Créé le : 03/08/2009
PREMIER PAS VERS L'ATELIER
Dévoilés pour la première fois au début des années 90 par les constructeurs américains Ingersoll et Giddings & Lewis, les équipements à cinématique parallèle ne sont plus une vue de l'esprit.
Sept machines de ce type étaient exposées à l'EMO (elles étaient une douzaine à l'EMO de Paris en 1999).
Trois équipements (ceux de Neos, DS Technologie et d'Index) font déjà leurs preuves dans les ateliers, un autre, l'Urane SX de Renault Automation Comau, est passé du stade prototype à celui d'un véritable équipement industriel prêt à être installé dans l'atelier. D'autres constructeurs présentaient des prototypes voués à devenir à brève échéance des véritables machines industrielles.
L'avantage de ces machines n'est pas tellement leur performance dynamique comparable avec celle des machines à moteur linéaire, mais plutôt un allégement sensible de la structure. Moins de composants, structure plus simple
cela veut dire coûts de fabrication de la machine et de son exploitation réduits.
Il reste néanmoins du pain sur la planche pour les constructeurs, au moins pour réussir le calibrage d'un tel équipement à mouvements complexes. Il reste aussi à analyser sa fiabilité.
Cette fois-ci c'est parti. Les machines à cinématique parallèle que l'on comparait aux apparitions extra-terrestres dans le monde de la production par usinage, font déjà leurs preuves dans les ateliers. Avis aux sceptiques : des constructeurs et non de moindres puisqu'il s'agit de DMG, par exemple, ont engagé des investissements importants pour construire une telle machine.
Rappelons pour ceux qui ne savent pas encore, et ils doivent être assez nombreux tellement cette structure est nouvelle et inhabituelle, les quelques notions élémentaires sur la cinématique parallèle. Un mécanisme parallèle est une cinématique fermée dont l'organe terminal (dans le cas de l'usinage, la broche) est relié à la base par plusieurs chaînes cinématiques indépendantes (que l'on appelle aussi bras). Lorsque le nombre de chaînes (ou bras) qui lient l'organe terminal à la base est égal au nombre de degrés de mobilité, le mécanisme est dit complètement parallèle. Les avantages de cette solution sont évidents : réduction des masses en mouvement et donc, dynamique élevée ; rigidité importante de la structure
Nous nous intéresserons aussi à de nouvelles architectures originales de machines présentes à l'EMO de Hanovre à mi-chemin entre les cinématiques parallèles et sérielles.
Une analyse de chaque équipement présenté s'impose :
Véritable équipement industriel, cette machine dévoilée par le constructeur allemand au salon Metav 2000 utilise une cinématique de type Hexapode (simulateur de vol) : les bras portent la broche dans laquelle est chargée la pièce attrapée sur un convoyeur. Ils la présentent aux outils de tournage ou de fraisage qui sont fixés dans un système spécial. Son point fort ce n'est pas seulement sa dynamique (vitesse de déplacement de 50 m/min, accélération de 10 m/s2), mais aussi sa précision d'usinage liée à sa conception thermosymétrique de son bâtit. C'est cette précision qui a convaincu les vingt utilisateurs qui l'ont déjà installée. Un investissement d'environ 200 k$.
Lancé en 1994, cet équipement est dérivé d'un robot à trois bras (tripode). Capable d'usiner (fraisage, laser, soudage, etc.) sur les cinq faces et sur 5 axes simultanés, il est modulaire.
Trois versions sont commercialisées par la société suédoise : Tricept 605, 805 et 845. Ce dernier (prix environ 500000 euros) est en fait un centre d'usinage qui a été dévoilé à l'EMO de Hanovre.
Pour s'affranchir des erreurs de positionnement, Neos Robotics a mis au point une méthode de mesure directe, DMS (Direct Measuring System). Breveté, ce système de contrôle automatique complète le système de contrôle existant. Auparavant, la précision du positionnement se basait entièrement sur le modèle mathématique. DMS se compose de deux encodeurs pouvant fournir 16384 pulsations, et d'une échelle linéaire pour déterminer la position réelle du tube central et de la tête. Les facteurs influant sur la position de la tête sont notamment la température et les efforts, la comparaison en continu des deux systèmes de mesure permet d'ajuster le positionnement en temps réel.
Les solutions de Neos font déjà leurs preuves dans de nombreuses usines à travers le monde. Surtout dans l'aéronautique et l'industrie automobile pour l'usinage des pièces en aluminium : des lignes de production dotées de plusieurs systèmes Tricept ont été installées chez Peugeot, Citroën, GM, Volvo
Peugeot utilise le Tricept dans plusieurs unités de production en France. Son Centre de production de Mulhouse utilise une installation dotée de Tricept 605, 805 et 806 pour l'usinage (fraisage, perçage) de blocs moteurs. Avantages : réduction des sommes consacrées aux pièces détachées, moins d'espace occupé, flexibilité. Depuis avril 2000, le Tricept 605 est aussi installé dans l'usine PSA de Charleville-Mézières pour nettoyer des moules de coulée pour composants de support des essieux arrière de la nouvelle Citroën C5. Le principal avantage de Tricept est sa polyvalence cinématique ce qui permet d'accéder aux surfaces des différentes pièces sous tous les angles, sans utiliser de dispositif de rotation particulier. L'usine a par ailleurs commandé deux Tricept 805, qui seront livrés en 2002 et serviront aussi à l'usinage de composants de véhicules en aluminium.
Dans le domaine aéronautique on peut citer le TI2, un système flexible de fabrication qui intègre trois éléments : le Tricept, la machine à mesurer 3D Imetric et le logiciel IGRIP de simulation robotique. Le Tricept assure la manipulation des différents types d'outils, broches de perçage et de fraisage, des outils de préhension et de montage. Le système TI2 peut être programmé pour produire des pièces directement à partir de fichiers CAO. Il convient notamment au perçage et au rivetage de pièces de grandes dimensions telles que les ailes d'avion. L'installation de TI2 à l'usine de production d'avions militaires de Boeing à Macon (Géorgie), utilise le Tricept pour des opérations de perçage. Le Tricept réalise environ 250 trous sur des pièces de titane et d'aluminium.
Le constructeur allemand Deckel Maho Gildemeister a acheté la licence du Tricept et a développé sur cette base une machine à cinématique parallèle prototype, appelée TriCenter.
Pour l'anecdote, Neos appelle cette machine Tricept Module 1005 et a gardé le droit de la commercialiser aux intégrateurs partout dans le monde.
Le système Tricept a été revu et corrigé par les ingénieurs de DMG qui ont conçu un vrai équipement 5 axes : le bâti a été conçu en fonte coulée, le montage des bras amélioré, la broche de la tête de fraisage 2 axes changée... Cette machine rapide et puissante, qui peut usiner des géométries complexes en 3D, sera commercialisée l'année prochaine. Domaines d'applications visés : le moule, l'usinage des structures et des profilées en aluminium pour l'aéronautique, acier et fonte pour l'automobile.
Caractéristiques techniques Tricept 605 Tricept 805 Tricept 845 TriCenter
Nombre d'axes 5 5 5 5
Axes XYZ (mm) Modulaires modulaires modulaires 1500 x 800 x 700
Déplacement rapide (m/min) 50 90 90 100
Accélération (m/s2) 10 20 20 20
Axe A (°) 0-120
Axe C (°) +/- 180
Vitesse de broche (tr/min) 24000-30000 24000-30000 24000
Puissance de la broche (kW) 3,5/12 30-45 30-45 27
Couple (Nm) 90
Précision de positionnement (mm) +/- 0,2 +/- 0,05 +/- 0,05 +/- 0,05
Répétabilité (mm) +/- 0,02 +/- 0,01 +/- 0,01 +/- 0,01
Commande numérique Siemens Sinumerik 840D Siemens Sinumerik 840D Siemens Sinumerik 840D Siemens Sinumerik 840D
Deux ans après la présentation d'un prototype à l'EMO de Paris, le premier équipement industriel a vu le jour : unité d'usinage 3 axes, Urane SX met en oeuvre une architecture de type robot Delta. Une structure qui présente, par rapport à l'approche classique, des multiples avantages : vitesse et accélérations importantes (100 m/min, 35 à 50 m/s2), fiabilité accrue, réduction des coûts d'investissement, temps de cycle pour l'usinage d'une pièce de type carter automobile divisé par deux
Les spécialistes de Renault Automation Comau ont analysé les opérations d'usinage dans la fabrication automobile : les opérations de perçage représentent pour certaines pièces 40% de la gamme. On peut ainsi améliorer la productivité soit en augmentant la vitesse d'usinage et de déplacement, soit en équipant la machine de plusieurs broches, soit en réalisant un équipement dédié d'une nouvelle race. Ni centre d'usinage ni fraiseuse, mais unité de fabrication dédiée aux opérations de type perçage, Urane SX s'inscrit dans cette dernière catégorie et allie les qualités nécessaires pour remplir ce cahier de charges ambitieux. Ses performances dynamiques associées aux facilités de programmation pour prendre en compte les modifications de la pièce à usiner sont les deux atouts qui lui permettent d'affronter avantageusement les têtes d'usinage multiples classiques. On peut prévoir ainsi l'apparition prochaine d'un nouveau type de système de production. A savoir, une ligne transfert, mais flexible, comportant aussi bien des centres d'usinage Urane (pour les opérations de fraisage très précises) que des unités dédiées au perçage-taraudage (des opérations très présentes dans la fabrication de pièces automobiles) de type Urane SX. Pour un investissement total de 20 à 30% moins important que celui alloué à une ligne transfert classique.
Urane 20 Urane SX
Masse en mouvement (kg) 800 (X); 400 (Y); 200 (Z) 95 pour X Y Z
Vitesse d'avance (m/min) 80 m/min 100 m/min
Accélération (m/s2) 12 pour X et Y 35 pour X,Y,Z
Jerck (m/s3) 200 pour X,Y,Z 5000 pour X,Y,Z
Fréquence propre de la machine (Hz) 50 90
Répétabilité (µm) 2 5
Vitesse (tr/min) et puissance de broche (kW) 40000;12
Rigidité dynamique (N/µm) 25 pour X,Y;50 pour Z 20 pour X,Y,Z
Montée sur les centres d'usinage Ecospeed du même constructeur, cette tête tripode (broche portée par trois bras sur un plateau) est déjà utilisée dans l'industrie. DaimlerChrysler Aerospace AG (DASA) l'utilise dans l'atelier d'usinage d'Augsbourg, à une centaine de km de Munich, où il fabrique les pièces de grande dimension pour les avions militaires et civils. Plusieurs Ecospeed dotées de la tête Sprint Z3 qui est portée par un portique classique X-Y-Z de grande course (jusqu'à 20 x 2,5 x 0,65 m) usinent ici. Les trois bras supportent une électro-broche puissante (75/80 kW) et rapide (24 000/30000 tr/min). L'avance rapide est de 50 m/min sur les trois axes de la machine et son accélération est de 10 m/s2 sur les trois axes. Des performances peu courantes pour une machine de cette taille qui ont séduit les spécialistes de l'usine allemande.
Une machine Ecospeed coûte environ 6 millions de DM.
Utilisée selon le fabricant par trois sociétés en Allemagne, cette machine hexapode est pilotée par une commande numérique Andronic 400 à base PC (Andronic est avec Siemens le seul à pouvoir fournir une CN pour le pilotage d'une telle machine). La machine usine dans ces cas d'applications des pièces en acier, fonte ou alliage léger. La vitesse des axes est de 30 m/min, l'accélération de 10 m/s2 et la précision de positionnement de 25 µm. Comparé aux autres machines, cet équipement est plutôt lent et sa taille est importante par rapport à l'espace de travail utile (630 x 1000 mm).
Le constructeur participe au programme de recherche Accomat (Accuracy controlled machine tool) qui regroupe des constructeurs de machines-outils et des instituts de recherche allemands. Objectif : développer une machine capable de s'autocalibrer en fonction des conditions mécaniques et thermiques.
Dévoilée pour la première fois au salon Metav 2000, la machine prototype de Heckert sera commercialisée selon le constructeur allemand à partir de l'année prochaine. Elle dispose d'une structure allégée : la broche horizontale est montée sur un mécanisme tripode. Réduction de poids, déplacement rapide (100 m/min, 10 m/s2), rigidité améliorée, amélioration de l'accès à l'espace de travail, coût d'exploitation réduit
le centre d'usinage à mécanisme parallèle SKM 400 réunit tous les avantages d'un équipement à cinématique parallèle et constitue une alternative réelle aux machines cartésiennes.
La machine peut usiner des pièces en acier, fonte ou alliage léger de 600 mm au cube. Elle dispose d'une broche de 31 kW et 15000 tr/min et peut être dotée d'une table rotative (100 tr/min) ou d'une table rotative/pivotante pour l'usinage sur 5 axes. L'utilisateur a le choix entre un magasin d'outils de 16 places ou de 60 places. Elle est prévue pour l'usinage à sec. Le ticket d'entrée pour une telle machine est d'environ 290 000 Euros.
LES MACHINES HYBRIDES :
Cet équipement dispose d'un mécanisme classique associé à une broche portée par un mécanisme parallèle qui effectue un mouvement de type essuie-glace. Il améliore selon le constructeur la puissance d'enlèvement des copeaux lors du fraisage et du perçage des pièces en aluminium et en magnésium dans l'industrie automobile. La première machine est installée chez Daimler Benz en Allemagne. Ses caractéristiques sont : accélérations de 15 m/s2 sur X et Y, 20 m/s2 sur Z, avance rapide de 80 m/min, précision de positionnement de +/- 0,005 mm et une répétabilité de 0,0015 mm sur les deux côtés. La broche travaille à 24000 tr/min et 20 kW.
Le constructeur italien dévoilait à la dernière minute un prototype de machine hybride : la broche est portée par un mécanisme parallèle. Destiné à l'usinage à sec, ce centre d'usinage 3 axes présente une dynamique exceptionnelle : avances rapides de 120 m/min (vectorielles de 208 m/min), accélération de 30 m/s2, précision de positionnement de 0,01 mm sur les trois axes, surface au sol occupée de 5,4 m2. La broche présente une puissance de 20 kW et une vitesse de 20 000 tr/min. Temps de changement d'outils de 3 s. Axes : 550 x 500 x 400 mm.
LES ATOUTS DE LA CINEMATIQUE PARALLELE (par rapport à une structure classique) :
AVANTAGES INCONVENIENTS
Faible masse en mouvement Rapport volume de la machine/volume de la pièce faible
Dynamique élevée Calibration et étalonnage complexes
flexibilité Certaines précisions plus faibles
Coût d'achat et d'exploitation moindres (moins de composants) Forte dépendance de la capacité machine par rapport à la position de la broche dans l'espace
Rigidité améliorée Peu de recul sur le comportement de cet équipement dans les conditions réelles de l'atelier