Brevet FR3043928A1 — publié le 20170526

LIGNE DE FABRICATION INDUSTRIELLE [0001] L'invention porte sur la conception et la mise en oeuvre d'une ligne de fabrication industrielle. Elle s'intéresse à l'assemblage de pièces mécaniques, notamment - mais pas uniquement - dans le domaine automobile. [0002] Actuellement, les lignes d'assemblage pour des produits manufacturés sont généralement constituées d'une succession de stations d'assemblage manuelles ou automatiques. Les stations d'assemblage de type automatiques utilisent des machines spéciales, dédiées, étudiées spécifiquement pour un type de produit donné (on comprend par « type de produit » une famille de produits et ses variantes), et pour une capacité de production donnée. [0003] Le principe de conception de telles machines repose sur la combinaison d'outils spécifiques à chaque opération (comme des visseuses, des préhenseurs, des pinces....). Il en résulte des machines complexes, monobloc, peu adaptées à d'autres familles de produit, relativement difficiles à modifier et reconfigurer. Ce sont les spécificités de chaque machine qui structurent le procédé d'assemblage dans son ensemble, ce qui explique que le temps de conception de chaque ligne de fabrication soit long : A chaque nouvelle référence de produit à fabriquer, à chaque évolution du produit, il faut reprendre la conception des outils. [0004] En outre, à chaque augmentation de cadence de production, pour un produit à assembler donné, il faut ajouter des outillages sur la ligne de fabrication existante, ce qui oblige à augmenter la taille de la ligne, à la reconfigurer, ce qui a un impact important sur son implantation dans le site de production, pouvant par ailleurs comprendre plusieurs lignes de fabrication. Ce redimensionnement de la ligne peut aussi impacter l'ordre des opérations à effectuer, et sur les distances induites entre les postes d'assemblage à manipulation manuelle, pouvant conduire à regrouper dans des zones contiguës les postes avec intervention d'opérateurs pour leur éviter des déplacements trop importants. [0005] L'invention a alors pour but de concevoir de nouvelles lignes de production qui soient plus flexibles, notamment en termes de type de produit fabriqué et en termes de variation de cadences de production. Elle a notamment pour but de remédier aux inconvénients précités. 3043928 2 [0006] L'invention a tout d'abord pour objet une ligne de fabrication industrielle comprenant des stations d'assemblage manuel et/ou semi-automatique et/ou automatique, telle que lesdites stations d'assemblage sont décomposées en modules standardisés, qui sont chacun à fonctionnement manuel ou à fonctionnement automatique ou à 5 fonctionnement semi-automatique de façon interchangeable, notamment selon la capacité de production visée. [0007] L'invention propose ainsi une nouvelle façon de concevoir de façon modulaire l'assemblage de produits, en décomposant les postes d'assemblage en sous-ensembles simples, des modules standardisés et flexibles. Ces modules permettent de réaliser en 10 manuel ou en automatique les différentes opérations d'assemblage. On constitue la ligne de fabrication par juxtaposition des différents modules, à façon, selon le type de produit à assembler et selon la capacité de production à atteindre. A chaque module correspond une opération élémentaire à effectuer. [0008] Selon l'invention, les modules standardisés d'une station d'assemblage opèrent 15 de préférence successivement et/ou en parallèle : plusieurs opérations peuvent être menées en parallèle, pour un assemblage final par exemple, ce qui permet un gain de temps. [0009] De préférence, les modules standardisés à fonctionnement automatique ou semi-automatique sont équipés de moyens robotiques munis de moyens de sécurité intégrés, 20 notamment de moyens de sécurité dits sur contact inopiné. [0010] De préférence, les modules standardisés à fonctionnement automatique ou semi-automatique sont équipés de moyens robotiques munis de capteurs avec retour d'information sur chacun de leurs axes de mobilité. [0011] Ce type de robot appartient à une nouvelle génération de robots, appelée parfois 25 « safe » (sûr en français), car conçus de manière à pouvoir conduire des opérations en milieu humain sans dispositif de sécurité extérieur, grâce à leur sécurité intégrée, notamment par des capteurs appropriés : on n'a plus besoin d'avoir recours à des robots isolés, « mis en cage », pour protéger les opérateurs, on n'a plus besoin non plus, de fait, de regrouper les postes d'assemblage à opération manuelle dans une zone, et les 30 robots dans une autre. Et l'intégration de capteurs sur chacun de leurs axes de mobilité, au-delà de leur finalité pour la sécurité des opérateurs, permet de leur faire réaliser des tâches avec un retour d'information sensitive très précis. 3043928 3 [0012] Ce type de robot présente en outre l'avantage d'être généralement très compact, avec une taille proche de la taille humaine, ce qui les rend facilement implantables/intégrables sur la ligne de fabrication. [0013] Selon l'invention, une station d'assemblage peut comprendre au moins un module 5 standardisé manuel et au moins un module standardisé semi-automatique ou automatique. Chacune des stations peut combiner, selon le produit et la production voulue, des modules entièrement manuels, partiellement manuels (semi-automatiques) ou complètement automatiques (avec uniquement intervention de robots). [0014] L'invention a également pour objet l'utilisation de la ligne de fabrication 10 industrielle décrite précédemment à l'assemblage de pièces mécaniques, notamment à l'assemblage d'organes appartenant à un groupe motopropulseur, par exemple un groupe motopropulseur de véhicule notamment terrestre de type véhicule automobile. [0015] L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre de la ligne de fabrication industrielle décrite précédemment, le procédé décomposant l'assemblage en 15 une série d'opérations élémentaires suivant une unité de temps prédéterminé, chaque opération étant réalisée par un module standardisé. [0016] Le procédé de l'invention est ainsi structuré en opérations élémentaires suivant une unité de temps ut, qui peut être par exemple de 30 secondes. Chaque opération peut être réalisée par une « brique » fonction, l'ensemble de ces « briques » composant une 20 librairie de fonctions manuelles, semi-automatiques ou automatiques interchangeables. [0017] Ces « briques » peuvent être juxtaposées (en série) dans une station de travail pour composer une charge de travail de N x ut. L'organisation des briques peut également permettre de réaliser des opérations en parallèle (en temps masqué). Ainsi, l'organisation des briques en série et/ou en parallèle permet d'adapter la construction de chaque station 25 de travail de cycle de la ligne qui est visé. [0018] De préférence, l'unité de temps ut prédéterminée est choisie comprise entre 10 secondes et 2 minutes, et peut être notamment de l'ordre de 30 secondes. [0019] Avantageusement, on peut selon le procédé de l'invention remplacer un module standardisé manuel par un module standardisé semi-automatique ou automatique, quand 30 la capacité de production doit augmenter. 3043928 4 [0020] De préférence, le procédé selon l'invention utilise la ligne de production pour assembler des produits différents par une réorganisation et reprogrammation des modules standardisés. [0021] L'invention est décrite plus en détail ci-après en référence aux figures relatives à 5 un exemple de réalisation non limitatif se rapportant à une ligne de fabrication: - la figure 1 représente une ligne de fabrication selon l'état de l'art existant et une ligne de fabrication modifiée selon l'invention ; - les figures 2 , 3 et 4 représentent respectivement, pour une même station d'assemblage d'une ligne de fabrication selon l'invention, un module manuel (figure 2), un module semi- 10 automatique (figure 3) et un module automatique (figure 4); - les figures 5, 6 et 7 représentent respectivement, pour une même station d'assemblage d'une ligne de fabrication selon l'invention, un module semi-automatique selon une variante a (figure 5), selon une variante b (figure 6) et un module automatique (figure 7); - la figure 8 est une représentation graphique de la flexibilité d'une ligne de fabrication 15 selon l'invention en fonction d'une demande d'augmentation de capacité de production ; - les figures 9 et 10 représentent un poste de contrôle d'étanchéité d'une ligne de fabrication respectivement selon l'état de l'art existant (figure 9) et selon l'invention (figure 10) ; - les figures 11 et 12 représentent un poste de vissage d'une ligne de fabrication 20 respectivement selon l'état de l'art existant (figure 11) et selon l'invention (figure 12). [0022] Les références reprises d'une figure à l'autre désignent les mêmes composants, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l'échelle. Les figures restent extrêmement schématiques pour en faciliter la lecture. [0023] La figure 1 représente dans la vue la plus grande une ligne de fabrication de l'état 25 de l'art, avec une portion d'une ligne d'assemblage L1 de pièces mécaniques de moteur. La portion L1 de ligne a ici la forme approximative d'un U. Dans l'une des branches du U, dans la portion L11 de la ligne, on y voit des opérateurs 1 (entourés d'un ovale pour mieux les repérer sur la figure) qui sont disposés tous en ligne successivement devant leurs stations d'assemblage. Dans l'autre branche du U, dans la portion L12 de la ligne, on voit 30 des robots 2 disposés dans des cages de sécurité 3 également tous disposés 3043928 5 successivement. La ligne est donc conçue pour regrouper les stations de travail avec opérations manuelles d'un côté, les stations de travail avec opérations automatisées de l'autre. Les stations automatisées prennent une grande place, et on comprend que ce type de ligne de fabrication est peu flexible, peu compact et oblige à concevoir les opérations 5 pas de la façon la plus rationnelle du fait du partage de la ligne entre opérations manuelles et automatisées. [0024] La figure 1 représente également, dans la vue la plus petite, les modifications faites par l'invention par rapport à la ligne existante, à savoir une reconception de la ligne pour faire le même assemblage de façon plus efficace. La ligne L2 comprend une 10 succession de stations de travail manuelles et automatiques, dont l'organisation est commandée par la rationalité et la minimisation des déplacements des opérateurs et des produits en cours d'assemblage. On voit qu'entre deux opérateurs, on a au maximum 2 mètres de distance, alors que dans le cas précédent, on pouvait avoir jusqu'à 10 mètres entre deux opérateurs. Les robots 2 avec sécurité pour les opérateurs sous forme de cage 15 3 sont ici remplacés par des robots 2' de taille nettement plus réduite, et équipés de moyens de sécurité intégrés utilisant des capteurs et qui évitent tout risque d'accident par contact inopiné avec un opérateur, et ce qui permet de compacter de façon spectaculaire la ligne de fabrication. On adapte au mieux le degré d'automatisation de chaque station de travail aux besoins, selon le volume de production demandé, en échangeant un poste 20 manuel par un poste semi-automatique ou automatique, sans que les dimensions de la ligne en soient significativement impactées. La ligne peut ainsi rester compacte, garder des dimensions données même si la cadence de production change drastiquement. [0025] Les figures 2 à 4 représentent la conception d'une station de travail interchangeable selon l'invention pour une même série d'opérations élémentaires à 25 effectuer : [0026] La figure 2 représente une station de travail manuelle, avec deux opérateurs effectuant successivement des opérations manuelles, éventuellement avec des outillages, sur un produit en cours d'assemblage 4 circulant sur un convoyeur d'un opérateur au suivant. 30 [0027] La figure 3 est une station de travail effectuant la même série d'opérations élémentaires, mais qui est semi-automatisée : on vient ajouter des outillages automatisés dits » plug and play » pour désigner, en français, des outillages robotisés 5,5' qu'il suffit de connecter mécaniquement et électriquement et de programmer pour supporter les 3043928 6 opérations faites par l'opérateur, soit pour faire certaines des opérations élémentaires à sa place, soit pour l'aider à les réaliser plus vite / plus facilement. [0028] La figure 4 est une station de travail entièrement automatisée : toutes les opérations élémentaires sont exécutées par des outillages robotisés 5,5'. 5 [0029] Suivant la cadence de production demandée, on peut donc ajuster très précisément et aisément le taux d'automatisation de la ligne de son ensemble. [0030] Les figures 5, 6 et 7 représentent respectivement, pour une même station d'assemblage d'une ligne de fabrication selon l'invention, un module semi-automatique selon une variante a (figure 5), selon une variante b (figure 6) et un module automatique 10 (figure 7) : [0031] A la figure 5, on voit un opérateur monter les soupapes d'un moteur thermique 4 avec une opération de retournement de la culasse effectuée par un robot 5 dit « retourneur ». [0032] A la figure 6, la station a été davantage automatisée : le retournement de la 15 culasse est effectuée par le robot 5', le montage de certaines des soupapes est faite manuellement par l'opérateur, et le montage des autres soupapes est réalisé par un autre robot 5' (la figure 6 ne représente que cet ajout par rapport à la figure 5). [0033] A la figure 7, l'ensemble des opérations, retournement de la culasse et montage de toutes les soupapes, se font avec des robots 5,5'. Toutes les versions de cette station 20 ont la même taille, avec une longueur d'environ 2 mètres. [0034] La figure 8 est une représentation graphique de la flexibilité d'une ligne de fabrication selon l'invention en fonction d'une demande d'augmentation de capacité de production : pour une ligne de fabrication donnée, la flèche Fl indique un sens d'augmentation de l'investissement en outillage industriel, la flèche F2 indique un sens 25 d'augmentation du degré d'automatisation de la ligne (M signifiant que l'opération est manuelle, et A que l'opération est automatisée). Al représente un premier palier de production, de par exemple N produits par an , A2 un second palier de production, de par exemple 1,5 x N produits par an, et A3 un troisième palier de production, de par exemple 3 x N produits par an, avec une même station de travail S devant réaliser trois opérations 30 élémentaires, qui peuvent être manuelles ou automatisées. 3043928 7 [0035] Sur les trois opérations schématisées, plus on a recours à des modules automatisés, plus la cadence de production peut être élevée, à investissement industriel constant. Dans ce cas, on peut choisir - de conserver en opérations manuelles, les stations pour lesquelles les briques automatiques seraient non rentables ; - de réaliser en 5 semi-automatique opérations ne pouvant prétendre qu'à certaines briques automatiques rentables ; - de réaliser en tout automatique les stations de travail où toutes les briques automatiques sont rentables. [0036] On comprend qu'avec ce type de conception de ligne, le temps d'industrialisation est réduit par la simplification des outillages et la standardisation des solutions. De plus, 10 les briques élémentaires sont flexibles au regard des produits à faire, par une minimisation de la mécanique au profit de fonctionnalités de type programmations de logiciels. L'adaptation de l'outil de production au produit est donc conduite majoritairement par de la programmation, avec le cas échéant la simplification des outils permettant d'envisager aisément des solutions de changement d'outil sans reconception fondamentale du 15 procédé de fabrication. Cette flexibilité permet de mieux charger les lignes de fabrication en les rendant capables de fabriquer plusieurs types de produit aisément, et d'être globalement moins sensibles aux variations de volume des ventes des produits fabriqués. [0037] A chaque palier de volume de production, A1,A2,A3, l'investissement reste minimum par un taux d'automatisation modulable. On peut ainsi adapter la taille de 20 l'équipe d'opérateurs au volume à produire, de façon linéaire pendant la montée en capacité, quand on commence à produire un nouveau produit. L'adaptation au volume linéaire est rendue possible par un procédé de fabrication qui minimise les déplacements parasites des opérateurs. Cette conception permet de minimiser de minimiser les frais fixes / frais variables dans la phase de montée en capacité de production. 25 [0038] Les figures 9 et 10 représentent un poste de contrôle d'étanchéité d'un produit sur une ligne de fabrication respectivement selon l'état de l'art existant (figure 9) et selon l'invention (figure 10) : à la figure 9, on voit un robot 2 dans une cage de sécurité 3 pour effectuer cette vérification, tandis qu'à la figure 10 le robot 2 a été remplacé par un robot 5' « safe », avec un gain de place spectaculaire. 30 [0039] Les figures 11 et 12 représentent un poste de vissage d'une ligne de fabrication respectivement selon l'état de l'art existant (figure 11) et selon l'invention (figure 12) : là encore le robot 2 muni d'une cage de sécurité imposante 3 (figure 11) a été remplacé par un robot 5' de type « safe » (figure 12). 3043928 8 [0040] En conclusion, l'invention a recours à des machines modulaires permettant de composer un procédé de fabrication à cadence variable par reconfiguration simplifiée, elle utilise des moyens élémentaires permettant une flexibilité au produit par de la programmation. Elle permet d'étaler mieux les investissements sur l'outil industriel, et de 5 fabriquer plusieurs familles de produits sur une même ligne. Elle raccourcit le temps de développement, de mise en service et de reconfiguration de ligne. Elle permet de conserver le temps de cycle des procédés existants, et un fort gain en temps sur le temps d'industrialisation, du fait du recours à des « briques « standards. 10 REVENDICATIONS1. Ligne de fabrication industrielle (L2) comprenant des stations d'assemblage manuel et/ou semi-automatique et/ou automatique, caractérisée en ce que lesdites stations d'assemblage sont décomposées en modules standardisés, qui sont chacun à fonctionnement manuel ou à fonctionnement automatique ou à fonctionnement semi- automatique de façon interchangeable, notamment selon la capacité de production visée. 2. Ligne de fabrication industrielle (L2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les modules standardisés d'une station d'assemblage opèrent successivement et/ou en parallèle. 3. Ligne de fabrication industrielle (L2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les modules standardisés à fonctionnement automatique ou semi-automatique sont équipés de moyens robotiques munis de moyens de sécurité intégrés, notamment de moyens de sécurité dits sur contact inopiné (5,5'). 4. Ligne de fabrication industrielle (L2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les modules standardisés à fonctionnement automatique ou semi-automatique sont équipés de moyens robotiques (5,5') munis de capteurs avec retour d'information sur chacun de leurs axes de mobilité. 5. Ligne de fabrication industrielle (L2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une station d'assemblage comprend au moins un module standardisé manuel et au moins un module standardisé semi-automatique ou automatique. 6. Utilisation de la ligne de fabrication industrielle (L2) selon l'une des revendications précédentes à l'assemblage de pièces mécaniques, notamment à l'assemblage d'organes appartenant à un groupe motopropulseur. 7. Procédé de mise en oeuvre de la ligne de fabrication industrielle (L2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il décompose l'assemblage en une série d'opérations élémentaires suivant une unité de temps prédéterminé, chaque opération étant réalisée par un module standardisé. 3043928 10 8. Procédé de mise en oeuvre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de temps prédéterminée est choisie comprise entre 10 secondes et 2 minutes, notamment de 30 secondes. 9. Procédé de mise en oeuvre selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on 5 remplace un module standardisé manuel par un module standardisé semi-automatique ou automatique, quand la capacité de production doit augmenter. 10. Procédé de mise en oeuvre selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il utilise la ligne de production (L2) pour assembler des produits différents par une réorganisation et reprogrammation des modules standardisés. 10