Créé le : 03/08/2009
Ce congrès a permis de faire le point sur les applications en production des machines à cinématique parallèle [1].
Les principales applications sont:
Transmissions mécaniques
Structures aéronautiques
Outillages et moules
Techniques de fabrication flexibles
Le tableau suivant rassemble les critères requis pour les machines à cinématique parallèle en fonction de leurs applications.
Applications Carters Aéronautique Outillages et moules Outillages et moules Manipulation de pièces légères
Petits outils Moyens et grands outils
Exemple Blocs cylindres, B.V. Longerons Matrices, électrodes,
Carrosserie, outils d'hydroformage, moules d'injection Positionnement, assemblage, enlèvement
Dimensions 600x400x400 mm 25.000x1.000x300 mm 600x600x400 mm 4.500x2.500x1.500 mm 600x400x400 mm
Eléments de forme Face plane, cavité Face plane, surface gauche, cavité, voile mince 1 :15 Cavité profonde à faible rayon, surface gravée avec courbures fortes Faces planes, grandes surfaces gravées, voile mince ou fente étroite, trous très profonds Très grande diversité
Précision 0,005 0,05 mm 0,02 0,05 mm 0,02 0,05 mm 0,02 0,05 mm 0,1 0,2 mm
Matériau à usiner Fonte, alu, magnésium Aluminium, acier, titane Graphite, cuivre, plastiques, acier à outil, stellite Aluminium, fonte, aciers Aucun
Poids des pièces 20 50 kg Jusqu'à plusieurs tonnes Jusqu'à x 100 kg Jusqu'à plusieurs tonnes
Opérations Fraisage, perçage, fonçage Fraisage 3 ou 5 axes, perçage Fraisage 3 ou 5 axes, perçage Fraisage 3 ou 5 axes, perçage Prise, transport
Accélération (m/s2) 10 10 10 3 - 5 Jusqu'à 40
Vitesse d'axe (m/min) 40 50 40 40 Jusqu'à 300 en fonction du poids
La production flexible exige de nouvelles procédures pour chaque nouveau cas. Les mouvements à 6 axes offrent de nouvelles possibilités pour les techniques de formage cinématique ou incrémental. Le formage cinématique est illustré par la machine HexaBend de cintrage de tubes développé par l'Institut Fraunhofer IWU de Chemnitz et le constructeur PEM [2]. Cette technologie met en jeu des actionneurs hydrauliques en raison des efforts à transmettre. Le formage incrémental est un domaine d'application possible pour les machines à structure parallèle.
Techniques de formage cinématique Techniques de formage incrémental
Application Pliage en forme libre Forgeage orbital
Rivetage planétaire
Dimensions (mm) 100x100x400 5x5x5 à 500x500x500
Eléments de forme Profilés selon courbes spatiales, cannelures Très divers
Précision 0,1 mm 0,1 mm
Matériau Acier, AL, Mg, Cu Al, acier, Mg
Poids de pièce jusqu'à 50 kg jusqu'à 250 kg
Opérations formage, pliage formage, pressage, rétreint, rivetage
accélération (m/s2) 1 - 3 1 - 3
Vitesse d'axe (m/min) 20 20
Force (kN) 600 1000
Demandes client qu'une machine à cinématique parallèle doit satisfaire
Rubrique Critère Objectif
Efficience économique Coûts d'exploitation favorables Large intervalle de maintenance
Cycle de vie du produit suffisant Réduction des vibrations
Faible coût d'investissement Compromis rigidité machine/coût des composants
Maintenance Simplicité de remplacement ou sans entretien
Exploitation Ergonomie Réduction de la vibration du panneau de commande
Machine d'entretien facile Compromis rigidité machine / accessibilité pièce
Paramètres techniques Rigidité, dynamique vibratoire Optimisation composants et système
Intégration aux machines existantes Compromis rigidité machine/accessibilité volume d'assemblage
Stabilité thermique Concepts de construction et/ou commande
Paramètres fonctionnels Rendement d'enlèvement de matière, puissance et vitesse de coupe élevés Faible rétroaction de la forte dynamique de la cinématique sur la machine
Haute précision Composants optimisés
Opérations secondaires Effort de réglage / changement d'outil facile Compromis rigidité machine / accessibilité pièce
Conception Compromis rigidité/conception
Degré de satisfaction des normes Résistance de la pièce / émission de bruit
Modes d'exploitation irréguliers Mode d'urgence aisé et fiable Tolérance aux erreurs lors de pannes partielles
Trois cas d'applications de machines de série présentés ont été remarqués [3]:
- Tricept de NEOS ROBOTICS,
- INDEX V100,
- Ecospeed Sprint de DS TECHNOLOGIE.
Les développements en cours concernent l'optimisation de la conception et du design et recherchent les structures les mieux adaptées à un travail ou une tâche donné.
En ce qui concerne les composants, le fabricant INA apparaît très actif dans le domaine des applications sans jeu [4].
Le marché des machines à structure parallèle est encore limité, d'où la difficulté de développer des composants spécifiques dans des conditions économiques. Un nouveau concept d'axe d'avance a été mis au point par INA, basé sur une vis à bille sous traction dans une entretoise télescopique. Son but est d'accroître la rigidité sur toute la course sans augmenter le diamètre de la vis à bille. Cette conception permet d'atteindre de plus fortes accélérations car la masse en mouvement n'est pas augmentée. les développements ayant débuté en 1997, INA a du aborder une nouvelle technologie alliant axe d'avance et technologie du roulement. Le but industriel était d'aboutir à une norme de fait et les produits correspondants ont été présentés à L'EMO 1999. Depuis l'entreprise est entré en production industrielle.
En ce qui concerne les commandes, les machines à cinématique parallèle demandent un contrôle complexe, ce qui nécessite de développer des algorithmes et des outils spécifiques pour un pilotage plus fin de l'ensemble des axes en terme de précision dans le volume de travail. D'autre part une technique d'optimisation de l'avance a été présentée.
Plusieurs méthodes de calibration des machines ont été présentées permettant d'évaluer la précision et la capabilité des machines.
Au niveau des applications, la machine Tricept confirme l'intérêt de son application à la série. D'autres applications présentées concernent le fraisage, le pliage de tubes ou de profilés, le perçage-rivetage.
Divers prototypes ont été soumis à des essais sur des applications types:
- Hexapode : usinage de pièces complexes pour le domaine aéronautique [5],
- Ecospeed : usinage de structures aéronautiques de grandes dimensions ( cadre maître-couple du fuselage de l'Eurofighter chez EADS)[6]
- utilisation des machines à structure parallèle dans le domaine automobile pour des éléments de transmission de puissance
- Variax de GIDDINGS & LEWIS : usinage de matériaux difficiles.
Usinage de matériaux durs [7]
La raideur plus élevée des machines à cinématique parallèle laisse envisager de meilleures performances dans l'usinage des matériaux durs. Des essais d'usinage sur la machine Variax ont été effectués sur des matériaux de dureté comprise entre 51 et 63 HRC. Les paramètres clés étudiés étaient la précision géométrique, la finition de surface, la vitesse et la durée de vie. Une comparaison directe a été effectuée avec la machine conventionnelle 3 axes Bridgeport VMC 2000 (qui représente l'état de l'art des machines 3 axes conventionnelles) pour des pièces identiques. Un essai avec outil long a été réalisé (150 mm).
Pour les données par interpolation, les précisions géométriques sont équivalentes pour le Rigor (61 HRC) et le Stavax (54 HRC). Dans le cas de mouvements linéaires pour les faces diamant et angulaires, la géométrie est égale voire supérieure avec le Rigor et pour des données carrées elle est supérieure. Dans tous les autres types de mouvements linéaires elle est inférieure à celles obtenues avec le Stavax. La pièce d'essai ISO en Rigor n'a pu être usinée que sur la Variax, l'usure de l'outil étant trop rapide sur la machine conventionnelle. L'usinage de la cavité profonde a été réalisé en 7 h 45, soit un temps plus court qu'en usinage par électroérosion.
Parallel Kinematic Structures in Manufacturing, Neugebauer R., Harzbecker C., Drossel W.-G., et al., pp.17-47.
Application of the Parallel Kinematic Machine Principle in a New Hydraulic powered, Flexible Bending machine for Tubes and Profiles, Neu=ebauer R., Putz M., pp.629-638.
Parallel Kinematic Machines in Practice, Treib T., pp.63-66.
AchievingTechnical an Economic Potential with INA Components, Dürschmied F., Hestermann J.-O., pp.263-275.
Application Experience with a Hexapod Machine Tool for Machining Complex Aerospace Parts, Weck M., Staimer D., pp.807-815.
Quicker success with Hybrid Kinematics "ECOSPEED", Lilla A., pp.775-784.
An Evaluation of the Machining Performance of the GIDDINGS and LEWIS Variax for Hard and Diffficult Materials, Webb P., Geldart M., Gindy N., pp.817-831