Titre de l'invention : CENTRE D’USINAGE MULTI-AXIAL AVEC MECANISME DE LIAISON A PRESSION PILOTEE

[0001] L'invention concerne le domaine des centres d'usinage multi-axiaux.

[0002] L’invention est plus particulièrement en lien avec les centres d’usinage « 3 axes » ou « 4 axes ». On entend par « 3 axes » le fait que l’outil d’usinage de la pièce à usiner peut être déplacé en translation suivant chacun des 3 axes d’un repère cartésien X, Y et Z. L’outil d’usinage peut également être déplacé en rotation autour d’un axe parallèle à l’axe Z pour réaliser un centre d’usinage « 4 axes ».

[0003] En référence à la figure 1 , un exemple de centre d’usinage 10 est représenté.

Le centre d’usinage 10 comprend un chariot d’usinage 12 portant une broche d’usinage 14 apte à recevoir et entraîner en rotation un outil d’usinage d’une pièce 15 (non représenté). Pour réaliser les déplacements en translation de l’outil d’usinage, le chariot d’usinage 12 est monté de manière mobile sur un chariot de mise en position 16 le long d’un axe Z. Le chariot de mise en position 16 est lui- même monté de manière mobile sur un portique 18 le long d’un axe X. Enfin, le portique 18 est monté de manière mobile le long de l’axe Y. Le contrôle du déplacement de l’outil d’usinage suivant les trois axes X, Y et Z permet d’usiner la totalité de la surface supérieure de la pièce 15 avec une profondeur d’usinage souhaitée.

[0004] L'invention trouve notamment une application pour le polissage des matériaux tels que le granit, le marbre, le béton et les matériaux composites à l'aide d'un centre d'usinage à commande numérique adapté pour le travail multi-axial. Les marchés visés par cette application sont principalement le domaine du funéraire, la décoration, le bâtiment, etc. Le polissage des matériaux tels que le granit, le marbre, le béton et les matériaux composites est réalisé aujourd'hui à l'aide d'un jeu d'outils travaillant sous un arrosage abondant (eau ou autre lubrifiant). Les outils abrasifs utilisés, à base de diamant ou de carbure de silicium synthétique, présentent une surface de polissage de granulométrie décroissante pour un polissage de plus en plus fin, et travaillent idéalement en pression pneumatique permettant d'avoir un effort constant sur le matériau à polir quel que soit le degré d'usure de l'outil. Cet effort sur le matériau à polir, appliqué perpendiculairement à la surface à polir, doit être adapté en fonction de la dureté du matériau à polir et de la granulométrie de la surface de polissage de l'outil abrasif. Une finesse de réglage de cet effort est nécessaire pour obtenir la finition requise (adouci sans trace, polissage éclatant et uniforme, etc.).

[0005] Pour répondre à cette contrainte, certains fabricants ont développé un

système à ressort permettant d'appliquer un effort sur la surface à polir. Le principal inconvénient de cette solution est le manque de régularité de l'effort appliqué. En effet, la force exercée par les ressorts varie en fonction de la compression de ceux-ci. Elle décroit lors de l'usure des outils et par conséquent l'effort appliqué sur la surface à polir diminue. Cela entraîne un manque d'uniformité du polissage fortement préjudiciable.

[0006] Une autre solution technique disponible sur le marché est l'obtention d'une pression dite "électrique" obtenue en contrôlant le couple délivré par les moteurs d'axe ou en contrôlant la vitesse des moteurs de broche du centre d'usinage. Cette solution permet d'obtenir des résultats acceptables (en termes d'uniformité du polissage) mais cela nécessite l'utilisation de motoréducteurs et de moteur de broche spécifiques qui peuvent engendrer des surcoûts et des risques accrus de dysfonctionnement.

[0007] Une autre solution envisageable serait l'utilisation de capteur d'effort au

niveau de l'outil porté par la broche. Mais cette solution est très onéreuse et incompatible avec le prix de marché des centres de polissage. De plus cette solution est encombrante au niveau de la broche et génère un porte-à-faux supplémentaire au niveau de la broche.

[0008] Une autre solution connue est d’ajouter un système de vérin pneumatique entre le corps du chariot d’usinage 12 et la broche porte-outil 14. Dans ce cas, un mécanisme de liaison supplémentaire est disposé entre le corps du chariot d’usinage 12 et la broche porte-outil 14 pour permettre de déplacer la broche porte-outil 14 en translation et de lui appliquer un effort donné le long de l’axe Z. Un exemple de réalisation d’une telle solution est représenté en figure 2. On peut voir que le chariot d’usinage 12 est monté en translation vis-à-vis du chariot de mise en position 16 au niveau d’une liaison glissière 20 et que le corps 21 du chariot d’usinage 12 est également monté en translation vis-à-vis de la broche porte-outil 14 au niveau d’une liaison glissière supplémentaire 22.

[0009] L’inconvénient de cette dernière solution est qu’elle est complexe à mettre en œuvre car elle oblige à ajouter une liaison glissière supplémentaire 22 entre deux sous-ensembles montés rigides l’un par rapport à l’autre. La conception du chariot d’usinage 12 est donc à réadapter. Ceci oblige à augmenter le nombre de pièces à mettre œuvre pour réaliser l’interface mobile entre le corps 21 et la broche porte-outil 14 ce qui augmente le coût de fabrication d’une telle solution.

[0010] Il existe donc un besoin pour un centre d’usinage ne présentant pas ces

inconvénients.

[0011] Pour cela, l’invention propose un centre d’usinage multi-axial pour l’usinage d’une pièce, comprenant :

[0012] - un plateau support pour supporter une pièce à usiner,

- un chariot de mise en position mobile par rapport au plateau support le long d’au moins un premier axe de déplacement,

- un chariot d’usinage mobile par rapport au chariot de mise en position le long d’un deuxième axe de déplacement perpendiculaire audit au moins un premier axe de déplacement, le chariot d’usinage comprenant une broche porte-outil configurée pour recevoir un outil d’usinage et entraîner en rotation ledit outil d’usinage autour d’un axe de rotation parallèle au deuxième axe de déplacement,

- un mécanisme de liaison entre le chariot d’usinage et le chariot de mise en position configuré pour guider et déplacer en translation le chariot d’usinage par rapport au chariot de mise en position le long du deuxième axe de déplacement, le mécanisme de liaison comprenant en outre :

- un système d’application d’un effort prédéterminé au chariot d’usinage le long du deuxième axe de déplacement,

- une unité de pilotage de l’effort appliqué au chariot d’usinage par le système d’application.

[0013] L’intégration d’un système d’application d’un effort prédéterminé à l’intérieur du mécanisme de liaison entre le chariot d’usinage et le chariot de mise en position permet de fournir une pression axiale au niveau de l’outil d’usinage en s’affranchissant d’une liaison mécanique supplémentaire. En effet, c’est une liaison mécanique existante qui est améliorée pour réaliser une fonction supplémentaire d’application d’un effort prédéterminée.

[0014] De plus, la présence d’une unité de pilotage de l’effort appliqué permet

d’obtenir une pression au niveau de l’outil d’usinage précise et qui peut être régulée en fonction de l’usure de l’outil d’usinage ou de tout autre paramètre demandant une régulation de la pression de contact de l’outil d’usinage sur la pièce à usiner. L’effort prédéterminé est de préférence appliqué en continu de manière à obtenir une pression continue pendant toute la durée du travail sur la pièce. Ainsi, pour des travaux de polissage ou de surfaçage notamment, il devient possible d'obtenir une surface parfaitement uniforme.

[0015] Cette solution permet ainsi de bénéficier de l’application d’un effort précis et pilotable tout en ne nécessitant pas l’ajout d’une liaison supplémentaire. Le centre d’usinage est ainsi moins coûteux à fabriquer tout en ayant une très bonne efficacité concernant l’usinage de la pièce.

[0016] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, l’unité de pilotage est

configurée pour piloter l’effort appliqué au chariot d’usinage en fonction de la pression de contact souhaitée entre l’outil d’usinage et la pièce.

[0017] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, l’unité de pilotage est

configurée pour piloter l’effort appliqué au chariot d’usinage en fonction de l’usure de l’outil d’usinage.

[0018] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, l’unité de pilotage

comprend des moyens de détermination de l’usure de l’outil d’usinage

comportant l’un ou plusieurs parmi : un système de mesure de l’usure de l’outil d’usinage et une pluralité de données pré-enregistrées représentatives de l’usure de l’outil d’usinage en fonction de son utilisation.

[0019] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, le mécanisme de liaison est une liaison glissière entre le chariot d’usinage et le chariot de mise en position, ladite liaison glissière intégrant le système d’application d’un effort prédéterminé.

[0020] De manière préférée, la liaison glissière comprend un axe de glissière et un boîtier de glissière configuré pour être déplacé le long de cet axe de glissière. Le chariot d’usinage est monté sur le boîtier de glissière et l’axe de glissière est monté sur le chariot de mise en position. Le boîtier de guidage intègre le système d’application d’effort prédéterminé.

[0021] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, le mécanisme de liaison est configuré pour permettre un débattement axial additionnel le long du deuxième axe de déplacement pour l’application de l’effort prédéterminé par le système d’application.

[0022] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, le mécanisme de liaison est un système de vis à billes comprenant :

- un écrou fixé au chariot de mise en position,

- une vis configurée pour coopérer avec l’écrou, le chariot d’usinage reposant sur la vis,

- un système d’entraînement en rotation de la vis pour permettant la translation de la vis et du chariot d’usinage par rapport à l’écrou et au chariot de mise en position.

[0023] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, le système d’application de l’effort prédéterminé comprend l’écrou du système de vis à billes, l’écrou comprenant une pièce de liaison configurée pour coopérer avec la vis et un boîtier fixé au chariot de mise en position, la pièce de liaison et le boîtier étant configurés pour être déplacés l’un par rapport à l’autre le long du deuxième axe de déplacement pour réaliser un débattement axial additionnel.

[0024] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, le boîtier forme une

chambre étanche dans laquelle est positionnée au moins partiellement la pièce de liaison, la pièce de liaison comprenant un piston à l’intérieur de la chambre de manière à définir deux portions de chambre de part et d’autre de la pièce de liaison le long du deuxième axe de déplacement, et

dans lequel le système d’application comprend en outre un circuit de

d’application d’effort en communication de fluide avec les deux portions de chambre et configuré pour appliquer un effort prédéterminé à la pièce de liaison au moyen d’un fluide sous pression circulant à l’intérieur du circuit d’application d’effort pour le déplacement en translation le long du deuxième de déplacement de la pièce de liaison par rapport au boîtier. [0025] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage :

- la pièce de liaison comprend un corps au travers duquel un trou traversant est formé pour le passage de la vis du système de vis à billes, une paroi du trou formant une empreinte hélicoïdale configurée pour coopérer avec la vis du système de vis à billes, la pièce de liaison comprenant en outre une collerette externe configurée pour délimiter les deux portions de la chambre du boîtier lorsque la pièce de liaison est disposée à l’intérieur du boîtier,

- le boîtier forme un trou traversant pour la mise en position de la pièce de liaison et le passage de la vis du système de vis à billes, le trou traversant comprenant une portion s’étendant transversalement au deuxième axe de déplacement pour former la chambre dans laquelle est disposée la collerette externe de la pièce de liaison lorsque la pièce de liaison est disposée à l’intérieur du boîtier.

[0026] Selon un mode de réalisation du centre d’usinage, l’unité de pilotage est pneumatique ou hydraulique.

Brève description des dessins

[0027] Les dessins annexés illustrent l’invention :

[0028] [Fig. 1] représente un schéma d’une vue d’ensemble en perspective d’un centre d’usinage.

[0029] [Fig. 2] représente un schéma cinématique de principe d’un centre d’usinage selon l’art antérieur.

[0030] [Fig. 3] représente un schéma cinématique de principe d’un centre d’usinage selon l’invention.

[0031] [Fig. 4] représente un schéma d’une vue en coupe d’un mode de réalisation du centre d’usinage selon l’invention.

[0032] [Fig. 5] représente un schéma détaillé d’une vue en coupe d’un mécanisme de liaison entre un chariot d’usinage et un chariot de mise en position du centre d’usinage selon la figure 4.

Description de mode(s) de réalisation

[0033] En référence à la figure 3, un centre d’usinage 30 est représenté de manière simplifiée. De manière similaire à la description faite du centre d’usinage 10 en référence à la figure 1 , le centre d’usinage 30 comprend un chariot d’usinage 32 portant une broche d’usinage 34 configurée pour recevoir et entraîner en rotation un outil d’usinage 37 d’une pièce 35. Le centre d’usinage 30 est un centre d’usinage trois axes. Comme indiqué précédemment, l’outil d’usinage est donc déplaçable en translation le long de trois axes d’un repère cartésien par rapport à la pièce 35. Par souci de clarté du présent exposé, ces trois axes seront nommés l’axe X, l’axe Y et l’axe Z. De manière usuelle, la pièce 35 est disposée sur un plateau support 40 s’étendant suivant les axes X et Y. Ainsi, la translation de l’outil d’usinage 37 suivant les axes X et Y permet de mettre en position l’outil au niveau d’une localisation souhaitée du plateau support et la translation suivant l’axe Z permet de régler la position verticale de l’outil d’usinage 37 et donc notamment de la profondeur d’usinage. La broche porte-outil 34 est configurée pour déplacer en rotation l’outil 37 autour d’un axe parallèle à l’axe Z. Le plateau support 40 permet de supporter la pièce 35 à usiner. De manière préférée, la pièce 35 est disposée sur des plots de maintien disposés entre le plateau support 40 et la pièce 35.

[0034] Selon un mode de réalisation, le centre d’usinage peut également être un centre d’usinage quatre axes lorsque les mouvements de translation selon les axes X, Y et Z peuvent être combinés à un mouvement de rotation selon un axe de rotation C de l’outil 37 parallèle à l'axe Z du repère Cartésien.

[0035] Pour réaliser les déplacements en translation de l’outil d’usinage, le chariot d’usinage 32 est monté de manière mobile sur un chariot de mise en position 36 le long de l’axe Z au niveau d’une première liaison glissière 42. Le chariot de mise en position 36 est lui-même monté de manière mobile sur un portique 38 le long de l’axe X au niveau d’une deuxième liaison glissière 44. Enfin, le portique 38 est monté de manière mobile le long de l’axe Y au niveau d’une troisième liaison glissière 46.

[0036] La première liaison glissière 42, autrement nommé mécanisme de liaison 42, est configurée pour guider et déplacer en translation le chariot d’usinage 32 par rapport au chariot de mise en position 36 le long de l’axe Z.

[0037] Le mécanisme de liaison 42 comprend un système d’application d’un effort prédéterminé au chariot d’usinage le long de l’axe Z. Ainsi, cet effort

prédéterminé peut être transmis à la pièce 35 par le biais de l’outil 37 sous la forme d’une pression de contact. Cette pression de contact permet de réaliser une opération d’usinage de la pièce 35 plus uniforme même en cas d’usure de l’outil, notamment dans le cas d’un outil de polissage. Pour permettre la transmission de l’effort au chariot d’usinage 32 par le système d’application, le mécanisme de liaison 42 est de préférence configuré pour permettre un débattement axial additionnel le long de l’axe Z.

[0038] Ainsi, le mécanisme de liaison 42, ou première liaison glissière, permet de réaliser deux fonctions en un seul mécanisme de liaison. La première fonction réalisée concerne le guidage et le déplacement en translation du chariot d’usinage 32 par rapport au chariot de mise en position 36 le long de l’axe Z. la deuxième fonction réalisée concerne l’application d’un effort prédéterminé au chariot d’usinage 32 le long de l’axe Z. Le système d’application d’effort est intégré à l’intérieur du mécanisme de liaison 42, ou liaison glissière,

contrairement à l’état de l’art où l’application d’effort est très souvent une fonction réalisée par un organe distinct du mécanisme de liaison 42. En référence aux figures 4 et 5, le mécanisme de liaison 42 est de préférence un système de vis à billes 48 comprenant un écrou 50 fixé au chariot de mise en position 36 et une vis 52 configurée pour coopérer avec l’écrou 50. Des billes sont insérées à l’intérieur de l’écrou pour réaliser une surface de contact entre la vis 52 et l’écrou 50. L’écrou 50 est maintenu fixe par rapport au chariot de mise en position 36 de sorte que la rotation de la vis 52 par rapport à l’écrou 50 provoque la translation de la vis 52 par rapport à l’écrou 50. Le chariot d’usinage 32 repose sur la vis 52 de sorte que le mouvement de translation de la vis 52 par rapport à l’écrou 50 le long de l’axe Z est transmis au chariot d’usinage 32 lors de l’entrainement en rotation de la vis 52. Un système d’entraînement 54 en rotation de la vis 52 permet la translation de la vis 52 et du chariot d’usinage 32 par rapport à l’écrou 50 et au chariot de mise en position 36. Ce système d’entrainement 54 comprend par exemple un moteur (non visible) transmettant un mouvement de rotation à la vis 52 par le biais d’une courroie 56 et d’une poulie 58.

[0039] Le système d’application de l’effort prédéterminé comprend l’écrou 50 du système de vis à billes 48. L’écrou 50 comprend une pièce de liaison 60 configurée pour coopérer avec la vis 52 et un boîtier 62 fixé au chariot de mise en position 36. La pièce de liaison 60 et le boîtier 62 sont configurés pour être déplacés l’un par rapport à l’autre le long de l’axe Z pour réaliser le débattement axial additionnel mentionné ci-avant. En d’autres termes, la pièce de liaison 60 et le boîtier 62 sont aptes à coulisser l’un par rapport à l’autre. Plus particulièrement, la pièce de liaison 60 est configurée pour coulisser à l’intérieur du boîtier 62. Le degré de liberté réalisé entre la pièce de liaison 60 et le boîtier 62 permet de réaliser l’application de l’effort prédéterminé à l’intérieur du mécanisme de liaison 42.

[0040] Le boîtier 62 forme une chambre 66 étanche dans laquelle est positionnée au moins partiellement la pièce de liaison 62. Plus particulièrement, la boîtier 62 comprend un chapeau 64 permettant de fermer une cavité interne du boîtier 62.

[0041] La pièce de liaison 60 est également configurée pour former un piston 72 à l’intérieur de la chambre 66 de manière à définir une première 68 et une

deuxième 70 portions de chambre de part et d’autre de la pièce de liaison 60 le long de l’axe Z. Le piston 72 est fixé à la pièce de liaison 60. La première portion de chambre 68 est disposée en partie supérieure de la chambre 66 entre le piston 72 et une portion supérieure du boîtier 62, ici le couvercle 64. La deuxième portion de chambre 70 est disposée en partie inférieure de la chambre 66 entre le piston 72 et une portion inférieure du boîtier 62.

[0042] La pièce de liaison 60 comprend un corps au travers duquel un trou

traversant est formé pour le passage de la vis 52 du système de vis à billes 48. Une paroi du trou forme une empreinte hélicoïdale configurée pour coopérer avec la vis 52 du système de vis à billes 48. La pièce de liaison 60 comprend en outre une collerette externe ou le piston 72 configurés pour délimiter les première 68 et deuxième 70 portions de la chambre du boîtier 62 lorsque la pièce de liaison 60 est disposée à l’intérieur du boîtier 62.

[0043] Le boîtier 62 forme un trou traversant pour la mise en position de la pièce de liaison 60 et le passage de la vis 52 du système de vis à billes 48. Le trou traversant comprend une portion s’étendant transversalement à l’axe Z pour former la chambre 66 dans laquelle est disposée la collerette externe ou le piston 72 de la pièce de liaison 60 lorsque la pièce de liaison 60 est disposée à l’intérieur du boîtier 62. [0044] Le système d’application comprend en outre un circuit d’application d’effort (non visible) en communication de fluide avec les première 68 et deuxième 70 portions de chambre. En particulier, un conduit de passage de fluide débouche dans chacune les première 68 et deuxième 70 portions de chambre pour l’introduction ou le retrait d’un fluide. Le circuit d’application comprend en outre un dispositif de mise en circulation et en pression du fluide à l’intérieur du circuit d’application de manière à injecter ou extraire le fluide des première 68 et deuxième 70 portions de chambre. Ce dispositif est de manière préférentielle une pompe en communication de fluide avec les première 68 et deuxième 70 portions de chambre. L’application d’une différence de pression entre les première 68 et deuxième 70 portions de chambre permet de déplacer le piston 72 et de lui transmettre un effort prédéterminé. Cet effort est ensuite transmis à la pièce de liaison 60, à la vis 52 puis au chariot d’usinage 32.

[0045] Le système d’application forme ainsi un vérin à l’intérieur de l’écrou 50 de lu système de vis à billes 48 configuré pour transmettre un effort prédéterminé à la vis 52. Le circuit d’application d’effort est de préférence pneumatique pour permettre un fonctionnement souple de l’application des efforts. De manière alternative, le circuit d’application d’effort peut être hydraulique.

[0046] Le mécanisme de liaison 42 comprend en outre une unité de pilotage de

l’effort appliqué au chariot d’usinage 32 par le système d’application. Cette unité de pilotage comprend un calculateur configuré pour réguler la pression à l’intérieur de la chambre 66 de manière à piloter l’effort transmis au chariot d’usinage 32.

[0047] L’unité de pilotage est de préférence configurée pour piloter l’effort appliqué au chariot d’usinage 32 en fonction de la pression de contact souhaitée entre l’outil d’usinage 37 et la pièce 35. De manière encore préférée, l’unité de pilotage est configurée pour piloter l’effort appliqué au chariot d’usinage 32 en fonction de l’usure de l’outil d’usinage 37. L’unité de pilotage peut comprendre des moyens de détermination de l’usure de l’outil d’usinage 37 comportant l’un ou plusieurs parmi : un système de mesure de l’usure de l’outil d’usinage 37 et une pluralité de données pré-enregistrées représentatives de l’usure de l’outil d’usinage 37 en fonction de son utilisation. Le calculateur de l’unité de pilotage détermine l’effort à appliquer au chariot d’usinage 32 en fonction du niveau d’usure mesurée ou estimé de l’outil d’usinage 37.

[0048] Le vérin ainsi réalisé par le système d’application d’effort peut être simple ou double effet selon le pilotage souhaité. Dans le cas d’un fonctionnement simple effet, un système de rappel par exemple du type ressort est disposé dans la première portion de chambre 68 et la transmission de l’effort est réalisée en appliquant une pression au fluide à l’intérieur de la deuxième portion de chambre 70 permettant de vaincre la force de rappel du ressort. Dans le cas d’un fonctionnement double effet, une différence de pression entre les première 68 et deuxième 70 portions de chambre est réalisée pour déplacer dans un sens ou dans l’autre le piston 72. Le niveau de pression du fluide à l’intérieur de la deuxième portion de chambre 70 permet de piloter l’effort appliqué au chariot d’usinage 32 et donc la pression de contact appliquée à la pièce 35.