Brevet FR3042143A1 — publié le 20170414

Brevet pour la conception ergonomique et cinématique particulière d'une machine d'affûtage de couteaux Contexte Nous réalisons une machine entièrement automatique d'affûtage de couteaux utilisés dans l'industrie agroalimentaire. Nous avons des entreprises importantes qui utilisent beaucoup de 10 couteaux qui nécessitent alors un affûtage régulier. Les opérateurs utilisent des moyens mécaniques comme le fusil ou autre pendule afin de maintenir le fil du tranchant coupant durant une journée seulement de production, mais il faut réaffûter avec d'autres outils comme le meulage pour refaire une bonne base de coupe. 15 Ces opérations sont faites manuellement actuellement par des opérateurs affûteurs. De nombreuses solutions manuelles existent mais demandent du temps et engendrent de la pénibilité ainsi que des coûts d'exploitation. 20 L'objectif est de pouvoir affûter tous les couteaux neufs et usés, longs et courts, épais et minces avec une seule machine automatique sans intervention d'un opérateur. Le projet global comporte trois brevets, dont deux sur les outils 25 spécifiques d'affûtage (le meulage et le polissage) et celui-ci sur la conception ergonomique et cinématique de la machine. L'innovation propose une ergonomie et une cinématique qui permettent de réaliser une machine compacte et simple. 30 L'opérateur dispose les couteaux sans aucune distinction sur un chargeur circulaire afin d'offrir une grande autonomie, ceci constitue l'ergonomie particulière de l'innovation. La cinématique particulière permet la réalisation automatique des opérations d'affûtage avec précision tout en offrant la possibilité 35 d'avoir une machine simple, petite et économique. Intérêt (économique et pénibilité). La principale motivation est économique avec le gain du personnel affûteur. Ce personnel pourra être reclassé vers des postes de production. 40 Une machine automatique permet également de réaliser le meilleur affûtage sur un nombre important de couteaux, améliorant ainsi le confort de leur utilisation. 3042143 - 2 - Ce qui existe ou a existé pour des stations automatiques d'affûtage Il y a eu de nombreuses tentatives de réalisation d'unités automatiques 5 d'affûtage par l'utilisation de robot 6 axes. Le robot prend alors une pièce dans une zone puis la déplace vers d'autres zones de travail. Ces installations ont l'inconvénient d'être, chères, compliquées à programmer, et encombrantes car entourée de grillage et de porte 10 d'accès. Il existe aujourd'hui un grand fabricant de machine agroalimentaire, qui propose une machine imposante conçue comme un centre d'usinage avec 4 axes de déplacement tous cartésiens (X, Y, Z, R) 15 Comme toute machine outil qui ressemble à un gros cube, l'opérateur ouvre la porte pour reprendre et remettre un nouveau panier de pièces à affûter. Il y a une autonomie très faible et la machine doit s'arrêter pour faire intervenir l'opérateur. Les mouvements linéaires dit: cartésiens sont lents et la cadence est 20 très faible. Contrairement aux solutions robotiques, les mouvements à base de bras articulés sont beaucoup plus rapides que des mouvements linéaires. 25 Les objectifs de l'innovation sont 1) une très grande autonomie pour libérer l'opérateur à une autre tâche. 2) une machine compacte pour être livrée par simple transporteur à faible coût pour gérer des échanges de machine au lieu de déplacer un 30 technicien de maintenance. 3) une cinématique avec deux axes numériques seulement (au lieu d'un robot avec 6 axes et d'une machine classique avec 4 axes) pour être moins chère en matériel de commande. 4) Utiliser des mouvements articulés pour être rapide 35 5) un fonctionnement sans interruption de la machine pour faire le changement des couteaux à tout moment pour gérer plus facilement les interventions de l'opérateur. 40 3042143 -3 Présentation des plans Fig. 1 figure pour l'abrégé Rep (1) premier moteur avec sa vis à billes 5 Rep (5) chariot arrière piloté par le moteur (9) Rep (6) chariot avant piloté par le moteur (1) Rep (7) plateau circulaire pour déposer les couteaux (8) Rep (8) couteaux déposés sur le plateau Rep (9) deuxième moteur avec sa vis à billes Rep (10) bielle support couteau, fixée sur le chariot(6) qui est entrainé par (1) Rep (13) contre bielle liée à la bielle principale (10) et fixée sur le chariot (5) qui est entrainé par (9) Fig . 2 (vue détaillée en perspective de l'ensemble) Rep (1) premier moteur avec sa vis à billes Rep (2) bâtis qui supporte les vis (let 9) et le plateau (7) Rep (3) rail fixe pour guider les chariots (5et 6) Rep (4) patin à billes qui supporte le chariot (5) Rep (5) chariot arrière piloté par le moteur (9) Rep (6) chariot avant piloté par le moteur(1) Rep (7) plateau circulaire pour déposer les couteaux (8) Rep (8) couteaux déposés sur le plateau Rep (9) deuxième moteur avec sa vis à billes Rep (10) bielle support pince (12) couteau, fixée sur le chariot(6) qui est entrainé par (1) Rep (11) lame à affûter du couteau serré par la pince (12) Rep (13) contre bielle liée à la bielle principale (10) et fixée sur le chariot (5) Rep (18) zone de travail qui est confiné à l'intérieur du cercle du plateau Fig . 3 (vue 2D de dessus de l'ensemble) L'encombrement maximum de la machine est obtenu par le diamètre du cercle de stockage des pièces Rep (14) zone de passage des couteaux du plateau vers les zones (18) de transformation qui sont à l'intérieur au cercle. Une flèche montre l'entrée E, une flèche montre la sortie S Rep (15) rotation du plateau pour présenter un nouveau couteau dans la zone (14) Rep (16 /17) vue de dessus des 2 vis moteurs (let 9) qui sont superposées dans le plan verticale. Rep (18) zones de transformation avec des outils spécifiques qui font l'objet des deux autres brevets 3042143 - 4 - Rep (25) axe de décalage du bloc pince avec le couteau (11) pour entrer en E, affûter le coté droit puis décaler pour affûter le coté 5 gauche sur les zones de transformation et puis ressortir en S. Fig . 4 (coupe 2D verticale dans le plan de symétrie) Rep (19a 19b) douilles à billes pour chaque chariot (5et 6) Rep (20) axe d'articulation de la bielle (10) avec la contre bielle (13) Rep (21) guidage de rotation du plateau (7) sur le bâti (2) 10 Rep (22) axe d'articulation de la contre bielle (13) sur son chariot (5) Rep (23) axe d'articulation de la bielle (10) sur son chariot (6) Rep (24a 24b) les câbles des moteurs (let 9) seront rigides du fait que les moteurs sont fixes au bâti Rep (25) axe de décalage latéral du bloc pince (12) 15 Fig . 5 (explication des déplacements des chariots) Pour avoir un déplacement sans changement d'orientation du bloc pince Rep E(0) la cote d'entre axe des chariots (5et 6) est constante Fig . 6 (explication des déplacements de chariots 20 Pour avoir les autres mouvements, de hauteur et de rotation du bloc pince Rep E(+) la cote d'entre axe est plus grande Rep E(-) la cote d'entre axe est plus petite Rep 12(E+) représente la pince fortement inclinée et remontée 25 Rep 12(E-) représente la pince horizontale et la plus basse Fig .7 (modélisation des déplacements possibles) Rep (27) repère(X, Z et R) de mouvement de la pince (12) ou du manche du couteau (11) avec toutes les positions possible entre 12(E+) et 12(E-) 30 Explication du fonctionnement Nous avons un plateau circulaire (7) où l'on dépose les couteaux pour constituer le stock de couteaux à affûter et donner une très grande 35 autonomie de la machine. Le chargeur étant un plateau circulaire, il est ouvert en permanence à l'opérateur. Ceci permet d'enlever et de recharger des pièces à toute occasion et cela sans interrompre la machine. Les couteaux (8) sont retenus et indexés sur le plateau (7). 40 Les couteaux sont déposés par l'opérateur indépendamment de leur forme et de leur taille. 3042143 5 Une pince (12) va saisir le couteau par le manche dans la zone 5 d'échange (14) par l'entrée (E). Les chariots (5 et 6) vont s'actionner en même temps pour déplacer l'ensemble pince maintenant le couteau vers le centre du plateau sur les zones de transformation (18). Pendant ce temps le plateau tourne (15) lentement d'un pas. 10 On réalise des mouvements sur des outils (18) sur les deux côtés de la lame et puis on revient déposer le couteau dans son emplacement d'origine sur le plateau circulaire par le chemin (14) de sortie (S). Le mouvement très lent du plateau permet à l'opérateur de manipuler les couteaux sans interrompre la machine tout en garantissant sa 15 sécurité. Le bloc pince (12) se décale latéralement (25) rapidement pour saisir une autre pièce sur le plateau en entrée (E) et recommencer le cycle. Les principes de la cinématique sont : 20 Nous montrons (fig3) que si le chariot (5) suit le chariot (6), l'orientation du bloc pince ne change pas. Nous montrons (fig4) que si le chariot (5) a du retard par rapport au chariot (6) alors la contre bielle (13) va tirer la bielle(10) et la faire basculer vers le haut. 25 Nous avons un mouvement de rotation et de recul du couteau qui décrit la courbe des bouts de lame avec leur forme arrondie. Nous montrons (fig4) que si le chariot bielle se rapproche du chariot support pince nous avons une rotation et un basculement inverse, vers une position horizontale du couteau. 30 Nous utilisons ces trois principes pour décrire les courbes (Fig 7) d'affûtage. La gamme des mouvements est la suivante -La pince prend le couteau incliné. 35 (Les couteaux sont inclinés (fig 4 rep 8 /7) pour qu'ils laissent le maximum de place au centre, pour avoir une position d'équilibre stable et ranger le plus possible de couteaux sur un cercle sans que les pontes de couteaux se touchent.) -Les chariots reviennent au centre en s'écartant pour présenter la 40 pointe du couteau aux postes d'affûtage en position horizontal. -Les chariots reculent en s'écartant de nouveau pour faire remonter le manche du couteau afin que la pointe du couteau décrive la courbe d'affûtage. 3042143 - 6 - -on réalise des déplacements latéraux pour refaire la même courbe sur les outils d'affûtage de la lame coté droit et de gauche 5 -La pince revient ensuite déposer le couteau en position inclinée dans le plateau. Nous constatons les orientations possibles du bloc pince par le repère (27 fig 7) pour s'adapter aux différentes longueurs de lame des 10 couteaux. Le système de gestion numérique d'axes pilote les mouvements de ses deux axes qui doivent rester en permanence en parfaite synchronisation. Nous mélangeons les techniques des mouvements linéaires des 15 machines outils avec les mouvements de rotation des robots. Nous avons uniquement deux axes constitués par leur vis à billes et leur moteur qui sont fixes par rapport au bâti. En règle générale, dans un système de chariot croisé (X Z et R) le 20 moteur Z est embarqué sur le chariot X et le R sur le Z ce qui induit : Un encombrement mécanique important et une alimentation des moteurs Z et R difficile qu'il faut câbler avec des chaînes porte câbles encombrantes et chères. 25 La cinématique est réalisée avec 2 moteurs fixes qui ont leurs câbles (24a 24b) de commande fixés au bâti. Les vis à billes (16et 17) sont parallèles et les chariots (5et6) utilisent le même rail de guidage (3 fig 4). Nous obtenons une optimisation du cout de réalisation. 30 Nous avons choisi de positionner le chariot (6) et la bielle (10) au dessus de la lame, au contraire du chariot (5) et de sa contre bielle(13) qui est en arrière soit du côté du manche. Nous obtenons ainsi naturellement un mouvement de la pince (12) 35 avec la meilleure courbe d'affutage. Cette cinématique linéaire et articulée est simple et économique, elle constitue une innovation. La cinématique compacte reste à l'intérieur du plateau. 40 Nous avons donc tous les outils de transformation au centre du plateau circulaire. On constate (fig 2) que seuls le moteur (1) et la partie (2) du bâti qui soutient les vis, dépassent du cercle du plateau. 3042143 - 7 - Cette disposition du plateau chargeur de pièce qui entoure entièrement les outils de transformation optimisant le volume de la machine 5 constitue une innovation. On résume la mécanique spécifique par la cinématique du mouvement qui est réalisée avec deux axes numériques horizontal et parallèles qui comporte : 10 Une vis (16) avec son chariot (5) et sa contre bielle (13), Une vis (17) avec son chariot (6) et sa bielle (10) qui porte la pince (12). La bielle (10) qui est reliée à la contre bille (13) par le point de rotation (20). 15 20 Réalisation Nous utilisons des éléments standards utilisés dans le domaine de la machine outils comme les vis à billes, le patin à billes, le roulement 25 rotule, des moteurs brushless pilotés par un automatisme développé spécifiquement pour cette application 30 35 40 REVENDICATIONS1) Dispositif constitutif d'une machine automatique d'affûtage de couteaux, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti (2) , un plateau circulaire (7) , deux vis à billes (16 et 17) avec les chariots (5 et 6) et les moteurs (1 et 9) ainsi qu'un système de bielle (10), contre bielle 10 (13) et pince ( 12) , et en ce que : - les couteaux sont disposés sur le plateau circulaire (7) qui entourent tous les outils de transformation. - la pince (12) étant mise en mouvement à l'aide de deux axes numériques horizontaux et parallèles. 15 - La vis à billes (16) supportant le chariot (5) et sa contre bielle (13). La vis à billes (17) supportant le chariot (6) et sa bielle ainsi que la pince (12). - La bielle (10) est reliée à la contre bielle (13) par l'axe 20 d'articulation (20). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chariot supportant la bielle (10) et la pince de manutention est devant ; 25 du côté de la lame du couteau et le chariot qui porte la contre bielle est en arrière, du côté du manche du couteau. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 30 deux moteurs (1 et 9) sont fixés au bâti (2) de la machine. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux chariots (5 et 6) sont guidés par les mêmes rails à billes (3). 35