Brevet FR2779080A1 — publié le 19991203

DISPOSITIF PERMETTANT DE METTRE EN OEUVRE UNE STRUCTURE LOGIQUE DE MACHINE-OUTIL A ARCHITECTURE PARALLELE ET MACHINE-OUTIL ADOPTANT UN TEL DISPOSITIF. La présente invention a trait au domaine de l'usinage à grande vitesse et plus particulièrement aux adaptations permettant de déplacer l'outil dans des conditions optimales pour les opérations d'usinage classiques suivantes, à savoir: - le perçage, - le lamage - le taraudage, - et l'alésage. Pour effectuer lesdites opérations, il est classiquement utilisé des machines-outils qui, supportant un élément tournant, par exemple une broche équipée d'un outil, assurent à la fois le déplacement de l'outil par rapport à la pièce à usiner de façon à l'amener en position d'usinage et le mouvement d'usinage de l'outil pour lui permettre d'effectuer l'opération d'usinage. Dans le cas o la pièce à usiner nécessite plusieurs opérations d'usinage et afin d'optimiser les cadences de réalisation d'une telle pièce, il est classiquement utilisé une machine spéciale qui, constituée de plusieurs broches parallèles pré-positionnées comportant chacune un outil, n'assure que le déplacement d'usinage de ces dernières vers la pièce à usiner pour leur permettre d'effectuer l'opération d'usinage. Ces machines spéciales adoptent un concept classiquement appelé "concept de tête multi-broches" employé sur les machines de type transfert très utilisées dans le domaine de l'usinage en grande série et notamment pour l'usinage des pièces automobiles. Toujours pour répondre aux critères d'optimisation des cadences de production des pièces à usiner, les concepteurs de machines-outils ont été amenés à spécialiser leurs machines, ce qui, jusqu'à maintenant constituait la meilleure solution au critère de rapidité - 2 - de production. Ainsi, pour éviter tous les temps morts et notamment ceux de changement d'outils d'usinage, les machines-outils ne consacrent plus leur cinématique que pour un seul mouvement d'usinage et une seule tête multi- broches et sont entièrement dédiées à un seul usinage. Cette spécialisation qui permet de supprimer toute cinématique ou module mécanique assurant d'autres mouvements ou le changement d'outils et donc d'améliorer la vélocité opératoire de telles machines ainsi que le rendement de production, conduit cependant, à l'incapacité pour leur utilisateur de les reconvertir à une autre opération d'usinage, notamment lorsque le produit, comportant la pièce à usiner nécessitant une des opérations d'usinage que réalisait ladite machine-outil, est abandonné et n'est plus présent ou nécessaire sur le marché auquel il est destiné. La durée de vie des produits et notamment de ceux destinés à l'automobile diminuant chaque jour, la mise en place d'une machine transfert complète entièrement dédiée à l'usinage d'une seule pièce dont le produit qui la comporte peut disparaître très rapidement devient un investissement très lourd. Les développements récents de l'usinage à grande vitesse associés à l'utilisation d'une structure logique de positionnement à architecture parallèle permettent d'envisager un usinage au moyen d'une tête mono-broche et donc mono-outil dans des temps comparables à ceux d'un usinage au moyen d'une tête multi-broches. La principale caractéristique d'une structure parallèle réside dans le fait que la mise en mouvement de l'organe mobile sur un axe ne demande pas la mise en mouvement des actionneurs et dispositifs cinématiques nécessaires à la mise en mouvement dudit organe mobile sur les autres axes, ce qui permet d'atteindre les temps d'usinage susmentionnés. Ainsi, la structure parallèle adopte une cinématique du type de celle assurant le - 3 - positionnement et le déplacement d'un organe mobile et comportant au moins un élément fixe, au moins un organe mobile et au moins trois actionneurs comportant chacun une partie fixe et une partie mobile, la partie fixe de chaque actionneur étant solidaire de l'élément fixe, la partie mobile de chaque actionneur étant solidaire de l'organe mobile par l'intermédiaire d'un élément de liaison. La demanderesse a constaté que la mise en oeuvre d'une structure logique à architecture parallèle afin d'en réaliser une application concrète dans l'industrie ou dans une chaîne d'usinage, présente de nombreuses difficultés qui ont conduit les concepteurs de machines-outils à rester au stade de prototype ou à des compromis douteux dans les choix technologiques requis, compromis diminuant les capacités envisageables en théorie d'une machine-outil à structure parallèle. Un des inconvénients d'une telle structure réside dans la multiplication des articulations dont une des conséquences est que la broche maintenue à l'extrémité des bras de positionnement crée un bras de levier important par rapport à la base des bras de positionnement difficilement paramétrable. La solution à ce problème de bras de levier a été jusqu'à maintenant de placer l'axe de la broche et donc de l'outil verticalement afin que les effets de la gravité sur la tête d'outils soient pris en compte par les actionneurs des bras de positionnement. Un autre inconvénient des machines-outils à architecture parallèle réside dans le fait qu'elles ont été conçues avec une flexibilité totale, c'est à dire avec une broche pouvant être orientée suivant six degrés de liberté avec des possibilités de changement d'outils. Cette multiplication des fonctions d'une machine-outil ralentit sa capacité à usiner en multipliant les temps morts. Partant de cet état de fait, la demanderesse a mené des recherches sur un mode de réalisation préférée d'une -4- structure parallèle à savoir du type de celle o chacun des éléments de liaison est monté en articulation d'une part sur la partie mobile de l'actionneur et monté en articulation d'autre part sur l'organe mobile et du type de celle o l'ensemble est agencé de façon à ce que l'inclinaison et l'orientation dans l'espace de l'organe mobile restent inchangées, quels que soient les mouvements des parties mobiles des actionneurs, de façon à constituer un parallélogramme déformable, l'organe mobile étant constitué par un fourreau-support d'une broche porte- outil. Ces recherches ont abouti à une mise en oeuvre nouvelle et inventive d'une structure parallèle permettant de garder tous les avantages d'une structure parallèle tout en l'adaptant de façon optimale à une application particulière du domaine de l'usinage. Selon la caractéristique principale de l'invention, le dispositif de mise en oeuvre d'une structure parallèle est remarquable en ce que la susdite structure parallèle est disposée de façon à ce que l'axe de la broche soit horizontal. La limitation des mouvements de la structure parallèle de l'invention est volontaire afin de diminuer le nombre de paramètres à gérer et par choix de la demanderesse qui ne veut utiliser cette structure cinématique que pour certaines applications pour lesquelles elle est particulièrement indiquée. Cette orientation est particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet d'assurer les mêmes travaux que ceux des machines-outils spécialisées composant les machines transferts et donc facilitent l'intégration d'une machine- outil adoptant une telle structure dans une chaîne d'usinage classique. Une telle orientation est nouvelle et vient à l'encontre de tous les autres concepts de machines-outils adoptant une structure parallèle en ce que la machine- -5- outil adoptant une telle structure sera limitée à des usinages droits. Aussi, un autre objet de l'invention porte sur la machine-outil adoptant un dispositif conforme à l'invention. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le dispositif de l'invention comporte un moyen d'équilibrage qui, autorisant les mouvements rectilignes dudit fourreau- support, soutient l'ensemble fourreau-support, broche et outil de sorte que le poids de ce dernier ne soit pas reporté sur ladite structure parallèle. En effet, l'orientation nouvelle et particulièrement avantageuse de la structure logique du dispositif de l'invention, à savoir assurer les mouvements rectilignes d'un organe mobile à axe horizontal, nécessite des moyens de mise en oeuvre spéciaux dont un dispositif d'équilibrage. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit donnant, à titre d'exemple non limitatif et en regard du dessin annexé, un mode de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre d'une structure logique à architecture parallèle conforme à l'invention. La figure portée par ce dessin est une vue schématique d'ensemble en trois dimensions d'un mode de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre d'une structure logique. Telle qu'illustrée sur le dessin, la structure parallèle référencée dans son ensemble S est du type de celle assurant le positionnement et le déplacement d'un organe mobile 100 et comportant au moins un élément fixe, au moins un organe mobile 100 et au moins trois actionneurs 200 comportant chacun une partie fixe 210 et une partie mobile 220, la partie fixe 210 de chaque - 6 - actionneur 200 étant solidaire de l'élément fixe, la partie mobile 220 de chaque actionneur 200 étant solidaire de l'organe mobile 100 par l'intermédiaire d'un élément de liaison 300 qui est ici constitué par une paire de bras 310, 320. Chacun des éléments de liaison 300 étant monté en articulation d'une part sur la partie mobile 220 de l'actionneur 200 et monté en articulation d'autre part sur l'organe mobile 100. L'ensemble de la structure parallèle est ici agencé de façon à ce que l'inclinaison et l'orientation dans l'espace de l'organe mobile 100 restent inchangées, quels que soient les mouvements des parties mobiles 220 des actionneurs 200, de façon à constituer un parallélogramme déformable, l'organe mobile 100 étant constitué par un fourreau-support 110 d'une broche porte-outil 111. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la susdite structure parallèle S est disposée de façon à ce que l'axe de la broche 111 soit horizontal. Afin d'autoriser une station horizontale à une telle structure articulée, le dispositif permettant de le mettre en oeuvre comporte un moyen d'équilibrage M qui, autorisant les mouvements rectilignes dudit fourreau- support 110 selon les axes X, Y et Z, soutient l'ensemble fourreausupport 110, broche 111 et outil de sorte que le poids de ce dernier ne soit pas reporté sur ladite structure parallèle S. Selon un mode de réalisation préférentiel, ledit moyen d'équilibrage M se compose d'un module de guidage 400 dudit fourreau-support 110 suivant un axe horizontal associé à un module de soutien 500 qui, autorisant le déplacement dudit module de guidage 400 suivant un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la broche 111, assure son soutien dans ce plan. Selon le choix de réalisation particulièrement judicieux illustré, le fourreau-support 110 adopte une forme extérieure cylindrique ce qui implique une -7- caractéristique particulièrement avantageuse du dispositif de l'invention en ce que le susdit module de guidage 400 est constitué d'un anneau de guidage assurant la fonction de palier de glissement pour le susdit cylindre 110 selon l'axe horizontal Z. Selon un mode préféré de réalisation, le susdit palier de glissement est un palier du type aérostatique. Un premier avantage à l'utilisation d'un palier aérostatique réside dans le fait qu'il supprime les forces de frottement dans le guidage qu'il assure. En outre, le susdit module de guidage 400 dudit fourreau-support 110 est solidaire d'une paroi de protection 600 qui, séparant la zone d'usinage proprement dite de la zone d'entraînement occupée par ladite structure parallèle S, suit les mouvements dudit module de guidage 400 dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe du fourreau-support 110. L'utilisation d'un palier aérostatique est donc particulièrement avantageuse en ce que non seulement il guide le fourreau-support 400 mais assure également une étanchéité optimale entre la zone d'usinage et la zone d'entraînement au moyen du flux d'air le caractérisant, et ceci en un lieu o théoriquement l'étanchéité est la plus faible. Comme illustré, le susdit module de soutien 500 dudit module de guidage 400 est constitué par au moins un vérin 510, dont l'extrémité de la tige 511 est associée de façon articulée audit module de guidage 400 et dont le corps 512 est associé de façon articulée à un point fixe par rapport audit module de guidage 400, à savoir le bâti de la machine- outil non représenté. Etant donné que les mouvements du module de guidage sont rectilignes, les articulations liant le corps 512 du vérin 510 au bâti et l'extrémité de tige 511 du vérin 510 audit module de guidage 400 sont constituées par des liaisons du type pivots dont l'axe est, ici, parallèle à l'axe de la broche - 8 - 111. L'association de ces deux liaisons du type pivot à la translation de la tige 511 du vérin 510, permet au module de soutien 500, d'assurer l'équilibrage de la structure en suivant les mouvements, dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe de la broche 110, du module de guidage 400. Selon un mode préféré mais non limitatif de réalisation, ledit vérin est du type pneumatique. La figure unique du dessin annexé illustre l'intérieur d'une machineoutil adoptant le dispositif selon les caractéristiques sus-énoncées. Cette machine-outil dont seule la structure interne est représentée, comporte une paroi de protection 600 séparant la zone d'usinage de la zone d'entraînement suivant les évolutions d'un organe mobile constitué ici par le fourreau-support 110 la traversant dans un plan vertical perpendiculaire à l'axe dudit organe mobile 110, ledit organe mobile 110 étant guidé par un palier aérostatique 400 solidaire de ladite paroi de protection 600 et lié de façon articulée, sur sa partie située dans la zone d'entraînement à l'extrémité de la tige 511 d'un vérin d'équilibrage 510 dont le corps 512 est lié de façon articulée au bâti de ladite machine-outil non représentée. Selon le mode de réalisation illustré, les actionneurs assurant la mise en mouvement des extrémités de bras de positionnement 310, 320 auxquelles ils sont liés, sont constitués par des moteurs linéaires couplés à des glissières solidaires du bâti de la machine- outil. Ce choix technologique est bien entendu, non limitatif, tout type d'actionneur pouvant mettre en mouvement les paires de bras constituant ladite structure parallèle S. Selon un mode de réalisation particulièrement judicieux pour la pleine exploitation d'une machine- outil utilisant un dispositif conforme à l'invention, les mouvements de la structure logique S sont tels que ledit organe mobile 110 suit des mouvements de positionnement -9- d'outil rectilignes et un mouvement d'usinage rectiligne et parallèle à l'axe horizontal dudit organe mobile 100 de sorte que ladite machine-outil soit dédiée aux opérations d'usinage telles que le perçage, le lamage, le taraudage et l'alésage. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse en ce qu'elle réalise une adéquation optimale entre les capacités d'une machine-outil utilisant une structure logique à architecture parallèle telle que mise en oeuvre par le dispositif de l'invention et une application en machine transfert. En effet, une telle machine- outil, en se limitant dans ses mouvements, possède des performances supérieures en vitesse de déplacements à celles des machines-outils multi-broches entièrement dédiées à un usinage ce qui permet d'envisager des temps d'usinage équivalents pour une même phase mais permet également le changement d'outils ainsi qu'un changement de positionnement de l'outil et par voie de fait la reconversion d'une machine transfert composée de machines- outils conformes à l'invention. Cette machine-outil peut donc s'intégrer dans une machine de grande cadence de type transfert de pièce en tant que poste universel de perçage, de lamage, de taraudage et d'alésage totalement reconvertible pour d'autres productions. On comprend que le dispositif de mise en oeuvre d'une structure parallèle qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté, 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. Afin de permettre une meilleure compréhension du dessin, une liste des références avec leurs légendes est ci-après énumérée: - 10 - S...................Structure parallèle M...................Moyen d'équilibrage 100...................Organe mobile 110................... Fourreau-support 111................Broche porte- outil 200...................Actionneurs 210................... Partie fixe des actionneurs 220...................Partie mobile des 10.......... .......actionneurs 300...................Eléments de liaison 310,320..... DTD: ..........bras de liaison 400...................Module de guidage 500.... DTD: ...............Module de soutien 510................... Vérin de soutien 511................Tige du vérin 512................ Corps du vérin..DTD: - 11 - REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en oeuvre d'une structure parallèle (S) du type de celle assurant le positionnement et le déplacement d'un organe mobile (100) comportant au moins un élément fixe, au moins un organe mobile (100) et au moins trois actionneurs (200) comportant chacun une partie fixe (210) et une partie mobile (220), la partie fixe (210) de chaque actionneur (200) étant solidaire de l'élément fixe, la partie mobile (220) de chaque actionneur (200) étant solidaire de l'organe mobile (100) par l'intermédiaire d'un élément de liaison (300), chacun des éléments de liaison (300) étant monté en articulation d'une part sur la partie mobile (220) de l'actionneur (200) et monté en articulation d'autre part sur l'organe mobile (100) et du type de celle o l'ensemble est agencé de façon à ce que l'inclinaison et l'orientation dans l'espace de l'organe mobile (100) restent inchangées, quels que soient les mouvements des parties mobiles (220) des actionneurs (200), de façon à constituer un parallélogramme déformable, l'organe mobile (100) étant constitué par un fourreau-support (110) d'une broche porte-outil (111), CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la susdite structure parallèle (S) est disposée de façon à ce que l'axe de la broche (111) soit horizontal. 2. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte un moyen d'équilibrage (M) qui, autorisant les mouvements rectilignes dudit fourreau- support (110) selon les axes X, Y et Z, soutient l'ensemble fourreausupport (110), broche (111) et outil de sorte que le poids de ce dernier ne soit pas reporté sur ladite structure parallèle (S). 3. Dispositif selon la revendication 2, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ledit moyen d'équilibrage (M) se compose d'un module de guidage (400) dudit fourreau-support (110) suivant un axe horizontal associé à un module de soutien (500) qui, autorisant le déplacement dudit module de - 12 - guidage (400) suivant un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la broche (111), assure son soutien dans ce plan. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3 dans lequel le fourreau-support (110) adopte une forme extérieure cylindrique, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit module de guidage (400) est constitué d'un anneau de guidage assurant la fonction d'un palier de glissement pour le susdit cylindre (110). 5. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit module de guidage (400) dudit fourreau-support (110) est solidaire d'une paroi de protection (600) qui, séparant la zone d'usinage proprement dite de la zone d'entraînement occupée par ladite structure parallèle (S), suit les mouvements dudit module de guidage (400) dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe du fourreau-support (110). 6. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit module de soutien (500) dudit module de guidage (400) est constitué par au moins un vérin (510) dont l'extrémité de la tige (511) est associée, de façon articulée, audit module de guidage (400) et dont le corps (512) est associé, de façon articulée, à un point fixe par rapport audit module de guidage (400). 7. Dispositif selon les revendications 3 et 4, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit palier de glissement (400) formant module de guidage est un palier du type aérostatique. 8. Dispositif selon la revendication 6, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit vérin (510) est du type pneumatique. 9. Machine-outil adoptant le dispositif selon les revendications de 1 à 7 prises ensemble, CARACTERISEE PAR LE FAIT QU'elle comporte une paroi de protection (600) séparant la zone d'usinage de la zone d'entraînement suivant les évolutions d'un organe mobile horizontal (100) - 13 - la traversant dans un plan vertical perpendiculaire à l'axe dudit organe mobile (100), ledit organe mobile (100) étant guidé par un palier aérostatique (400) solidaire de ladite paroi de protection (600) et lié de façon articulée, sur sa partie située dans la zone d'entraînement à l'extrémité de tige (511) d'un vérin d'équilibrage (510) dont le corps (512) est lié de façon articulée au bâti de ladite machine-outil. 10. Machine-outil selon la revendication 9, CARACTERISEE PAR LE FAIT QU'elle est destinée à s'intégrer dans une machine de grande cadence de type transfert de pièce en tant que poste universel de perçage, de lamage, de taraudage et d'alésage totalement reconvertible pour d'autres productions.