Thèse doctorat : Automatique, Traitement du Signal, Génie Informatique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Le talonnage apparaît fréquemment en usinage. Il a une forte influence sur la qualité de l'usinage, la durée de vie de l'outil et aussi sur la stabilité du système usinant. Ce phénomène est toujours lié à la coupe et donc difficile à modéliser. Les différents modèles de talonnage proposés dans la littérature ne sont pas faciles à recaler expérimentalement. De plus ces modèles ne sont pas toujours faciles à exploiter pour modéliser et prédire la stabilité du système usinant. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau modèle effort de talonnage et proposé une démarche expérimentale permettant de recaler ce modèle et le modèle effort de coupe associé. Ces modèles d'efforts avec le modèle du comportement dynamique du système usinant et le modèle de formation de la surface usinée nous ont permis de réaliser la simulation numérique du comportement du système usinant et évaluer l'impact du talonnage et de l'indentation sur l'amortissement du système usinant.

Ce travail de recherche présente les résultats concernant à la modélisation et identification des paramètres d’un robot sériel pour une utilisation en usinage dans le but d’améliorer la précision de la position de l’outil dans un espace de travail dédié. Dans ce sens, les travaux présentés permettent de proposer une méthodologie de modélisation géométrique pertinente avec la précision de la tâche et la maîtrise des erreurs d’assemblage et de fabrication des éléments du robot. Avec l’utilisation des modèles géométriques appliqués au robot ABB IRB 6660 nous avons développés des modèles avec des paramètres liés à la structure physique du robot et nous avons complémenté ces modèles avec la modélisation des paramètres géométriques d’une broche dédiée à l’usinage implémenté dans le dernier axe du robot. / This work presents the results concerning the modeling and identification of the parameters of a serial robot for use in machining in order to improve the precision of the position of the tool in a dedicated workspace. In this sense, the presented works allow to propose a methodology of geometrical modeling pertinent with the precision of the task and the control of the errors of assembly and manufacture of the elements of the robot. With the use of the geometric models applied to the ABB IRB 6660 robot we have developed models with parameters related to the physical structure of the robot and we complemented these models with the modeling of the geometric parameters of a spindle dedicated to the machining implemented in the last axis of the robot.

L'assemblage de planches par technique de collage est utilisé pour réaliser des éléments de structure en bois performants. Le collage permet d'obtenir des rigidités et des résistances d'assemblages excellentes. Cependant, ces produits sont souvent polluants à différents degrés et ne permettent pas de s'adapter à une cadence industrielle de fabrication, notamment à cause des temps de pressage. Le niveau de performance s'effondre lorsque l'assemblage par collage est remplacé par des organes de type tige, tels que des pointes, vis ou tourillons en bois, mais ils confèrent un temps de mise en oeuvre instantané. Dans ces types d'assemblages mécaniques, la surface de contact entre les planches n'est plus du tout utilisée pour transmettre des efforts. L'objectif de ce travail est de montrer comment la préparation mécanique des interfaces permet de fortement améliorer le comportement de ces assemblages. La finalité étant de produire des éléments de structure sans composés organiques volatiles (COV), dont la fabrication serait réalisable par un robot industriel, de manière flexible et en utilisant des essences mixtes de bois locaux. La première partie de cette étude est consacrée à répertorier et analyser les différents systèmes reconstitués en bois, ainsi que de montrer comment mener un dimensionnement en tenant compte du caractère imparfait de la connexion. Cette partie montre que la prise en compte du caractère non linéaire des liaisons mécaniques dans les systèmes reconstitués est souvent très imprécise et conduit à des écarts de dimensionnement importants. La deuxième partie décrit une méthodologie pour pallier à ce manque, développée à partir de la modélisation non linéaire d'un élément de construction de type poutre. Cette approche conduit à proposer des raideurs sécantes précises de la liaison permettant le calcul linéaire exact pour les ingénieurs. Cette méthodologie permet de caractériser la raideur d'une liaison par une approche liée au comportement plutôt qu'une approche normative générale. Suite à la mise en évidence de la souplesse de la liaison par organes, une troisième partie expose une réflexion sur l'utilisation des surfaces en contact pour transmettre les efforts. Un traitement mécanique de type rainurage est réalisé à l'interface de contact des pièces à assembler. Il permet de transmettre des efforts de cisaillement et de torsion dans le plan de croisement des planches. Le maintien des éléments en contact est également étudié en développant un principe de vis conique en bois. Pour valider ces principes, des campagnes d'essais sont réalisées afin de mesurer les performances obtenues par le rainurage, la vis conique en bois et leurs utilisations simultanées. La dernière partie est consacrée à la mise en oeuvre de l'assemblage amélioré dans des éléments de structure afin d'en confirmer son potentiel. Le premier élément est une poutre ajourée, le second est un élément de mur contreventant. Les résultats d'essais sont comparés à des modèles numériques incluant le comportement non linéaire des assemblages rainurés vissés. Ces réalisations en grandeurs réelles permettent de valider également leur faisabilité par un robot industriel / Plank bonding connection is used to produce efficient structural timber. The bonding achieves excellent rigidity and connection resistance. However, these products are often pollutants and are incompatible with industrial production rates due to the pressing time. Their performances collapse when the adhesive connection is replaced by rodlike fasteners, such as nails, screws or wooden dowels, but these connections allow a quick assembly. In these assemblies the contact surfaces between planks are not used for transmitting loads. The purpose of this study is to point out how mechanical preparation of the interfaces improves the performance of timber connections. The aim is to produce structural members without volatile organic compounds (VOC), achievable by an industrial robot allowing for flexibility, and using mixed wood local species. The first part of this study consists in identifying and analyzing reconstituted wood systems, as well as showing how to conduct a design by taking into account the partial composite action of connectors. This part explains that the chosen behavior of the mechanical connections in reconstituted systems is frequently very imprecise and leads to significant differences in design. The second part describes a methodology to overcome this lack, developed from the nonlinear modeling of a beamtype component. This approach leads to determine the fastener's secant stiffness for an exact linear calculation for engineers. The outcome of this methodology is the quantification of the fastener's secant stiffness by a related behavior rather than a general normative behavior. Due to the flexibility of members, a third part presents a reflection on the use of the contact surfaces for transmitting loads. The plank interfaces were machined in order to obtain grooves. This binding allows the transmission of shear and torsion forces in the intersection plane of the planks. Maintaining the contact is managed by the development of a wooden conical screw. To validate these principles, test campaigns were carried out to measure the performance of the groove, the wooden conical screw and their simultaneous use. The last section deals with the implementation of the improved assembly in structural members in order to confirm its potential. The first element type is a castellated beams and the second one is a bracing wall. Experimental results are compared with numerical models including the nonlinear grooved screwed connection behavior. Furthermore, these full scale elements validate the feasibility by an industrial robot

Ce mémoire présente les résultats du travail de recherche effectué sur différents aspects d'un nouveau procédé d'électroérosion hybride dans l'air. Il fait suite à celui de Louis-François Marceau sur le développement d'un prototype de machine-outil utilisant l'électroérosion comme méthode d'usinage et celui de Martin Richard sur l'utilisation d'électrodes polystyrène-graphite. La première phase de recherche implique la création d'un montage permettant d'isoler et d'enregistrer le signal provenant du prototype afin d'obtenir des ondes exemptes de contamination pour l'analyse. Par la suite, la caractérisation des états du signal ainsi que son analyse fréquentielle ont permis de définir une nouvelle méthode de contrôle du procédé. Cette méthode pourra être utilisée en combinaison avec les travaux actuels sur le contrôle réalisés par le laboratoire de fabrication mécanique de l'université Laval. Parallèlement, un volet expérimental concernant la mise en fonctionnement d'un contrôleur de position pour le prototype a été mené. 11 s'agit d'un module permettant d'effectuer les diverses fonctions d'usinage, d'approche, de rinçage et de formage intermédiaire. Il interagit avec un montage d'acquisition et de traitement de données, qui lui achemine les commandes à l'aide de signaux analogiques et numériques. Le projet actuel ne vise pas l'optimisation du procédé, mais bien le passage vers une nouvelle génération du prototype offrant une architecture ouverte et de meilleures possibilités technologiques. Il constitue une étape vers l'atteinte de l'objectif principal du laboratoire, soit le développement d'une machine à électroérosion automatisée utilisant son propre algorithme de contrôle pour réaliser l'usinage de finition de moules.

Ce mémoire traite du développement d'un outil servant à faire de l'usinage par électroérosion dans l'air à l'aide d'une machine CNC. Cet outil, qui incorpore un actionneur piézoélectrique, a la capacité de fournir un positionnement de l'ordre du micromètre dans un délai de l'ordre de la milliseconde. Étant donné son inertie, la machine CNC ne réagit pas aux impulsions produites par l'actionneur dans la plage d'utilisation de l'outil. En plus de l'outil, un système contrôlant le positionnement de l'électrode est développé. Le but de la recherche est d'effectuer une première phase de développement d'un système automatisé permettant de réaliser la finition de moules complexes à l'aide d'un procédé d'EDM dans l'air.

Les pièces de formes complexes dans le domaine de l'aéronautique et des machines hydrauliques sont réalisées par usinage grande vitesse 5 axes. Dans ce contexte, les travaux proposés ont conduit à l'élaboration d'une méthode de génération de trajectoires 5 axes UGV par flanc d'outil basée sur le concept de surface l'usinage. La représentation surfacique de la trajectoire permet une minimisation globale des écarts géométriques entre la surface à usiner et la surface enveloppe du mouvement de l'outil. Cependant, en considérant le contexte d'usinage à grande vitesse, la fluidité de la trajectoire générée est essentielle pour assurer un usinage performant. Nous montrons que la fluidité de la trajectoire peut être contrôlée par le calcul de l'énergie de déformation de la surface d'usinage. Un schéma d'optimisation dont l'objectif est un compromis entre la minimisation des écarts géométriques et la fluidité de la trajectoire est ensuite proposée. Notre approche est illustrée au travers d'exemples issus de la littérature et d'autres plus industriels. La méthode de génération de trajectoires ainsi proposée conduit à de meilleures performances en terme de qualité de surfaces usinées et en terme de productivité, grâce à l'intégration au plus tôt de contraintes de diverses natures dans le calcul des trajets.

Les systèmes de positionnement entraînés par une courroie crantée sont largement utilisés en industrie. Leurs principaux avantages sont leur capacité d'atteindre des vitesses et accélérations importantes, leur flexibilité, leurs faibles coûts et leur facilité d'intégration. Cependant, le caractère flexible de la courroie cause également une diminution de la précision du système. Pour remédier à ce problème, plusieurs contrôleurs ont été développés afin d'intégrer l'effet de la courroie et ainsi augmenter les performances du système. Toutefois, les contrôleurs proposés nécessitent l'ajout d'un capteur donnant directement la position du chariot, ce qui augmente le coût et la complexité du système. Ce mémoire a donc comme objectif d'étudier les systèmes entraînés par une courroie afin de mettre au point une méthode pour augmenter les performances des contrôleurs sans toutefois augmenter leur coût. La méthode proposée utilise une compensation de le jeu entre-dents entre la poulie et la courroie ainsi que deux cellules de charge permettant de mesurer la tension dans la courroie. La combinaison de ces ajouts permet d'estimer la position du chariot et de remplacer la mesure directe sur celui-ci. L'acquisition de la tension dans la courroie permet d'intégrer l'effet élastique de celle-ci en déterminant et en compensant son élongation. Quant à elle, la compensation du jeu entre-dents est basée sur une nouvelle représentation ainsi qu'un nouvelle identification de ce jeu qui inclut les autres non-linéarités agissant sur le système, telles que la vibration, la friction non-linéaire et d'autres non-linéarités associées à la tension dans la courroie. Différents tests on été effectués afin de démontrer la performance de cette méthode d'estimation. Celle-ci a ensuite été implantée dans les contrôleurs proposés par la littérature pour améliorer les performances des systèmes entraînés par une courroie crantée. / Belt-driven systems are widely used for positioning applications. The main advantage of these systems is their ability to reach high speeds and accelerations, their low cost, their ease of implementation and their flexibility. However, the flexibility of the belt aslo causes the main disadvantage which is the lack of precision. Different control techniques have been elaborated to alleviate this problem by including the belt elasticity information in the controller. However, these method requires additional material and more complex implementation. The main goal of this project is to analyse belt-driven systems in order to develop a method to improve the accuracy of such systems without ading costly material. The elaborated method uses two load cells and a new backlash compensation to replace the belt-driven carriage position feedback and thus improve the precision of the system without direct carriage measurement. The inclusion of the load cell allows a belt elongation compensation in the controller. The backlash compensation is based on a new representation and identification method developed specially for belt-driven applications, which includes other non-linearities acting on the system. Experiments are conducted to assess the effectiveness of the elaborated method and an implementation on actual controllers demonstrate its effectiveness.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte de la modélisation et la compréhension des phénomènes liés à l'usinage du Ti5553. L'objectif des travaux est de lever certains verrous scientifiques et d'améliorer les connaissances sur l'usinage de ce matériau afin de proposer des conditions de coupe et d'engagement optimales à l'entreprise Messier-Dowty. Nous avons identifié plusieurs modèles nous permettant de décrire au mieux le processus de coupe en tournage et en fraisage. Au niveau de l'usure des outils et des possibilités d'amélioration de l'usinabilité de l'usinage du Ti5553, l'ensemble des travaux a montré un manque d'informations dû à la rareté du matériau. Pour définir les constantes de la loi de Johnson-Cook et de fait caractériser le matériau, notre démarche s'est focalisée vers le développement d'une méthode basée sur des essais d'usinage et des essais de traction permettant ainsi d'obtenir une loi ajustée à l'usinage du Ti5553. La loi de comportement a ensuite été utilisée dans les modélisations d'efforts de coupe en tournage et en fraisage avec pour objectif de modéliser l'ensemble de la gamme des outils employés par l'entreprise Messier-Dowty (formes, géométries de coupe. . .). Ces modèles nous ont ensuite permis de mettre en avant les difficultés liées à l'usinage du Ti5553 et de proposer des conditions de coupe et d'engagement adaptées. La troisième partie est consacrée à l'analyse des phénomènes d'usure des outils coupants où les différents modes de dégradation en tournage et en fraisage ont été identifiés. Leurs relations avec le processus de coupe ont été définies afin de proposer un critère d'évaluation de l'usure des outils. Une partie de cette étude est également consacrée à l'identification de l'influence des conditions d'engagement, des géométries de coupe, des conditions de coupe sur l'usure. Le dernier chapitre concerne la valorisation industrielle où nous présentons les applications et les extrapolations de nos travaux dans le contexte industriel. Nous avons également testé l'augmentation de la température qui constitue une des pistes d'amélioration de l'usinabilité mais sans résultat probant. Enfin, nous avons abordé la problématique de la surveillance d'usinage où nous avons mis en avant les difficultés liées aux particularités du processus de coupe. / The work presented in this thesis fits the context of modeling and understanding of phenomena related of Ti5553 machining. The goal is to improve knowledge about material to provide optimal cutting conditions, optimal engagement and cutting geometry. We have identified several models allowing to describe the cutting process in tunining and milling. In terms of tool wear and usinability improvement in Ti5553 machining all studies showed a lack of information. Our approach focused towards in developing an alternative method to define the Johnson-Cook law constants based on machining tests and tensile tests to obtain the constitutive law adjusted to Ti5553 machining. The constitutive law was used cutting forces modeling for turning and milling involving the full range of tools used by the company (shapes, cutting geometries...). These models were allowed us the highlights the machining difficulties and propose suitable conditions. The third part focused on wear cutting tools mechanisms analysis where the differents degradation stage in turning and milling have been defined. Their relationships with the cutting process has been identified in order to propose a criterion of wear evolution. Part of this study is to identify the effect of engagement, cutting geometries and cutting conditions on tool wear. The last part concerns the industrial development where we present our work applications and extrapolations in our industrial context. We also tested one of the prospects of machinability improving (increase temperature) but without result. Finally, we addressed the problem of process monitoring on Ti5553 machining where we highlighted the difficulties related to the specifics on cutting process.

La conception des engrenages spiro-coniques reste encore très complexe de nos jours car la géométrie des dentures, et donc les performances cinématiques, découle du mode de fabrication de ce type d'engrenage. Le taillage est lié à deux constructeurs principaux : Gleason et Klingelnberg. De nombreux paramètres de réglage des machines influencent directement les surfaces de denture, leur optimisation n'est donc pas intuitive. Avec les progrès réalisés cette dernière décennie par les machines d'usinage à commande numérique et la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), il devient possible de fabriquer des engrenages spiro-coniques de bonne qualité sur une machine 5 axes. Un modèle numérique a été développé pour générer une géométrie simplifiée de type Gleason, usinée par la suite avec une machine 5 axes. Une étude de métrologie, permettant de comparer les dents usinées avec les modèles CAO, a ensuite été réalisée pour prouver que l'usinage par une machine 5 axes peut être une alternative aux méthodes de taillage classiques. De nouveaux types de géométrie peuvent donc être proposés, qui ne pouvaient pas être envisagés par les moyens de fabrication classiques. Une géométrie basée sur la théorie des développantes sphériques, combinée à une spirale logarithmique a été développée, puis usinée. De plus, des corrections de bombé ou de profil peuvent être définies afin d'éviter les contacts en bords de denture. Ce type de géométrie analytique offre des possibilités plus simples d'optimisation de l'engrènement. L'optimisation des surfaces peut être réalisée à l'aide du modèle d'engrènement quasi-statique sous charge développé dans le cadre de cette thèse. L'environnement de l'engrenage est pris en compte dans la simulation : déformation des arbres, des dentures et de leurs supports (jantes et voiles) ainsi que les déformations locales de contact. La méthode des coefficients d'influence est utilisée pour résoudre le partage des charges entre toutes les dents instantanément en contact. Une méthode originale, utilisant sur un seul calcul élément finis et la définition de bases de fonctions, permet de calculer rapidement les flexions de denture dans leur environnement. Les déformations de contacts sont, quant à elles, obtenues par une méthode analytique, basée sur les théories de Boussinesq. De plus, des défauts d'assemblage peuvent être intégrés entre le pignon et la roue spiro-conique. Afin de valider les modèles numériques développés, un banc d'essai a été mis en place, permettant la mesure de l'erreur de transmission et la visualisation des portées. Le banc d'essai est intégré dans une fraiseuse numérique 3 axes : le pignon est monté dans la broche de la fraiseuse, le reste du banc étant bridé sur son plateau. Ainsi, des défauts de montage peuvent être appliqués facilement et précisément.