Brevet FR3054158A1 — publié le 20180126

MACHINE-OUTIL D'USINAGE DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de l'usinage et notamment aux adaptations des structures cinématiques des machines-5 outils mettant en mouvement les outils afin de réaliser les usinages dans les meilleures conditions. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Il existe dans l'art antérieur des machines-outils d'usinage adoptant une structure cinématique à déplacement linéaire et en 10 série telles celles mettant en mouvement une électro-broche porte-outil selon trois axes linéaires X, Y et Z. Ainsi, par exemple, le document FR2743741 divulgue une machine-outil d'usinage à grande vitesse du type porte-broche dont le poste d'entraînement utilise une structure logique autorisant les 15 déplacements d'un coulant porte-broche le long de trois axes. Cette structure logique du poste d'entraînement est constituée d'un bâti fixe se composant d'un châssis-support agencé dans un plan vertical. Ce châssis-support comprend une paire de rails horizontaux transversaux parallèles autorisant, selon un mouvement horizontal 20 transversal classiquement le long d'un axe appelé axe X, un coulissement d'une table verticale formant un cadre support. Cette table verticale est bordée latéralement d'une deuxième paire de rails verticaux parallèles disposés perpendiculairement autorisant, selon un mouvement vertical classiquement le long d'un axe appelé 25 axe Y, un coulissement d'une poupée. Cette poupée est traversée par un coulant porte-broche évoluant selon un mouvement horizontal longitudinal le long d'un axe dit axe Z normal aux axes précédents. La mise en mouvement peut être réalisée par des moteurs-linéaires. 30 Venant en vis-à-vis de l'outil installé à l'extrémité de l'électro-broche, la pièce à usiner peut également être installée sur une structure porte-pièce proposant des axes pour des déplacements non seulement linéaires mais également rotatifs. Une telle structure a pour avantage de proposer une large gamme 35 d'usinages rapides et précis. Les moyens de mise en oeuvre nécessaires à cette rapidité et à cette précision sur chaque axe de mouvement font qu'une machine-outil d'usinage à grande vitesse adoptant une telle structure requiert un budget important. 3054158 2 Le critère du coût devient d'autant plus important que l'usinage complet d'une pièce peut requérir son passage dans une pluralité de machines-outils. DESCRIPTION DE L'INVENTION Ce que constatant, la demanderesse a mené des recherches visant à proposer une machine-outil d'usinage à structure moins onéreuse proposant une majorité de la gamme des usinages réalisés par les structures classiques et respectant au mieux les exigences de précisions et de rapidité des usinages à grande vitesse. Ces recherches ont abouti à la conception et à la réalisation d'une machine-outil d'usinage comprenant une structure cinématique mettant en mouvement une électro-broche porteuse d'un outil de coupe, lequel outil de coupe étant tournant sur l'axe de l'électrobroche, la structure cinématique mettant en mouvement l'électro-broche selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'électro-broche, la machine-outil comprenant un module support de pièce à usiner. Selon l'invention, ladite machine-outil est remarquable en ce que ladite structure cinématique comprend deux bras articulés : - un premier bras comprenant deux extrémités, une première extrémité du premier bras étant montée pivotante par rapport à une platine selon un seul axe parallèle à l'axe de l'électro-broche, un premier moyen d'entraînement en rotation assurant la mise en mouvement autour de cet axe, - un deuxième bras comprenant deux extrémités, une première extrémité du deuxième bras étant montée pivotante par rapport à la deuxième extrémité du premier bras selon un seul axe parallèle à l'axe de l'électro-broche, un deuxième moyen d'entraînement en rotation assurant la mise en 30 mouvement autour de cet axe, la deuxième extrémité du deuxième bras accueillant l'électro-broche, la translation de la pièce à usiner vers l'outil de l'électro-broche selon un mouvement linéaire parallèle à l'axe de l'électro-broche étant assurée par le module support de pièce à usiner ou par un 35 module support de la platine. Cette architecture de machine-outil est particulièrement avantageuse en ce qu'elle propose une structure articulée à deux bras pour mettre en oeuvre les mouvements de l'électro-broche selon 3054158 3 le plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'outil. Une structure articulée formée de deux bras pivotants est plus simple et moins onéreuse à mettre en oeuvre que les structures empilées classiques. 5 Le seul mouvement selon un axe linéaire est celui mis en oeuvre lors de la translation entre la pièce et l'outil parallèle à l'axe de l'outil, ce qui correspond au mouvement dit de plongée. Ce mouvement de plongée est mis en oeuvre soit par un module de mise en mouvement associé au module porte-pièce, et alors la platine 10 est fixe en translation, soit par un module de mise en mouvement associé à la platine et alors la pièce est fixe en translation lors des usinages. L'invention constitue ainsi le résultat non seulement d'une diminution du nombre d'axes de déplacement mais également d'une 15 sélection et d'une répartition entre des axes de déplacement mis en oeuvre par la structure articulée et un axe de travail mis en oeuvre par le mouvement en translation. La structure cinématique proposée ne présente donc pas de mises en mouvement redondantes. La diminution du nombre d'axes de mouvement permet d'économiser 20 les moyens de mise en mouvement associés et de diminuer l'incertitude de positionnement. Ce n'est pas la structure articulée qui réalise les efforts d'usinage axiaux (perçage, taraudage, etc..), mais l'axe sous la pièce ou la platine. 25 L'utilisation d'une structure articulée permet en outre d'agrandir la fenêtre dans laquelle un usinage peut être réalisé. De plus, une structure articulée peut réaliser des mouvements à l'extérieur de ladite fenêtre et rend plus facile le changement d'outil et l'intégration du magasin d'outil. La demanderesse s'est attachée à rendre cette structure articulée suffisamment rigide et précise. Afin de proposer la précision, la rigidité et la répétabilité se rapprochant au mieux de celles des machines-outils d'usinage à mouvements sur axes linéaires, la demanderesse a conçu une machine- outil présentant des caractéristiques allant au-delà de la sélection judicieuse des axes. Ainsi, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les axes de rotation de la structure 3054158 4 articulée sont équipés de deux codeurs. La présence de deux codeurs permet de détecter et de corriger la déformation de l'axe soumis à la contrainte d'usinage. Le défaut est donc pris en compte et corrigé. Pour ce faire, un codeur est associé à chaque extrémité de 5 l'arbre de l'articulation. Le module de commande de la machine outil gère ainsi deux données pour chaque articulation, gestion lui permettant de réaliser les mouvements les plus précis possibles par correction des défauts mesurés entre les deux codeurs. Selon une autre caractéristique, les codeurs sont disposés le 10 plus écarté possible l'un de l'autre. Ainsi, par exemple selon un mode de réalisation préféré, un premier codeur se trouve associé au réducteur et l'autre codeur est associé à l'extrémité libre de l'arbre. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de 15 l'invention, les axes de rotation de ladite structure articulée comprennent chacun un arbre d'articulation guidé par deux paliers. La présence d'un palier de reprise systématique pour chaque arbre d'articulation optimise la rigidité. Selon un mode de réalisation préféré, le deuxième palier dit de reprise supporte le deuxième 20 codeur. Ainsi, chaque codeur se trouve positionné au plus prés d'un palier ce qui optimise la prise de mesure. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les axes de rotation de ladite structure articulée sont équipés d'un moyen de mise en mouvement équipé d'un réducteur de 25 type cycloïdal sans jeu. La transmission de mouvement en est ainsi plus précise. Une autre caractéristique participant à la rigidité de la structure concerne le raccourcissement des bras la constituant ainsi que le surdimensionnement des roulements de guidage des liaisons 30 pivot. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, la machine-outil comprend un circuit de refroidissement et/ou des radiateurs stabilisant la structure en évacuant la chaleur générée par les divers sous-ensembles la composant tels 35 - moteurs, réducteurs, électro-broche, axes rotatifs, etc... Afin d'élargir la gamme d'usinages possibles, le module support de pièce à usiner comprend un ou plusieurs axes rotatifs afin de pouvoir orienter la pièce. Ces différentes possibilités 3054158 5 d'orientation peuvent être mises en oeuvre par un plateau tournant sur un seul axe ou par un plateau tournant par rapport à un autre plateau lui-même tournant sur un autre axe perpendiculaire. Pour les mêmes raisons, selon une autre caractéristique 5 particulièrement avantageuse de l'invention, la deuxième extrémité du deuxième bras accueille l'électro-broche au moyen d'une articulation réunissant deux axes de pivotement : - une liaison pivot d'axe perpendiculaire à l'axe de l'électrobroche, et 10 - une autre liaison pivot d'axe parallèle à l'axe de l'électrobroche, chaque liaison pivot étant associée à un moyen d'entraînement. Selon un mode de réalisation préféré, les liaisons pivots de cette articulation additionnelle reprennent les caractéristiques des 15 liaisons pivots du bras et adoptent chacune un réducteur cycloïdal sans jeu, un palier de reprise et deux codeurs. 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 20 description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation d'une machine-outil d'usinage conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'une vue partielle en 25 perspective extérieure d'un premier mode de réalisation de la machine-outil d'usinage de l'invention ; La figure 2 est un dessin schématique d'une vue de face de la structure articulée support de broche de la figure 1 ; La figure 3 est un dessin schématique d'une vue de côté de la 30 structure articulée support de broche de la figure 1 ; La figure 4 est un dessin schématique d'une vue partielle en perspective extérieure d'un deuxième mode de réalisation de la machine-outil d'usinage de l'invention ; La figure 5 est un dessin schématique d'une vue de face de la 35 structure articulée support de broche de la figure 4 ; La figure 6 est un dessin schématique d'une vue de côté de la structure articulée support de broche de la figure 4. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS 3054158 6 Comme illustrée sur les dessins des figures 1, 2 et 3, la machine-outil d'usinage référencée M dans son ensemble comprend, agencée sur un bâti B, une structure articulée 100 porte-outil O et un module 200 porte-pièce P. 5 La structure articulée 100 met en mouvement une électro-broche 300 porteuse de l'outil O. L'électro-broche 300 entraîne en rotation l'outil O. L'axe de l'électro-broche 300 est parallèle à l'axe horizontal Z. Cette structure articulée 100 est motorisée et déplace l'électro10 broche 300 selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'électro-broche 300, c'est-à-dire dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe Z et défini par les axes X et Y. Conformément à l'invention, ladite structure articulée 100 comprend deux bras 110 et 120. 15 Le premier bras 110 comprend deux extrémités 111 et 112 avec une première extrémité 111 qui est guidée en rotation par rapport à une platine 130 selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe Z. Un premier moyen d'entraînement en rotation 140 assure la mise en mouvement dudit bras 110 autour de cet axe. 20 Le deuxième bras 120 comprend deux extrémités 121 et 122 avec une première extrémité 121 qui est guidée en rotation par rapport à la deuxième extrémité 112 du premier bras 110 selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe Z. Un deuxième moyen d'entraînement en rotation 150 assure la mise en mouvement dudit bras 120 autour de 25 cet axe. La deuxième extrémité 122 du deuxième bras 120 accueille de manière fixe l'électro-broche 300. Conformément à l'invention, les axes de rotation de l'outil O, et d'articulation des bras 110 et 120 sont parallèles entre eux donc à l'axe Z. 30 La translation de la pièce à usiner P vers l'outil O de l'électro-broche 300 selon un mouvement linéaire parallèle à l'axe Z à des fins d'usinage peut être assurée de deux façons différentes. Soit comme illustrée, la platine 130 se déplace le long de rails 131 et 132 et est équipée d'un moyen de mise en mouvement (non 35 illustré), le module 200 porte-pièce P étant fixe en translation. Soit selon un mode de réalisation non illustré où c'est le module 200 porte-pièce P qui se déplace le long de rails et qui est équipé d'un moyen de mise en mouvement. 3054158 7 La structure articulée 100 assure le déplacement de l'électrobroche 300 dans le plan vertical défini par les axes X et Y selon des mouvements de rotation selon des axes parallèles à Z et se déplace en translation selon l'axe Z afin d'amener l'outil en 5 contact avec la pièce P pour réaliser l'usinage. Ainsi, la structure articulée 100 illustrée ne met en oeuvre que deux liaisons pivot et une liaison glissière selon l'axe de l'électro-broche 300 ce qui permet de proposer une structure rigide. Une telle structure permet notamment de réaliser avec précision 10 toutes les opérations d'usinage en plongée en déplaçant uniquement un seul axe. Afin d'optimiser cette rigidité, chaque axe rotatif de la structure articulée 100 est mis en oeuvre avec un palier de reprise qui va mieux prendre en compte les contraintes auxquelles sont 15 soumis lesdits axes rotatifs notamment lors du mouvement en translation de plongée selon l'axe Z. Ainsi, l'axe rotatif liant la première extrémité 111 du premier bras 110 comprend deux paliers de guidage 133 et 134 préformés dans la platine 130. De même, l'axe rotatif liant la deuxième extrémité 112 du bras 110 à la première 20 extrémité 121 du deuxième bras 120 comprend deux paliers de guidage 113 et 114 préformés dans la deuxième extrémité 112 du premier bras 110. Toujours à des fins d'optimisation de la rigidité, chaque axe rotatif est mis en mouvement au moyen d'un moteur (140, 150) et d'un 25 réducteur (160, 170) du type cycloïdal sans jeu positionnés directement sur chaque axe. En complément de cette rigidité optimisée, afin de prendre en compte les déformations dues aux contraintes subies par la structure, chaque axe rotatif est équipé de deux codeurs rotatifs 30 610, 620 et 630, 640. Un premier codeur rotatif 610, 630 peut être associé au bloc motoréducteur (140, 160) et (150, 170) et le deuxième 620, 640 peut être positionné comme illustré, à l'extrémité de l'arbre, au niveau du palier de reprise 133, 113. L'écartement des deux codeurs rotatifs sur chaque arbre optimise la précision. 35 L'unité de commande (non illustrée) de la machine-outil M gère ainsi les informations issues de deux codeurs pour chaque axe rotatif de la structure articulée. La commande numérique associée à cette unité de commande est donc du type de celle adaptée pour les 3054158 8 centres d'usinages contribuant au respect des critères recherchés de précision. Selon le mode de réalisation illustré, le module 200 porte-pièce P est conçu de façon à ce que la pièce P puisse être mise en 5 mouvement de rotation selon un axe vertical parallèle à l'axe Y et selon un axe horizontal parallèle à l'axe X. Pour ce faire, le module porte-pièce P comporte un plateau mobile 210 support de pièce P. Ce plateau mobile 210 tourne par rapport à un plateau balancelle 220, lequel tourne selon un axe horizontal par rapport à une partie 10 fixe 230 du module 200 porte-pièce. Ces différentes rotations élargissent la gamme d'usinages possibles en gardant les avantages de l'invention. Comme illustrée sur les dessins des figures 4 à 6, la machine-outil d'usinage référencée M' dans son ensemble est une variante de 15 la machine-outil d'usinage M décrite ci-dessus. Comme la précédente, la machine-outil d'usinage M' comprend, agencés sur un bâti B', une structure articulée 100' porte-outil O' et un module 200' porte-pièce P'. La structure articulée 100' met en mouvement une électro-broche 20 300' porteuse de l'outil O'. L'électro-broche 300' entraîne en rotation l'outil O'. L'axe de l'électro-broche 300' est parallèle à l'axe horizontal Z. Cette structure articulée 100' est motorisée et déplace l'électro-broche 300' selon un plan perpendiculaire à l'axe de 25 l'électro-broche 300', c'est-à-dire dans le plan vertical perpendiculaire à l'axe Z et défini par les axes X et Y. Conformément à l'invention, ladite structure articulée 100' comprend deux bras 110' et 120'. Le premier bras 110' comprend deux extrémités 111' et 112' avec 30 une première extrémité 111' qui est guidée en rotation par rapport à une platine 130' selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe Z. Un premier moyen d'entraînement en rotation 140' assure la mise en mouvement dudit bras 110' autour de cet axe. Le deuxième bras 120' comprend deux extrémités 121' et 122' 35 avec une première extrémité 121' qui est guidée en rotation par rapport à la deuxième extrémité 112' du premier bras 110', selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe Z. Un deuxième moyen 3054158 9 d'entraînement en rotation 150' assure la mise en mouvement dudit bras 120' autour de cet axe. Cette machine-outil M' se démarque de celle ci-dessus décrite en ce que la deuxième extrémité 122' du deuxième bras 120' accueille 5 de manière articulée l'électro-broche 300'. Conformément à l'invention, les axes de rotation de l'outil O', et d'articulation des bras 110' et 120' sont parallèles entre eux donc à l'axe Z. L'articulation 180' qui relie l'électro-broche 300' à la deuxième extrémité 122' du deuxième bras 120', réunit deux axes de 10 pivotement : - une liaison pivot 181' d'axe perpendiculaire à l'axe de l'électrobroche 300', et - une autre liaison pivot 182' d'axe parallèle à l'axe de l'électrobroche 300', 15 chaque liaison pivot étant associée à un moyen d'entraînement. Cette articulation complémentaire 180' contribue à augmenter les capacités de la machine-outil de l'invention aussi bien au niveau de l'usinage que pour les opérations de changement d'outil. Les autres caractéristiques reproduisent celles décrites pour 20 la machine-outil M. Les pivots de l'articulation complémentaire présentent les mêmes caractéristiques que celles des bras et sont chacun équipés : - d'un réducteur sans jeu, - d'un palier de reprise, 25 - d'un double codeur. On comprend que la machine-outil d'usinage, qui vient d'être ci-dessus décrite et représentée, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés aux exemples 30 ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, par exemple, un magasin d'outils avec ou sans système de changeur d'outil peut compléter les modes de réalisation ci-dessus décrits. 35 REVENDICATIONS1. Machine-outil d'usinage (M) comprenant une structure cinématique (100) mettant en mouvement une électro-broche (300) porteuse d'outil de coupe (0), l'outil de coupe (0) étant tournant sur l'axe de l'électro-broche (300), la structure cinématique (100) mettant en mouvement l'électro-broche (300) selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'électro-broche (300), la machine-outil (M) comprenant un module (200) support de pièce à 10 usiner (P), CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE ladite structure cinématique (100) est une structure articulée comprenant deux bras articulés (110, 120) : - un premier bras (110) comprenant deux extrémités (111, 112), une première extrémité (111) du premier bras (110) étant montée 15 pivotante par rapport à une platine (130) selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe de l'électro-broche (300), un premier moyen d'entraînement (140) en rotation assurant la mise en mouvement autour de cet axe, - un deuxième bras (120) comprenant deux extrémités (121, 122), une 20 première extrémité (121) du deuxième bras (120) étant montée pivotante par rapport à la deuxième extrémité (112) du premier bras (110) selon un seul axe de rotation parallèle à l'axe de l'électrobroche (300), un deuxième moyen d'entraînement (150) en rotation assurant la mise 25 en mouvement autour de cet axe, la deuxième extrémité (122) du deuxième bras (120) accueillant l'électro-broche (300), la translation de la pièce à usiner (P) vers l'outil (0) de l'électro-broche (300) selon un mouvement linéaire parallèle à l'axe 30 de l'électro-broche (300) étant assurée par le module (200) support de pièce (P) ou par un module support de la platine (130). 2. Machine-outil (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE les axes de rotation de ladite structure articulée (100) sont équipés de deux codeurs. 35 3. Machine-outil (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE les axes de rotation de ladite structure articulée (100) comprennent chacun un arbre d'articulation guidé par deux paliers. 3054158 4. Machine-outil (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE les axes de rotation de ladite structure articulée (100) sont équipés d'un moyen de mise en mouvement équipé d'un réducteur du type cycloïdal sans jeu. 5 5. Machine-outil (M) selon les revendications 2 et 3, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE le deuxième palier dit de reprise supporte le deuxième codeur. 6. Machine-outil (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QU'elle comprend un circuit de refroidissement et/ou des 10 radiateurs stabilisant la structure en évacuant la chaleur générée par les divers sous-ensembles la composant. 7. Machine-outil (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE ledit module (200) support de pièce à usiner (P) comprend un ou plusieurs axes rotatifs afin de pouvoir orienter la 15 pièce (P). 8. Machine-outil (M') selon la revendication 1, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE la deuxième extrémité (122') du deuxième bras (120') accueille l'électro-broche (300') au moyen d'une articulation (180') réunissant deux axes de pivotement : 20 - une liaison pivot (181') d'axe perpendiculaire à l'axe de l'électro-broche (300'), et - une autre liaison pivot (182') d'axe parallèle à l'axe de l'électro-broche (300'), chaque liaison pivot étant associée à un moyen d'entraînement. 25 30 35