FR3053617A1

FR3053617A1 - Bras robotise collaboratif d'usinage securise

Info

Publication number: FR3053617A1
Application number: FR1656483A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Acoulon; Cyril Jacquelin; Etienne YVAIN
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: FR3053617B1

Abstract

La présente invention concerne un bras robotisé d'usinage comprenant un bras mobile (14) et un ensemble d'usinage (20). Ledit ensemble d'usinage (20) comprenant une broche (28) et un organe moteur (34) pour entraîner ladite broche en rotation, ladite broche (28) étant destinée à recevoir axialement un outil (30) de manière à pouvoir entraîner ledit outil en rotation, ledit bras mobile (14) étant adapté à entraîner en mouvement ledit outil (30, 32) en rotation pour l'engager dans une pièce à usiner (50). Ledit ensemble d'usinage (20) comprend en outre un organe tubulaire (26) présentant une paroi tubulaire (46) destinée à venir s'étendre autour dudit outil (30, 32) en formant jupe. Ledit organe tubulaire (26) est monté mobile en translation axiale par apport audit outil (30, 32), de manière à pouvoir découvrir ledit outil lorsque ledit outil (30, 32) est engagé dans ladite pièce à usiner (50).

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :

(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)

©) N° d’enregistrement national

053 617

56483

COURBEVOIE © Int Cl⁸ : B 25 J 9/00 (2017.01)

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION

A1

©) Date de dépôt : 06.07.16.	© Demandeur(s) : CENTRE TECHNIQUE DES INDUS-
(30) Priorité :	TRIES MECANIQUES — FR.
	@ Inventeur(s) : ACOULON SYLVAIN, JACQUELIN
	CYRIL et YVAIN ETIENNE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 12.01.18 Bulletin 18/02.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux	® Titulaire(s) : CENTRE TECHNIQUE DES INDUS-
apparentés :	TRIES MECANIQUES.
©) Demande(s) d’extension :	© Mandataire(s) : CABINET FEDIT LORIOT.

54) BRAS ROBOTISE COLLABORATIF D'USINAGE SECURISE.

FR 3 053 617 - A1 _ La présente invention concerne un bras robotisé d'usinage comprenant un bras mobile (14) et un ensemble d'usinage (20). Ledit ensemble d'usinage (20) comprenant une broche (28) et un organe moteur (34) pour entraîner ladite broche en rotation, ladite broche (28) étant destinée à recevoir axialement un outil (30) de manière à pouvoir entraîner ledit outil en rotation, ledit bras mobile (14) étant adapté à entraîner en mouvement ledit outil (30, 32) en rotation pour l'engager dans une pièce à usiner (50). Ledit ensemble d'usinage (20) comprend en outre un organe tubulaire (26) présentant une paroi tubulaire (46) destinée à venir s'étendre autour dudit outil (30, 32) en formant jupe. Ledit organe tubulaire (26) est monté mobile en translation axiale par apport audit outil (30, 32), de manière à pouvoir découvrir ledit outil lorsque ledit outil (30, 32) est engagé dans ladite pièce à usiner (50).

Bras robotisé collaboratif d’usinage sécurisé

La présente invention se rapporte à un bras robotisé collaboratif 5 d’usinage destiné à oeuvrer sans risque en collaboration avec des opérateurs humains.

Les environnements robotisés connus, notamment les chaînes de montage d’ensembles complexes identiques, par exemple d’automobiles ou d’équipements électroménagers, comprennent une succession de bras îo robotisés disposés le long de ces chaînes. Ces bras robotisés sont destinés, non seulement à rapporter des pièces sur l’élément en construction, mais aussi, à venir usiner ou encore souder ces pièces sur l’élément.

Ces bras robotisés comportent un bras mobile, présentant une pluralité de segments et en particulier un dernier segments présentant une extrémité distale équipée de moyens de préhension, d’organes de soudage ou bien d’usinage ou encore de perçage. Dans ce dernier cas, l’extrémité distale est équipée d’un ensemble d’usinage comprenant une broche et un organe moteur pour pouvoir entraîner la broche en rotation. Cette dernière est destinée à recevoir un outil, par exemple une fraise. Les mouvements prédéfinis des segments du bras robotisé vont permettre à la fraise d’usiner une pièce selon une course prédéterminée.

Pour des raisons de sécurité, usuellement, on isole les bras robotisés dans des enceintes équipées de protecteurs adaptés. On évite ainsi que les segments des robots ou l’ensemble d’usinage, ne viennent heurter les opérateurs humains. On évite également que les projections liées à l’usinage, soit des copeaux, ou des morceaux d’outils brisés, ne viennent les blesser.

Cependant, de plus en plus, les opérateurs humains interagissent avec les robots de manière à les suppléer et aussi à améliorer la productivité. Aussi, il est possible de supprimer les enceintes autour des bras robotisés pour aider à la collaboration avec l’humain.

Un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir plus précisément un bras robotisé d’usinage autour duquel des opérateurs humains peuvent interagir sans risque.

Dans ce but, il est proposé un bras robotisé d’usinage comprenant un 5 bras mobile présentant une extrémité libre et un ensemble d’usinage monté sur ladite extrémité libre, ledit ensemble d’usinage comprenant une broche et un organe moteur pour entraîner ladite broche en rotation, ladite broche étant destinée à recevoir axialement un outil de manière à pouvoir entraîner ledit outil en rotation, ledit bras mobile étant adapté à entraîner en mouvement ledit io outil en rotation pour l’engager dans une pièce à usiner. Ledit ensemble d’usinage comprend en outre un organe tubulaire présentant une paroi tubulaire destinée à venir s’étendre autour dudit outil en formant jupe, et ledit organe tubulaire est monté mobile en translation axiale par apport audit outil, de manière à pouvoir découvrir ledit outil lorsque ledit outil est engagé dans ladite pièce à usiner.

Ainsi, une caractéristique de l’invention réside dans la mise en oeuvre d’un organe tubulaire rétractable dont la paroi tubulaire vient s’étendre autour de l’outil, en position de repos et qui se rétracte de manière contrôlée lorsque l’outil est en fonctionnement. De la sorte, lorsque l’outil est une fraise par exemple, et qu’elle est engagée à travers une pièce à usiner, l’organe tubulaire vient s’appliquer axialement sur la pièce, ce qui permet de confiner les copeaux autour de l’outil et d’éviter qu’ils ne soient projetés dans un sens opposé à l’outil au risque de blesser un opérateur humain. Cela permet également de préserver ce dernier, dans les cas plus graves où l’outil se rompt. On observera que la pièce à usiner peut être une pièce métallique ou bien encore une pièce en matériau composite.

Selon un mode de réalisation de l’invention particulièrement avantageux, ledit ensemble d’usinage comprend des organes élastiques destinés à maintenir ledit organe tubulaire de façon que ladite paroi tubulaire s’étende autour dudit outil, et à se comprimer élastiquement lorsque ledit organe tubulaire découvre ledit outil. De la sorte, l’organe tubulaire est rappelé élastiquement vers une position où sa paroi tubulaire coiffe l’outil dès lors qu’il est libéré. Partant, lorsque le bras du robot entraîne l’ensemble d’usinage, d’une pièce usinée vers une autre pièce à usiner, dès lors que l’organe tubulaire n’est plus en contact avec la pièce, grâce aux organes élastiques, il retrouve sa position initiale où sa paroi tubulaire coiffe l’outil. Ce dernier, bien que sa rotation soit stoppée, est coiffé il n’y a pas de risques de blesser gravement un opérateur humain en cas de contact avec l’ensemble d’usinage ou l’organe tubulaire.

Selon un mode de mise en œuvre de l’invention préférée, mais non limitatif, ledit ensemble d’usinage comprend en outre un corps cylindrique de îo guidage permettant de recevoir ledit organe tubulaire. Ainsi, l’organe tubulaire est parfaitement guidé en translation à l’intérieur du corps cylindrique de guidage, non seulement lorsqu’il reçoit une compression axiale et se rétracte, mais aussi lorsqu’il est relâché et que les organes élastiques agissent sur lui pour qu’il retrouve sa position de repos où il coiffe l’outil.

Avantageusement, mais non limitativement, ledit corps cylindrique de guidage présente deux parois concentriques formant un logement annulaire apte à recevoir ledit organe tubulaire. L’organe tubulaire est alors monté à coulissement à l’intérieur du logement annulaire et il est en cela mieux guidé en translation selon sa direction axiale.

En outre, ledit corps cylindrique de guidage comprend, selon une caractéristique avantageuse, une surface externe et des organes de signalisation installés sur ladite surface externe. Les organes de signalisation sont par exemple des voyants lumineux. Les voyants lumineux sont par exemple de type LED.

Aussi, lesdits organes de signalisation fournissent un signal d’approche lorsque ledit organe tubulaire vient en approche de ladite pièce. La course de l’ensemble d’usinage imprimée par le bras du robot est prédéfinie, et par conséquent la position relative de l’outil et de la pièce à usiner est prédéterminée. Aussi, le bras robotisé d’usinage comporte en outre des moyens de commande et de contrôle permettant de commander l’allumage du signal d’approche, c’est-à-dire le fonctionnement des organes de signalisation, lorsque l’outil approche de la pièce à usiner. Selon un autre mode de mise en œuvre, l’ensemble d’usinage comporte un dispositif de détection, par exemple acoustique, permettant de déterminer la position relative de l’ensemble d’usinage et de la pièce à usiner. D’autres dispositifs de détection à distance peuvent être mis en œuvre.

En outre, lesdits organes de signalisation fournissent un signal de fonctionnement lorsque ledit outil est entraîné en rotation. De la sorte, tout opérateur humain est informé du fonctionnement de l’outil, ce qui permet d’accroître la sécurité.

Pour accroître plus encore cette sécurité, ledit outil est entraîné en îo rotation lorsque ledit organe tubulaire vient en contact avec ladite pièce. Ainsi, lorsque les moyens de commande et de contrôle reçoivent une information représentative du contact de l’organe tubulaire et de la pièce à usiner, ils déclenchent le fonctionnement de la broche et par conséquent la rotation de l’outil. Ce déclenchement peut également être conditionné par l’estimation de la position relative de l’ensemble d’usinage et de la pièce à usiner. De la sorte, le fonctionnement de l’outil est conditionné à l’existence de deux états, ce qui permet d’augmenter le niveau de sécurité de fonctionnement de l’outil.

Plus encore, ledit ensemble d’usinage comprend des capteurs de contact montés sur ledit organe tubulaire, de manière à commander l’arrêt de l’outil en rotation lorsque ledit organe tubulaire rencontre un obstacle. Le corps cylindrique de guidage peut également être équipé de tels capteurs de contact. Ainsi, le fonctionnement de l’outil est arrêté dès lors que le corps cylindrique de guidage ou l’organe tubulaire rencontre un obstacle, mais également lorsqu’ils sont heurtés par un autre élément, ou bien un opérateur humain. Cela permet de renforcer plus encore la sécurité autour du robot.

Avantageusement, ledit organe tubulaire est de symétrie cylindrique à directrice circulaire. Il en est alors de même du corps cylindrique de guidage. Partant, l’axe de rotation de l’outil coïncide avantageusement avec l’axe de symétrie de l’organe tubulaire.

D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la Figure 1 est une vue schématique en perspective d’un bras robotisé d’usinage selon l’invention ;

- la Figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d’un élément du bras robotisé d’usinage représenté sur la Figure 1 ;

- la Figure 3 est une vue schématique de face de l’élément du bras robotisé d’usinage représenté sur la Figure 2, dans une première position ;

- la Figure 4 est une vue schématique de face de l’élément du bras îo robotisé d’usinage représenté sur la Figure 2, dans une deuxième position ; et,

- la Figure 5 est une vue schématique de face de l’élément du bras robotisé d’usinage représenté sur la Figure 2, dans une troisième position.

La Figure 1 illustre un bras robotisé d’usinage 10 conforme à l'invention. Il présente une embase 12 permettant de le maintenir en position fixe sur un bâti fixé au sol ou mobile et à l'opposé, un segment terminal 14 d’un bras 15. Le segment terminal 14 présente une extrémité distale 16 sur laquelle est installé un ensemble d'usinage 20. L'ensemble d'usinage 20 présente un bloc-moteur 22 duquel s'étend en saillie un corps cylindrique de guidage 24 et à l'extrémité libre un organe tubulaire 26 présentant un bord libre 25. Le bras robotisé d’usinagelO comprend également des organes de commande et de contrôle non représentés sur les Figures. Ces organes incluent eux-mêmes des moyens mémoires dans lesquels sont notamment enregistrées les trajectoires de l'ensemble d'usinage 20.

On se référera à la Figure 2 montrant schématiquement en coupe axiale l'ensemble d'usinage 20 et ses différents éléments précités.

L'ensemble usinage 20 comprend une broche 28 dans laquelle est engagé un outil 30 présentant une fraise 32. L'outil 30 est en prise coaxialement à l'intérieur de la broche 28. Ainsi, il est monté en position fixe axialement par rapport à la broche 28 et également en prise en rotation par rapport à cette même broche 28. La broche 28 est entraînée en rotation au moyen d'un organe moteur 34 constitué par exemple d'un moteur électrique. Ces différents éléments sont maintenus par une ossature non représentée et sont recouverts par un carter 36. L'outil 30 vient alors s'étendre en saillie du carter 36 à l'opposé de l'organe moteur 34.

On retrouve également sur la Figure 2, le corps cylindrique de guidage 24 prolongeant le carter 36 et traversé coaxialement par l'outil 30. Le corps cylindrique de guidage 24 est de symétrie cylindrique à directrice circulaire et il présente deux parois concentriques, une paroi externe 38 et une paroi interne 40 maintenues en position fixe l'une par rapport à l'autre et permettant de ménager un logement annulaire 42. En outre, on retrouve l'organe tubulaire 26, lui-même de symétrie cylindrique à directrice circulaire et monté à îo coulissement à l'intérieur du logement annulaire 42. Il est sur la Figure 2 repoussé axialement vers l'extérieur du corps cylindrique de guidage 24 par l'intermédiaire d'un ressort hélicoïdal 44 s'étendant dans le logement annulaire 42. L'organe tubulaire 26 présente une paroi tubulaire 46 qui s'étend coaxialement autour de l'outil 30 et de la fraise 32. De la sorte, cette dernière est préservée vis-à-vis de l'extérieur. Plus précisément, un opérateur humain pourrait malencontreusement heurter l'organe tubulaire 26 sans rencontrer la fraise 32 sans quoi il risquerait de se blesser.

On décrira en regard des Figures suivantes, le mode de fonctionnement du bras robotisé d’usinage conforme à l'invention pour pouvoir usiner une pièce en matériau composite 50, aussi dénommée pièce composite.

La Figure 3 illustre les seuls, ensemble d'usinage 20 vue de face et pièce à usiner 50. On observera que le corps cylindrique de guidage 24 est équipé de voyants lumineux 52 montés de proche en proche sur toute la périphérie de la surface externe du corps cylindrique de guidage 24.

Aussi, tel que représenté sur la Figure 3, où le segment terminal 14 a porté l'ensemble d'usinage 20 au voisinage de la pièce 50, l'organe moteur 34 est à l'arrêt et les voyants lumineux 52 s'affichent en couleur verte.

Ensuite, en regard de la Figure 4, le segment terminal 14 vient porter l'ensemble d'usinage 20 au voisinage de la pièce 50 et conséquemment, les voyants lumineux 52 du corps cylindrique de guidage 24 sont portés à la couleur jaune, afin d'en avertir les opérateurs humains situés à proximité. L'affichage des voyants lumineux est alors commandé par les organes de commande et de contrôle, lesquels ont en mémoire la position relative de la pièce 50 et de l'ensemble d'usinage 20.

Le segment terminal 14 poursuit sa course et entraîne plus encore l'ensemble d'usinage 20 vers la pièce en matériau composite 50 de manière à ce que le bord libre 25 de l'organe tubulaire 26 vienne en contact avec la pièce 50. Un premier capteur de mouvement non représenté est apte à détecter le mouvement relatif de l'organe tubulaire 26 et du corps cylindrique de guidage 24. Et le premier capteur détecte ce mouvement dès que le bord libre 25 vient en contact avec la pièce 50. Dès lors, les organes de commande et de îo contrôle, voyant réunis les deux conditions, de la proximité de l'ensemble d'usinage 20 et de la pièce 50 d'une part, et le contact de l'organe tubulaire 26 avec la pièce 50 révélé par le premier capteur précité, d'autre part, commande l'organe moteur 34 et partant, la rotation de la fraise 32. Au surplus, les organes de commande et de contrôle commande l'affichage des voyants lumineux 52 en rouge. Les opérateurs humains situés à proximité sont ainsi avertis du fonctionnement de l'outil 30.

On se reportera à présent sur la Figure 4, sur laquelle le segment terminal 14 entraîne axialement la fraise 32 à travers la pièce composite 50. Ainsi, après que le bord libre 25 de l'organe tubulaire 26 a été porté en contact contre la pièce composite 50, le segment terminal 14 poursuit sa course de manière à entraîner axialement la fraise 32 à travers la pièce composite 50, tandis que l'organe tubulaire 26 se rétracte axialement et vient se loger à l'intérieur du logement annulaire 42, tandis que le ressort hélicoïdal 44 se comprime. De la sorte, durant la phase où la fraise 32 vient usiner la pièce 50, le bord libre 25 de l'organe tubulaire 26 demeure en contact avec la pièce 50 autour de la zone creusée par la fraise 32 de manière à y confiner l'espace. Ainsi, les copeaux métalliques qui résultent de l'usinage, sont confinés dans cet espace et ne sont pas éjectés ni projetés radialement dans un sens opposé à la fraise 32. Ainsi, il n'y a aucun risque qu'ils soient projetés contre des opérateurs humains situés à proximité. Au surplus, s'il advenait que la fraise 32 se brisait, la partie brisée resterait confinée à l'intérieur de l'organe tubulaire 26 évitant ainsi tout risque pour les opérateurs humains situés à proximité.

En outre, lorsque l'ensemble d'usinage 20, et partant la fraise 32, est écarté de la pièce composite 50, l'organe tubulaire 26 est alors entraîné en translation concomitamment grâce au ressort hélicoïdal 44 pour venir masquer précisément la fraise 32.

Par ailleurs, l'organe tubulaire 26 et le corps cylindrique de guidage 24 sont équipés de capteurs de contact non représentés qui, lorsque l'outil 30 est en fonctionnement, et qu’ils sont activés sous l'effet d'un contact extérieur, fournissent une information aux organes de commande et de contrôle, qui stoppe immédiatement l'organe moteur 34.

io

Claims

REVENDICATIONS

1. Bras robotisé d’usinage comprenant un bras mobile (14) présentant une extrémité libre (16) et un ensemble d’usinage (20) monté sur ladite

5 extrémité libre, ledit ensemble d’usinage (20) comprenant une broche (28) et un organe moteur (34) pour entraîner ladite broche en rotation, ladite broche (28) étant destinée à recevoir axialement un outil (30) de manière à pouvoir entraîner ledit outil en rotation, ledit bras mobile (14) étant adapté à entraîner en mouvement ledit outil (30, 32) en rotation pour l’engager dans une pièce à îo usiner (50) ;

caractérisé en ce que ledit ensemble d’usinage (20) comprend en outre un organe tubulaire (26) présentant une paroi tubulaire (46) destinée à venir s’étendre autour dudit outil (30, 32) en formant jupe ;

et en ce que ledit organe tubulaire (26) est monté mobile en translation 15 axiale par apport audit outil (30, 32), de manière à pouvoir découvrir ledit outil lorsque ledit outil (30, 32) est engagé dans ladite pièce à usiner (50).
2. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble d’usinage (20) comprend des organes élastiques (44) destinés à maintenir ledit organe tubulaire (26) de façon que ladite paroi

20 tubulaire (46) s’étende autour dudit outil (30, 32), et à se comprimer élastiquement lorsque ledit organe tubulaire (26) découvre ledit outil.
3. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble d’usinage (20) comprend en outre un corps cylindrique de guidage (24) permettant de recevoir ledit organe tubulaire (26).

25
4. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit corps cylindrique de guidage (24) présente deux parois concentriques (38, 40) formant un logement annulaire (42) apte à recevoir ledit organe tubulaire (26).
5. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en

30 ce que ledit corps cylindrique de guidage (24) comprend une surface externe et des organes de signalisation (52) installés sur ladite surface externe.
6. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits organes de signalisation (52) fournissent un signal d’approche lorsque ledit organe tubulaire (26) vient en approche de ladite pièce (50).
7. Bras robotisé d’usinage selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en 5 ce que lesdits organes de signalisation (52) fournissent un signal de fonctionnement lorsque ledit outil (30, 32) est entraîné en rotation.
8. Bras robotisé d’usinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit outil (30, 32) est entraîné en rotation lorsque ledit organe tubulaire (26) vient en contact avec ladite pièce (50).

îo
9. Bras robotisé d’usinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit ensemble d’usinage (20) comprend des capteurs de contact montés sur ledit organe tubulaire (26), de manière à commander l’arrêt de l’outil en rotation lorsque ledit organe tubulaire (26) rencontre un obstacle.

15
10. Bras robotisé d’usinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit organe tubulaire (26) est de symétrie cylindrique à directrice circulaire.

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