FR2770432A1 - Mecanisme parallele pour centre d'usinage du type a usinages multiples - Google Patents
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Abstract
Un mécanisme parallèle à six degrés de liberté est utilisé pour agrandir la plage de mouvement d'une broche. Le mécanisme parallèle comprend une broche qui tourne autour d'une pièce (20) avec un angle d'inclinaison de 90degre dans un espace de travail, pour permettre ainsi un usinage de la pièce (20) dans le plan vertical et dans le plan horizontal, et une opération de tournage vertical, par un même centre d'usinage. L'invention a aussi pour objet un centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes comprenant le mécanisme parallèle selon l'invention. Elle a aussi pour objet un centre d'usinage du type à usinages multiples suractionné comprenant en supplément des actionneurs de suractionnement pour résoudre le problème de la singularité des joints moteurs qui est posé par le mécanisme parallèle.
Description
La présente invention se rapporte à un centre d'usinage, plus particuliérement, à un mécanisme parallèle destiné à permettre un usinage pentaédrique avec un seul montage et à permettre un usinage multiple qui comprend tournage, alésage, perçage, meulage aussi bien que fraisage.
Lorsqu'on usine à l'aide d'un centre d'usinage, il est nécessaire de commander la position et l'orientation d'un outil dans les trois dimensions pour façonner des matières brutes pour les transformer en les produits utiles voulus. Le mécanisme série représenté sur la Fig. 1 est le mécanisme le plus fondamental utilisé pour exécuter la commande de position et d'orientation. Le mécanisme série a une construction qui permet à tous les éléments interposés entre une base 1000 et une broche 1200 de se placer à angle droit l'un par rapport à l'autre. Ce mécanisme a les avantages d'un espace de travail relativement grand et d'un logiciel et d'un contrôleur de fonctionnement simplifiés.
Depuis quelques années, on étudie un mécanisme parallèle capable de mouvement dans six degrés de liberté, servant pour un centre d'usinage. Le mécanisme parallèle constitue une construction qui peut relier une base et une broche parallèles l'une à l'autre en se servant d'une pluralité de bras.
La Fig. 2 montre un mécanisme parallèle typique qui illustre une structure hexapode qui permet de relier une base 2100 et une broche 2200 au moyen de six bras.
Ces bras sont disposés de manière à être capables de mouvement dans six degrés de liberté.
D'une façon générale, le centre d'usinage à structure hexapode peut être de l'une de deux catégories, selon la position de la broche : centre d'usinage vertical et centre d'usinage horizontal. Le premier est conçu pour usiner exclusivement un plan vertical d'une pièce. Le deuxième est conçu pour usiner exclusivement un plan horizontal d'une pièce. Il en résulte que l'usinage de plans verticaux et de plans horizontaux d'une pièce ne peut pas être réalisé par un même centre d'usinage. En supplément, le centre d'usinage équipé d'un mécanisme parallèle typique est incapable d'exécuter une opération de tournage, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir une opération additionnelle sur un tour.
La présente invention vise donc à réaliser un mécanisme parallèle pour un centre d'usinage du type à usinages multiples qui supprime pratiquement un ou plusieurs des limitations et inconvénients de la technique de ce genre.
Un but de la présente invention consiste à réaliser un mécanisme parallèle à six degrés de liberté qui permette d'agrandir l'angle d'inclinaison d'une broche.
Un autre but de l'invention consiste à réaliser un mécanisme parallèle possédant une broche qui tourne autour de la pièce selon un angle d'inclinaison de 90O dans un espace de travail, pour permettre ainsi à un même centre d'usinage d'usiner aussi bien un plan vertical qu'un plan horizontal de la pièce et d'exécuter une opération de tournage vertical.
Encore un autre but de l'invention consiste à réaliser un centre d'usinage à six axes équipé d'un mécanisme parallèle à six degrés de liberté.
Encore un autre but de la présente invention consiste à réaliser un centre d'usinage suractionné conçu pour accroltre la robustesse d'un centre d'usinage à six axes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et ressortiront en partie de la description ou pourront etre appris par la mise en oeuvre de l'invention.
Les objectifs et autres avantages de l'invention seront atteints et obtenus par la structure illustrée par la description et par les revendications, ainsi que par les dessins annexés.
Pour atteindre ces avantages ainsi que d'autres, et conformément au but de la présente invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite dans ses grandes lignes, un mécanisme parallèle comprend : trois bras de longueur fixe reliés à une broche , trois guides rectilignes verticaux, destinés à permettre de déplacer les trois bras dans une direction verticale , un guide circulaire horizontal, destiné à permettre aux guides verticaux de se déplacer sur son arc circulaire; des joints à rotule destinés à relier la broche aux trois bras de longueur fixe, des joints de rotation destinés à relier les bras de longueur fixe aux guides rectilignes verticaux ; des joints primastiques opérant en ligne droite, qui permettent un mouvement vertical des bras de longueur fixe sur les guides rectilignes verticaux , et des joints prismatiques opérant sur un arc circulaire, qui permettent un mouvement horizontal des trois guides rectilignes verticaux sur le guide circulaire horizontal.
On obtient un centre d'usinage du type à usinages multiples qui permet un usinage pentaédrique avec un seul montage, et un usinage multiple comprenant le tournage vertical, alésage, perçage, meulage, etc. en utilisant le mécanisme parallèle de la présente invention.
Un centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes de base permet à un outil de mouvement dans six degrés de liberté sous l'action de six actionneurs qui comprennent trois actionneurs pour actionner les joints prismatiques opérant en ligne droite, en permettant un mouvement vertical des trois bras de longueur fixe sur les guides rectilignes verticaux, et trois actionneurs destinés à actionner les joints prismatiques opérant sur un arc circulaire, en permettant un mouvement horizontal des trois guides rectilignes verticaux sur le guide circulaire horizontal.
Pour résoudre une singularité d'actionneur du mécanisme parallèle, la présente invention réalise un centre d'usinage suractionné. Un centre d'usinage suractionné à sept axes comprend un actionneur de suractionnement pour suractionner un des trois joints de rotation, en supplément des six actionneurs de base du centre d'usinage à six axes,; de manière que l'outil soit capable de se déplacer dans six degrés de liberté. Toutefois, le problème de la singularité d'actionneur n'est pas entièrement résolu.
Pour cela, la présente invention a pour objet un centre d'usinage suractionné à huit axes, pour résoudre entièrement le problème mentionné plus haut. Ce centre d'usinage comprend deux actionneurs de suractionnement pour suractionner deux des trois joints de rotation, en supplément des six actionneurs de base du centre d'usinage à six axes. De cette façon, un outil peut être déplacé dans six degrés de liberté par un total de huit actionneurs.
En outre, pour prendre en considération la symétrie d'un centre d'usinage suractionné et accroître la robustesse du centre d'usinage, un centre d'usinage suractionné à neuf axes créé par la présente invention comprend trois actionneurs de suractionnement pour suractionner les trois joints de rotation.
Le centre d'usinage du type à usinages multiples équipé d'un mécanisme parallèle selon l'invention permet un usinage pentaédrique en particulier, une opération de tournage vertical avec un seul montage.
Il va de soi que la description générale donnée ci-dessus et la description détaillée qui va suivre sont données à titre d'exemple et à titre explicatif et sont destinées à apporter une explication plus complète de l'invention telle qu'elle est revendiquée.
Les dessins annexés qui sont inclus pour permettre de mieux comprendre l'invention et sont incorporés dans le présent mémoire et qui en font partie, illustrent des formes de réalisation de l'invention et servent à expliquer les principes de l'invention en combinaison avec la description. Sur les dessins;
la Fig. 1 représente un mécanisme série typique,
la Fig. 2 représente un mécanisme parallèle typique du type hexapode,
la Fig. 3 montre un mécanisme parallèle selon l'invention,
la Fig. 4 montre un état dans lequel une broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90" dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3
la Fig. 5 est une vue en plan d'un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90 , pendant qu'un outil tourne autour d'une pièce, dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3
la Fig. 6 est une vue en perspective d'un centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes, réalisé par le mécanisme parallèle de la présente invention
la Fig. 7 est une vue en plan de la Fig. 6;
la Fig. 8 est une vue en coupe prise selon la ligne A-A de la Fig. 7,
la Fig. 9 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, et constitue une coupe d'un guide vertical ascendant;
la Fig. 10 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, et qui est une coupe d'un guide vertical descendant;
la Fig. 11 est une vue en perspective d'un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90O dans le centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes de la Fig. 6,
la Fig. 12 représente un état jacobien dans lequel une équation de contrainte est différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90 , dans le centre d'usinage à six axes représenté sur les Fig. 6 à 11,
la Fig. 13 montre des joints passifs où des actionneurs de suractionnement peuvent être montés,
la Fig. 14 représente un état jacobien dans lequel une équation de contrainte est différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90" dans un centre d'usinage à sept axes où un actionneur de suractionnement est monté sur des joints de rotation du guide vertical descendant,
la Fig. 15 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité gauche (dans le voisinage de 36 d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12,
la Fig. 16 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité droite (dans le voisinage de 55 d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12;
la Fig. 17 est une vue en perspective d'un centre d'usinage suractionné à huit axes de la présente invention,
la Fig. 18 est une vue en plan du centre d'usinage suractionné à huit axes de la
Fig. 17;
la Fig. 19 est une coupe prise selon la ligne A-A de la Fig. 18
la Fig. 20 représente en détail un guide vertical rectiligne ascendant du centre d'usinage suractionné à huit axes selon l'invention, et
la Fig. 21 représente en détail un guide vertical rectiligne descendant du centre d'usinage suractionné à huit axes selon l'invention.
la Fig. 1 représente un mécanisme série typique,
la Fig. 2 représente un mécanisme parallèle typique du type hexapode,
la Fig. 3 montre un mécanisme parallèle selon l'invention,
la Fig. 4 montre un état dans lequel une broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90" dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3
la Fig. 5 est une vue en plan d'un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90 , pendant qu'un outil tourne autour d'une pièce, dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3
la Fig. 6 est une vue en perspective d'un centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes, réalisé par le mécanisme parallèle de la présente invention
la Fig. 7 est une vue en plan de la Fig. 6;
la Fig. 8 est une vue en coupe prise selon la ligne A-A de la Fig. 7,
la Fig. 9 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, et constitue une coupe d'un guide vertical ascendant;
la Fig. 10 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, et qui est une coupe d'un guide vertical descendant;
la Fig. 11 est une vue en perspective d'un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90O dans le centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes de la Fig. 6,
la Fig. 12 représente un état jacobien dans lequel une équation de contrainte est différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90 , dans le centre d'usinage à six axes représenté sur les Fig. 6 à 11,
la Fig. 13 montre des joints passifs où des actionneurs de suractionnement peuvent être montés,
la Fig. 14 représente un état jacobien dans lequel une équation de contrainte est différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90" dans un centre d'usinage à sept axes où un actionneur de suractionnement est monté sur des joints de rotation du guide vertical descendant,
la Fig. 15 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité gauche (dans le voisinage de 36 d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12,
la Fig. 16 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité droite (dans le voisinage de 55 d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12;
la Fig. 17 est une vue en perspective d'un centre d'usinage suractionné à huit axes de la présente invention,
la Fig. 18 est une vue en plan du centre d'usinage suractionné à huit axes de la
Fig. 17;
la Fig. 19 est une coupe prise selon la ligne A-A de la Fig. 18
la Fig. 20 représente en détail un guide vertical rectiligne ascendant du centre d'usinage suractionné à huit axes selon l'invention, et
la Fig. 21 représente en détail un guide vertical rectiligne descendant du centre d'usinage suractionné à huit axes selon l'invention.
On se reportera maintenant en détail aux formes préférées de réalisation de l'invention, dont des exemples sont illustrés sur les dessins annexés.
Sur la Fig. 3 qui montre un mécanisme parallèle selon l'invention, une broche 72 est reliée à trois bras de longueur fixe 73, 74, 75 qui sont de longueurs égales ou différentes. Les bras 73, 74 et 75 représentés sur la Fig. 3 ont les memes longueurs. Ces trois bras de longueur fixe 73, 74 et 75 se déplacent le long de trois guides rectilignes verticaux correspondants 83, 84 et 85 dans une direction verticale. Un guide horizontal circulaire 76 permet aux guides rectilignes verticaux 83, 84 et 85 de se déplacer horizontalement sur son arc circulaire.
La description qui va suivre se reportera maintenant à la liaison établie entre la broche 72, les trois bras de longueur fixe 73, 74 et 75, les trois guides verticaux 83, 84 et 85 et le guide circulaire horizontal 76. La broche 72 et les trois bras de longueur fixe 73, 74 et 75 sont reliés par des joints à rotule S. Des joints de rotation R relient les trois bras de longueur fixe 73, 74 et 75 aux guides rectilignes verticaux correspondants 83, 84 et 85. Ils sont reliés aux guides rectilignes verticaux par des joints prismatiques P opérant en ligne droite, afin de déplacer les bras de longueur fixe 73, 74 et 75 dans la direction verticale sur les guides rectilignes verticaux correspondants 83, 84 et 85. Des joints prismatiques P' opérant sur un arc circulaire relient les trois guides verticaux rectilignes 83, 84 et 85 au guide circulaire horizontal 76 pour permettre le déplacement horizontal de ces guides 83, 84 et 85 sur le guide 76.
Les joints actifs de base du mécanisme parallèle sont les joints prismatiques P opérant en ligne droite, qui permettent aux trois bras de longueur fixe 73, 74 et 75 de se déplacer dans la direction verticale sur trois guides rectilignes verticaux 83, 84 et 85, et les joints prismatiques P' opérant sur un arc circulaire, qui permettent à ces trois guides rectilignes verticaux 83, 84, 85 de se déplacer horizontalement sur le guide circulaire horizontal 76. Ces six joints sont entraînés pour rendre la broche capable de mouvement dans six degrés de liberté.
Pour éviter de réduire les dimensions de l'espace de travail, deux guides 83 et 84 des trois guides rectilignes verticaux 83, 84 et 85 sont placés au-dessus du guide circulaire horizontal 76 et le guide restant 85 est positionné au-dessous du guide 76.
La Fig. 4 illustre un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90" dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3. Comme représenté sur la
Fig. 4, la boche est capable de se déplacer à un angle d'inclinaison de 90" Il est difficile d'augmenter l'angle d'inclinaison de la broche jusqu'à 90" dans un mécanisme parallèle typique. Ceci résulte du fait qu'il y a une limite à l'angle de rotation des joints à rotule utilisés pour relier la broche à plusieurs bras.
Fig. 4, la boche est capable de se déplacer à un angle d'inclinaison de 90" Il est difficile d'augmenter l'angle d'inclinaison de la broche jusqu'à 90" dans un mécanisme parallèle typique. Ceci résulte du fait qu'il y a une limite à l'angle de rotation des joints à rotule utilisés pour relier la broche à plusieurs bras.
La Fig. 5 est une vue en plan d'un état dans lequel la broche est orientée selon un angle d'inclinaison de 90" pendant qu'un outil tourne autour une pièce, dans le mécanisme parallèle de la Fig. 3. Bien que la broche orientée selon un angle d'inclinaison de 90" tourne pour passer d'une première position à une deuxième position, les trois bras de longueur fixe conservent leurs positions relatives, et les trois guides rectilignes verticaux se déplacent sur le guide circulaire horizontal, de sorte qu'il n'y a pas de modification de l'angle des joints à rotule S servant à relier la broche aux trois bras de longueur fixe.
La description détaillée qui va suivre se rapporte à un centre d'usinage du type à usinages multiples réalisé par le mécanisme parallèle de la présente invention, en se référant aux Fig. 6 à 11.
La Fig. 6 est une vue en perspective d'un centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes réalisé par le mécanisme parallèle selon l'invention, la Fig. 7 est une vue en plan de la Fig. 6 et la Fig. 8 est une vue en coupe prise selon la ligne A-A de la
Fig. 7,
Le centre d'usinage du type à usinages multiples comprend : un système de broche comprenant un outil I et un moteur de broche 2 servant à permettre la rotatinrl l'outil, et un système de mouvement servant à déterminer la position et l'orientation de l'outil.
Fig. 7,
Le centre d'usinage du type à usinages multiples comprend : un système de broche comprenant un outil I et un moteur de broche 2 servant à permettre la rotatinrl l'outil, et un système de mouvement servant à déterminer la position et l'orientation de l'outil.
Trois bras de longueur fixe 401, 402 et 403 sont reliées au système de broche au moyen de joints à rotule 301, 302 et 303. Les trois bras de longueur fixe 401, 402 et 403 sont de même longueur ou de longueurs différentes. Les bras 401, 402 et 403 représentés sur la Fig. 6 ont les mêmes longueurs. Les joints à rotule 301, 302 et 303 ont l'avantage d'un angle d'inclinaison admissible relativement grand, de plus de 50", comparativement aux joints à rotule typiques qui ont un angle d'inclinaison de 40".
Les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 et les trois bras de longueur fixe 401, 402 et 403 sont reliés par des joints de rotation correspondants 501, 502 et 503.
Les trois bras de longueur fixe 401, 402 et 403 reliés aux joints de rotation 501, 502 et 503 sont entraînés par des actionneurs de déplacement vertical respectifs 701, 702 et 703, de manière à se déplacer dans la direction verticale. Les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 comprennent deux guides rectilignes verticaux ascendants 602 et 603, qui sont disposés au-dessus d'un guide circulaire horizontal 8 et un guide rectiligne vertical 601 descendant qui est positionné sous le guide 8. Dans une autre forme de réalisation, il peut être prévu un guide rectiligne vertical ascendant et deux guides rectilignes verticaux descendants.
La Fig. 9 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, c'est-à-dire une coupe d'un guide vertical ascendant, et la Fig. 10 est une vue en coupe prise selon la ligne B-B de la Fig. 8, c'est-à-dire une coupe d'un guide vertical descendant.
Les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 comprennent : des vis à billes 621, 622 et 623 qui permettent aux bras de longueur fixe respectives 401, 402 et 403 de se déplacer dans la direction verticale sous l'action des actionneurs de déplacement vertical respectifs 701, 702 et 703 , des écrous à billes 611, 612 et 613 servant à relierCles vis à billes 621, 622 et 623 aux joints de rotation 501, 502 et 503 reliés eux-memes aux bras de longueur fixe respectives 401, 402 et 403 ; et des accouplements 631, 632 et 633 servant à relier les vis à billes 621, 622 et 623 aux actionneurs de déplacement vertical respectifs 701, 702 et 703.
Une force d'entraînement en rotation des actionneurs de déplacement vertical 701, 702 et 703 est transmise aux écrous à billes 611, 612 et 613 par l'intermédiaire des vis à billes 621, 622 et 623 avant d'être transmise aux bras de longueur fixe 401, 402 et 403 par l'intermédiaire des joints de rotation 501, 502 et 503 reliés aux écrous à billes 611, 612 et 613. Le résultat est que les bras de longueur fixe 401, 402 et 403 se déplacent le long d'un trajet de mouvement vertical assuré par les vis à billes 621, 622 et 623.
Les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 sont entraînés par des actionneurs de déplacement horizontal respectifs 901, 902 et 903 pour se déplacer horizontalement sur le guide circulaire horizontal 8. Pour ce déplacement horizontal, une couronne dentée 81 est prévue à l'extérieur du guide circulaire horizontal 8, et des pignons 821, 822 et 823 qui sont entraînés par les actionneurs de déplacement horizontal 901, 902 et 903 sont prévus sur les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603. Les pignons 821, 822 et 823 qui sont entraînés par les actionneurs de déplacement horizontal 901, 902 et 903 engrènent avec la couronne dentée 81, de sorte que les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 exécutent leurs mouvements horizontaux.
Des rouleaux 83 sont prévus pour absorber la charge verticale des bras de longueur fixe 401, 402 et 403 et la force centrifuge horizontale des guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603, ainsi qu'une force interne, horizontale ou verticale, qui se développe entre les robustes éléments.
Comme on l'a mentionné plus haut, grâce au déplacement vertical des trois bras de longueur fixe 401, 402 et 403 sur les guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603, et du déplacement horizontal des trois guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 sur le guide circulaire horizontal 8, la broche est capable de mouvement dans six degrés de liberté pour déterminer sa position et son orientation. Le centre d'usinage à six actionneurs représenté sur la Fig. 6, qui comprend trois actionneurs pour le déplacement vertical et trois actionneurs pour le déplacement horizontal est appelé un centre d'usinage à six axes.
La position et l'orientation de l'outil pour centre d'usinage à six axes sont déterminées par la rotation des actionneurs de déplacement vertical et de déplacement horizontal. Dans le cas d'un centre d'usinage à commande numérique par ordinateur, les valeurs d'entrée des actionneurs de déplacements respectifs qui sont déterminées par interprétation mécanique sont commandées numériquement, de sorte que la position relative et l'orientation de l'outil par rapport à une pièce sont commandées pour façonner et former les produits utiles voulus.
Comme représenté sur la Fig. 11, dans le centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes, la broche est perpendiculaire à la pièce, pour exécuter un usinage sur un côté de la pièce avec un seul montage.
Un angle de rotation des joints à rotule 301, 302 et 303 servant à relier les bras de longueur fixe 401, 402 et 403 au système de la broche constitue l'élément décisif pour déterminer la position et l'orientation de l'outil. L'amplitude du mouvement vertical des bras de longueur fixe 401, 402 et 403 sur les trois guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 est calculée de manière à ne pas appliquer de charge sur les joints à rotule 301, 302 et 303. Pour cela, un interrupteur de fin de course 11 destiné à limiter le déplacement vertical des bras de longueur fixe est prévu sur chacun des trois guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603.
Les trois guides rectilignes verticaux 601, 602 et 603 ont leurs interrupteurs de fin de course anti-collision respectifs 10 et 10' qui servent à les empêcher d'entrer en collision entre eux lorsqu'ils sont entraînés par leurs actionneurs respectifs de déplacement horizontal 901, 902 et 903 pour se déplacer horizontalement sur le guide circulaire horizontal 8.
En général, le fonctionnement de la commande numérique par ordinateur du centre d'usinage du type à usinages multiples est commandé par une variation de la valeur initiale définie par la position et l'orientation initiales de l'outil. Il est donc nécessaire d'établir un point zéro pour définir une valeur initiale. La présente invention comprend un interrupteur de fin de course 12 de récupération de déplacement horizontal et un interrupteur de fin de course 13 de récupération de déplacement vertical.
Le centre d'usinage du type à usinages multiples à six axes comprend en outre un système de rotation de la pièce destiné à faire tourner la pièce, en supplément du système de broche et du système de déplacement. Le système de rotation de la pièce comprend un élément de serrage 31 servant à serrer une pièce 20, un mandrin 32 destiné à supporter l'élément de serrage 31 ; un vérin pneumatique 35 relié au mandrin 32 , une poulie 33 destinée à faire tourner le mandrin 32, et un moteur 36 d'entraînement de la poulie destiné à entraîner la poulie 33. Si le moteur 36 d'entraînement de la poulie n'est pas un moteur à transmission directe, une courroie trapézoïdale 34 est incluse en supplément pour transmettre une force d'entraînement en rotation du moteur 36 d'entraînement de la poulie à la poulie 33.
Comme représenté sur la Fig. 11, le système de rotation de la pièce permet une opération de tournage vertical dans lequel la broche est perpendiculaire à la pièce.
Par ailleurs, le mécanisme parallèle de la présente invention peut avoir à résoudre le problème de singularité de l'actionneur qui sera exposé plus loin.
Une équation de contraintes du mécanisme parallèle est exprimée par:
Une équation de contraintes du mécanisme parallèle est exprimée par:
où u est indicatif d'un joint moteur et v est indicatif d'un joint passif.
On trouve par application de l'équation qu'un espace de joint forme un ensemble
à n dimensions placé sur un espace à (n+m) dimensions. Sidg/dvest invertible par le
théorème des fonctions implicites, v peut être exprimé en fonction de u. Si le rang de dg/dv décroît, pour ne pas exprimer v par une fonction de u tous les joints moteurs ne
sont pas entraînés indépendamment. Nous appelons ceci une singularité d'actionneur.
à n dimensions placé sur un espace à (n+m) dimensions. Sidg/dvest invertible par le
théorème des fonctions implicites, v peut être exprimé en fonction de u. Si le rang de dg/dv décroît, pour ne pas exprimer v par une fonction de u tous les joints moteurs ne
sont pas entraînés indépendamment. Nous appelons ceci une singularité d'actionneur.
Aucune force de réaction ne se développe par rapport à une force externe, les
actionneurs ont un mouvement partiellement saccadé.
actionneurs ont un mouvement partiellement saccadé.
La description donnée ci-après se rapportera à la singularité d'actionneur du
centre d'usinage à six axes selon la présente invention.
centre d'usinage à six axes selon la présente invention.
La Fig. 12 montre un état jacobien dans lequel une équation de contraintes est
différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsqu'un angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90 , dans le centre d'usinage à six axes représenté sur les Fig. 6 à 11. L'axe horizontal représente un angle d'inclinaison de la broche, et l'axe vertical représente l'angle de rotation y de cette broche.
différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsqu'un angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90 , dans le centre d'usinage à six axes représenté sur les Fig. 6 à 11. L'axe horizontal représente un angle d'inclinaison de la broche, et l'axe vertical représente l'angle de rotation y de cette broche.
La partie claire de la Fig. 12 signifie que la broche s'incline progressivement et la partie noircie de la Fig. 12 signifie qu'il y a une singularité d'actionneur, qui ne permet pas d'entraîner les trois joints moteurs indépendamment.
Lorsque l'angle de rotation y de la broche est de 0 , il se produit une singularité dans le voisinage des angles de broche de 36 et 570 Les parties noircies de la Fig. 12 ne se rejoignent jamais quel que soit l'angle de rotation y de la broche qui est établi, lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90" L'utilisation de l'angle de rotation y de la broche, c'est-à-dire un degré excessif de liberté atteint en faisant tourner la broche elle-même, ne suffit pas pour éliminer une singularité de l'actionneur.
Pour résoudre le problème précité de la singularité de l'actionneur, la présente invention a pour objet un centre d'usinage suractionné qui possède un actionneur additionnel pour suractionner les joints passifs, en supplément des six actionneurs destinés à actionner les six joints moteurs. L'actionneur additionnel comprend au moins plus d'un seul actionneur.
Un centre d'usinage à sept axes équipé d'un actionneur de suractionnement sera décrit ci-après en tant que première forme de réalisation de la présente invention.
La Fig. 13 montre des joints passifs sur lesquels les actionneurs de suractionnement peuvent être montés. Les joints de rotation 51, 52 et 53 des trois guides rectilignes verticaux 331, 332 et 333 du centre d'usinage à six axes sont des joints passifs. Le centre d'usinage à sept axes possède une construction dans laquelle un actionneur de suractionnement est monté sur un des joints de rotation 51, 52 et 53 pour l'actionner. Pour obtenir une structure symétrique, I'actionneur de suractionnement est de préférence monté sur le joint de rotation 51 du guide rectiligne vertical descendant 331.
La Fig. 14 illustre un état jacobien dans lequel une équation de contraintes est différenciée par rapport à une variable constituée par un joint passif lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90 , dans le centre d'usinage à sept axes où des actionneurs de suractionnement sont montés sur les joints de rotation des guides verticaux descendants. L'axe horizontal est indicatif de l'angle d'inclinaison de la broche et l'axe vertical est indicatif de l'angle de rotation y de la broche. Dans le cas du centre d'usinage à sept axes, la barrière de singularité disparaît mais la singularité existe sous une forme ponctuelle. Et la singularité n'est pas une barrière dans le voisinage de 36 d'inclinaison de la broche mais elle a l'inconvénient de subsister encore.
Ce problème peut être résolu en ajoutant un autre actionneur de suractionnement.
Ce problème peut être résolu en ajoutant un autre actionneur de suractionnement.
Un centre d'usinage à huit axes équipé de deux actionneurs de suractionnement est présenté par la présente invention. On exécute un test de sensibilité pour les joints de rotation 51,52 et 53 représentés sur la Fig. 13 afin de sélectionner un joint passif auquel on pourra ajouter un actionneur de suractionnement.
Parmi les joints passifs respectifs 51,52 et 53 représentés sur la Fig. 13, le joint de rotation 51 du guide vertical rectiligne descendant 331 sera appelé le premier joint passif le joint de rotation 52 du guide rectiligne vertical ascendant 332 le deuxième joint passif et le joint de rotation 53 d'un autre guide rectiligne vertical ascendant 333 le troisième joint passif.
La Fig. 15 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité gauche (dans le voisinage de 36 d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12. La Fig. 16 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité droite (dans le voisinage de 55" d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12.
Fig. 12. La Fig. 16 montre que la sensibilité des joints passifs respectifs varie avec une barrière de singularité droite (dans le voisinage de 55" d'inclinaison de la broche) de la
Fig. 12.
Comme représenté sur la Fig. 15, la sensibilité du premier joint passif 51 est encore plus faible que celle des autres joints passifs 52 et 53 relativement à la barrière de singularité gauche mais elle croît avec l'accroissement de l'angle de rotation de la gauche. Toutefois, comme représenté sur la Fig. 16, la sensibilité des deuxième et troisième joints passifs 52 et 53 est plus réduite que celle du premier joint passif 51 relativement à la barrière de singularité droite.
Comme les Fig. 15 et 16 le montrent, le centre d'usinage à sept axes équipé d'un actionneur de suractionnement monté sur le premier joint passif 51 est incapable de résoudre entièrement le problème de la singularité d'actionneur dans le vois
La Fig. 20 montre en détail un guide rectiligne vertical ascendant du centre d'usinage à huit axes suractionné selon l'invention. La Fig. 21 montre en détail un guide rectiligne vertical descendant du centre d'usinage à huit axes suractionné selon l'invention.
Le centre d'usinage à huit axes suractionné possède la même construction qu'un centre d'usinage général. C'est-à-dire que le centre d'usinage à huit axes suractionné comprend : un système de broche possédant un outil et un moteur de broche 38 pour permettre la rotation de l'outil, un système de déplacement destiné à déterminer la position et la l'orientation de l'outil , et un système de rotation de la pièce destiné à faire tourner la pièce.
Le système de déplacement possède huit actionneurs, dont trois actionneurs de déplacement vertical 111, 112 et 113 et trois actionneurs de déplacement horizonta} L21, 122 et 123, plus deux actionneurs de suractionnement 130 et 131.
Les trois actionneurs de déplacement vertical 111, 112 et 113 permettent de déplacer des bras de longueur fixe 351, 352 et 353 sur les guides rectilignes verticaux.
Une force d'entraînement en rotation des trois actionneurs de déplacement vertical 111, 112 et 113 est transmise à des écrous à billes 91 par l'intermédiaire de vis à billes respectives 92 avant d'être transmise aux bras de longueur fixe 351, 352 et 353 par des joints de rotation 361, 362 et 363 reliés aux écrous à billes 91. Le résultat est que les bras de longueur fixe 351, 352 et 353 se déplacent le long d'un trajet de déplacement vertical formé par les vis à billes 92.
Les guides rectilignes verticaux respectifs se déplacent le long d'un trajet circonférentiel formé par un guide circulaire horizontal 31 sous l'action de trois actionneurs de déplacement horizontal 121, 122 et 123.
Le joint de rotation du guide rectiligne vertical descendant 331 est suractionné par le premier actionneur de suractionnement 130, et le joint de rotation du guide rectiligne vertical ascendant 332 est suractionné par un deuxième actionneur de suractionnement 13 1.
Deux actionneurs de suractionnement additionnels 130 et 131 éliminent entièrement le problème de la singularité d'actionneur et il n'y a pas de mouvement saccadé lorsque l'angle d'inclinaison de la broche passe de 0 à 90"
Pour prendre en considération la symétrie du centre d'usinage suractionné, et pour renforcer la robustesse du centre d'usinage, un centre d'usinage à neuf axes suractionné selon l'invention possède une construction dans laquelle des actionneurs de suractionnement sont montés sur tous les joints de rotation des trois guides rectilignes verticaux. La position et l'orientation de l'outil sont commandées par neuf actionneurs du centre d'usinage à neuf axes.
Pour prendre en considération la symétrie du centre d'usinage suractionné, et pour renforcer la robustesse du centre d'usinage, un centre d'usinage à neuf axes suractionné selon l'invention possède une construction dans laquelle des actionneurs de suractionnement sont montés sur tous les joints de rotation des trois guides rectilignes verticaux. La position et l'orientation de l'outil sont commandées par neuf actionneurs du centre d'usinage à neuf axes.
Comme décrit plus haut, le centre d'usinage suractionné selon l'invention résout le problème de la singularité d'actionneur qui peut se poser dans le mécanisme parallèle.
En outre, il devient possible d'effectuer une opération de tournage avec un angle d'inclinaison de 90" de la broche.
Il sera visible pour l'homme de l'art que diverses modifications et variations peuvent être apportées à un mécanisme parallèle pour un centre d'usinage du type à usinages multiples selon l'invention sans s'écarter du principe ni de la portée de l'invention. La présente invention entend donc couvrir les modifications et variations de cette invention pourvu qu'elles rentrent dans le domaine des revendications annexées et de leurs équivalents.
Claims (11)
1. Mécanisme parallèle pour déterminer la position et l'orientation d'un outil, caractérisé en ce qu'il comprend:
trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 ; 401, 402, 403 ; 351, 352, 353) reliés à une broche porte-outil (72);
trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 , 331, 332,-333) destinés à permettre aux trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 3511 352, 353) de se déplacer dans une direction verticale, et
un guide circulaire horizontal (76 , 8 , 31) destiné à permettre aux trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 ; 331, 332, 333) de se déplacer horizontalement de 360C sur un arc circulaire.
2. Mécanisme parallèle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
des joints à rotule (R, 301, 302, 303) servant à relier la broche aux trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 351, 352, 353),
des joints de rotation (R , 501, 502, 503 ; 51, 52, 53 , 361, 362, 363) destinés à relier les bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 ; 351, 352, 353) aux guides rectilignes verticaux (601, 602, 603 , 331, 332, 333);
des joints prismatiques (P) opérant en ligne droite qui permettent un déplacement vertical des bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 351, 352, 353) sur les guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 , 331, 332, 333); et
des joints prismatiques (P') opérant sur un arc circulaire, qui permettent un déplacement horizontal des trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 331, 332, 333) sur le guide circulaire horizontal (76 , 8 , 31).
3. Mécanisme parallèle selon la revendication 1, dans lequel les trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 ,401, 402, 403 , 351, 352, 353) sont de même longueur.
4. Mécanisme parallèle selon la revendication, caractérisé en ce que les trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 ; 351, 352, 353) sont de longueurs différentes.
5. Mécanisme parallèle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 , 331, 332, 333) comprennent un guide rectiligne vertical descendant positionné au-dessous du guide circulaire horizontal (76 , 8 , 31) et deux guides rectilignes verticaux ascendants situés au-dessous du guide circulaire horizontal (76, 8 ; 31).
6. Centre d'usinage du type à usinages multiples réalisé sous la forme d'un mécanisme parallèle qui comprend trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403
351, 352, 353) reliés à une broche porte-outil (72), trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 , 331, 332, 333) destinés à permettre aux trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 351, 352, 353) de se déplacer dans une direction verticale, un guide circulaire horizontal (76 , 8 , 31) destiné à permettre aux trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 ; 601, 602, 603 , 331, 332, 333) de se déplacer horizontalement de 360O sur un arc circulaire, des joints à rotule (S ; 301, 302, 303) destinés à relier la broche aux trois bras de longueur fixe (73, 74, 75 ,401, 402, 403
351, 352, 353), des joints de rotation (R, 501, 502, 503 , 51, 52, 53 ,361, 362, 363) destinés à relier les bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 351, 352, 353) aux trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 ; 331, 332, 333); trois joints prismatiques (P) opérant en ligne droite, pour permettre le déplacement vertical des bras de longueur fixe (73, 74, 75 , 401, 402, 403 , 351, 352, 353) sur les trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 , 601, 602, 603 , 331, 332, 333) , et trois joints prismatiques (P') opérant sur un arc circulaire pour permettre un déplacement horizontal des trois guides rectilignes verticaux (83, 84, 85 ; 601, 602, 603 , 331, 332, 333) sur le guide circulaire horizontal (76, 8 8 , 31), caractérisé en ce qu'il comprend:
trois actionneurs de déplacement vertical (701, 702, 703 ; 111, 112, 113), sous l'effet desquels les trois joints prismatiques (P) opérant en ligne droite sont entraînés;:et
trois actionneurs de déplacement horizontal (901, 902, 903 , 121, 122, 123) par lesquels les trois joints prismatiques (P') opérant sur un arc circulaire sont entraînés, ces six actionneurs (701, 702, 703, 901, 902, 903 , 121, 122, 123) permettant à l'outil (1) un mouvement dans six axes de liberté.
7. Centre d'usinage du type à usinages multiples selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un outre un septième actionneur (130, 131) pour suractionner le joint de rotation de l'un des trois guides rectilignes verticaux.
8. Centre d'usinage du type à usinages multiples selon la revendication 7, caractérisé en ce que le septième actionneur (130) est utilisé pour suractionner le joint de rotation (51) du guide rectiligne vertical descendant (331) placé au-dessous du guide circulaire horizontal (31).
9. Centre d'usinage du type à usinages multiples selon la revendication 6, caractérisé en outre en ce qu'il comprend des septième et huitième actionneurs (130, 131) pour suractionner les joints de rotation respectifs de deux guides rectilignes verticaux (331, 332).
10. Centre d'usinage du type à usinages multiples selon la revendication 9, caractérisé en ce que le joint de rotation (51) du guide rectiligne vertical descendant (331) placé au-dessous du guide circulaire horizontal (31) est suractionné par le premier actionneur de suractionnement (130) et que le joint de rotation (52 ou 53) d'un des deux guides rectilignes verticaux ascendants (332, 333) placés au-dessus du guide circulaire horizontal (31) est suractionné par l'autre actionneur de suractionnement.
11. Centre d'usinage du type à usinages multiples selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre trois actionneurs de suractionnement qui permettent aux joints de rotation respectifs (361, 362, 363) des trois guides rectilignes verticaux (331, 332, 333) d'être suractionnés.
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| JPH11207549A (ja) | 1999-08-03 |
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