FR2921577A1

FR2921577A1 - Procede de fabrication d'une machine outil a mouvement orbital, machine-outil obtenue selon le procede et procede d'usinage

Info

Publication number: FR2921577A1
Application number: FR0758007A
Authority: FR
Inventors: Michel Valiere; Didier Frangeard
Original assignee: Spie Sud Ouest SAS
Current assignee: SPIE Industrie et Tertiaire SAS
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-03
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: FR2921577B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure cinématique mettant en oeuvre un mouvement orbital pour un module d'entraînement (200) en rotation d'un outil (O) d'une machine-outil (O), qui est remarquable en ce qu'il consiste à réaliser des opérations d'enlèvement de matière sur au moins un des organes tubulaires (300 ou 400) à âme creuse excentrée à des fins d'équilibrage de l'ensemble tournant à l'intérieur dudit corps (110) solidaire de la machine-outil (M).L'invention concerne également la machine-outil M obtenue par ce procédé ainsi que les procédés d'usinage d'une telle machine-outil.Application : usinage.

Description

- 1 - PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE MACHINE OUTIL À MOUVEMENT ORBITAL, MACHINE-OUTIL OBTENUE SELON LE PROCÉDÉ ET PROCÉDÉ D'USINAGE DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de l'usinage et notamment aux adaptations permettant de réaliser des usinages par mouvements orbitaux dans les meilleures conditions.

DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Il existe dans l'art antérieur une pluralité de solutions technologiques permettant de mettre en oeuvre un mouvement orbital pour un outil. Ainsi, il existe par exemple des machines-outils disposées à l'extrémité d'une structure articulée de type bras robotisé, machines appelées classiquement effecteurs qui sont équipés d'une cinématique et de moyens de motorisation permettant non seulement de mettre en mouvement en rotation l'outil mais également de lui faire suivre une trajectoire circulaire tout en assumant un mouvement vers la pièce. Il existe en outre des moyens cinématiques et de motorisation permettant de réaliser des mouvements hélicoïdaux sur deux ou trois axes. Il existe par exemple la machine-outil d'usinage décrite dans le brevet US 4,789,278 qui est constituée par un assemblage concentrique d'organes tubulaires accueillant en son centre un moyen de mise en mouvement de rotation d'un outil selon un premier axe de rotation et venant se fixer sur sa périphérie extérieure à un logement de la machine-outil prévue à cet effet. Les organes tubulaires sont en liaison pivot les uns par rapport aux autres de façon excentrique pour faire réaliser une trajectoire circulaire à l'outil autour d'un axe décalé par rapport à son axe de rotation. Les organes tubulaires sont mus en rotation simultanément ou bien de sorte qu'une différence de vitesse de rotation entre eux ait pour - 2 - conséquence une variation de position angulaire d'un organe tubulaire par rapport à l'autre et donc de l'excentricité de la course orbitale de l'outil. La demanderesse a constaté que cette technologie 5 présentait une pluralité d'inconvénients . - une telle succession de guidages présente un manque de rigidité et de précision, - une telle configuration présente un balourd important. Afin d'augmenter la rigidité de telles 10 configurations, il est classique d'augmenter les dimensions des éléments constitutifs ce qui augmente leur encombrement et la masse totale. L'excentration requiert une répartition des surfaces de guidage et donc des masses différentes de part et 15 d'autre de l'axe de rotation des organes tubulaires ce qui provoque l'excentration du centre de gravité de l'ensemble. La résultante des moments générés par les forces centrifuges n'est pas nulle ce qui a pour conséquence la possibilité de défauts dans les usinages 20 réalisés. L'utilisation connue de masselottes d'équilibrage ne peut que répondre partiellement à ce déséquilibre notamment dynamique car en dehors du fait qu'elles constituent un alourdissement de l'effecteur, les zones où 25 placer ces dernières ne sont pas toujours accessibles. La présence de ce balourd est la cause principale de la limitation des possibilités d'une telle configuration car il impose une limitation très importante de la vitesse de rotation du système orbital. 30 DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait, la demanderesse a mené des recherches visant à améliorer les performances d'une machine-outil d'usinage à mouvement orbital exploitant des configurations cinématiques à surfaces de guidage 35 excentrées. Ces recherches ont abouti à la conception d'un - 3 - procédé de fabrication d'une machine-outil accueillant une structure cinématique mettant en œuvre un mouvement orbital pour un module d'entraînement en rotation d'un outil d'une machine-outil, la structure cinématique comprenant . - un corps solidaire de la machine-outil et préformé d'un logement sensiblement cylindrique à des fins d'accueil selon une liaison pivot d'un premier organe tubulaire tournant présentant une âme creuse et qui est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse est préformée, - ladite âme creuse accueille selon une liaison pivot un deuxième organe tubulaire tournant qui, présentant une âme creuse, est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse est préformée, - l'âme creuse du deuxième organe tubulaire accueille ledit module d'entraînement en rotation de l'outil. Ce procédé de fabrication est remarquable en ce qu'il consiste à réaliser des opérations d'enlèvement de matière sur au moins un des organes tubulaires à âme creuse excentrée à des fins d'équilibrage de l'ensemble tournant à l'intérieur dudit corps solidaire de la machine-outil. 25 Cette caractéristique est particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet d'assurer l'équilibrage de la structure cinématique participant à la mise en œuvre de la trajectoire orbitale en enlevant de la matière dans ses éléments constitutifs c'est à dire dans les organes 30 tubulaires excentriques. Cet enlèvement de matière participe à l'équilibrage et à l'allégement de la machine- outil répondant ainsi aux objectifs de l'invention. Elle exploite le déport de masse créé par la présence des surfaces excentrées pour équilibrer l'ensemble tournant. 35 Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé consiste à réaliser 10 15 20 - 4 - des opérations d'enlèvement de matière sur les deux organes tubulaires à âme creuse excentrée pour ramener la résultante des moments des forces centrifuges issues des masses entraînées en rotation dans le mouvement du deuxième organe tubulaire sur l'axe de rotation dudit deuxième organe tubulaire d'une part et pour rendre nulle la résultante des moments des forces centrifuges issues des masses entraînées en rotation dans le mouvement du premier organe tubulaire d'autre part.

L'ensemble de la structure mobile tournant est ainsi parfaitement équilibrée aussi bien statiquement que dynamiquement. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé consiste à prendre en compte l'ensemble des masses mobiles liées au différents éléments mobiles. Ainsi, l'enlèvement de matière prend en compte non seulement les masses déportées dues à l'excentricité mais également les masses déportées du fait de leur fonction tels les organes d'entraînement liés aux organes tubulaires, les éventuels capteurs, etc... La prise en compte de l'ensemble de ces masses permet d'obtenir, conformément aux objectifs de l'invention, une machine-outil à structure excentrique équilibrée dynamiquement précisions d'usinage et des L'invention concerne adoptant la configuration permettant d'obtenir des vitesses de coupe optimisées. également la machine-outil ci-dessus décrite et obtenue selon ce procédé. Cette machine-outil est remarquable en ce que lesdits organes tubulaires sont ajourés d'orifices assurant l'équilibrage dynamique de l'ensemble des éléments tournants et sont préformés de surfaces d'accueil de bagues de roulement mettant en oeuvre par paire les dites liaisons pivots. Cette configuration très rigide autorise l'utilisation d'outils longs et l'utilisation de rallonges permettant de déporter la zone d'usinage loin devant - 5 - l'électrobroche alors qu'elle se situe habituellement près de celle-ci du fait du manque de rigidité des dispositifs de l'art antérieur. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, un seul moyen de mise en mouvement assure les déplacements nécessaires à l'excentration et ceux nécessaires à la trajectoire orbitale. Ainsi, l'actionneur prévu pour entraîner en rotation selon la trajectoire orbitale est ici utilisé comme moyen de réglage du rayon de cette trajectoire en modifiant la position d'un organe tubulaire par rapport à l'autre de façon à faire varier la position des axes excentrés. Pour ce faire, l'excentrique intérieur est bloqué temporairement en rotation par un index qui provoque en même temps la désolidarisation des deux excentriques entre eux. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le module d'entraînement de l'outil est en liaison pivot dans l'âme creuse excentrée du deuxième organe tubulaire et est associé à un chariot croisé qui autorise le mouvement orbital mais empêche la rotation sur lui-même du module. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la machine-outil est associée à un dispositif de mesure de l'usinage réalisé. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les deux organes tubulaires excentriques sont chacun équipé d'un moyen de mise en mouvement dont la désynchronisation programmée assure le changement des excentricités. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les organes tubulaires sont chacun mus par un moteur à axe direct. La configuration de la machine-outil permet d'obtenir des paramètres très précis quant au contrôle de la puissance absorbée et au contrôle de l'effort de - 6 -poussée. Ainsi, lors d'un usinage, il est possible de détecter le passage d'un matériau à un autre par exemple dans la réalisation d'un orifice dans une pièce adoptant une structure dite "sandwich". Cette configuration permet ainsi d'envisager des procédés d'usinage contribuant à optimiser la réalisation dudit orifice. L'invention concerne donc également, le procédé d'usinage d'une telle machine-outil appliqué à une pièce présentant plusieurs matériaux associés, qui consiste à faire varier l'excentricité et en conséquence, le diamètre de la trajectoire orbitale selon le matériau traversé. Une autre caractéristique de ce procédé consiste à faire varier la vitesse du mouvement orbital et/ou de rotation de l'outil en fonction dudit matériau traversé. En effet, l'utilisation d'une structure cinématique à excentrique pour réaliser le mouvement orbital permet de changer instantanément et pendant l'usinage, le rayon de la trajectoire orbitale ainsi que les vitesses. 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 description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'une machine-outil conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'une vue de situation d'un ensemble susceptible d'utiliser la machine-outil de l'invention, Les figures 2a, 2b et 2c sont des dessins schématiques d'une coupe selon un plan de coupe radial de la machine-outil de l'invention prenant trois positions différentes, La figure 3 est un dessin schématique d'une coupe 35 selon un plan axial de la machine-outil dans la position de la figure 2a, La figure 4 est un dessin schématique d'une coupe selon un plan axial de la machine outil dans la position de la figure 2c, La figure 5 est un dessin schématique d'une coupe selon un plan axial d'un autre mode de réalisation de la machine-outil, La figure 6 est un dessin schématique d'une coupe selon un plan axial d'un autre mode de réalisation de la machine-outil.

DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Telle qu'illustrée sur le dessin de la figure 1, la machine-outil M de l'invention est du type de celle disposée à l'extrémité d'une structure articulée de type bras robotisé B et appelée classiquement effecteur qui est équipé d'une cinématique et de moyens de motorisation permettant non seulement de mettre en mouvement en rotation l'outil O mais également de lui faire suivre une trajectoire circulaire tout en assumant un mouvement vers la pièce P.

L'invention concerne plus particulièrement la tête 100 de la machine-outil M, tête qui présente une configuration particulière qui sera décrite ci-après. Selon la configuration proposée par les dessins des figures 2a, 2b, 2c, 3 et 4, la tête 100 de la machine- outil de l'invention guide et entraîne en rotation un module d'entraînement d'un outil O au moyen d'une structure cinématique mettant en œuvre un mouvement orbital, la structure cinématique comprenant . - un corps 110 solidaire de la machine-outil et préformé d'un logement 111 sensiblement cylindrique à des fins d'accueil selon une liaison pivot d'un premier organe tubulaire 300 présentant une âme creuse 310 et qui est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse 310 est préformée, - ladite âme creuse 310 accueille selon une liaison pivot 5 10 15 20 25 30 35 - 8 - un deuxième organe tubulaire 400 qui, présentant une âme creuse 410, est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse est préformée, - l'âme creuse 410 du deuxième organe tubulaire accueille selon une liaison pivot ledit module d'entraînement 200 en rotation de l'outil O. Conformément à l'invention, lesdits organes tubulaires à excentriques 300 et 400 sont ajourés d'orifices 320 et 420 assurant l'équilibrage dynamique de l'ensemble des éléments tournants et sont préformés de surfaces d'accueil des roulements 500 mettant en œuvre par paire les dites liaisons pivot. Ainsi, les bagues des roulements 510 et 520 assurent le guidage en rotation entre le logement fixe 111 pratiqué dans la tête de la machine-outil 100 et la surface extérieure du premier organe tubulaire à excentrique 400, les bagues des roulements 530 et 540 assurent le guidage en rotation entre l'âme creuse excentrée 310 du premier organe tubulaire 300 et la surface extérieure dudit deuxième organe tubulaire 400, les bagues des roulements 550 et 560 assurent le guidage en rotation entre l'âme creuse excentrée 410 du deuxième organe tubulaire et le fourreau accueillant l'organe d'entraînement en rotation 200 de l'outil O. Selon un mode de réalisation préféré, les différents sous-ensembles constituant la configuration cinématique mettant en œuvre le mouvement excentrique sont préformés de sorte que les bagues des roulements situées d'un même côté 510, 530, 550 et 520, 540, 560 sont positionnées dans un même plan. Cette configuration facilite l'opération d'équilibrage et améliore la rigidité. Les effets d'une telle configuration excentrique apparaissent sur les dessins des figures 2a, 2b et 2c. Les figures 2a et 3 montrent une position où les deux organes tubulaires 300 et 400 sont positionnés l'un par 10 15 20 25 30 35 - 9 - rapport à l'autre de façon à ce que l'excentrique soit maximal c'est à dire que l'axe de rotation Al de l'outil O soit le plus éloigné possible de l'axe de rotation A2 de l'organe tubulaire 300. Pour ce faire, l'organe tubulaire 400 adopte une position angulaire en tournant relativement autour de son axe A3 de sorte que l'axe Al s'éloigne de l'axe A2. La trajectoire orbitale de l'outil O apparaît sous la forme d'un cercle T1 en traits interrompus courts. Pour faire varier le diamètre de la trajectoire orbitale, les deux organes tubulaires 300 et 400 tournent l'un par rapport à l'autre pour adopter par exemple la position illustrée la figure 2b ou celle illustrée par les figures 2c et 4. La figure 2b illustre une position des excentriques telle où la trajectoire orbitale T2 adopte un diamètre inférieur à celui de la position précédente par rotation relative de l'organe 400 à l'intérieur du logement 310 de l'organe 300. Les figures 2c et 4 illustrent une position où la rotation des organes tubulaires a amené les axes Al et A2 à se confondre. La mise en œuvre du mouvement orbital par une configuration à excentrique autorise la variation d'un diamètre de trajectoire à un autre pendant l'usinage. L'invention est remarquable en ce que, quelle que soit la position relative des axes, la configuration cinématique est équilibrée. En effet, l'enlèvement de matière dans l'organe 400 a permis de ramener la résultante des moments issus des sous-ensembles mis en mouvement par la rotation de l'organe 400 sur l'axe A3 et que l'enlèvement de matière dans l'organe 300 a permis de rendre nulle la résultante des moments sur l'axe A2. Comme expliqué plus haut, l'enlèvement de matière pratiqué dans les organes tubulaires tient compte de la prise de mesure du balourd aussi bien issu des excentrations que d'autres éléments liés auxdits organes - 10 - 20 tubulaires 300 et 400 et notamment les sous-ensembles non illustrés assurant la mise en mouvement. La mise en mouvement des deux organes tubulaires et leur déplacement angulaire l'un par rapport à l'autre peuvent être mis en oeuvre par plusieurs solutions décrites ci-après. Une première solution technologique consiste à associer aux deux organes tubulaires des roues dentées et à les faire tourner au moyen de pignons couplés et débrayables. Une autre solution technologique consiste à associer aux deux organes tubulaires, des roues dentées et à les faire tourner au moyen de pignons présentant des motorisations indépendantes dont la désynchronisation programmée assure le changement des excentricités et donc du diamètre de la trajectoire orbitale. L'excentrique intérieur peut également être bloqué temporairement en rotation par un index qui provoque en même temps la désolidarisation des deux excentriques entre eux. Le moyen de solidarisation des deux excentriques peut être constitué par un blocage hydromécanique par bagues déformables. Une autre solution est illustrée par le dessin de la figure 6 où les organes tubulaires sont chacun mus par un 25 moteur à axe direct dont la désynchronisation programmée assure le changement des excentricités et donc du diamètre de la trajectoire orbitale. La souplesse du changement d'excentricité autorise la mise en œuvre des procédés d'usinage, objet de 30 l'invention. Selon le mode de réalisation illustré par le dessins des figures 1, 2a, 2b, 2c, 3, 4 et 6, ledit module d'entraînement en rotation de l'outil O est constitué par une électrobroche indépendante qui vient se placer dans un 35 fourreau en liaison pivot à l'intérieur de l'âme creuse 410 excentrée du deuxième organe tubulaire. La présence de 10 15 - 11 - cette liaison pivot permet d'éviter que le corps de l'électrobroche ne tourne sur son axe pendant le mouvement orbital. Pour éviter ce mouvement de rotation, cette liaison pivot mise en œuvre par la paire de roulements 550 et 560 est associée à un chariot croisé non illustré qui autorise le mouvement orbital mais empêche la rotation sur lui-même du module d'entraînement. Selon un autre mode de réalisation illustré par le dessin de la figure 5, l'âme creuse 410 de l'organe tubulaire 400 supporte le stator assurant la rotation du rotor porte-outil. Dans ce mode de réalisation, le module d'entraînement de l'outil est constitué par un moteur dont les éléments constitutifs sont solidaires de la structure cinématique mettant en œuvre le mouvement orbital. La demanderesse a ainsi imaginé une nouvelle machine-outil constituée par une électrobroche E dont le corps intègre une cinématique assurant le mouvement orbital en addition du mouvement en rotation de l'outil. On comprend que le procédé de fabrication, la machine-outil et les procédés d'usinage, qui viennent d'être ci-dessus décrit et représentés, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 25 5 10 15 20 30 35

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une structure cinématique mettant en œuvre un mouvement orbital pour un module d'entraînement (200) en rotation d'un outil (0) d'une machine-outil (0), la structure cinématique comprenant . - un corps (110) solidaire de la machine-outil (M) et préformé d'un logement (111) sensiblement cylindrique à des fins d'accueil selon une liaison pivot d'un premier organe tubulaire (300) présentant une âme creuse (310) et qui est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse (310) est préformée, - ladite âme creuse accueille selon une liaison pivot un deuxième organe tubulaire (400) qui, présentant une âme creuse (410), est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse (410) est préformée, - l'âme creuse (410) du deuxième organe mobile accueille ledit module d'entraînement (200) en rotation de l'outil (0), CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser des opérations d'enlèvement de matière sur au moins un des organes tubulaires (300 ou 400) à âme creuse excentrée à des fins d'équilibrage de l'ensemble tournant à l'intérieur dudit corps (110) solidaire de la machine-outil (M).

2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser des opérations d'enlèvement de matière sur les deux organes tubulaires (300 et 400) à âme creuse excentrée pour ramener la résultante des moments des forces centrifuges issues des masses entraînées en rotation dans le mouvement du deuxième organe tubulaire (400) sur l'axe de rotation (A3) dudit deuxième organe tubulaire (400) d'une part et pour rendre nulle la résultante des moments des forces centrifuges issues des masses entraînées en rotation dans- 13 - le mouvement du premier organe tubulaire (300) d'autre part.

3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à prendre en compte l'ensemble des masses mobiles liées aux différents éléments mobiles.

4. Machine-outil (M) obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 3, du type de celle à mouvement orbital constituée par d'une structure cinématique mettant en œuvre un mouvement orbital pour un module d'entraînement en rotation d'un outil (0) d'une machine-outil (M), la structure cinématique comprenant . - un corps (110) solidaire de la machine-outil (M) et préformé d'un logement (111) sensiblement cylindrique à des fins d'accueil selon une liaison pivot d'un premier organe tubulaire (300) présentant une âme creuse (310) et qui est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse (310) est préformée, 20 - ladite âme creuse accueille selon une liaison pivot un deuxième organe tubulaire (400) qui, présentant une âme creuse (410), est préformé d'une surface cylindrique extérieure excentrée par rapport à la surface cylindrique intérieure dont son âme creuse (410) est préformée, - l'âme creuse (410) du deuxième organe mobile accueille ledit module d'entraînement (200) en rotation de l'outil (0), CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE lesdits organes tubulaires (300 et 400) sont ajourés d'orifices (320 et 420) assurant l'équilibrage dynamique de l'ensemble des éléments tournants et sont préformés de surfaces d'accueil de roulements mettant en œuvre par paire les dites liaisons pivot.

5. Machine-outil (M) selon la revendication 4, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE les organes tubulaires (300 et 400) sont chacun mus par un moteur à axe direct dont la désynchronisation programmée assure le changement des 10 15 25 30 35- 14 - excentricités et donc du diamètre de la trajectoire orbitale.

6. Machine-outil (M) selon la revendication 4, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE ledit module d'entraînement (200) en rotation de l'outil est constitué par une électrobroche.

7. Machine-outil selon la revendication 4 CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE ledit module d'entraînement (200) en rotation de l'outil (0) est constitué par une électrobroche indépendante qui vient se placer dans un fourreau en liaison pivot à l'intérieur de l'âme creuse (410) excentrée du deuxième organe tubulaire (400), cette liaison pivot étant associée à un chariot croisé qui autorise le mouvement orbital mais empêche la rotation sur lui-même du module d'entraînement (200).

8. Machine-outil (M) selon la revendication 4, CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QU'elle est constituée par une électrobroche dont le corps intègre une cinématique assurant le mouvement orbital en addition du mouvement en rotation de l'outil.

9. Procédé d'usinage de la machine-outil selon la revendication 4, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à faire varier l'excentricité et en conséquence, le diamètre de la trajectoire orbitale selon le matériau traversé.

10. Procédé d'usinage de la machine-outil selon la revendication 4, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à faire varier la vitesse de rotation du mouvement orbital et/ou de rotation de l'outil en fonction du matériau traversé.30