Brevet FR2809034A1 — publié le 20011123

DISPOSITIF DE DÉPLACEMENT ET D'ORIENTATION D'UNE MACHINE- OUTIL NOTAMMENT DE PERçAGE-RIVETAGE SUR LA SURFACE D'UNE PIÈCE ET SON PROCÉDÉ DE TRAVAIL DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de l'usinage et notamment aux adaptations permettant de réaliser les mêmes opérations sur de grandes surfaces telles les opérations de perçage-rivetage sur les fuselages d'avions. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Classiquement, lors de, l'assemblage final d'aéronefs, les tronçons de fuselage doivent être assemblés au moyen d'opérations de perçage et de pose de rivets au niveau coutures orbitales mais aussi longitudinales des sous ensembles à lier. Il est connu dans l'art antérieur, des dispositifs et/ou procédés conçus pour assurer ce type d'opérations parmi ceux-ci . - les dispositifs de perçage-rivetage manuels, - pour les coutures orbitales, des dispositifs automatiques faisant intervenir des rails circulaires entourant l'avion sur lesquels se déplacent une plusieurs machines-outils de perçage-rivetage tels ceux décrits dans les brevets français n 2 722 437 et europeen n 0 620 060, - pour les coutures longitudinales, des dispositifs automatiques faisant intervenir des rails droits lesquels circulent une ou plusieurs machines-outils de perçage-rivetage tel celui décrit dans le brevet européen n 0 917 920. Néanmoins, la surface et le volume du fuselage des aéronefs augmentant, la demanderesse a remis en cause les dispositifs existants. En effet, l'augmentation des surfaces et en conséquence du nombre des opérations de rivetage à réaliser, fait que les opérations de perçage-rivetage par dispositif manuel sont trop pénalisantes en terme de cycles de production. De même, l'extrapolation des dispositifs automatiques existants du type de ceux utilisant des rails circulaires (qui adoptent déjà des dimensions conséquentes) vers application mettant en oeuvre des volumes plus grands conduit à un dimensionnement rédhibitoire. Bien entendu, un dispositif automatique utilisant des rails rectilignes est parfaitement adaptable mais doit se limiter à des coutures longitudinales ne répondant ainsi qu'imparfaitement aux besoins des assembleurs de fuselage. Un autre inconvénient auquel sont confrontés les concepteurs des dispositifs de l'art antérieur, réside dans l'orientation de la machine-outil par rapport à surface à façonner qui, dans la plupart des applications comporte une structure logique d'entraînement en série qui ne répond plus aux critères de rapidité d'exécution des opérations. De même, lorsque la machine-outil présente plusieurs organes mobiles et/ou plusieurs outils, la structure logique d'entraînement de cette dernière doit assurer les positionnements successifs de l'axe de ces organes et/ou outils au-dessus d'une même zone à façonner. DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait, la demanderesse a mené des recherches pour obvier aux inconvénients précités un dispositif de perçage-rivetage automatique moins encombrant et susceptible de se mouvoir sur la surface fuselage d'un aéronef sans que les changements de dimensions du fuselage n'interviennent dans le dimensionnement du dispositif. Ces recherches ont abouti à la conception d'un dispositif de déplacement et d'orientation d'une machine- outil sur une surface de pièce à façonner original, nouveau et inventif, susceptible de s'appliquer à une pluralité de domaines d'application hors constructions aéronautiques. Ce dispositif est remarquable en ce qu'il est constitué par l'association de ladite machine-outil, d'une part à des moyens d'adhérence à la surface de la pièce et, d'autre part, aux premières extrémités d'une pluralité de bras pilotables dont les deuxièmes extremités sont également munies de moyens d'adhérence à la surface de la pièce de sorte que le pilotage des bras assure le déplacement de la machine-outil par rapport deuxièmes extrémités desdits bras lorsque ces dernières adhèrent à la surface à usiner et le déplacement deuxièmes extrémités desdits bras par rapport à ladite machine-outil lorsque cette dernière adhère à ladite surface. Cette association présente de multiples avantages dont les principaux sont décrits ci-après. Le dispositif se déplace sur la surface a usiner sans organe auxiliaire de guidage comme des rails. Ainsi, la liberté de déplacement de la machine-outil n'est plus soumise à l'orientation des rails ou au diamètre des rails circulaires et le dispositif de l'invention n'est plus dépendant de la taille de la surface de la pièce à usiner puisqu'il se déplace au-dessus. En conséquence, l'augmentation future des surfaces des fuselages ne réclamera pas une nouvelle conception de dispositif ou une extrapolation, L'utilisation de bras pilotables permet de former une structure logique d'entraînement du type parallèle qui, contrairement aux structures en série, autorise des déplacements à grande vélocité, L'exploitation de la machine-outil comme point d'appui grâce aux moyens d'adhérence y associés sur la surface à usiner pour autoriser le déplacement relatif des deuxièmes extrémités de bras permet de ne pas requérir un organe de déplacement annexe, L'utilisation de moyens d'adhérence autorise, dans le cadre d'une application sur fuselage d'avion, un déplacement indifféremment circulaire ou longitudinal, L'utilisation de moyens d'adhérence associés à la machine-outil garantit une bonne tenue de cette dernière par rapport à la pièce à usiner lorsque doivent être réalisées les opérations auxquelles est destinée la machine-outil. conception de ce dispositif a permis l'élaboration d'un procédé de travail lié aux déplacements que lui autorise sa structure cinématique. Ce procedé de travail constitue un autre objet de l'invention. 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 et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'un dispositif de déplacement et d'orientation d'une machine-outil sur la surface d'une pièce à usiner et de son procédé de travail, conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue de côté en coupe partielle d'un mode de réalisation du dispositif de 1 invention, La figure 2 est une vue de dessus du dispositif illustré à la figure 1, Les figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sont des vues de côté du dispositif des figures précédentes illustrant son procédé de travail en adoptant plusieurs positions. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tel qu'illustré sur le dessin de la figure 1, le dispositif de déplacement et d'orientation référencé D dans son ensemble, d'une machine-outil M sur la surface d'une pièce à façonner P, est constitué par l'association de ladite machine-outil M, d'une part à des moyens d'adhérence 100 à la surface de la pièce P et, d'autre part, aux premières extrémités 210 d'une pluralité de bras 200 pilotables dont les deuxièmes extrémités 220 sont également munies de moyens d'adhérence 100 à la surface de la pièce P de sorte que le pilotage des bras 200 assure le déplacement de la machine-outil M par rapport aux deuxièmes extrémités 220 desdits bras 200 lorsque ces dernières 220 adhèrent à la surface à iner P et le déplacement des deuxièmes extrémités 220 desdits bras 200 par rapport à ladite machine-outil M orsque cette dernière adhère à ladite surface P. Selon le mode de réalisation non limitatif illustré, ladite machine-outil M comporte un organe mobile porte-outil 0 orienté vers la surface de la pièce à façonner P. Comme illustré sur le dessin de la figure 2, le dispositif D est constitué par l'association de ladite machine-outil M à une structure parallèle formée de trois paires de bras 200 assurant le déplacement et l'orientation de ladite machine-outil M par rapport à la surface de la pièce à façonner P. L'exploitation d'un hexapode pour la constitution d'une structure parallèle a pour avantage d'utiliser une structure connue pilotable et autorisant une multitude de mouvements ouvrant ainsi un grand champ de possibilités d'opérations et d'orientations pour la machine-outil M. Plus précisément, lesdites deuxièmes extrémités 220 desdits bras 200 sont associées à une embase 300 adoptant une ouverture centrale 310 qui, comme illustrée sur le dessin de la figure 1, autorise le passage de ladite machine-outil M pour adhérer à la surface de la pièce P et/ou pour assurer les opérations de façonnage et qui limite sa course par rapport auxdites deuxièmes extrémités 220. Selon le mode de réalisation illustré, lesdits bras pilotables 200 formant la susdite structure parallèle sont constitués par des vérins. Ces vérins 200 sont disposés de sorte que leur première extrémité 210 en liaison avec ladite machine-outil M soit constituée par l'extrémité de la tige du vérin et que leur deuxième extrémité 220 en liaison avec ladite embase 300 soit constituée par le corps dudit vérin. Comme illustrées, les liaisons entre lesdites deuxièmes extrémités 220 et l'embase 300 d'une part et entre lesdites premières extrémités et la machine- outil M d'autre part, sont des liaisons articulées. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ladite machine-outil M est associée à une pluralité de corps de vérins 400 dont l'extrémité des tiges 410 est munie d'au moins un moyen d'adhérence 100 sur la surface de la pièce à façonner P. Selon le mode de réalisation non limitatif illustré, la machine-outil M est associée à trois vérins 400. La présence de ces trois vérins garantit une bonne stabilité de la machine-outil M lors du mouvement de l'embase 300 par rapport à cette dernière ou lors des opérations de façonnage auxquelles est destinée ladite machine-outil M. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ladite embase 300 est associée à une pluralité de corps de vérins 500 dont l'extrémité des tiges 510 est munie d'au moins un moyen d'adhérence 100 sur surface de la pièce à façonner P. Selon le mode de réalisation non limitatif illustré, ladite embase 400 est munie de six vérins 500. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la liaison entre les moyens d'adhérence 100 et la machine-outil M et/ou entre les moyens d'adhérence 100 et l'embase 300 est une liaison articulée de façon à ce que lesdits moyens d'adhérence s'adaptent à la surface de la pièce P à façonner notamment lorsqu'il s'agit d'un fuselage avion, pour assurer la meilleure prise possible au dispositif D sur la surface de la pièce P. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'adhérence 100 sont constitués par des ventouses. Les fuselages présentant de grandes surfaces lisses l'utilisation de ventouses comme moyens d'adhérence pour le dispositif D associées à la pluralité des vérins 500 et , garantit une bonne prise du dispositif D la surface à façonner quelle que soit son orientation et notamment lorsque le dispositif D se trouve en partie basse ou sur le côté du fuselage. Le procédé de travail du dispositif D est illustre par les figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f. Ce procédé peut etre mis en oeuvre selon un mode de réalisation préféré moyen d'un système de mesure à distance des positions du spositif D dans l'espace associé à un système de commande assurant les fonctions suivantes . - automatisation des fonctions de mesure, - calcul des vecteurs de déplacement du dispositif D (séquencement des vérins/ventouses et commande de l'hexapode), - pilotage du recalage du dispositif dans sa zone de travail, - pilotage des opérations de perçage, injection produit d'étanchéité, amenée et pose de rivets. Le système de mesure à distance du positionnement dispositif D est, quant à lui, mis en oeuvre par un laser de poursuite tridimensionnel. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé de travail mis en oeuvre par le dispositif D est remarquable en ce qu' consiste à réaliser l'appui alternatif de la machine-outil et des deuxièmes extrémités 220 des bras 200 pilotage de la longueur desdits bras 200 de sorte que la machine-outil M adhérant à la surface de la pièce P à façonner serve de point d'appui aux mouvements des deuxièmes extrémités 220 des bras 200 par rapport à ladite pièce P et que les deuxièmes extrémités 220 desdits bras 200 adhérant à ladite surface P servent de points appui pour la libération de la machine-outil M et pour son déplacement par rapport auxdites extrémités 220 des bras 200 jusqu'à son prochain point d'appui et ainsi suite. Plus précisément, comme illustrés sur le dessin de figure 3a, les moyens d'adhérence 100 de l'embase 300 sont collés à la surface de la pièce P à façonner, les tiges des vérins 400 liés à la machine outil M sont rentrés et l'axe de la machine-outil M est déporté vers un côté pilotage des vérins 200 appropriés. Dans cette position la structure parallèle du dispositif D assure le positionnement fin de la machine-outil sur cinq axes dans la zone de travail définie par l'ouverture 310 ménagée dans l'embase 300. En effet, toute modification de l'élongation des bras 200, c'est à dire toute rentrée ou sortie de tige des vérins correspondants déplace la machine-outil M par rapport à l'embase et positionne conséquence ladite machine-outil M par rapport à l'embase. Le système de commande assure ici le calcul du vecteur déplacement et des élongations correspondantes des vérins de la structure parallèle, à partir de la position et de l'orientation courante réelles connues et de position théorique d'arrivée demandée. Pour réaliser cette opération et les opérations suivantes, le système de commande comporte un logiciel de pilotage assurant l'interface entre le dispositif D et le système de mesure à distance. Comme illustrés sur le dessin de la figure 3b, une fois la machine-outil M arrivée dans la position demandée les moyens d'adhérence 100 liés à cette dernière viennent adhérer à la surface de la pièce P par sortie des tiges 410 des vérins 400 présents sur la machine-outil M. Comme illustrés sur le dessin de la figure 3c, fois la machine-outil M fixée par rapport à la surface de la pièce P, les moyens d'adhérence 100 liés à l'embase 300 se désolidarisent de la pièce P. Le fonctionnement de la structure logique parallèle est ici inversé en ce que la machine-outil M est fixe et l'embase 300 mobile. Ainsi, la structure parallèle assure le positionnement de l'embase 300 par rapport à la pièce P par le pilotage de l'élongation des bras 200. Ainsi, comme illustrée sur le dessin de la figure 3d, l'embase mobile 300 est déplacée par rapport à la machine-outil mobile Les possibilités de mobilité de la structure parallèle peuvent être aussi bien exploitées avec la machine-outil M mobile qu'avec l'embase 300 mobile permettant ainsi déplacement dans n'importe quelle direction de l'ensemble momentanément mobile par rapport à l'ensemble momentanément fixe. Comme illustrés sur le dessin de la figure 3e, une fois l'embase 300 déplacée dans la zone demandée, les moyens d'adhérence 100 y associés sont solidarisés à la surface de la pièce P. Enfin, comme illustrés sur le dessin de la figure 3f, les moyens d'adhérence 100 liés à la machine-outil M sont désolidarisés de la pièce P inversant de nouveau les rôles des ensembles fixe et mobile. En effet, la machine-outil M redevient mobile et peut être déplacée et ou orientée en pilotant les six vérins 200 par rapport à l'embase 300 et donc par rapport à la pièce P comme illustrée sur le dessin de la figure 3a. Bien entendu, la position du dispositif D et son orientation réelle d'arrivée sont vérifiées constamment au moyen du laser de poursuite qui détermine si une correction de positionnement doit être réalisée. Le procédé de travail du dispositif D fait apparaître, entre autres, l'importance des dimensions de l'ouverture 310 ménagée dans l'embase qui détermine le pas maximal de déplacement de la machine-outil par rapport à l'embase et vice-versa. Selon un mode de réalisation non limitatif non illustré, ladite machine-outil M est constituée par une tête de perçage-rivetage. L'utilisation d'une telle machine-outil M est particulièrement adaptée pour le dispositif D. Dans le cadre d'une application de perçage- rivetage sur des fuselages d'avions, ladite tête doit assurer les opérations de perçage, fraisurage, pose de produit d'étanchéité, amenée et mise en place du rivet. A cette fin, ladite tête de perçage-rivetage comporte les cinq modules suivants . - Une broche de perçage, - Un dispositif d'injection de produit d'étanchéité, - Un dispositif d'amenée de rivet, - Un dispositif de mise en place du rivet, - Un système de vision. Lorsque la machine-outil M, déplacée et orientée par le dispositif D, réunit une pluralité d'organes mobiles d'axes différents comme c'est le cas pour la tête de perçage-rivetage décrite ci-dessus, un procédé de travail du dispositif D consiste à déplacer par pilotage de la longueur des bras 200, une fois les deuxièmes extrémités de bras positionnées, ledit sous-ensemble de perçage- rivetage de sorte que l'axe des différents organes mobiles vienne successivement au-dessus de la zone à percer, à ébavurer, à riveter de manière à permettre les positionnements successifs de leur axe respectif au-dessus de chacun des trous à percer et à riveter, par débattement de la structure parallèle. Le logiciel de pilotage de la structure parallèle a donc pour avantage non seulement de piloter la position du dispositif D par rapport à la piece P mais aussi de piloter la positon de la machine-outil M par rapport à l'embase et par rapport à sa zone de travail. On comprend que le dispositif de déplacement et d'orientation d'une machine-outil sur une pièce à façonner et son procédé de travail, qui viennent d'être ci-dessus décrits, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements modifications et améliorations pourront être apportés a 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 par exemple, la demanderesse ne veut pas se limiter aux ventouses comme moyens d'adhérence et laisse la liberté de concevoir des dispositifs adhérant par d'autres moyens sur la surface de la pièce P a façonner comme par exemple par magnétisme ou par électro magnétisme. Afin de permettre une meilleure compréhension des dessins, une liste des références avec leur légende est ci-après énumérée. D ................ Dispositif dans son ensemble M ................ Machine-outil O ................ Organe mobile P ................ Pièce à façonner 100 ................ Moyens d'adhérence 200 ................ Bras de l'hexapode 210............. Première extrémité de bras 220............. Deuxième extrémité de bras 300 ................ Embase 310............. Ouverture dans l'embase 400 ................ Vérins liés à la machine ................ outil M 410............. Tiges des vérins précités 500 ................ Vérins liés à l'embase 510............. Tiges des vérins précités REVENDICATIONS 1. Dispositif (D) de déplacement et d'orientation d'une machine-outil (M) sur la surface d'une pièce (P) à façonner, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il est constitué par l'association de ladite machine-outil (M), d'une part à des moyens d'adhérence (100) à la surface de la pièce (P) et, d'autre part, aux premières extrémités (210) d'une pluralité de bras (200) pilotables dont les deuxièmes extrémités (220) sont également munies de moyens d'adhérence (100) à la surface de la pièce (P) sorte que le pilotage des bras (200) assure le déplacement de la machine-outil (M) par rapport aux deuxièmes extrémités (220) desdits bras (200) lorsque ces dernières (220) adhèrent à la surface à usiner (P) et le déplacement des deuxièmes extrémités (220) desdits bras (200) rapport à la dite machine-outil (M) lorsque cette dernière adhère à ladite surface (P). 2. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il est constitué par l'association de ladite machine-outil (M) à une structure parallèle formée de trois paires de bras (200) assurant le déplacement et l'orientation de ladite machine-outil (M) par rapport à la surface de la pièce à façonner (P) . 3. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE lesdites deuxièmes extrémités (220) desdits bras (200) sont associées à une embase (400) adoptant une ouverture centrale (410) qui autorise le passage de ladite machine-outil (M) pour adhérer .à la surface de la pièce (P) et/ou pour assurer les opérations de façonnage et qui limite sa course par rapport auxdites deuxièmes extrémités (220). 4. Dispositif (D) selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ladite machine-outil (M) est constituée par une tête de perçage-rivetage. 5. Dispositif (D) selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ladite machine-outil (M) est associée à une pluralité de corps de vérins 400) dont l'extrémité des tiges (410) est munie d'au moins un moyen d'adhérence (100). 6. Dispositif (D) selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ladite embase (300) est associée à une pluralité de corps de vérins 500) dont l'extrémité des tiges (510) est munie d'au moins un moyen d'adhérence (100). 7. Dispositif (D) selon les revendications 5 et 6, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE lesdits moyens adhérence (100) sont constitués par des ventouses. 8. Dispositif (D) selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE lesdits bras pilotables (200) formant la susdite structure parallèle sont constitués par des vérins. 9. Procédé de travail du dispositif (D) selon les revendication 1, 2 et 3 prises ensemble, CARACTERISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser l'appui alternatif de la machine-outil (M) et des deuxièmes extrémités (220) des bras (200) par pilotage de la longueur desdits bras (200) de sorte que la machine-outil (M) adhérant à la surface de la pièce (P) à façonner serve de point d'appui aux mouvements des deuxièmes extrémités (220) des bras (200) par rapport à la pièce (P) et que les deuxièmes extrémités (220) desdits bras (200) adhérant à ladite surface (P) servent de points d'appui pour la libération de la machine-outil (M) et pour son déplacement par rapport auxdites extrémités (220) des bras (200) jusqu'à- son prochain point d'appui et ainsi de suite. 10. Procédé de travail du dispositif (D) selon les revendications 1 et 4 du type de celui accueillant un sous-ensemble de perçage-rivetage susceptible de réunir plusieurs organes mobiles d'axes différents, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à déplacer par pilotage de la longueur des bras, une fois les deuxièmes extrémités de bras positionnées, ledit sous-ensemble de perçage-rivetage de sorte que l'axe des différents organes mobiles vienne successivement au-dessus de la zone à percer, à ébavurer, à riveter de manière à permettre les positionnements successifs de leur axe respecti au dessus de chacun des trous à percer et à riveter.