Aide au choix du posage en usinage 5 axes continus par la modélisation du comportement cinématique des machines – outils Xavier PESSOLES Encadrants : Walter RUBIO Yann LANDON Lundi 5 Juillet 2010

Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine Choix de l’orientation de la pièce Choix du positionnement de la pièce Conclusions et perspectives Cette présentation s’articulera en 4 parties. Dans la première partie, je détaillerai le contexte scientifique et industriel dans lequel on évolue. Et je préciserai le cadre de notre étude. Je rentrerai plus dans les détails dans les deux parties suivantes. Je commencerai par présenter l’analyse du fonctionnement des machines outils en usinage 5 axes. Cette analyse nous permet de construire des modèles de comportement de la machine et d’identifier quelles sont les sources de perte de productivité des machines outils. Ces analyses nous permettent alors de travailler sur le positionnement et l’orientation de la pièce dans la machine. Enfin, nous dresserons les conclusions et perspectives de nos travaux. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Contexte industriel CAO FAO Post – Processing MOCN Métrologie Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Contexte industriel CAO FAO Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques Post – Processing MOCN Nous avons l’habitude d’utiliser la chaîne numérique pour représenter l’ensemble des domaines dans lesquels nous travaillons. Nous distinguons ici 5 activités pour passer de l’idée d’un produit à la production d’un produit : Ces étapes sont la conception assistée par ordinateur (CAO), la fabrication assistée par ordinateur (FAO), le post-processing, la fabrication puis la mesure. Dans notre cas, nous nous intéressons qu’au processus d’usinage. Détaillons chacune de ces étapes et les contraintes industrielles associées. Tout d’abord la phase de conception permet de dessiner une pièce. Suivant le cas, cette pièce doit répondre à des contraintes physiques. Elle doit permettre de recevoir ou de transmettre des efforts, supporter des différences de température … Dans d’autre cas, la pièce conçue sera incluse dans un mécanisme. En conséquence, elle devra être spécifiée de façon à pouvoir être assemblée. Enfin, certaines pièces doivent répondre à des critères esthétiques. Métrologie Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Contexte industriel CAO FAO Post – Processing MOCN Métrologie Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Contexte industriel CAO FAO Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques Post – Processing Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage MOCN Une fois que la géométrie de la pièce a été déterminée, on passe alors à l’étape de fabrication. Pour cela on utilise des logiciels de FAO. A l’aide de ces logiciels, on va choisir une liste d’outils, (boule, toriques, 2 tailles), des conditions de coupe en fonction du matériau (et de l’outil) ainsi qu’une stratégie d’usinage. Pour usiner une même pièce les logiciels disposent d’une multitude de stratégie. (Plans parallèles, iso paramétriques ….) Métrologie Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Contexte industriel CAO FAO Post – Processing MOCN Métrologie Machine Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Contexte industriel CAO Machine Commande Numérique Options diverses FAO Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques Post – Processing Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage MOCN Avant de pouvoir usiner la pièce, il faut convertir les données contenues dans le logiciel FAO en données interprétables par les commandes numériques des machines outils. Il existe autant de PostPro que de couples FAO-MO-CN. Le post-pro doit prendre en compte les contraintes de la machine (vitesses maxi sur les axes), des contraintes de la CN (fonctions particulières). Métrologie Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Contexte industriel CAO FAO Post – Processing MOCN Métrologie Machine Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Contexte industriel CAO Machine Commande Numérique Options diverses FAO Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques Post – Processing Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage MOCN On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Métrologie Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Influence importante sur le temps d’usinage Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Contexte industriel Choix arbitraire du posage Choix de la machine CAO Machine Commande Numérique Options diverses FAO Influence importante sur le temps d’usinage Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques Post – Processing Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage MOCN On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Métrologie Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Comment réduire le temps d’usinage ? Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Problématique Comment réduire le temps d’usinage ? VF = 2m/min Tu réel : 10min Tu FAO : 1min 24s FAO Post – Processing MOCN L Modifier la trajectoire Réduction de la distance usinée [Tournier, 2001] Maximisation des performances cinématiques [Lavernhe, 2006] Lissage des commandes sur les axes rotatifs [Castagnetti, 2008] On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Comment réduire le temps d’usinage ? Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Problématique Comment réduire le temps d’usinage ? VF = 2m/min Tu réel : 10min Tu FAO : 1min 24s FAO Post – Processing MOCN Modifier le posage de la pièce Analyser le comportement de la MOCN On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Tu réel: 3 min. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Cadre de l’étude Compréhension du comportement des machines Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude Cadre de l’étude Compréhension du comportement des machines Analyser expérimentalement le comportement de la CN et des axes en usinage 5 axes continus Définir les sources de perte de productivité Développer des modèles permettant de traduire ce comportement Modification du posage pour réduire le temps d’usinage Déterminer l’ensemble des orientations et des positionnements qui permettent d’usiner la pièce Aider le BM à choisir un posage parmi toutes les solutions possibles Au bilan, dans le cadre de cette étude nous proposons d’abord une analyse du comportement du couple MOCN. Celle-ci doit nous permettre, à partir d’un programme FAO de comprendre le comportement des axes. Ces analyses nous permettrons par ailleurs de développer des modèles permettant de calculer le temps d’usinage. Afin de réduire le temps d’usinage nous proposons de travailler sur le posage de la pièce dans la machine. Pour cela nous nous appuyons sur l’analyse du comportement de la machine. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine Choix de l’orientation de la pièce Choix du positionnement de la pièce Conclusion et perspectives Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Usinage d’une passe Constat VF = 2m/min Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Usinage d’une passe VF = 2m/min Constat Temps d’usinage FAO : 2,6s. Temps d’usinage réel : 7,8s. Analysons sur un exemple simple le déroulement d’une passe en usinage 5 axes. On usine donc une portion de cylindre d’un rayon de courbure de ??mm à une vitesse de 2m/min. (A 10 m/min, TFAO = 0,4 s, Tu = 2s) Pour usiner cette surface on utilise des plans parallèles. Toutes les passes sont donc identiques. L’outil est dépincé de 5° par rapport à la normale à la surface. Sur le plan pur et simple du temps d’usinage on observe une erreur supérieure à 400% entre le temps FAO et le temps d’usinage. Observons maintenant la vitesse outil pièce. On observe que la vitesse outil pièce atteinte est de l’ordre de 1500mm/min contre les 2m/min programmé. De plus, pendant plus du quart du temps d’usinage, la vitesse outil pièce est inférieure à 100mm/min. On peut donc en conclure que la machine ne semble pas capable de tenir la vitesse de consigne. Regardons maintenant les vitesses sur chacun des axes. Sur les axes de translation, on observe que la vitesse varie sur chaque bloc. Sur les axes de rotations, on observe que la vitesse est linéaire par bloc. En regardant le déplacement sur un seul bloc on observe que sur les axes de rotation, les vitesses d’avance sont bien constantes par bloc. En observant par ailleurs les profils d’accélérations, on observe sur ces axes un comportement connu : les axes de rotation obéissent à une loi en 7 phases. (Détailler les phases) En conséquence, lors d’un déplacement 5 axes, les axes rotatifs fonctionnent en interpolation linéaire. Les axes de translation vont donc dépendre du comportement des axes de rotation. Cherchons à modéliser ce comportement. Le déplacement des axes de translation est piloté par le déplacement des axes rotatifs Modélisation de l’interpolation linéaire en 5 axes sur un bloc Modélisation des transitions entre blocs [Pateloup, 2005], [Aguilar, 2007] … Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes RPr S1,Pr ; uS1 ; S2,Pr ; uS2 ; VF TGI Calcul de BSi et CSi RBC Calcul de VB et VC J(B|C),max A(B|C),max Calcul du temps de parcours sur B et C Calcul de JB, JC, AB, AC Prenons un segment à parcourir en 5 axes. Dans le repère de programmation, l’utilisateur spécifie des points de passages S1 et S2 ainsi que des orientations outils. Il spécifie aussi une vitesse d’avance VF. Le déplacement étant régit par le comportement des axes rotatifs, il faut donc calculer les consignes sur les axes rotatifs à partir des axes outils programmé. On utilise pour cela la TGI. On connait donc les positions à atteindre sur les axes rotatifs. Il faut maintenant calculer les vitesses sur les axes rotatifs. La seule vitesse spécifiée par l’utilisateur est une vitesse linéaire entre deux positions dans le repère de programmation. Il faut donc trouver une relation liant la vitesse programmée par l’utilisateur et la vitesse de rotation sur les axes… Connaissant la loi de pilotage des axes rotatifs, les performances des axes et les consignes, on peut donc calculer pour chacun des axes le temps pour aller d’un point à un autre. On constate que les temps sont différents, ce qui signifie qu’un axe arrive à destination avant l’autre. Ce genre de comportement n’est pas accepté : afin de respecter la géométrie, les axes doivent être synchronisés. En conséquence ils doivent démarrer et s’arrêter en même temps. La différence de temps s’explique par le fait que pour compte tenu des performances cinématiques des axes, il ne faut pas le meme temps pour atteindre la vitesse de consigne. En conséquence dans ce cas, l’axe B est appelé axe limitant : c’est l’axe qui met le plus de temps à atteindre la consigne. Il va donc falloir synchroniser les 2 axes. Pour cela il est nécessaire que le temps pour atteindre la vitesse de consigne soit le meme sur les deux axes. On calcule donc le jerk et l’accélération nécessaire afin que les axes soient synchronisés. Calcul de B(t), C(t), Xm(t), Ym(t), Zm(t) et des dérivées successives TGI J(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max A(X|Y|Z)(t) ≤ A(X|Y|Z),max FIN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes S1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; VF TGI Calcul de BSi et CSi Calcul de VB et VC J(B|C),max A(B|C),max Calcul du temps de parcours sur B et C Calcul de JB, JC, AB, AC On a toutes les informations pour décrire le mouvement sur l’axe B. (Raisonnement équivalent sur l’axe C) Le mouvement sur les axes de translation étant régit par les déplacements sur les axes rotatifs, on calcule en chaque instant la portion de parcours réalisée. Pour une portion alpha donnée, on regarde la position dans l’espace de programmation. Connaissant la position dans Rbc et dans l’espace de porgrammation, la TGI permet de calculer la position dans Rm Calcul de B(t), C(t), Xm(t), Ym(t), Zm(t) et des dérivées successives TGI RPr J(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max A(X|Y|Z)(t) ≤ A(X|Y|Z),max FIN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes S1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; VF TGI Calcul de BSi et CSi TGI Calcul de VB et VC J(B|C),max A(B|C),max Calcul du temps de parcours sur B et C Calcul de JB, JC, AB, AC d/dt Calcul de B(t), C(t), Xm(t), Ym(t), Zm(t) et des dérivées successives TGI J(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max A(X|Y|Z)(t) ≤ A(X|Y|Z),max FIN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation d’une transition – Cas général Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Vitesse mesurée sur X Vitesse mesurée sur Y Vitesse outil – pièce Modélisation d’une transition – Cas général Passage des transitions Analyse du comportement de la CN Chute de la vitesse outil – pièce Modèle circulaire utilisé classiquement Choix d’un modèle polynomial Inconnues D1,D2, Vin, ai, bi, ci, T Hypothèses : Symétrie Accélération nulle Calcul de ai(Vin), bi(Vin), ci(Vin), T(Vin) et détermination de D1 et D2 Calcul de Vin Respect de l’accélération maximale Respect du jerk maximum [Dugas, 2002] Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation d’une transition Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Modélisation d’une transition RPr Espaces de travail Espace RPr Espace RBC Passage de la transition dans différents espaces Transition dans RBC uniquement Transition dans RPr uniquement Transition dans RBC et RPr RBC TGI RPr TGI RBC RPr TGI RBC RPr TGI RBC Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation du passage des discontinuités Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Modélisation du passage des discontinuités T_RBC T_RPr S1,Pr ; U1,Pr ; S2,Pr ; U2,Pr ; S3,Pr ; U3,Pr ; VF Calcul de T_RBC et T_RPr T_RPr > T_RBC T_RPr < T_RBC Transition dans RBC Transition dans RPr T_RPr > T_RBC Transition dans RPr Transition dans RBC J(X|Y|Z|B|C)(t) ≤ J(X|Y|Z|B|C),max A(X|Y|Z|B|C)(t) ≤ A(X|Y|Z|B|C),max FIN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Modélisation d’une passe & Résultats Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Simulation Mesure Modélisation d’une passe & Résultats Bonne fidélité des profils mesurés et simulés Erreur de 5% sur le temps d’usinage Certaines chutes de vitesse ne sont pas détectées Erreur sur le jerk ? Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Conclusions Simulateur développé en JAVA Validations expérimentales Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Conclusions Simulateur développé en JAVA Temps de calcul : 1s pour 35 blocs Validations expérimentales Pour des vitesses d’avance de 0 à 10 m/min Erreur sur le calcul de Tu inférieure à 5% Spécificités liées à notre MOCN Mauvaise interprétation du besoin du programmeur Modification de la vitesse programmée par bloc Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Vers le posage Analyse du pilotage des MOCN en 5 axes Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application Implémentation et conclusions Vers le posage Analyse du pilotage des MOCN en 5 axes Les axes rotatifs sont ceux qui limitent le plus la productivité du processus Les axes de translation peuvent limiter la productivité lors des phases d’accélérations et de décélérations ou lors du passage des transitions Utilisation du simulateur Le temps de calcul limite son utilisation dans une boucle d’optimisation sur un cas pratique Dans le cadre du posage : Détermination de l’orientation Détermination du positionnement Dans le cadre du posage : Utilisation pour valider des posages optimisés Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine Choix de l’orientation de la pièce Choix du positionnement de la pièce Conclusion et perspectives Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Posage d’une pièce dans la machine Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Posage d’une pièce dans la machine Définition Positionnement (en translation) et orientation (en rotation) de la pièce dans la machine Enjeu Diminuer le temps d’usinage Contrainte : la FAO est fixée Pas de modification du programme initial Gestion des collisions non prise en compte Leviers Changer l’orientation Supprimer les retournements du plateau Diminuer la distance réalisée sur B et C Changer la position Diminuer la distance réalisée sur les axes de translation Modifier l’orientation Modifier (i,j,k) Modifier (B,C) Modifier position Modifier Tu Modifier (Xm,Ym,Zm) Modifier (A(X|Y|Z),J(X|Y|Z)) Modifier Tu Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Problématique Expression du temps d’usinage Stratégie de résolution Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Problématique Expression du temps d’usinage Idéalement : utilisation du simulateur Temps de calcul important → Estimation du temps d’usinage Modélisation non paramétrable → Test d’un ensemble de solutions Stratégie de résolution Génération d’un ensemble de solutions Choix d’un positionnement FAO Choix de l’orientation Choix de la position Génération d’un ensemble de solutions Réduction de l’ensemble de solutions Choix d’une orientation Proposition d’un posage Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Orientation de la pièce dans la machine Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Applicatio Orientation de la pièce dans la machine Paramétrage : utilisation des angles d’Euler Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Orientation de la pièce dans la machine Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Orientation de la pièce dans la machine Paramétrage : utilisation des angles d’Euler Espace Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Suppression (θj,φk) de la grille de résultat Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Espace des solutions Grille des solutions Suppression des solutions impossibles Suppression des retournements plateau Ui ; (θj,φk) Calcul de FIN Suppression (θj,φk) de la grille de résultat VF = 2m/min 0° 60° 120° 180° 240° 300° Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Suppression (θj,φk) de la grille de résultat Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Espace des solutions r d Grille des solutions Suppression des solutions impossibles Suppression des retournements plateau VF = 2m/min Ui ; Ui+1 ; (θj,φk); r Calcul de Calcul de d FIN Suppression (θj,φk) de la grille de résultat r ? 0° 60° 120° 180° 240° 300° Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Critères de choix d’une solution Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Critères de choix d’une solution Temps d’usinage Simulateur 100s par posage Pseudo temps Posage optimisé : (56°, -160°) Pseudo temps : 116s. Temps de calcul : 662s. Temps d’usinage : 13min. Pseudo longueur réalisée dans BC Posage optimisé : (56°, -160°) Pseudo longueur : 265 rad. Temps de calcul : 536s. Temps d’usinage : 13 min. Posage initial Temps d’usinage : 21min. 13s. -32% Pseudo temps : 348s. -66% Pseudo longueur : 663 rad -60% Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Temps total d’optimisation : 208 s. Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Grilles adaptatives Discrétisation 20° T optim : 20 s. 291 rad Discrétisation 4° T optim : 45 s. 265 rad Tu : 13 min 8% Discrétisation 8° T optim : 47 s. 265 rad Tu : 13 min Discrétisation 1° T optim : 86 s. 265 rad Tu : 13 min 16% 2% Temps total d’optimisation : 208 s. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Bilan Temps Bureau des méthodes Temps d’usinage Temps de calcul Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application et conclusion Bilan Temps Temps d’usinage Gains de 10% à 60% Temps de calcul Quelques secondes à plusieurs dizaines de minutes Une discrétisation fine n’est pas forcément intéressante Bureau des méthodes Mise à disposition d’un outil simple pour le choix du posage Choix du posage en fonction de montages d’usinage déjà existant Proposition d’orientation pour l’usinage de plusieurs pièces Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine Choix de l’orientation de la pièce Choix du positionnement de la pièce Conclusion et perspectives Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Positionnement de la pièce dans la machine Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Positionnement de la pièce dans la machine Paramétrage Vecteur Espace de travail Problématique Pour un posage donné, l’exécution du simulateur ne permet pas d’obtenir des résultats dans un temps raisonnable Définition de l’espace de travail Ensemble des positions de l’espace de programmation qui garantit d’obtenir un point dans les courses de la machine Limite de la définition Restrictif Avantage de la définition Espace de travail valable quelle que soit la pièce TGI Dans les courses TGI Hors courses TGI Dans les courses Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Volume de travail pour le DMU 50 eVo Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Volume de travail pour le DMU 50 eVo Détermination expérimentale du volume de travail TGI TGI Variation du vecteur Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Choix d’un positionnement Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Choix d’un positionnement Critère de choix Représentations 3D Dec X Dec Y Dec Z Tu Gains ou pertes 200 12 min. 44s. - 7 14 218 12 min. 40s. -1% 57 74 298 13 min 14s. +4% Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Bilan sur le positionnement Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Bilan sur le positionnement Gain très faible sur le temps d’usinage Diminution de 60% de la distance parcourue sur les axes Evolutions envisageables Proposer de jauges outils adaptées à un usinage Déterminer l’espace de travail dédié à une orientation donnée pour une pièce Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Application – Usinage d’une pale d’hélice de bateau Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Problématique Choix de l’orientation Choix du positionnement Application Application – Usinage d’une pale d’hélice de bateau VF = 2m/min 5100 blocs Choix de la position 207 s. Proposition d’un posage 347 s. 140 s. Solution FAO : Tu : 10 min. 55 s. Posage optimisé : Tu : 9 min. 40 s. Pire des cas : Tu : 17 min. 30s. Posage optimisé : Tu : 9 min. 05. Gain total sur Tu : 16,8% Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Plan Contexte industriel et scientifique Analyse du comportement des MOCN en usinage 5 axes Assistance au choix du posage de la pièce dans la machine Choix de l’orientation de la pièce Choix du positionnement de la pièce Conclusions et perspectives Cette présentation s’articulera en 4 parties. Dans la première partie, je détaillerai le contexte scientifique et industriel dans lequel on évolue. Et je préciserai le cadre de notre étude. Je rentrerai plus dans les détails dans les deux parties suivantes. Je commencerai par présenter l’analyse du fonctionnement des machines outils en usinage 5 axes. Cette analyse nous permet de construire des modèles de comportement de la machine et d’identifier quelles sont les sources de perte de productivité des machines outils. Ces analyses nous permettent alors de travailler sur le positionnement et l’orientation de la pièce dans la machine. Enfin, nous dresserons les conclusions et perspectives de nos travaux. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Conclusions Tu réel : 21 min 13s VF = 2m/min Tu FAO : 4 min FAO Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusions Perspectives Conclusions VF = 2m/min Tu FAO : 4 min Tu réel : 21 min 13s FAO Post – Processing MOCN On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Analyse du comportement de la MOCN Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusions Perspectives Conclusions VF = 2m/min Tu FAO : 4 min Tu réel : 21 min 13s -40% FAO Post – Processing MOCN Optimisation Posage On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Tu réel : 12 min 40s Analyse du comportement de la MOCN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Analyse comportement MOCN Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusions Perspectives Conclusions VF = 2m/min Tu FAO : 4 min Tu réel : 21 min 13s -40% FAO Post – Processing MOCN -55% On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Analyse comportement MOCN Optimisation Posage Tu réel : 12 min 40s Tu réel : 5 min 40s Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Gain total : 73% -40% -55% Conclusions Tu réel : 21 min 13s Tu réel : Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusions Perspectives Solution FAO Optimisation orientation + positionnement + analyse MOCN Conclusions VF = 2m/min Tu FAO : 4 min Tu réel : 21 min 13s -40% FAO Post – Processing MOCN -55% On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Analyse comportement MOCN Optimisation Posage Tu réel : 12 min 40s Tu réel : 5 min 40s Gain total : 73% Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Conclusions Problématique : Comment réduire le temps d’usinage ? Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusions Perspectives Conclusions FAO Post – Processing MOCN Analyse comportement MOCN Optimisation Posage Problématique : Comment réduire le temps d’usinage ? On passe ensuite à la fabrication. Dans notre cas, nous nous intéressons à l’usinage 3 axes et 5 axes. Voici un exemple d’usinage en 3 axes. On voit ici que seuls les axes de translation sont utilisés au cours de l’usinage. Voici maintenant un exemple d’usinage en 5 axes. Dans ce cas, les deux axes rotatifs sont utilisés. Ils permettent d’orienter l’outil par rapport à la pièce. Ceci peut permettre de réduire le nombre de positionnement de la pièce, usiner des pièces en contre dépouille, augmenter la largeur coupée en utilisant des outils toriques plutôt que des outils sphériques, améliorer les conditions de coupe en augmentant la vitesse effective de coupe. Notre approche : L’analyse du comportement de la MOCN et un choix judicieux du posage de la pièce permettent de diminuer le temps d’usinage de 10 à 80%. Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Bouclage du simulateur et du choix du posage Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusion Perspectives Perspectives – 1/2 Simulateur Améliorer les performances Mode de calcul des jerks et accélérations sur les axes limitants Gestion des discontinuités Gestion de l’anticipation dynamique Choix du posage Déterminer un espace de travail associé à une pièce Prise en compte de collisions Proposer des dimensions d’outils permettant d’usiner une pièce sur une machine donnée Bouclage du simulateur et du choix du posage Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Perspectives – 2/2 Simulateur Choix du posage Contexte Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives Conclusion Perspectives Perspectives – 2/2 Simulateur Définir un protocole permettant d’analyser le comportement d’une MOCN Tester sur d’autres MOCN Comparer avec d’autres simulateurs Choix du posage Tester la méthodologie sur d’autres MOCN Coupler le choix du posage avec des méthodes de lissage Adapter le simulateur à d’autres MOCN Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles

Aide au choix du posage en usinage 5 axes continus par la modélisation du comportement cinématique des machines – outils Xavier PESSOLES Encadrants : Walter RUBIO Yann LANDON Lundi 5 Juillet 2010

Modélisation des transitions : cercle ou polynôme ? Modèle circulaire [Dugas, 2002], [Pateloup, 2004] Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles