 320a destinés à supporter une paire de rails latéraux parallèles 310 et 320 tout en dégageant entre eux une ouverture de passage 330 au travers dudit cadre-support 300 et communiquant avec l'ouverture 230 du bâti 200. Cette paire de rails latéraux 310 et 320 de la table 300 est disposée perpendiculairement à la première paire de rails transversaux 210 et 220 du bâti 200, pour autoriser, selon un mouvement vertical porté par l'axe Y, le coulissement (symbolisé par la flèche à double sens Y) d'une poupée mobile référencée 400.Ainsi, cette poupée 400 peut évoluer dans le plan vertical P(x,y) selon deux mouvements dont l'un (flèche X) est imprimé par la mobilité de la table verticale 300 le long des rails transversaux 210 et 220 solidaires du châssis-support 200 et dont l'autre (flèche Y) est imprimé par la mobilité de la poupée 400 le long des rails latéraux 310 et 320 associés à ladite table 300. La poupée 400 est en outre traversée par le coulant porte-broche 100 qui coulisse (flèche à double sens Z) dans celle-ci, selon un mouvement horizontal longitudinal porté par l'axe Z, le long de deux rails longitudinaux horizontaux 410 et 420 garnissant l'intérieur de la poupée 400 et auxquels est suspendu ledit coulant 100. Une disposition particulière de l'invention consiste à disposer la poupée 400 dans les ouvertures centrales 230 et 330 du châssis-support 200 et de la table verticale 300 respectivement comme mis en évidence sur le dessin de la figure 3, de sorte que le coulant 100 puisse évoluer le long de l'axe Z de part et d'autre du plan vertical P(x,y). Ainsi, la mobilité du coulant 100 selon les trois mouvements qu'illustrent les flèches X, Y et Z, est mise en oeuvre avec un rapprochement maximum des masses mobiles (coulant 100, poupée 400, table verticale 300) par rapport au plan vertical P(x,y) que délimitent les deux paires de rails 210, 220 et 310, 320. Un autre objet de l'invention est de façonner la table verticale 300 et la poupée 400 dans de l'aluminium ce qui permet d'augmenter l'allégement de ces deux masses mobiles tout en gardant une rigidité suffisante de l'ensemble de la structure mobile. Un autre objet de l'invention est d'assurer la mobilité des différents déplacements rectilignes alternatifs (flèches X, Y et Z) des organes mobiles (table 300, poupée 400 et coulant 100) au moyen de moteurs linéaires 500 convenablement agencés (un ou deux par déplacement) pour autoriser dans les meilleures conditions la cinématique desdits organes. Par exemple, la table 300 est préférentiellement actionnée (flèche X) le long des rails transversaux 210 et 220 au moyen d'un seul moteur linéaire 500 installé au niveau du rail inférieur 210, sur le longeron transversal inférieur 210a. En effet, les rails 210 et 220 étant solidaires du bâti fixe 200, un moteur peut suffire pour imprimer les déplacements le long de l'axe X. De préférence le rail supérieur 220 servant de guidage est monté sans appui positif sur le talon sur le longeron transversal supérieur 220a du bâti 200 pour autoriser les différences de dilatation entre l'acier du rail 220 et l'aluminium de la table 300. La poupée 400 est quant à elle actionnée (flèche Y) le long des rails 310 et 320 de la table 300 au moyen de deux moteurs linéaires 500 montés en opposition sur les deux montants latéraux 320a et 320b de ladite table 300 de part et d'autre de l'ouverture centrale 330. Afin de faciliter les mouvements ascendants le long de l'axe Y de la poupée 400, un vérin d'équilibrage 340 (cf. figure 3) est judicieusement calé dans une semelle 350 (cf. figure 2) associée à la traverse haute de la table 300, pour compenser les forces de gravité de la masse mobile de ladite poupée incluant le coulant et la broche. Enfin, le coulant 100 est actionné (flèche Z) le long des rails longitudinaux 410 et 420 de la poupée 400 au moyen de deux moteurs linéaires 500 également disposés diamétralement opposés et audessous desdits rails de guidage, équilibrant ainsi les forces d'attraction magnétique et les déformations thermiques sur l'axe Z central du coulant 100 sur lequel se trouvent alignés le centre de gravité, la résultante de la poussée moteur et la résultante de la poussée de l'outil rotatif en bout du coulant 100.En outre, selon une disposition particulière de l'invention, les rails de guidage longitudinaux 410 et 420 et les blocs secondaires 510 des moteurs linéaires 500 associés à la poupée 400 s'étendent sur toute la longueur de cette dernière alors que les glissières 110 et 120 et les blocs primaires 520 des moteurs linéaires associés au coulant 100 ne s'étendent que sur une portion arrière 100a de ce dernier, de sorte que la sortie de la portion avant 100b du même coulant hors du poste d'entraînement P1, s'effectue brut d'organes d'entraînement souvent sensibles aux déjections résultant de l'opération d'usinage. On comprend que la machine qui vient d'être ci-dessus décrite et représentée, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention pris dans ses aspects et dans son esprit les plus larges. Ainsi, comme précisé au début du présent mémoire, le plan d'usinage des pièces peut être disposé horizontalement de sorte que le plan P(x,y) des deux premiers axes X et Y est considéré horizontal.et le plan P(x,z) du troisième axe Z est considéré vertical . Dans ce cas de figure, l'équilibrage sera opérationnel sur le coulant mobile verticalement. Afin de permettre une meilleure compréhension des dessins, une liste des références avec leurs légendes est ci-après énumérée. M... . Machine-outil du type porte-broche P1 Poste d'entrainement P2.... Poste d'usinage P3... Poste de commande 100... Coulant porte-broche 1 00a.... Portion arrière du coulant porte-broche 1 00b... . Portion avant du coulant porte-broche 110,120.... Glissières du coulant porte-broche 200.... Châssis-support 210a, 220a Longerons transversaux du bâti 210, 220 Rails de guidage transversaux du bâti 230 Ouverture de passage dans le châssis 200 300 . Table verticale formant cadre-support 310a, 320a Montants latéraux de la table 300 310, 320.... Rails de guidage latéraux de la table 300 330.... Ouverture de passage dans la table 300 340.... Vérin d'équilibrage 350.... Semelle de retenue du vérin d'équilibrage V 400... Poupée 410, 420 Rails de guidage longitudinaux de la poupée 400 500... Moteurs linéaires 510.... Blocs secondaires des moteurs linéaires 520... . Blocs primaires des moteurs linéaires Flèche X Mouvement le long de l'axe X Flèche Y Mouvement le long de l'axe Y Flèche Z Mouvement le long de l'axe Z REVENDICATIONS 1. Structure logique du bâti d'une machine-outil autorisant les déplacements (flèches X, Y et Z) d'un organe mobile (100) selon trois axes X, Y et Z, CARACTERISEE PAR LE FAIT Qu'elle comprend: - deux rails de guidage horizontaux transversaux (210 et 220) disposés parallèlement dans un plan vertical P(x,y) et autorisant les déplacements horizontaux (flèche X) dudit organe mobile (100) selon l'axe X, - deux rails de guidage verticaux latéraux (310 et 320) disposés parallèlement dans le même plan vertical P(x,y) et autorisant les déplacements verticaux (flèche Y) dudit organe mobile (100) selon l'axe Y, perpendiculairement à l'axe X, - deux rails de guidage horizontaux longitudinaux (410 et 420) disposés parallèlement dans un plan horizontal P(x,z) et autorisant les déplacements horizontaux (flèche Z) dudit organe mobile (100) selon l'axe Z, perpendiculairement aux axes X et Y. 2. Structure logique selon la revendication 1, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE les deux rails de guidage horizontaux longitudinaux (410 et 420) disposés parallèlement dans le plan horizontal P(x,z) et autorisant les déplacements horizontaux (flèche Z) dudit organe mobile (100) le long de l'axe Z sont situés de part et d'autre du susdit plan vertical P(x,y) délimité par les deux axes X et Y, de sorte que le centre de gravité dudit organe (100) soit au plus près du plan vertical P(x,y) des déplacements le long des axes X et Y. 3. Machine-outil d'usinage à grande vitesse du type porte-broche dont le poste d'entraînement (P1) utilise une structure logique selon les revendications 1 et 2 autorisant les déplacements (flèches X, Y et Z) d'un coulant porte-broche (100) le long des trois axes X, Y et Z, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la susdite structure logique du poste d'entraînement (Pi) est constituée d'un bâti fixe se composant d'un châssis-support (200) agencé dans un plan vertical P(x,y) d'une paire de rails horizontaux transversaux parallèles (210 et 200) autorisant, selon un mouvement horizontal transversal le long de l'axe X, un coulissement (flèche X) d'une table verticale (300) formant cadre-support, laquelle table verticale (300) est bordée latéralement d'une deuxième paire de rails verticaux latéraux parallèles (310 et 320) disposés perpendiculairement à la première paire de rails horizontaux transversaux (210 et 220) pour autoriser, selon un mouvement vertical porté par l'axe Y, le coulissement (flèche Y) d'une poupée (400), laquelle poupée est traversée par le susdit coulant porte-broche (100) évoluant selon un mouvement horizontal longitudinal (flèche Z) le long de l'axe Z normal aux axes X et Y. 4. Machine-outil selon la revendication 3, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la susdite table verticale (300) et la susdite poupée (400) sont façonnées dans de l'aluminium. 5. Machine-outil selon la revendication 3, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit châssis-support (200) comprend deux longerons transversaux (210a et 220a) qui, destinés à supporter lesdits deux rails horizontaux transversaux (210 et 220) de guidage de la table (300) le long de l'axe X, délimitent entre eux une ouverture de passage (230) de la poupée (400) au travers dudit châssis-support (200). 6. Machine-outil selon la revendication 3, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la susdite table (300) comprend deux montants latéraux (310a et 320a) qui, destinés à supporter lesdits deux rails verticaux latéraux (310 et 320) de guidage de la poupée (400) le long de l'axe Y, délimitent entre eux une ouverture de passage (330) de la poupée (400) au travers de ladite table (300). 7. Machine-outil selon les revendications 3 à 6 prises ensemble, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la mobilité des différents déplacements rectilignes alternatifs (flèches X, Y et Z) de la table (300), de la poupée (400) et du coulant (100) est assurée au moyen de deux moteurs linéaires (500) pour chacun des déplacements (flèches X, Y et Z). 8. Machine-outil selon la revendication 7, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la susdite table (300) est actionnée (flèche X) le long des deux rails horizontaux transversaux (210 et 220) au moyen d'un seul moteur linéaire (500) installé au niveau du longeron inférieur (210a) porteur du rail inférieur (210), le rail supérieur (220) servant de guide étant monté sans appui positif sur le talon sur le longeron transversal supérieur (220a). 9. Machine-outil selon la revendication 7, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE la susdite poupée (400) est actionnée (flèche Y) le long des deux rails verticaux latéraux (310 et 320) de la susdite table (300) au moyen de deux moteurs linéaires (500) montés en opposition sur les deux montants latéraux (320a et 320b) de ladite table (300), de part et d'autre de ladite ouverture centrale (330). 10. Machine-outil selon la revendication 7, CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE le susdit coulant (100) est actionné (flèche Z) le long des deux rails horizontaux longitudinaux (410 et 420) de la poupée (400) au moyen de deux moteurs linéaires (500) disposés diamétralement opposés et au-dessous desdits rails de guidage longitudinaux (410 et 420), de sorte que lesdits rails de guidage longitudinaux (410 et 420) et les blocs secondaires (510) des deux moteurs linéaires (500) s'étendent sur toute la longueur de la poupée (400) alors que les glissières (110 et 120) coulissantes le long des rails et les blocs primaires (520) des mêmes moteurs linéaires sont associés audit coulant (100) sur une portion arrière (100a) de ce dernier.