Influence de trajets d’usinage 5 axes optimisés sur le comportement de la machine outil

1. Influence de trajets d’usinage5 axes optimisés sur le comportement de la machine outil Cédric CASTAGNETTI Directeur de thèse : Pascal RAY Co-encadrant : Emmanuel DUC

2. Plan de la présentation • Problématiques du 5 axes • 3 points isolés • Objectifs des travaux • Première approche : optimisations sous contraintes • 2 types d’optimisation • Premiers résultats • Conclusion • Perspectives

3. Problématique du 5 axes • De la FAO à la pièce fabriquée Modèleusiné Choix des stratégies d’usinage adaptée au 5 axes UGV Définition de lagéométrie    PostProcesseur pour la machine Centre d’usinage 5 axes UGV Modèle CAO ModèleFAO

4. Problématique du 5 axes • FAO -> Machine • Le calcul des trajets outils prend seulement en compte la précision du trajet. • Il doit être robuste et rapide. Il est effectué en une seule itération sans optimisation. • Il est générique à toute machine. • Problèmes engendrés • Le comportement de la machine n’est pas pris en compte dans ce calcul. • Aucune particularité pour différentes cinématiques.  Références: [Erkokmaz01], [Tournier01], [Ho03], [Pateloup04]

5. Problématique du 5 axes Z Y X C B xm, ym, zm, B, C • Transformation cinématique inverse  xp, yp, zp, i, j, k Repère Pièce (RP) Repère Machine (RM) • La transformation cinématique inverse donne deux domaines de solution. • Le post processeur doit faire le choix entre ces solutions Références: [Bohez02], [Munlin04], [Liu05], [Timar05], [Sorby06]

6. Problématiques du 5 axes • Différences entre 3 axes et 5 axes • 3 axes : le repère pièce et le repère machine sont à tout moment et en tout point parallèles. • Les consignes correspondent directement aux mouvements obtenus sur chaque axe. • 5 axes : les 2 rotations supplémentaires suppriment ce parallélisme entre les repères de travail. • Comportement différent entre programmation et réel. • L’axe le moins dynamique ralentit les autres. (Synchronisation des axes)  Références: [Kim02], [Lavernhe06], [Nam06], [Chanal06]

7. Problématiques du 5 axes • Conclusion • Les logiciels FAO actuels effectuent un calcul : • Précis • Robuste • Mais qui ne tient pas compte du comportement machine • Notre hypothèse de travail • Les trajets outils peuvent être optimisés pour faciliter l’usinage.

8. Objectifs des travaux • Idée principale • On souhaite lisser les évolutions des axes rotatifs (limitants) dans le repère machine RM tout en contrôlant l’erreur de position dans le repère pièce RP. • La frontière entre les 2 systèmes de coordonnées n’est plus un obstacle. • Objectifs de cette méthode • Gain en vitesse par le lissage. • Garder la précision souhaitée par le contrôle d’erreur.

9. Objectifs des travaux • Vision globale Objectifs Lissage du trajet Contrôle de la qualité Agir sur l’évolution de la position des axes rotatifs Calculer l’erreur en chaque point Corriger la position du bout outil. En bout Générer une évolution lisse des axes rotatifs Générer un trajet inclus dans un domaine RM RP En flanc

10. Optimisations sous contraintes 17° • Pièce d’étude • Usinage en flanc d’un « S » vrillé a 17 degrés. • Hauteur = 50 mm. • Grande amplitude des mouvements des axes rotatifs. • Problèmes de qualité en flanc.

11. Optimisations sous contrainte • Premier type : lissage des deux angles de rotation. A original A lissé Trajet recalculé Programme ISO Post processé C original C lissé Erreurnormale

12. Optimisations sous contrainte • Lissage : • Utilisation de la fonction « polyfit » de Matlab. On approxime les points par une courbe polynomiale de degré choisi. • Reconstruction de trajet : • La position du bout outil (X,Y,Z) est gardée. • Les angles A et C sont optimisés. • Calcul d’erreur : • L’erreur normale est calculée en haut de la surface (longueur outil = 50mm), dans une base de Frenet locale. Nouvelle orientation Erreur Surface hauteur Bout outil

13. Optimisations sous contrainte • Deuxième type : lissage du plus pénalisant et calcul sous contrainte d’erreur minimale C original C lissé Programme ISO Post processé Trajetrecalculé Erreurnormale A calculé

14. Optimisation du second type 15° Axe C Axe A Axe outil original Axe outil avec angle C lissé Position de l’axe outil lorsque C est modifié Erreur tangentielle Axe outil avec angle A calculé Position de l’axe outil lorsque A est modifié

15. Premiers résultats • Tests de ces optimisations menés en réel sur une machine UGV Huron KX15. • Pas de pièce usinée • Programme testé à vide • Servo-trace de la machine utilisée pour récupérer : • Vitesses sur les axes de rotation • Positions sur les axes de rotation • Temps d’usinage

16. Premiers résultats • Phase 1 : première optimisation avec le même degré pour les approximations des angles. A4C4 A8C8 Original A4C4 Vitesse sur A Vitesse sur C 4m/mn 10m/mn 4m/mn 10m/mn

17. Premiers résultats • Phase 1 : première optimisation • Avec le même degré pour les approximations. • Les singularités sont automatiquement supprimées. • L’erreur normale est trop importante pour que les résultats soient acceptables.

18. Premiers résultats • Phase 2 : deuxième optimisation • Contrôler l’erreur trop importante dans la phase 1 Vitesse sur C Vitesse sur A • Gain en vitesse • Pas suffisant sur l’axe de rotation A Erreur tangentielle Erreurnormale • Erreur normale • Améliorée • Pas suffisant

19. Premiers résultats • Phase 3 : Première optimisation • Avec des degrés différents pour A et C • L’erreur • Ph 2 < ph 3 < ph 1 • Temps d’usinage • Ph 1 < ph 3 < ph 2

20. Premiers résultats • Conclusions • Gain en vitesse : • Amélioration notable • Valeur de l’erreur : • Encore trop grande, objectif à atteindre : • Erreur/Hauteur ≤ 0.01% • Compromis à faire : • Gain en vitesse et perte de précision (pièces aéronautiques) • Précision conservée et peu de gain en vitesse (turbines) • Travaux futurs : • Correction de la position du bout outil pour l’usinage en bout. • Définition d’un Domaine d’Orientation Admissible (DOA) pour l’axe outil afin de garantir la précision.

21. Perspectives Réorientation • Correction du bout outil • Rotation autour du point de contact • Carte des différences entre les deux programmes. • -5 µm ≤ erreur ≤ 6 µm • Domaine d’Orientation Admissible (DOA) • Définition du domaine dans le Repère Pièce • Transformation du domaine dans le Repère Machine Point Contact Pièce Bout outil Axe outil RP RM

22. Remerciements • Ce travail est conduit sous l’égide du groupe de travail Manufacturing 21 qui comprend 12 laboratoires français. Les thèmes abordés sont : • Modélisation du processus de fabrication, • Fabrication virtuelle, • Développement de nouvelles méthodes de fabrication.

23. Des questions ? Merci pour votre attention -------------------- Cedric CASTAGNETTI castagnetti@ifma.fr