Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d’usinage. Aujourd’hui, les perspectives d’améliorations importantes sont liées à l’optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L’objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d’usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d’une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d’usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l’interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d’usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L’implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d’usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu’au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d’usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L’interpolation de la trajectoire d’usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l’usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d’amélioration du processus de fabrication. / The manufacturing process reaches maturity concerning Computer Aided Manufacturing and cutting process performances. Nowadays, major improvements are linked to the optimization of the Computer Numerical Control and its interactions with the rest of the manufacturing process. The aim of this thesis is to control the basic components of a CNC in order to optimize the 5-axis high speed machining process of complex surfaces. The realization of an open CNC requires the development of algorithms which transform the machining program into command setpoints for the machine drives. The first part of this thesis allows to round the 5-axis discontinuities caused by the linear tool path interpolation commonly used. Then, a feedrate interpolation algorithm computes the trajectory while respecting the kinematical constraints of the machine and especially the jerk of each axis. The implementation of this work allows to control a 5-axis high speed machine with an open CNC. Hence, the technological barriers that prevent CNC optimizations are removed and the manufacturing process is under control from CAD/CAM to axis displacement. The complete control over the CNC offers the possibility to define the tool path exactly from Computer Aided Design entities without introducing any geometrical deviation generally induced by standard NC code. The direct interpolation of the trajectory on the machined surface significantly improves the quality and the productivity of complex surface machining. The PREMIUM-OpenCNC allows to prove experimentally the efficiency of this work and opens new ways for future manufacturing process improvements.

Les pièces de formes complexes des domaines aéronautique et automobile sont fabriquées par usinage 5 axes UGV pour accroître leur qualité ou la productivité. Cependant, la gestion combinée du multi-axe et des vitesses élevées posent divers problèmes au couple MO-CN lors de l'exécution des trajectoires.<br />Ces travaux portent sur l'optimisation de l'usinage 5 axes UGV au travers de l'étude des trajectoires et de leur suivi. Après avoir analysé le processus de réalisation des trajectoires et identifié les limites associées, un modèle d'évaluation des performances cinématiques lors du suivi est développé ; il permet de détecter les portions critiques des trajets ainsi que les éléments limitants. Une structure d'optimisation, basée sur un modèle de description surfacique des trajets est ensuite présentée. L'optimisation de l'orientation de l'axe de l'outil, tenant compte des contraintes précédentes y est plus spécifiquement étudiée pour évaluer la faisabilité d'une telle démarche.

Cette thèse a pour but de proposer une formulation EF adaptée à la modélisation de l'usinage à grande vitesse en pointe d'outil. La simulation doit pouvoir détecter les phénomènes extrêmement localisés qui peuvent apparaître, avec des temps de calcul raisonnables. L'implémentation est réalisée à l'aide de la librairie EF CimLib, offrant un remailleur adaptatif robuste non structuré et permettant le calcul massivement parallèle. Le travail se décompose en deux parties. La première consiste à développer, implémenter et valider une formulation de type explicite non sensibles au locking volumique, permettant l'utilisation d'algorithmes de remaillage non structurés robustes. Deux formulations sont comparées en dynamique rapide: une semi-explicite, basée sur des éléments tétraédriques mixtes avec stabilisation bulle et une explicite, basée sur des éléments tétraédriques linéaires modifiés. La seconde partie consiste à appliquer la formulation explicite, retenue pour son efficacité, au cas particulier de l'usinage à grande vitesse. Une résolution thermique est implémentée et couplée à la mécanique. Des simulations thermomécaniques de coupe orthogonales 2D de Ti6Al4V sont réalisées. Les résultats obtenus sont en très bonne adéquation avec la littérature, et permettent d'importants gains de temps de calcul. L'initiation et la propagation de la bande de cisaillement dans le copeau peuvent être analysés précisément. Un algorithme de R-Adaptation surfacique a été ajouté afin d'étendre ces résultats en 3D. On peut alors se rapprocher de la réalité industrielle du procédé sans perdre en précision.

Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d'usinage. Aujourd'hui, les perspectives d'améliorations importantes sont liées à l'optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L'objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d'usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d'une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d'usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l'interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d'usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L'implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d'usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu'au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d'usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L'interpolation de la trajectoire d'usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l'usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d'amélioration du processus de fabrication.

Les techniques d’usinage avancées sont un élément indispensable du développement des industries manufacturières. L’une de ces techniques, l’usinage à grande vitesse, constitue le sujet principal de cette thèse de doctorat. Ainsi, l’objectif majeur des travaux vise à améliorer la précision de contour dans le contexte de l’usinage multiaxes à grande vitesse de surfaces de forme libre, en agissant directement au niveau des boucles de commande d’axe. Pour cela, une première étape consiste à élaborer une stratégie permettant d’estimer le plus précisément possible l’erreur de contour pour différentes configurations de l’outil. Cette erreur de contour est ensuite minimisée grâce à l’adaptation hors ligne, pour un profil de pièce donné, des gains proportionnel et d’anticipation des régulateurs des boucles d’asservissement de la position de chaque axe. L’adaptation de ces gains est réalisée via un algorithme d’optimisation à l’aide d’un modèle non-linéaire du comportement de la machine, en considérant en particulier les frottements sur chacun des axes. L’optimisation permettant d’obtenir les gains des correcteurs des boucles de régulation tient compte des contraintes en termes de limitations cinématiques des axes (vitesse, accélération et jerk), de stabilité des boucles d’asservissement et de limites au niveau des courants des moteurs. Afin d’en faciliter la mise en oeuvre dans un cadre industriel, les stratégies développées s’avèrent directement implantables au sein des commandes numériques actuellement sur le marché, exploitant toutes les possibilités de la structure de commande classique de l’entraînement d’axe. / The advanced machining techniques are always the backbone of the manufacturing industries. Among such techniques, high speed machining is the main subject of this PhD thesis. Indeed, the main objective of this work is to improve the contouring accuracy in multi-axis high speed machining of free-form surfaces, directly acting inside the axis control loops. To do that, a first step aims at elaborating a strategy to estimate as accurately as possible the contour error for different tool configurations. This contour error is then minimized by means of an off-line adaptation for a given profile of the proportional and feedforward gains of the axis position loop controllers. This gain adaptation is performed via an optimization algorithm that considers a nonlinear model of the machine behaviour, in particular including friction related to each axis. This optimization leading to the controllers gains takes into account several constraints, including the axis kinematic (velocity, acceleration and jerk) limitations, the stability of the controlled loops and the motor current limits. Finally, to help their integration within an industrial framework, the developed strategies can be directly implemented in commercial CNC, by exploiting all possibilities of the classical control structure of axis drive.

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 travaux de thèse s'intéressent à l'impact de la structure des machines outils à architecture parallèle sur la qualité d'usinage. L'apport des architectures parallèles dans le domaine de la machine outil en Usinage Grande Vitesse provient surtout de leurs capacités dynamiques très élevées. Cependant, les masses mobiles faibles et les choix technologiques retenus pour réaliser les structures font que ces machines se déforment en usinage. L'impact de ces déformations élastiques sur la pièce usinée n'est pas négligeable et doit être maîtrisé. L'étude des comportements statique et dynamique de ces machines est donc réalisée à l'aide de modèles prédictifs de comportement. Ces modèles sont appliqués à différentes architectures parallèles et leurs paramètres identifiés à l'aide de mesures expérimentales. Les méthodes de modélisation et la formulation employées permettent de prendre en compte les flexibilités des jambes et des liaisons des machines étudiées. De plus, les modèles de liaisons s'appuient sur une analyse technologique de celles-ci et permettent de représenter au mieux leur comportement (souvent non-linéaire). Enfin, l'intégration des simulations proposées dans la définition d'un processus sur ce type de machine est étudiée. Le modèle dynamique développé est appliqué à la machine Triptéor X7 afin de simuler une opération de contournage. Les défauts calculés sont finalement comparés à ceux effectivement obtenus lors de la réalisation de l'opération sur cette machine outil.

Ces travaux portent sur l'intégration du processus de fabrication des poches en CFAO. Le but est de proposer des trajets d'usinage ne perturbant pas le comportement des machines outils UGV et qui minimisent le temps d'usinage. Deux axes fondamentaux sont abordés. Le premier traite de la modélisation du comprtement mécanique de l'outil et cinématique de la machine via le calcul de la loi de vitesse de l'outil en fonction de la géométrie du trajet. Ces modèles permettent d'extraire des règles géométriques de calcul liées à l'évolution de la courbure et de la continuité des trajets. Ensuite, le second axe concrene l'adaptation géométrique des méthodes de calcul à ces règles, pour contrôler l'engagement radial et la vitesse d'avance de l'outil. Enfin, une méthode d'interpolation continue C2 est proposée. Diverses applications permettent de valider les gains apportés et l'applicabilité de l'approche à des pièces industrielles.

Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d'usinage. Aujourd'hui, les perspectives d'améliorations importantes sont liées à l'optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L'objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d'usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d'une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d'usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l'interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d'usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L'implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d'usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu'au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d'usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L'interpolation de la trajectoire d'usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l'usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d'amélioration du processus de fabrication.

L’optimisation des gammes d'usinage n’est pas aisée, car elle souffre de deux lacunes importantes. La première est axée sur l'adaptabilité des gammes existantes aux moyens actuels de production et à leurs évolutions au fil des années pour répondre aux évolutions technologiques. Le second point concerne, l’absence de prise en compte du comportement mécanique de la pièce durant l'usinage dans l'élaboration de la gamme. Ces travaux de thèse abordent ces problématiques dans le cadre du projet FUI OFELIA. Ils étudient, dans un premier temps l'influence de la gamme d’usinage sur la déformation de la pièce. L'objectif est de pouvoir prédire le comportement mécanique de la pièce pour identifier les gammes minimisant les déformations. Le second point s'intéresse à l’évaluation multicritères des gammes de fabrication. Les critères retenus prennent en compte la déformation de la pièce, la productivité à travers une estimation rapide des temps d'usinage et la recyclabilité des copeaux obtenus lors de l'usinage. D’autre part, nous proposons un modèle géométrique des états intermédiaires de la pièce durant l’usinage pour à la fois évaluer les gammes de fabrication et conduire les calculs de simulation de la déformation de la pièce durant l’usinage. / The optimization of machining sequences is not easy because it suffers from two major shortcomings. The first focuses on the adaptability of existing ranges to current production facilities and their evolution over the years to respond to technological developments. The second point concerns the lack of consideration in the mechanical behavior of the part during the development of machining sequence. This thesis addresses these in relation to the FUI OFELIA project. At first, they study the influence of the machining parameters on the deformation of the workpiece. The aim is to predict the mechanical behavior of the part to identify recommendations with minimal distortion. The second issue deals with multi-criteria evaluation of manufacturing ranges. The criteria take into account are the deformation of the workpiece, productivity through a quick estimate of machining time and recyclability of chips produced during machining. On the other hand, we propose a geometric model of the intermediate states of the workpiece during machining in order to both assess the manufacturing recommendations and to drive the simulation calculations of the deformation of the workpiece during machining.