La première machine d’usinage à architecture parallèle proposée est la Variax de Giddings&Lewis (Figure I-22) en 1994 [SHEL_95]. Sa structure parallèle est du même type que celle de la plate-forme de Gough. Nous appellerons les machines de ce type « Hexapodes ».
Beaucoup de machines-outils de la famille des hexapodes ont été proposées. Parmi les plus connues nous trouvons :
• La machine Ingersoll H0H600*.
• La machine Mikromat 6X Hexapod*.
• Les machines Geodetics G500 et G1000.
• La machine Cosmo Center PM-600* de la société Okuma.
• La machine Tornado 2000* de la société Hexel.
• La machine HEXACT* développée par INA et l’IFW.
• L’Hexapode 300 de la société CMW*, compact, destiné à être utilisé de manière autonome ou porté par une structure cartésienne.
Les machines ci-dessus étant de la famille des hexapodes, ce sont toutes des machines 5 axes au sens de l’usinage. Nous avons vu que la dynamique des robots parallèles est meilleure lorsque les actionneurs sont fixés sur la base. Les concepteurs de machine-outil ont donc proposé des solutions de machines, inspirées des robots parallèles correspondants :
• La machine HexaM* de la société Toyoda [PIER_98]. Il s’agit en fait de la déclinaison du robot Hexa avec des actionneurs linéaires.
• La machine Hexaglide* de l’ETHH (Zurich).
• La machine Triaglide* de la société Mikron. Elle ne possède que trois degrés de liberté de translation.
• La machine Quickstep de la société Krause&Mauser. Tout comme la machine Triaglide, cette machine possède 3 degrés de liberté de translation. Cette machine a été exposée pour la première fois à l’EMO Paris 1999.
• La machine UraneSX de la société Renault Automation/Comau qui possède trois degrés de translation comme la machine Quickstep. Cette machine, équipée de moteurs linéaires, est capable d’accélérer à 3,5g sur l’ensemble de son volume de travail. Elle a été conçue afin de réaliser spécifiquement des opérations de perçage, lamage et taraudage à grande vitesse [PIER_00].
Il existe également des machines hybrides ayant une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
• Seul un sous-ensemble de la machine est parallèle.
• La machine n’est pas pleinement parallèle (les pattes de la machine comportent plusieurs actionneurs en série).
• La machine comporte une chaîne passive.
Parmi ces machines hybrides, nous trouvons :
• La machine Dyna-M* du WZL (Aix-la-Chapelle). Il s’agit d’une machine 3 axes constituée d’un mécanisme plan à deux degrés de liberté complété par un axe linéaire porté.
• La machine Georg V* de l’IFW (Université de Hanovre).
• La machine Tricept TR805* de NEOS Robotics dont l’architecture est identique à celle du robot du même nom.
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• La machine Eclipse* [KIM_98] de l’Université Nationale de Séoul. Cette machine redondante permet aussi bien de réaliser des usinages de surfaces complexes 5 axes, des usinages 5 faces sans démontage sur des pièces prismatiques et du tournage vertical.
• Le projet Smartcuts* qui associe 2 structures parallèles planes (3 degrés de liberté) montées suivant un agencement de type main droite (portant la broche) - main gauche (portant la pièce).
Enfin, nous terminons cette énumération par une machine intégrant un sous-ensemble parallèle : la machine Sprint Z3* de la société DS Technologie dont l’intérêt est de proposer une alternative à l’utilisation problématique des têtes rotatives. Cette machine est déjà en service dans l’industrie. Le sous-ensemble parallèle constitue l’équivalent d’un poignet parallèle à deux degrés de liberté de rotation et un degré de liberté de translation destiné à être porté par une structure cartésienne X, Y ou X, Y, Z.
En conclusion, la plupart des machines-outils parallèles existantes possèdent 6 degrés de liberté au sens de la robotique et 5 axes au sens de la machine-outil. Pour la plupart des machines que nous venons de présenter, le succès commercial attendu n’est pas au rendez- vous et ce pour plusieurs raisons. Parmi elles, nous pouvons citer la méfiance des utilisateurs par rapport à ces machines dont les axes ne sont plus physiques mais résultant de la combinaison de plusieurs mouvements, mais surtout leur inadéquation par rapport aux attentes des utilisateurs de plusieurs points de vue. De manière générale, nous pouvons citer :
• Le ratio « empreinte au sol »/ « volume de travail » est mauvais.
• Les systèmes de commandes type numérique commencent à peine à intégrer les architectures parallèles.
• Les procédures d’étalonnage sont plus complexes.
• La présence d’articulations passives à plusieurs degrés de liberté. et de manière spécifique aux hexapodes :
• L’utilisation de six moteurs pour seulement 5 degrés de liberté utiles.
• Les capacités d’orientation limitées.
• L’utilisation de vis à billes « flottantes » dans les « pattes ».
• La présence des moteurs dans les « pattes » qui entraîne la production d’énergie thermique dans les corps en mouvement et donc des dilatations.
• La difficulté d’utiliser des moteurs linéaires dans de telles architectures.
Il existe donc un besoin portant sur la création de nouvelles machines mieux adaptées aux tâches à effectuer. Avant d’envisager des solutions de machines parallèles répondant mieux à certains problèmes particuliers, nous allons, dans le deuxième chapitre, proposer une démarche et présenter les outils que nous allons utiliser dans la suite de ce manuscrit pour la conception de nouvelles machines.
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Chapitre II . Méthodologie de conception.
L’objectif de ce manuscrit est de proposer des solutions à base de mécanismes parallèles destinées à améliorer les performances des machines-outils. Par sa définition, ce problème est inclus dans celui de la synthèse de mécanismes qui constitue à elle seule une discipline à part entière. Nous n’avons pas ici la prétention d’explorer l’ensemble du domaine de la synthèse de mécanismes. Nous nous concentrerons principalement sur les solutions qui nous semblent les mieux adaptées à l’usinage précis et rapide des pièces.
Dans ce chapitre, nous présentons sommairement la problématique de la synthèse de mécanismes ainsi que quelques méthodes employées pour sa résolution. Nous poursuivons en précisant les restrictions, spécifiques à notre étude, sur les mécanismes recherchés. Cette réduction de l’espace de recherche des solutions rend plus favorable l’utilisation d’une méthode linéaire par rapport à une méthode plus générale. Les différentes étapes de notre démarche de conception sont :
• Dans un premier temps, nous sélectionnons une famille d’architectures parallèles correspondant à la tâche à effectuer.
• Une première phase de recherche nous permet de trouver la meilleure topologie à l’intérieur de cette famille
• Pour cette topologie, nous étudions l’évolution de plusieurs indicateurs en fonction d’un vecteur réduit de paramètres. A l’aide de ces indicateurs, nous fixons les dimensions du mécanisme qui agissent sur sa cinématique.
• Une fois le mécanisme sélectionné et ses dimensions calculées, il nous reste à dimensionner les organes qui le composent.