UN FUTUR OUVERT AVEC BEAUCOUP DE POTENTIEL

Peut-on utiliser des robots industriels pour des usinages par enlèvement de matière?

Les robots industriels sont nombreux dans l'industrie. En particulier dans les lignes d'assemblage et d'emballage. L'application détermine le type de robot. Il y a notamment les robots à six axes, p.ex. omniprésents dans les lignes de production où des panneaux sont soudés, ou les robots de palettisation en configuration sérielle ou SCARA. L'utilisation de robots dans l'usinage par enlèvement de matière ne se fait pas. Mais pourquoi? Le robot a pourtant un sérieux potentiel dans ce type d'usinage en raison de l'énorme flexibilité des mouvements et de la grande portée.

ROBOTS A ENLEVEMENT DE MATIERE?

La demande accrue de rendement et de flexibilité dans la production industrielle a récemment boosté la demande d'usinages automatisés rentables. Ici, les robots industriels semblent très intéressants à utiliser comme machines d'usinage, étant donné qu'ils peuvent être reconfigurés très rapidement, sont très maniables et peuvent réaliser une grande portée en termes de mouvements et d'orientations des outils (p.ex. pour le fraisage).

Leur grande portée permet également d'usiner de très grandes pièces. L'investissement d'un robot industriel est aussi relativement réduit par rapport au coût d'une machine d'usinage (p.ex. une fraiseuse à cinq axes).

Utiliser un robot sériel à cinq axes dans des usinages par enlèvement de matière (p.ex. fraisage d'aluminium) semble toutefois mission impossible, à cause de la rigidité limitée et des forces de processus importantes survenant lors de tels usinages à grande vitesse. Les forces de processus doivent donc être minimales, pour obtenir une certaine précision.

Les robots n'étaient dès lors historiquement pas utilisés dans les usinages par enlèvement de matière, mais dans des applications de pick-and-place, de soudage, de palettisation, de découpe au laser et de peinture.

Et si un robot était tout de même utilisé dans les usinages par enlèvement de matière, il s'agissait d'usinages avec de faibles forces de processus comme le meulage. Le premier robot d'ABB était donc un robot de meulage.

Précision réalisable

Grâce à des avancées récentes, des robots industriels peuvent être employés aujourd'hui dans toutes sortes d'usinages par enlèvement de matière, du travail du bois au fraisage dans l'aluminium. Bien que la précision réalisable de ces usinages avec des robots industriels suffise pour toutes sortes d'applications, elle n'est toutefois pas encore tout à fait comparable à celle de machines d'usinage classiques et les matériaux durs ne font pas encore partie de l'assortiment. Cette précision doit donc être améliorée.

De nombreux instituts de recherche étudient dès lors des manières possibles pour y parvenir - aussi en collaboration avec des producteurs de robots (p.ex. une collaboration entre Stäubli et l'UMONS, l'Université de Mons).

Un projet européen (COMET) est aussi en cours, visant à ramener la précision des usinages par enlèvement de matière avec des robots industriels à 50 micromètres et à pouvoir ainsi rivaliser avec les machines classiques.

Avantages

Les robots industriels ont un sérieux potentiel dans l'usinage par enlèvement de matière. Notamment grâce à la grande variété de formats et de configurations des robots industriels, une large palette de pièces à usiner est possible.

L'usinage de pièces grandes à très grandes est ainsi facilité. Des pièces plus complexes et des pièces avec des endroits difficiles à atteindre et des mouvements difficiles à effectuer sont aussi possibles grâce à la maniabilité du bras de robot sériel.

L'utilisation d'un robot sériel est également bien plus rentable, étant donné que l'investissement est nettement plus réduit que pour les machines conventionnelles. On estime (UMONS) qu'une économie d'environ 30% peut être réalisée sur le coût d'usinage en usinant une même pièce avec un robot industriel au lieu d'une machine conventionnelle.

POURQUOI A-T-IL FALLU SI LONGTEMPS ET POURQUOI EST-CE A PRESENT POSSIBLE?

Malgré le sérieux potentiel, les robots industriels n'étaient que très peu utilisés pour les processus avec des forces de processus minimales. Aujourd'hui encore, seuls peu de producteurs de robots misent sur les robots à enlèvement de matière. Ceux misant dessus (Stäubli) lancent pour cela des séries spéciales sur le marché pour contrer les principaux inconvénients.

S'il a fallu longtemps avant que des robots d'usinage par enlèvement de matière se retrouvent sur le marché, cela est non seulement dû à la rigidité relativement faible de la structure mécanique du robot, mais également aux possibilités de commande autrefois limitées:

Commande

Le post-processeur au niveau du logiciel de FAO était jusqu'il y a peu uniquement concentré sur les machines traditionnelles et ne permettait pas de travailler avec des robots. Il manquait aussi souvent la possibilité de commander le robot, via la commande propre au robot et pas via une commande third party, en code ISO G, utilisé pour les machines classiques pour décrire le trajet des usinages par enlèvement de matière et résultant du logiciel de FAO.

STructuRe mécanique

Jusqu'il y a peu, des robots industriels 'ordinaires' étaient utilisés pour les usinages par enlèvement de matière. Ceux-ci présentent une rigidité insuffisante pour de tels usinages avec des forces de processus élevées, une précision insuffisante en comparaison avec la reproductibilité ISO 9283, et ne sont pas dotés d'un moteur de fraisage/ broche intégré dans le bras.

Des robots 'dedicated' pour les usinages par enlèvement de matière à cinq axes ont toutefois été lancés récemment sur le marché

Pour les robots d'usinage, on mise sur:

• Des post-processeurs spéciaux sont récemment disponibles auprès de divers éditeurs de logiciels de FAO. De plus, plusieurs fabricants de robots proposent aujourd'hui un progiciel qui permet la programmation à partir du code G dans la commande spécifique au robot. L'intégration plus poussée des robots d'usinage dans la chaîne de processus CAO/FAO fait également partie du développement des différents fabricants de robots. En outre, ils travaillent également sur l'intégration d'un système de commande de machines avec une interface utilisateur correspondante et un postprocesseur spécial chez différents fournisseurs de logiciels FAO.
• Une conception robotisée 'dedicated' avec 5 axes et une broche intégrée. Une large gamme de robots de différentes gammes est possible en combinaison avec une large gamme de broches. Pour plus de précision, ces robots sont équipés d'engrenages optimisés. Un calibrage absolu de ces robots est également possible. Les robots de fraisage 'dedicated', par exemple, sont conçus pour une zone de travail optimisée pour les opérations d'usinage.
• L'intégration du tool changing automatique (sur le plan du logiciel comme du matériel) comme sur les machines classiques.
• D'autres producteurs s'appuient pour les usinages par enlèvement de matière sur le force control (ABB). L'ajout de capteurs mesurant les forces de processus et le retour vers les boucles de régulation permettent un fraisage ou un meulage plus précis. Ici, le contrôle de force est surtout utilisé pour les usinages sur du bois. Il permet aussi de changer rapidement de pièce et de type de matériau, car les capteurs de force 'sentent' la pièce. Un logiciel correspondant simplifie fortement la programmation de ces usinages.
• Au final, on mise aussi fortement sur le développement de procédés de calibrage efficaces.

QUELS USINAGES SONT DEJA REALISABLES?

Grâce à ces avancées, une large palette d'usinages sur une large palette de matériaux sont déjà réalisables avec des robots industriels à enlèvement. Modelage, chantournage, fraisage, traitement de surface, détourage, ébavurage, finition de soudures, forage et taraudage sont ainsi possibles sur des matériaux comme l'aluminium, l'acier, le carbone et les composites, la pierre, le verre et des matériaux plus tendres comme la mousse, la résine, le bois et les plastiques. Ce qui est possible, dépend bien sûr beaucoup du producteur de robots et de la précision exigée. Les robots 'dedicated' permettront ainsi une très large gamme de combinaisons par rapport aux robots industriels classiques. Grâce à cette grande variété d'usinages et de matériaux, les robots d'usinage par enlèvement sont déjà actifs dans toutes sortes de secteurs, comme l'industrie automobile, le secteur aquatique, la navigation aérienne et spatiale, le prototypage, le secteur de l'énergie, du plastique, de l'acier, du cristal, de la pierre et du bois.

Avec les commandes et les robots existants, il est possible d'atteindre une précision de ± 0,4 mm sur les composants CFC et GRP.

QU'EST-CE QUI N'EST PAS ENCORE POSSIBLE?

La précision des usinages avec des robots industriels s'est déjà fortement améliorée et est donc suffisante pour toutes sortes d'applications. Une précision extrême en micromètres, comme celle des fraiseuses à portique à cinq axes, n'est toutefois pas encore possible. L'usinage par enlèvement lourd de matériau dur comme l'inox-Inconel n'est pas non plus encore réalisable, à cause de la faible rigidité de la machine et des forces de processus importantes.

QUE FAUT-IL POUR RENDRE CECI REALISABLE?

Outre la précision ou la rigidité améliorée des robots d'usinage par enlèvement de matière, la recherche sur l'influence des forces de processus sur le mouvement et la précision du robot est essentielle aussi. En dehors du producteur de robots misant sur les robots à enlèvement (Stäubli), différents instituts de recherche soutiennent aussi la recherche nécessaire pour rendre ceci réalisable. Une collaboration entre Stäubli et l'UMONS se concentre p.ex. sur la recherche sur l'influence des forces de processus importantes sur le robot et la précision. Le but du projet EU/FP7 COMET consiste, lui, à faire passer la précision des usinages par enlèvement de matière avec des robots industriels sous les 50 μm p.ex. pour les fraisages.

Dans la littérature, on peut lire que la largeur de bande limitée des boucles de contrôle de position constitue un facteur déterminant. Elle est limitée pour un robot standard par les propres fréquences de la structure mécanique du robot. La cause? La rigidité limitée des articulations du robot. Par rapport aux machines CNC conventionnelles p.ex. pour les fraisages, la rigidité d'un robot industriel est jusqu'à cinquante fois plus réduite.

Cette faible rigidité et les fréquences de résonance à basse fréquence correspondantes peuvent donner lieu, sous certains paramètres de coupe, à des forces de processus accrues et même à des vibrations (ou chatter). Le chatter est l'une des principales raisons pour lesquelles les robots industriels ne peuvent pas encore rivaliser avec les machines classiques en matière de précision, et est le principal obstacle pour utiliser des robots industriels dans l'industrie de l'usinage par enlèvement de matière.

Une recherche sur l'effet de ces forces de processus sur le comportement dynamique du robot s'impose donc. Elle est p.ex. réalisée par l'UMONS en collaboration avec Stäubli. Une combinaison avec un micromanipulateur (recherche par la Lund University, Suède) peut également offrir une solution: il compense la largeur de bande limitée de la structure mécanique du robot (toujours en phase de recherche). Le robot est considéré ici comme un moyen d'exécuter le mouvement grossier, tandis qu'un micromanipulateur est placé sur l'effecteur terminal et effectue le mouvement précis. Celui-ci doit donc compenser les imprécisions causées par les forces de processus importantes et la faible rigidité du robot. Dans cette recherche, on prouve que la largeur de bande de la pointe a été agrandie avec l'ajout d'un micromanipulateur. Dans une configuration expérimentale, il a été démontré que l'erreur résultante du micromanipulateur était d'environ 12 μm sur tous ses axes, ce qui est largement en deçà de l'objectif (50 μm) du projet COMET.

CONCLUSION

L'avenir du robot d'usinage par enlèvement de matière est ouvert grâce aux avancées récentes et aux robots 'dedicated' conçus spécialement pour cette tâche.

Sur le plan économique comme sur celui de la flexibilité, un robot industriel a un gros potentiel. Il peut déjà être utilisé dans toutes sortes d'applications.

Il faut cependant poursuivre la recherche afin de pouvoir réaliser des usinages extrêmement précis et l'usinage par enlèvement de matière de matériaux durs.