Reproduction de : Thèse doctorat : Automatique, spécialité productique : Metz : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques.

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Actuellement, certaines pièces aéronautiques sont usinées par des procédés chimiques efficaces, mais mettant en jeu des produits polluants et dangereux pour les ouvriers qui travaillent à leur contact. Par conséquent, il est impératif de trouver une solution qui serait au minimum aussi compétitive que l'usinage chimique et beaucoup moins risquée pour l'homme et l'environnement. Dans cette optique, l'usinage à grande vitesse (UGV) constitue une alternative sérieuse et efficace. Depuis des années, les machines-outils à structure parallèle ont fait leur preuve dans l'UGV. C'est donc dans ce contexte d'usinage des pièces aéronautiques de grandes longueurs et de formes complexes que de nouvelles architectures parallèles sont proposées. Dans ce manuscrit, d'après les contraintes de la tâche, nous sélectionnons une large famille de cinématiques parallèles que nous modelions de manières générique et complète. Nous utilisons cette modélisation pour différentes propositions de mécanismes : 4 degrés de liberté avec plateforme mobile articulée, 4 degrés de liberté avec plateforme rigide et 5 degrés de liberté avec redondance et plateforme articulée. Ces travaux ont conduit à la réalisation d'un prototype qui a validé le concept d'une de ces machines. / Currently, some aeronautical parts are milled by efficient chemical processes, but involving products pollutants and hazardous for workers working on their contact. Therefore, it is imperative to find a solution that would be at least as efficient as chemical milling and much less risky for humans and the environment. It is recognized in the literature that high-speed milling is a serious and effective alternative for the above mentioned problems. Moreover, for years, machine tools based on parallel structure have proven their utility in high-speed milling. In the context of milling of lengthy and complex shaped aeronautical parts, new parallel architectures are proposed. In this manuscript, according to the constraints of tasks, we select a large family of parallel kinematic mechanism that we modelize in a generic and complete way. We use these models for different propositions of mechanisms: 4 degrees of freedom with articulated platform, 4 degrees of freedom with rigid platform and 5 degrees of freedom with actuation redundancy and articulated platform. This work leads to the realization of a prototype that validates the concept of one of these machines.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Automatique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 441. Résumé en français. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 126-127. Liste des publications et communications.

Thèse de doctorat : Sciences appliquées : génie mécanique : Metz : 1999. / 1999METZ001S. bibliogr. p143-147.108 REF.

Cet ouvrage présente les détails du développement et de la réalisation d'une machine-outil à commande numérique dédiée au procédé de formage incrémental de métal en feuille à double outil (« Double Sided Incremental forming », procédé DSIF). Pour exécuter le DSIF, deux outils doivent être placés de chacun des côtés d'une feuille de métal. Celle-ci est maintenue dans un cadre de serrage et elle est formée incrémentalement par le positionnement précis des outils. La machine DSIF a été développée dans l'optique de production de pièces prototypes afin de diminuer le coût et le temps de production des véhicules récréatifs. Il a été démontré que le procédé DSIF est le mieux adapté pour la production de pièces prototype de métal en feuille. Cette technique permet d'atteindre des formes précises en plus de permettre de former des pièces asymétriques. La réalisation de la machine DSIF est présentée à partir des spécifications techniques jusqu'à son assemblage final. Plus spécifiquement, une machine-outil à 6-axes faite de deux portiques à 3-axes disposés en vis-à-vis, chacun ayant son outil de formage, a été développée. La conception des composants structuraux et le dimensionnement des éléments mécaniques sont présentés. Ces éléments ont été sélectionnés pour répondre aux caractéristiques de force et de précision du procédé. Un modèle complet d'évaluation de la rigidité de la machine est aussi construit. Dans l'objectif de fournir une machine suffisamment précise pour les requis du procédé, une méthode de compensation des erreurs de rectitude des guides linéaires est proposée à partir de mesures prises au traqueur laser. Il s'agit d'une méthode d'atténuation numérique où des Matrices de Transformation Homogènes (MTH) sont appliquées sur tous les composants du système multi-corps de la machine. Des détails quant à la prise de mesure au traqueur laser, le traitement des données, l'application du modèle multi-corps ainsi que l'application de la méthode de compensation sont présentés. / This master's thesis covers the development and implementation of a computer numerical control machine tool dedicated to the Double Sided Incremental sheet metal Forming (DSIF) process. To perform the DSIF, a sheet metal stock is clampled onto a frame and is formed incrementally by the accurate positioning of two opposing tools tips. The DSIF machine was developed for the purpose of producing prototype parts to reduce the cost and production time of recreational vehicles. It has been shown that the DSIF process is the best suited manufacturing method to produce sheet metal prototype parts. This technique provides good part accuracy along with freeform capabilities. The full implementation of a DSIF machine is presented from its technical specifications toits final assembly. More precisely, a 6-axis machine tool made of two facing 3-axis gantries, each holding its own forming tools, was implemented. Mechanical conception, calculations and selection of actuating hardware was performed to comply with the required force and accuracy of the incremental sheet metal forming process. In addition, structural analysis through the assessment of the rigidity of the entire assembly is presented. To optimise the DSIF machine accuracy, a straigthness error compensation method was developped based on precision laser tracker positioning measurements. The measured 3D data were processed through an Homogeneous Transformation Matrix (HTM) applied to each component of the multi-body system of the machine. Finally, an iterative algorithm was used to calculate compensated process control positions.

Le couplage précision-vitesse est une problématique importante de l'usinage à 5 axes. Le respect de la précision impose à la machine de ralentir. De plus, le calcul du trajet ne prend pas en compte le comportement de la machine et induit aussi des ralentissements. Ces travaux de thèse visent deux objectifs : Optimiser le comportement de la machine outil en modifiant l'orientation de l'axe outil dans le repère machine ; Garantir le respect des contraintes géométriques fonctionnelles sur l'orientation de l'axe outil. Une méthode d'optimisation sous contrainte est proposée. La fonction objectif utilise un modèle simplifié du comportement de la machine. Le concept du Domaine d'Orientation Admissible est alors défini pour contraindre l'orientation de l'outil dans le repère pièce puis dans le repère machine afin d'y réaliser l'optimisation. La méthode d'optimisation est comparée à des méthodes alternatives selon des critères de rapidité de calcul et de performance.

De nos jours, les exigences de productivité et de maîtrise des coûts ont incité les industriels à développer de nouvelles machines, et avec elles, de nouveaux enjeux sont apparus : souplesse de la structure, vibration, effets dynamiques non-négligeables, etc. Pourtant, leur mise en œuvre est toujours issue de méthodes employées pour les machines conventionnelles. Ces travaux s’intéressent donc à la définition de stratégies globales englobant la prise en compte de la structure utilisée et de la tâche à réaliser, appliquée à deux contextes d’illustration. Dans le contexte de l’usinage, nous proposons un réglage des machines basé sur le modèle comportemental de la structure qui ne nécessite que peu de modifications manuelles et permettant un gain de temps pour la mise en œuvre. Une nouvelle loi de commande en couple calculé est également proposé, elle permet de réduire les phénomènes vibratoires lors de phases dynamiquement exigeantes. Dans le contexte des essais mécaniques, l’objectif est de montrer la faisabilité de l’utilisation de machines parallèles à 6 degrés de liberté dans le cadre d’essais dont la gestion des conditions aux limites est critique. Nous proposons une instrumentation et un schéma de commande qui permettent de respecter les consignes avec une erreur maximale de l’ordre de 0.40μm, même dans le cas d’éprouvettes très rigide (en béton par exemple). / Nowadays, the requirements in productivity and costs mastering have forced the industrial manufacturers to develop new kind of mechanisms. Thus, the complexity of the machine-tools structures and machining processes has increased and new challenges have emerged : flexible structure, vibration, non-negligible dynamic effects, etc ... However, their implementation still comes from methods used for conventional machines. These works are thus about defining overall strategies including consideration of the kind of structure used and the task to realise. Two illustrative contexts are used. In the context of machining, we propose a generic tuning method based on kinematic and dynamic model of machine-tools structure that requires only a few manual modifications, in order to save time for implementation. A new computed torque control law is proposed, it reduces vibration phenomena in dynamical demanding phases. In the context of the mechanical tests, the objective is to demonstrate the feasibility of using parallel machines with 6 degrees of freedom in the context of mechanical tests, whereas the boundary conditions are perfectly controlled. We propose an instrumentation and control scheme that is able to perform mechanical tests with a maximum error of about 0.40 mu m, even in the case of very rigid specimen (concrete for example).

En réponse à des contraintes écologiques et économiques de plus en plus forte dans l’industrie, la problématique de réduction et de maîtrise de la consommation énergétique est aujourd’hui prise en considération dans le domaine de la machine-outil. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Green HSM porté par l’entreprise PCI-SCEMM ayant pour but de réduire la consommation énergétique d’une machine-outil de 30%. L’étude s’est focalisée sur le thème spécifique de l’allègement de structure. L’objectif est de concevoir des structures de machines-outils avec des masses mobiles les plus faibles possibles tout en gardant une rigidité fonctionnelle.Deux méthodes d’allègement de structures sont proposées dans le cadre de cette thèse. La première présente une méthode d’optimisation de structure de machines-outils par analyse de contraintes. Cette méthode a permis un allègement de deux pièces principales de la structure de 6,5% et 9% pour une réduction globale de la consommation énergétique de 3%.Une autre méthode pour concevoir une structure de machines-outils plus légère utilisant l’optimisation topologique est proposée. La méthode s’appuie sur deux paramètres spécifiques : l’espace de conception et DISCRETE. Cette méthode est présentée dans l’optimisation d’un cas simple de poutre encastrée soumise à un effort de flexion et donne de bons résultats. L’utilisation de la méthode sur le chariot X d’une machine-outil met en évidence les limitations de l’optimisation topologique dans le cas d’étude de structures complexes et l’influence du choix de la solution initiale. / In response to the increase of environmental and economic constraints in industry, the issue of reducing and controlling energy consumption is highlighted in machine tool context. This thesis is part of the Green HSM project carried out by the PCI-SCEMM company with the aim of reducing the energy consumption of a machine tool by 30%. The study focused on the specific topic of lightweight design. The objective is to design machine tool structures with the smallest mass while maintaining functional rigidity.Two methods of lightening structures are proposed in the framework of this thesis. The first one presents a method for optimizing the structure of machine tools by stress analysis. This method allows reducing the mass of two main parts of the structure of 6.5% and 9% for an overall reduction in energy consumption of 3%. Another method for designing a lighter machine structure using topological optimization is proposed. The method is based on two specific parameters: the space design and DISCRETE. This method is presented in the optimization of a simple case of embedded beam subjected to a bending effort and gives good results. The use of the method on the X-axis carriage of a machine tool highlights the limitations of topological optimization in the case of complex structure studies and the influence of the initial solution choice.

L'augmentation de la productivité sur machine à commande numérique passe, entre autre, par l'amélioration de la programmation de celles-ci. Le langage sur lequel se base actuellement cette programmation date du début des années 80 avec la norme 6983 qui définit les principes du code G. Ce dernier présente certains inconvénients aux vues des nouvelles stratégies d'usinage et crée une rupture de la chaîne numérique au niveau de la fabrication. Un nouveau format émergeant, le STEP-NC, voit le jour actuellement dans le but de palier aux manques du code G et d'intégrer complètement la chaîne CAO-FAO-CN. <br />Nos travaux ont pour objectif d'implanter deux nouvelles stratégies d'usinage, le tréflage et l'usinage trochoïdal, au sein du format STEP-NC. Pour ceci, nous nous basons sur une description des trajectoires à l'aide de courbes à motif. La construction de ces courbes se fait par répétition d'un motif le long d'une courbe guide. Pour mettre en avant la faisabilité de l'implantation de ces stratégies à motifs dans le format STEP-NC, nous avons développé une chaîne numérique complète permettant, à partir du modèle CAO, de créer le fichier STEP-NC, de générer les trajectoires et d'usiner la pièce sur machine à commande numérique. Une partie de l'intégration de l'usinage trochoïdal et du tréflage dans le format STEP-NC a été réalisé par implémentation dans le logiciel PosSFP, en collaboration avec le laboratoire de l'université de Postech en Corée. Plusieurs pièces tests ont ensuite été usinées pour valider l'ensemble de la chaîne numérique STEP-NC complète dans le cas de l'usinage trochoïdal.