AIDE AU CHOIX DU POSAGE EN USINAGE 5 AXES CONTINUS PAR LA MODÉLISATION DU COMPORTEMENT CINÉMATIQUE DES MACHINES – OUTILS

(1)

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

(2)

Contexte

Analyse du comportement des MOCN en 5 axes

Assistance au choix du posage Conclusions & Perspectives

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

Plan

(3)

FAO

Post – Processing

MOCN

Métrologie

Contexte

Contexte industriel Problématique

Cadre de l’étude

Contexte industriel

CAO

Contraintes

physiques

Contraintes

d’assemblage

Contraintes

esthétiques

(4)

CAO

Post – Processing

MOCN

Métrologie

Contexte

Cadre de l’étude

Contexte industriel

Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes esthétiques

FAO

Choix des outils et des

conditions de coupe

Choix de la stratégie

d’usinage

(5)

CAO

FAO

MOCN

Métrologie

Machine Commande Numérique

Options diverses

Contexte

Cadre de l’étude

Contexte industriel

Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes

esthétiques Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage

Post –

Processing

(6)

CAO

FAO

Post – Processing

Métrologie

Machine Commande Numérique

Options diverses

Contexte

Cadre de l’étude

Contexte industriel

Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes

esthétiques Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage

MOCN

(7)

CAO

Métrologie

Machine Commande Numérique

Options diverses

Contexte

Cadre de l’étude

Contexte industriel

Contraintes physiques Contraintes d’assemblage Contraintes

esthétiques Choix des outils et des conditions de coupe Choix de la stratégie d’usinage

FAO

Post – Processing

MOCN

Choix arbitraire du posage

Choix de la machine

Influence importante sur le temps

d’usinage

(8)

Contexte

Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude

Problématique

FAO Post –

Processing MOCN

VF = 2m/min

Comment réduire le temps d’usinage ?

T

_u

réel : 10min

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]

T

_u

FAO : 1min 24s

L

(9)

Contexte

Contexte industriel Problématique Cadre de l’étude

Problématique

FAO Post –

Processing MOCN

VF = 2m/min

Comment réduire le temps d’usinage ?

T

_u

réel : 10min

Modifier le posage de la pièce Analyser le comportement de la MOCN

T

_u

FAO : 1min 24s

T

_u

réel: 3

min.

(10)

Contexte

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

Contexte industriel Problématique

Cadre de l’étude

Cadre de l’étude

(11)

Contexte

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

Plan

(12)

Contexte

Analyse du comportement des MOCN en 5 axes

Constat

Temps d’usinage FAO : 2,6s.

Temps d’usinage réel : 7,8s.

Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes

Application

Implémentation et conclusions

Usinage d’une passe

V

_F

= 2m/min

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]

(13)

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

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes

S

_1,Pr

; u

_S1

; S

_2,Pr

; u

_S2

; V

_F

Calcul de B_Si et C_Si

Calcul du temps de parcours sur B et C

Calcul de V_B et V_C

Calcul de J_B, J_C, A_B, A_C Calcul de B(t), C(t), X_m(t),

Y_m(t), Z_m(t)

et des dérivées successives J_(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max

A_(X|Y|Z)(t) ≤ A(X|Y|Z),max

FIN

R

_Pr

J_(B|C),max A_(B|C),max

R

_BC

TGI

(14)

Contexte

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes

Y_m(t), Z_m(t)

et des dérivées successives

FIN

R

_Pr

TGI

S

_1,Pr

; U

_1,Pr

; S

_2,Pr

; U

_2,Pr

; V

_F

J_(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max

(15)

Contexte

Modélisation du parcours d’un segment linéaire en 5 axes

Y_m(t), Z_m(t)

et des dérivées successives

FIN

T G I d /d t

TGI

S

_1,Pr

; U

_1,Pr

; S

_2,Pr

; U

_2,Pr

; V

_F

J_(X|Y|Z)(t) ≤ J(X|Y|Z),max

(16)

Contexte

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

Modélisation d’une transition – Cas général

Vitesse mesurée sur X Vitesse mesurée sur Y Vitesse outil – pièce

[Dugas, 2002]

(17)

Contexte

Espaces de travail

Espace R

_Pr

Espace R

_BC

Passage de la transition dans différents espaces

Transition dans R

BC

uniquement

Transition dans R

Pr

uniquement Transition dans R

_BC

et R

_Pr

Modélisation d’une transition

R

_Pr

TGI

R

_BC

R

_Pr

TGI

R

_BC

R

_Pr

TGI

R

_BC

R

_Pr

TGI

R

_BC

(18)

Contexte

Modélisation du passage des discontinuités _S

1,Pr

; U

_1,Pr

; S

_2,Pr

; U

_2,Pr

; S

_3,Pr

; U

_3,Pr

;

V

_F

Transition dans R_BC

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

Calcul de T_R_BC et

T_R_Pr

Transition dans R_Pr

Transition dans R_BC

Transition dans R_Pr

T_R

_BC

T_R

_Pr

T_R

_Pr

< T_R

_BC

T_R

_Pr

> T_R

_BC

T_R

_Pr

> T_R

_BC

(19)

Contexte

Exemple de l’usinage d’une pièce Modélisation en usinage 5 axes Application

Modélisation d’une passe & Résultats ^Simulation _Mesure

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 ?

(20)

Contexte

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 T

u

inférieure à 5%

Spécificités liées à notre MOCN

Mauvaise interprétation du besoin du programmeur

Modification de la vitesse programmée par bloc

(21)

Contexte

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

(22)

Contexte

Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage

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

Plan

(23)

Contexte

Analyse du comportement des MOCN en 5 axes Assistance au choix du posage

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’orientati

on

Modifier

(i,j,k) Modifier

(B,C) Modifier Tu Modifier

position Modifier (X

_m

,Y

_m

,Z

m

) Modifier

(A_(X|Y|Z),J_(X|Y|Z))

Modifier

(24)

24 Lundi 5 Juillet 2010 - Soutenance de Thèse de Xavier Pessoles Contexte

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

Problématique

Choix de l’orientation Choix du positionnement Application

Problématique

FAO

Choix de l’orientation

Choix de la

position Proposition d’un posage Génération d’un ensemble de

solutions

Réduction de l’ensemble de solutions

Génération d’un ensemble de solutions

Choix d’un positionnement

(25)

Contexte

Paramétrage : utilisation des angles d’Euler

Problématique

Choix de l’orientation Choix du positionnement Applicatio

Orientation de la pièce dans la machine

(26)

Contexte

Paramétrage : utilisation des angles d’Euler

Espace

Problématique

Choix de l’orientation Choix du positionnement Application

Orientation de la pièce dans la machine

(27)

Contexte

Grille des solutions

Suppression des solutions impossibles

Suppression des

retournements plateau

Problématique

Espace des solutions

0°

60°

120°

180°

240°

300°

U_i ; (θ_j,φ_k)

Calcul de

Suppression (θ_j,φ_k)

FIN

de la grille de résultat

VF =

2m/min

(28)

Contexte

Grille des solutions

Suppression des solutions impossibles

Suppression des

retournements plateau

Problématique

Espace des solutions

0°

60°

120°

180°

240°

300°

r ?

r d VF =

2m/min

U_i ; U_i+1 ; (θ_j,φ_k); r Calcul de

Calcul de d

Suppression

FIN

(θ_j,φ_k) de la grille de résultat

(29)

Contexte

Pseudo temps

Posage optimisé : (56°, -160°) Pseudo temps : 116s.

Temps de calcul : 662s.

Temps d’usinage : 13min.

Problématique

Critères de choix d’une solution

Posage initial

Temps d’usinage : 21min. 13s.

-32%

Pseudo temps : 348s.

-66%

Pseudo longueur : 663 rad

-60%

Pseudo longueur réalisée dans BC

Posage optimisé : (56°, -160°) Pseudo longueur : 265 rad.

Temps de calcul : 536s.

Temps d’usinage : 13 min.

Temps d’usinage

Simulateur 100s par posage

(30)

Contexte

Problématique

Grilles adaptatives

Discrétisation 20°

T optim : 20 s.

291 rad

Discrétisation 8°

T optim : 47 s.

265 rad Tu : 13 min

Discrétisation 4°

T optim : 45 s.

265 rad Tu : 13 min

Discrétisation 1°

T optim : 86 s.

265 rad Tu : 13 min

16%

8%

2%

Temps total d’optimisation : 208 s.

(31)

Contexte

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

Problématique

Choix de l’orientation Choix du positionnement Application et conclusion

Bilan

(32)

Contexte

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

Plan

(33)

Contexte

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

Problématique

Choix de l’orientation

Choix du positionnement Application

Positionnement de la pièce dans la machine

TGI Dans les

courses

TGI Hors

courses

TGI Dans les

courses

(34)

Contexte

Problématique

Volume de travail pour le DMU 50 eVo

TGI

Détermination expérimentale du volume de travail

Variation du vecteur

TGI

(35)

Contexte

Critère de choix

Représentations 3D

Problématique

Choix d’un positionnement

Dec X Dec Y Dec Z Tu Gains ou

pertes

0 0 200 12 min. 44s. -

7 14 218 12 min. 40s. -1%

(36)

Contexte

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

Problématique

Bilan sur le positionnement

(37)

Contexte

Problématique

Choix de l’orientation Choix du positionnement Application

Application – Usinage d’une pale d’hélice de bateau

Posage optimisé :

Tu : 9 min. 05.

Choix de la position

207 s. Proposition

d’un posage

347 s.

VF = 2m/min 5100 blocs

140 s.

Solution FAO : Tu : 10 min.

55 s.

Posage optimisé : Tu : 9 min. 40 s.

Pire des cas : Tu : 17 min. 30s.

Gain total sur Tu :

16,8%

(38)

Contexte

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

Plan

(39)

Contexte

Conclusions

FAO Post –

Processing MOCN

Conclusions Perspectives

T

_u

réel : 21 min 13s

VF = 2m/min

T

_u

FAO : 4 min

(40)

Contexte

Conclusions

FAO Post –

Processing MOCN

T

_u

réel : 21 min 13s

VF = 2m/min T

_u

FAO : 4 min

Optimisatio n Posage

T

_u

réel : 12 min 40s

-40%

Analyse du comportement

de la MOCN

(41)

Contexte

Conclusions

FAO Post –

Processing MOCN

T

_u

réel : 21 min 13s

VF = 2m/min T

_u

FAO : 4 min

Optimisatio n Posage Analyse

comportem

ent MOCN T

_u

réel :

5 min 40s

-55%

T

_u

réel : 12 min 40s

-40%

(42)

Contexte

Conclusions

FAO Post –

Processing MOCN

T

_u

réel : 21 min 13s

VF = 2m/min T

_u

FAO : 4 min

Optimisatio n Posage Analyse

comportem

ent MOCN T

_u

réel :

5 min 40s

-55%

T

_u

réel : 12 min 40s

-40%

Solution FAO Optimisation orientation + positionnement

Optimisation orientation

+ positionnement + analyse MOCN

Gain total :

73%

(43)

Contexte

Conclusions

FAO Post –

Processing MOCN

Optimisatio n Posage Analyse

comportem ent MOCN

Problématique :

Comment réduire le temps d’usinage ? 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%.

(44)

Contexte

Conclusions & Perspectives

Simulateur

Améliorer les performances

Mode de calcul des jerks et accélérations sur les axes limitants

Gestion des discontinuités Gestion de l’anticipation dynamique

Conclusion Perspectives

Perspectives – 1/2

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

(45)

Contexte

Conclusions & Perspectives

Simulateur

Définir un protocole

permettant d’analyser le comportement d’une

MOCN

Tester sur d’autres MOCN Comparer avec d’autres simulateurs

Conclusion Perspectives

Perspectives – 2/2

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

(46)

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

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