Brevet FR2915415A1 — publié le 20081031

La présente invention concerne un préhenseur, qui dans le domaine de l'assemblage de pièces, permet d'assurer : la géométrie dans le préhenseur en assurant la manutention inter postes ou opérations pour les diverses fonctions d'assemblage et de géométrie, ou tout simplement la manutention inter - postes de travail. Le périmètre est très large car il associe entre - autres les domaines des assemblages de la mécanique, de la carrosserie par exemple, etc, pour l'ensemble des matériaux utilisés dans les diverses techniques d'assemblages. --Encombrement des pièces à manutentionner et à positionner en géométrie: (Pour ordre d'idées) Volume minimum : 0.2m x 0.2mx 0.2mètre (Précision du préhenseur (±) 0.02mm pour l'application géométrie. Volume maximum : 1m x 1m x 3mètres (Précision du préhenseur (±) 0.05 mm pour l'application géométrie. Masse: de 20 à 1000KG Pour réaliser la géométrie et ou la manutention lors de la fabrication, diverses techniques existent : Les opérateurs de géométrie , sont en général des postes spécifiques, fixes, liés au sol par des fixations rigides. Les opérateurs de manutention , peuvent être soit, des barres navettes, des manipulateurs tout ou rien , polaires ou cartésiens, manuels ou automatiques, dont le fonctionnement est manuel pour la fabrication des prototypes -2 ou des petites séries et généralement robotisé pour les nouveaux développements. Les divers nouveaux développements, opérateurs polyvalents , objet de la présentation de l'invention, qui assurent géométrie et manutention, ou manutention seulement, sont généralement de conception spécifique et adaptés à une géométrie spécifique de pièce. Descriptif d'un outillage de conformation : (Définition d'une géométrie spécifique) De manière générale, cet outillage de conformation est composé : D'une structure support, réalisée en mécano -soudée fixée 15 rigidement au sol après avoir été mise de niveau et réglée en géométrie par rapport au référentiel du poste. D'un inter - face de fixation des outillages Des organes de bridage de positionnement des pièces, des outils spécifiques pour les opérations à réaliser. 20 Descriptif d'un préhenseur de manutention : De manière générale, un préhenseur de manutention est composé : D'une structure support, réalisée soit en mécano -soudée, 25 soit par assemblage par vissage etc le choix des matériaux est souvent aléatoire. D'un inter - face de fixation sur l'opérateur de manutention . D'un inter - face de fixation des organes de bridages et 30 de positionnement des pièces à manutentionner. -3 Le concept de l'invention, a pour objectifs : D'associer géométrie et manutention, Ou manutention seule, en prenant en compte les critères suivants : La polyvalence de conception La flexibilité de mise en œuvre par une conception non liée physiquement au site de fabrication. La flexibilité d'utilisation et la polyvalence des zones de fabrication en permettant le changement des outillages spécifiques à une pièce, par des opérations manuelles, automatiques ou robotisées. La facilité de manutention, celle-ci pouvant être réalisée, en manuel, en automatique, soit par moyens mécaniques, ou plus généralement par robots pour les nouveaux développements. D'être associer, aux outillages fixes ou mobiles qui effectuent de la géométrie et ou du positionnement dans le flux de production. La modularité de conception par la décomposition en éléments simples des fonctions de géométrie et de positionnement des divers organes dans l'espace. A ce titre la conception, est basée sur une définition géométrique de positionnement qui applique les bases mathématiques : X, Y, Z. : cartésiennes. Positionnement dans le volume Psi, Téta, et Phi : les angles d'Euler. 30 Orientations angulaires. -4 Le domaine de l'invention est centré sur la conception de la structure et des interfaces avec les opérateurs de manutention et les outillages de conformation tels, serrages, unités de clinchage, etc .... Les capacités d'adaptations et d'intégrations sont multiples : Outre les applications en équipements de référence pour les nouvelles installations, cette nouvelle conception de préhenseurs peut remplacer le matériel existant, usagé ou défectueux ou être commandé en pièce de rechange pour les interventions de réparations ou de maintenance préventive. Bibliothèque : L'ensemble des composants définis dans les développements seront numérisés et enregistrés dans une bibliothèque accessible par CD ROOM, compatible avec l'ensemble des systèmes de CAO. Réglage et montage Du fait de sa modularité et de sa décomposition en éléments simples, le montage et le réglage s'effectuent suivant une logique cartésienne, X,Y,Z, puis les réglages angulaires Psi, Téta et Phi. Ces opérations sont à répéter pour le positionnement de 25 chaque unité de bridage suivant le référentiel. Maintenance et contrôle - Réparations. Par rapport à un repère de référence parfaitement défini, par exemple le trièdre de fixation de la structure sur 30 l'opérateur de manutention , chaque référence peut être contrôlée en numérique, sur machines de mesures tridimensionnelles fixes ou portables. Principe de construction Dans le contexte théorique cité ci-dessus le principe d'assemblage de la structure, suivant les coordonnées de l'espace X, Y, est le suivant : Assemblage par vissage de profilés en acier, prédisposés par des usinages appropriés pour éviter des structures lourdes et flexibles exigeant, des manutentions complexes pour les divers usinages et assemblages. Cette technique permet de supprimer les déformations résultantes des contraintes dues à la soudure par exemple. Cette conception est parfaitement adaptée pour : - La construction en série, -Améliorer les fonctions de réparation et de maintenance, - Permettre des évolutions du concept au fil des modifications du produit à fabriquer. La structure de conception en acier est réalisée avec des profilés de faible épaisseur. En effet une étude théorique, pour ces types àe matériels, met en évidence, que pour une flèche équivalente, le ratio masse, acier/alu, est de l'ordre de 1.1. Ce ratio est acceptable dans la majorité des applications. Pour des critères de rigidité (Optimisation de la qualité géométrique) . ---Le type de profilé retenu dans le concept de l'invention est fermé . Ce profilé fermé , est de section, carrée, et ou rectangulaire, (la forme cylindrique n'est pas retenue pour une conception cartésienne). En effet les conceptions par cintrage provoquent des retours élastiques néfastes à la qualité géométrique. Ces profilés fermés permettent de réaliser des structures de moindre aspérités, de masse faible, (optimisation du ratio masse / déformation). Les liaisons entre les profilés sont réalisées par vissage par l'intermédiaire de vis spéciales et de clavettes de forme . triangulaires dans un logement spécifique approprié aux techniques de montages. ou cylindriques dans un alésage OVOÏDE approprié aux techniques de montages. -Ces principes de clavetage permettent lors du montage, des liaisons souples avec jeux, facilitant les opérations d'assemblages. Le serrage en position terminale assure le blocage suivant le principe du coin . La forme choisie tiendra comte du concept d'intégration. Ces principes de clavetages, prennent en considération les principes fondamentaux de l'interchangeabilité avec pour prédominance techniques : Le montage rapide Le centrage géométrique. Le principe physique d'être auto - bloquant. Les usinages des liaisons, perçage et ou poinçonnage, sont réalisés avec des outillages spécifiques fournis aux utilisateurs avec le KIT de produit semi - fini et standardisé. Les différents types de profilés permettent par la définition de section de définir une conception en Arêtes de Poisson 30 proche des solides d'égale résistance . Pour permettre l'interchangeabilité des matériels, la géométrie et le positionnement sont assurés par des vis spéciales à pas fin, comportant une zone de centrage. Les perçages, alésages, ou poinçonnages sont exécutés avec des outillages spécifiques. Dans le contexte théorique cité ci-dessus le principe d'assemblage de la sphère d'orientation (SO), qui est le centre de référence de la section, est le suivant et permet les fonctions : L'orientation angulaire (angles d'Euler Psi, Téta, Phi). L'ajustage final selon le référentiel numérique de définition de la pièce des coordonnées Xi, Yi, Zi, est effectué par calage. De façon générale les cales sont positionnées au plus près de la section de référence des pièces à assembler. Le bridage mécanique par vis spéciale à haute résistance possédant une zone de centrage Le positionnement géométrique de l'outil par pied de centrage Le positionnement rapide par centrage à bille équipé d'un ressort, en cas de rupture ou de déréglage. Outre cette fonction de recentrage, cette bille à ressort, peut servir de limiteur d'effort, dans les zones pré - ciblées pour une surveillance avant le positionnement 25 par un centrage rigide. Les dessins annexés illustrent :L'invention : La figure 1 représente une application de manutention de porte de voiture en assemblage carrosserie. 30 La structure (1), géométrie et manutention , ou manutention seule suivant les caractéristiques du cahier des charges, est fixée, par l'intermédiaire de l'inter - face (1.2), sur un opérateur de manutention (OP), qui dans cette application est l'axe 6 d'un robot. Un changeur de préhension (CP), manuel ou automatique, assure cette fonction de changement de préhenseur. Pour l'exemple ce préhenseur, possède 6 unités de bridage (2) et ou de posit=ionnement de la porte de carrosserie. La figure 2 caractérise le principe de positionnement d'une unité de bridage suivant les caractéristiques géométriques Xi, Yi, Zi, et, Pwi(i), Téta(i), Phi(i). En référence à ces vues globales, d'application industrielle et de définition géométrique, 20 La figure 3 représente les fixations orthogonales qui assurent les liaisons mécaniques entre les profilés. Toutes les ouvertures sont obturées par des bouchons (7), (8) en plastique pour assurer l'étanchéité, supprimer les arêtes vives et coupantes en assurant une parfaite 25 esthétique. La figure 4 représente l'entretoise intermédiaire (1.2), qui assure la liaison entre la structure (1), support des 30 outils de bridage et ou de positionnement, et le changeur d'outils (CP) pour les applications nécessitant des changement de préhenseurs, manipulés manuellement, en 10 15 -9 automatique ou par robot, pour permettre la polyvalence d'une zone de fabrication. La conception utilise un mariage de profilés carrés et rectangulaires pour standardiser les liaisons et optimiser 5 les inerties. Les composants des figures 5, 6, 7, 8, sont les bases standards des liaisons mécaniques. Les découpes des profilés, assurées à 90 et 45 , permettent un positionnement de précision et standardisé, 10 Côte : C= constante, définie par un référentiel mathématique simple. Les figures 5 et 6 représentent les détails des principes de clavetage entre deux profilés. Ces principes permettent : 15 Un montage rapide avec jeu lors de l'assemblage. Un auto - centrage lors du bradage des vis de fixation. Un auto - blocage par le phénomène du coin. La figure 5, solution à clavette cylindrique (5) avec un 20 alésage OVOÏDE est destinée aux applications à faible et moyenne série compte tenue de l'usinage conventionnel. La clavette (5) de précision de qualité (p6), se positionne dans un alésage de qualité (H7) de centre 0 pour un positionnement sans jeu, par le principe du coin et du choix 25 des tolérances. Un alésage de centre 01 et de diamètre, égal au diamètre de la clavette +o.2 mm, déporté d'une valeur X= lmm (pour un diamètre de clavette de 20mm pour l'exemple), permet un montage sans contrainte. 30 La figure 6, solution à clavette triangulaire (6) et avec un alésage de forme, est destinée aux applications à grande série compte tenu de l'usinage par poinçonnage et de la réalisation des clavettes par profilaçe. -10- La forme en coin, avec un angle alpha de 6 degrés, et avec un décalage X1 de l.mm permet un montage sans contrainte et, un positionnement sans jeu en position bloquée par le principe du coin et du choix des tolérances. La figure 7, représente la liaison avec vis spéciale (4), avec filetage de centrage, à pas fin, équipée d'une amorce de rupture dans le plan de joint des profilés. Cette conception permet d'assurer une protection globale de l'outillage dans les zones à risques, définies lors de l'étude de l'arbre de défaillance. Ces liaisons sont interchangeables en fonction de l'analyse de criticité ou de l'évolution des risques en cours de 15 production. La figure 8, représente la liaison de centrage avec vis spéciale (3), équipée d'un rayon de haute résistance avec 20 filetage de centrage à pas fin. La figure 9 représente la sphère d'orientation (SO), de l'outillage (2). La sphère (15) est liée à la structure (1) 25 par une vis spéciale de centrage (11) et permet l'orientation angulaire de l'outillage (2). Après réglage, la fixation par serrage des brides (9) et (10) est assurée par les vis (14). 30 Le positionnement définitif est assuré soit : A l'aide du pion de centrage rigide (13) dans le cas d'une application, sans sécurité de fonctionnement. -11- A l'aide du pion de centrage à ressort (12) dans le cas d'une application, avec sécurité de fonctionnement. Ce type de liaison est résultante d'une analyse de la criticité de fonctionnement, soit pour les essais lors de la mise en service, ou pour le fonctionnement série suivant le facteur de risque d'interférence, (glissement sans dégradation par :rupture). Dans la forme de réalisation selon la figure 1, la structure (1), est composée de profilés fermés, bruts d'étirage de qualité H8, de formes carrées et ou rectangulaires pour assurer une structure homogène du type : Solide d'égale résistance , pour permettre des liaisons homogènes du type de la représentation de la figure 4. Ces profilés sont tronçonnés à longueur suivant un tolérance résultant de la chaîne de cotation. Les liaisons mécaniques de ces profilés sont réalisées selon les figures 3 et 4. Des vis spéciales (3) et (4) et des clavettes (5) et (6) permettent le centrage géométrique des profilés. Toutes les ouvertures sont obturées par des bouchons (7),(8), en plastique pour assurer l'étanchéité,, supprimer les arêtes vives et coupantes en assurant une parfaite esthétique. La précision de fabrication est du type H7/p6. Le positionnement des alésages de fixation étant effectué entre - autres par des outillages de fabrication, du type gabarit, de qualité h6. Chaque unité de géométrie est positionnée selon le modèle mathématique dont le principe est rappelé sur la figure 2. -12- La sphère d'orientation (SO) de l'outillage, (unités de serrage, pilotage, clinchage, etc...) définie selon la figure 9 est l'interface entre la structure (1) définie ci-dessus et l'outillage (2) . La sphère (15) est liée à la structure (1) par une vis spéciale de centrage (11) et permet l'orientation angulaire de l'outillage (2). Après réglage la fixation par serrage des brides (9) et (10) est assurée par les vis (14). Le positionnement définitif (orientation angulaire, Psi, Téta, Phi.)est assuré soit : A l'aide du pion de centrage rigide (13) dans le cas d'une application, sans sécurité de fonctionnement. A l'aide du pion de centrage à ressort (12) dans le cas d'une application, avec sécurité de fonctionnement. L'ajustage final selon le référentiel numérique de définition de la pièce des coordonnées Xi, Yi, Zi, est effectué par calage. De façon générale les cales sont positionnées au plus près de la section de référence des pièces à assembler. Le cadre du développement industriel, du concept de l'invention décrite ci-dessus, et des revendications qui en découlent, est très large, car la technologie des assemblages exige de la géométrie et de la manutention, ou seulement de la manutention. Compte tenue du degré d'automatisation et de robotisation, l'industrie automobiles est entre - autres un secteur d'application possible. -13- La phase de développement sera confortée par la réalisation de prototypes, la création d'une bibliothèque et d'un standard de composants. L'industrialisation se fera selon deux méthodologies : 5 1- Fourniture clefs en main des ensembles de préhension géométrie et manutention et, ou, manutention seule . Cette fourniture sera conforme aux cahiers des charges des 10 clients et suivra la logique industrielle, selon les différentes phases des projets : Avants - projets, Remise des offres commerciales ect, Etudes, réalisation, 15 Montage et mise au point au théorique, puis mise au point au pratique demandée par le client. Réceptions, _provisoire et définitive des installations. 2- Fourniture suivant le concept de l'invention de 20 l'ensemble : Des composants standards et brevetés. Des outillages de fabrication, tels les outils de perçage d'alésage, de poinçonnage et de positicnnement géométrique. D'une assistance technique à l'ensemble des phases de 25 l'industrialisation selon les besoins définis. La phase d'industrialisation étant à la charge du client ou de ses sous-traitants. REVENDICATIONS 1) Préhenseur polyvalent et modulaire, qui dans le domaine de l'assemblage de pièces, permet d'assurer : la géométrie dans le préhenseur en assurant la manutention inter postes ou opérations pour les diverses fonctions 5 d'assemblage et de géométrie, ou tout simplement la manutention inter -postes de travail, caractérisé en ce qu'il concrétise : La polyvalence de conception. La flexibilité de mise en oeuvre par une conception non 10 liée physiquement au site de fabrication. La flexibilité d'utilisation et la polyvalence des zones de fabrication en permettant le changement des outillages spécifiques à une pièce, pour réaliser des opérations manuelles, automatiques ou robotisées. 15 La facilité de manutention, celle-ci pouvant être réalisée, en manuel, en automatique, scit par moyens mécaniques, ou plus généralement par rcbots pour les nouveaux développements. D'être associer, aux outillages fixes ou mobiles qui 20 effectuent de la géométrie ou du positionnement dans le flux de production. La modularité de conception par la décomposition en éléments simples des fonctions de géométrie et de positionnement des divers organes dans l'espace. 25 La conception est basée sur une définition géométrique de positionnement qui applique les bases mathématiques : X, Y, Z. : cartésiennes. Positionnement dans le volume-15- Psi, Téta, et Phi : les angles d'Euler. Orientations angulaires. 2) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa structure (1), l'entretoise intermédiaire (1.2), de conception en acier sont réalisés avec des profilés de faible épaisseur. En effet une étude théorique, pour ces types de matériels, met en évidence, que pour une flèche équivalente, le ratio masse, acier/alu, est de l'ordre de 1.1. Ce ratio est acceptable dans la majorité des applications. Pour des critères de rigidité (Optimisation de la qualité géométrique) : ---Le type de profilé retenu dans le concept de l'invention est fermé . Ce profilé fermé, de conception section, carrée, et ou rectangulaire, (la formule cylindrique n'est pas retenue 20 pour une conception cartésienne). En effet les conceptions par cintrage provoquent des retours élastiques néfastes à la qualité géométrique. Ces profilés fermés permettent de réaliser des structures de moindre aspérités, de masse faible, (optimisation du ratio 25 masse / déformation). 3) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1, et la revendication 2 caractérisé en ce que 30 sa structure (1), l'entretoise intermédiaire (1.2) sont assemblés par vissage des profilés en acier, prédisposés par des usinages appropriés pour éviter des structures lourdes et-16- flexibles exigeant, des manutentions complexes pour les divers usinages. Cette technique permet de supprimer les déformations résultantes des contraintes dues à la soudure par exemple. Cette conception est parfaitement adaptée pour : - la construction en série, - pour améliorer les fonctions de réparation et de maintenance, - permettre des évolutions du concept au fil des modifications du produit à fabriquer. 4) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1, les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les liaisons entre les prof=ilés sont assurées par clavettes de forse,(vissées par l'intermédiaire de vis spéciales): triangulaires dans un logement spécifique approprié aux 20 techniques de montages. ou cylindriques dans un alésage OVOÏDE approprié aux techniques de montages. -Ces principes de clavetage permettent lors du montage, des liaisons souples avec jeux, facilitant les opérations 25 d'assemblages. Le serrage en position terminale assure le blocage suivant le principe du coin . La forme choisie tiendra comte du concept d'intégration. Ces principes de clavetages, prennent en considération les principes fondamentaux de l'interchangeabilité avec pour 30 prédominance techniques : Le montage rapide Le centrage géométrique.-17- Le principe physique d'être auto -bloquant. Les usinages des liaisons, perçage et ou poinçonnage, sont réalisés avec des outillages spécifiques fournis aux utilisateurs avec le KIT de produit serai - fini et standardisé. La figure 5, solution à clavette cylindrique (5) avec un alésage OVOÏDE est destinée aux applications à faible et moyenne série compte tenue de l'usinage conventionnel. La clavette (5) de précision de qualité (p6), se positionne dans un alésage de qualité (H7) de centre 0 pour un positionnement sans jeu, par le principe du coin et du choix des tolérances. Un alésage de centre 01 et de diamètre, égal au diamètre de la clavette +o.2 mm, déporté d'une valeur X= 1mm (pour un diamètre de clavette àe 20mm pour l'exemple), permet un montage sans contrainte. La figure 6, solution à clavette triangulaire (6) et avec un alésage de forme, est destinée aux applications à grande série compte tenu de l'usinage par poinçonnage et de la réalisation des clavettes par profilage. La forme en coin, avec un angle alpha de 6 degrés, et avec un décalage X1 de lmm permet un montage sans contrainte et, un positionnement sans jeu en position bloquée par le principe du coin et du choix des tolérances. 5) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1 et les revendications 2, 3, 4, caractérisé en ce que sa structure (1), et l'entretoise intermédiaire (1.2) sont conçus suivant un concept de mariage de profilés carrés-18- et rectangulaires pour standardiser les liaisons et optimiser les inerties. Les différents types de profilés permettent par la définition 5 de section de définir une conception en Arêtes de Poisson proche des solides d'égale résistance . Les composants (3),(4)),(5),(6), sont les bases standards des liaisons mécaniques . Les découpes des profilés assurées à 90 et 45 permettent un 10 positionnement de précision et standardisé, Côte : C= constante définie par un référentiel mathématique simple. Toutes les ouvertures sont obturées par des bouchons (7), (8) en plastique, pour assurer l'étanchéité, supprimer 15 les arêtes vives et coupantes en assurant une parfaite esthétique. 6) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la 20 revendication 1 et les revendications 2, 3, 4,et 5, caractérisé en ce que le réglage et la sécurité d'anticollisions des outils (2) sont réalisés à l'aide de la sphère d'orientation (SO). La sphère (15) est liée à la platine (1.1) par une vis 25 spéciale de centrage (11) et permet l'orientation angulaire de l'outillage (2). Après réglage, la fixation par serrage des brides (9) et (10) est assurée par les vis (14). 30- 19 - Les cales positionnées au plus près de la section de référence des pièces à assembler permettent d'ajuster les positions Xi, Yi, 7i. Le positionnement définitif est assuré soit : à l'aide du pion de centrage rigide (13) dans le cas d'une application, sans sécurité de fonctionnement. à l'aide du pion de centrage à resscrt (12) dans le cas d'une application, avec sécurité de fcnctionnement en permettant le positionnement rapide par le centrage par la bille à ressort, en cas de rupture ou de déréglage. Outre cette fonction de recentrage, cette bille à ressort, peut servir de limiteur d'effort, dans les zones pré-ciblées pour une surveillance avant le positionnement par centrage rigide. Ce type de liaison est résultante d'une analyse de la criticité de fonctionnement, soit pour les essais lors de la mise en service, soit pour le fonctionnement série suivant le facteur de risque d'interférence (glissement sans dégradation par rupture). 7) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1 et l'ensemble des revendications, caractérisé 25 en ce que les outils (2) sont interchangeables en positionnement et en géométrie par les principes : - des liaisons par les vis (3) et (4), spéciales à pas fin et comportant une zone de centrage. - de la qualité des usinages, des perçages, alésages, ou 30 poinçonnages exécutés avec des outillages spécifiques de qualité h6.-20- -de la qualité des entretoises de la structure (1) calibrées à la découpe à la longueur de qualité h7 pour éviter les contraintes hyperstatiques. 8) Préhenseur polyvalent et modulaire, selon la revendication 1 et les revendications 2, 3, caractérisé en ce que sa structure (1) est sécurisée en cas de chocs par collision selon les principes de centrage de résistance et ou de sécurité : la liaison de centrage avec vis spéciale (3) avec rayon de haute résistance et filetage de centrage à pas fin représente la version haute résistance. la liaison avec vis spéciale (4) et filetage de centrage, à pas fin, équipé d'une amorce de rupture calculée en fonction de la criticité et positionnée dans le plan de joint des profilés représente la version de sécurité. Cette conception permet d'assurer une protection globale de l'outillage dans les zones à risques, définies lors de 20 l'étude de l'arbre de défaillance. Ces liaisons sont interchangeables en fonction de l'analyse de criticité ou de l'évolution des risques en cours de production. 25