Conception du système de fabrication de pièces mécaniques en grand série

Système manufacturiers dédiés

Les Systèmes Manufacturiers Dédiés (SMD) (Dedicated Machining System – DMS)) ou les Lignes Transfert Dédiées (LTD) ont été développés dans le secteur de l’automobile (production de masse) où la rationalisation de la fabrication répond à un objectif de productivité. Basée dans un premier temps sur la mécanisation puis l’automatisation des activités élémentaires (opérations d’usinage), chaque ligne dédiée est typiquement destinée à produire une pièce unique à une haut rythme de productivité où la simultanéité des opérations (usinages) et l’équilibrage des temps opératoires sont réalisés par des stations appartenant au même bâti de la machine. Chaque station de la ligne est spécialisée pour faire une opération d’usinage toujours identique et toujours au même endroit sur la pièce (perçage, fraisage, lamage…).
Ford est sans doute celui qui a révolutionné les systèmes manufacturiers en introduisant le principe du flux de produits passant par plusieurs stations. Un exemple qui illustre bien ce cas de figure, est le modèle de voiture T de Ford qui a été produit à plus de 15 millions d’exemplaires entre 1908 et 1927 [Hitomi, 1996]. En France, Pierre Bézier en tant que directeur des méthodes mécaniques à la RNUR (Renault SAS) développe avec son équipe les lignes transferts de l’usinage de composants du moteur de la 4 CV à partir de 1945.
En effet, bien que les investissements de tels systèmes soient importants, le volume de demande est élevé, le coût par pièce devient relativement faible et le retour sur investissement est rapide. Les LTDs possèdent de nombreux avantages, évoquons les plus importants :
une très grande productivité : en effet, les volumes produits peuvent atteindre des millions de pièces, ceci réduisant le prix de revient [Finel, 2004] ;
une grande précision dans l’usinage en raison de la fixation des outils et des pièces ; un besoin de moins de pièces de rechange lors des actions de maintenance car l’équipement est standardisé ; la qualité des produits et la stabilité de leurs caractéristiques sont sans doute une des spécificités les plus attrayantes de ce type de lignes. En effet, celles-ci ont un haut degré d’automatisme, ce qui minimise le risque de fabriquer des produits de mauvaise qualité [Belmokhtar, 2006] ;
les lignes peuvent fonctionner 24h/Jour sur des périodes allant jusqu’à 30 ans avec des modifications tous les 7 ans environ [Belmokhtar, 2006].
Néanmoins depuis les années 1980, l’application des LMDs présente des difficultés de plus en plus importantes face à l’accélération de rythme de l’évolution des productions en termes des variétés et en termes de la capacité. Mais il reste encore un grand nombre de constructeurs de LMD, comme PCI-Scemm ou encore COMAU pour l’automobile. Selon PCI-Scemm, les LMD présentent encore environ 40% de leur production globale. Pour conclure, les LMD sont rentables à condition que la demande en termes de variété soit fixe et correspondent à leur capacité. Mais avec l’augmentation de la pression de la concurrence mondiale et un grand nombre de marchés implantées aux variétés de capacité à construit dans le monde entier, les LMDs répondent de moins au moins aux exigences des clients et/ou aux nouvelles conditions du marché.

Système Manufacturiers Flexibles

Les Systèmes Manufacturiers Flexibles SMF (ou encore Flexible Manufacturing Systems – FMS) est une technologie qui vise à rendre flexible l’ensemble de l’outil de production permettant de préparer, de s’adapter aux divers changements de son environnement, sans qu’il y ait besoin d’engager de nouveaux investissements en biens d’équipement, ou d’engendrer de longues pertes de temps. Sa finalité est de réaliser une multitude d’opérations hétérogènes à partir d’un nombre très limité de ressources. Le besoin d’accélération des flux dans les processus, et l’automatisation des tâches complexes et à forte valeur ajoutée sont à la base de leur développement.
Ces systèmes flexibles sont de niveaux d’intégration diverses comme :
les Modules de Fabrication Flexible constitués d’une ou plusieurs machines à commande numérique opérant de façon isolée ;
les Cellules de Fabrication Flexible constituées de plusieurs machines à commande numérique opérant de façon consécutive et reliées par un système automatique de transport (AGV, Automated Guided Véhicule) ;
les Groupes de Fabrication Flexible regroupant plusieurs cellules flexibles ; les Système de Fabrication Flexible par une automatisation de toute la fonction production ; les Ligne de Fabrication Flexible par une automatisation globale de la chaîne de fabrication.
Dans les années 80, ces systèmes de production se déploient en particulier dans les secteurs de la fabrication des composants de véhicules (Snecma Le Creusot- Citroën Meudon, automobiles et camions RVI/Bouthéon) concomitamment au développement de l’automatisation. Ils cherchent à répondre à l’évolution des systèmes de production lesquels doivent répondre impérativement à une nouvelle contrainte la flexibilité (variabilité morpho-dimensionnelle et réduction de lots). Les SMFs sont constitués de machines outils (transformation ou contrôle de pièces mécaniques), des moyens de manutention (transport ou transfert de poste à poste) le tout contrôler par un système de «contrôle commande» réparti ou hiérarchisé.
Dans les années 1990/2000, de nombreux Laboratoires en France (comme le LURPA de Cachan, CRAN de Nancy, LAB de Besançon, LAMIH de Valenciennes… entres autres) ont contribué à développer les travaux de recherche en la matière qui ont essentiellement porté sur la conception du système de contrôle/commande des systèmes flexibles de production manufacturière.

Système Manufacturier Reconfigurable

Koren [Koren el al, 1999] expose le nouveau paradigme les Systèmes Manufacturiers Reconfigurable (SMR), permettant de répondre à la fois aux contraintes contradictoires de productivité (SMD) et la flexibilité (SMF). Les grandes directions sont de :
concevoir un système et ses machines de manière changeable permettant d’assurer une réponse aux nouvelles contraintes du marché en termes de volume et en variété de pièces à usiner. Le concept de structure modifiable peut être réalisé au niveau de système de production (par exemple en ajoutant des machines) et/ou au niveau des machines-outils (en introduisant des dispositifs modifiables par exemple en ajoutant des axes et/ou des broches) ;
concevoir un système de fabrication autour d’une famille de pièces, avec une flexibilité et une productivité correspondantes aux besoins du client (ceci réduit le coût de système) .
Le concept de SMR a pour but de remplacer les SMFs. [Rogers et Bottaci, 1997], [Kusiak et Larson, 1995], [kusiak et Huang, 1996] et [Lee, 1997] proposent une méthodologie de conception concernant les éléments modulaires constituant les machines outils ou les systèmes de fabrication, Ensuite, le concept de reconfiguration développé dans les domaines du montage, d’assemblage et de robot [Hollis et Quaid, 1995]. Les chercheurs de l’université de Carnegie Mellon ont développé le concept de RMMS (Reconfigurable Modular Manipulator System). Ils ont développé une méthodologie destiné à la conception de manipulateurs reconfigurables à partir de contraintes cinématiques (compliance et travail synchrone de robot) liées à la tâche à réaliser [Paredis et Khosla, 1993, 1994] [Paredis, 1996]. [Van Brussel, 1998] est un des premiers a travaillé sur les mécanismes contribuant à la conception et au développement de systèmes manufacturiers adaptatifs et coopératifs. Ces travaux sont menés dans le cadre du groupement d’industriels et de chercheurs internationaux dénommé « IMS – Intelligent Manufacturing System ». Les résultats de ces travaux ont été transférés pour assurer le développement de la reconfigurabilité des systèmes de fabrication qui portent essentiellement sur le contrôle commande de structure de commande numérique dite ouverte [Pritschow et Junghans, 1993] [Pritschow et al, 2003].

SHIVA, machine-outil multibroche

SHIVA est la première tentative de MOR initié par Garro et Martin [Garro, 1992], [Garro et Martin, 1993]. Ces travaux présentent une méthodologie de conception de la partie opérative de machines-outils en ayant intégré un niveau de reconfigurabilité de manière implicite. Les auteurs fondent leur travail sur le concept d’entité de fabrication définie quelques années plus tard dans l’ouvrage collectif sous la direction de Tollenaere [Tollenaere, 1998] en respectant les contraintes concomitantes de productivité et de flexibilité.
Ces travaux se positionnent au niveau de la conception d’éléments physiques de systèmes de fabrication de produit. Dans ce cadre, ils ont proposé une méthode de conception applicable aux machines outils, basée sur des concepts de modularité afin de parvenir à une réelle intégration de la partie commande. Sa méthode peut se décomposer en trois phases :
l’analyse correspondant à la détermination du besoin et à son expression ; la spécification concernant la description des différentes fonctions mises en jeu ;
la conception proprement dite consistant à traduire les différentes fonctions en composants physiques. La synthèse structurale de SHIVA est constituée d’un grand nombre de broches qui réalisent des opérations d’usinage sur une pièce fixe. Les broches travaillent de manière séquentielle ou simultanée. La démarche de spécification permet, à partir d’un cahier de charges décrit en termes d’entités d’usinage, de rechercher des solutions d’architectures fonctionnelles de machine outils. Garro [Garro, 1992] a proposé un formalisme mathématique basé sur la logique temporelle dans l’objectif de traduire les concepts de simultanéité et/ou de séquentialité des opérations d’usinage. D’autre part, Garro [Garro, 1992] a utilisé le concept de broches-multiples pouvant réaliser plusieurs opérations en même temps mais le traitement de l’emploi de broches simultanément et la prise en compte de la problématique de mise et maintien en position des pièces n’ont pas été traitées.
Les travaux de [Patriti, 1998] permettent de répondre partiellement aux problématiques précédentes. La méthodologie est basée sur un modèle de gamme distribuée et sur l’analyse du système physique à piloter. La formalisation proposée permet d’évaluer l’influence du système de pilotage sur la robustesse et la fiabilité du système de fabrication. Ces critères sont autant de paramètres qui peuvent aider le concepteur dans ses décisions. Enfin pour passer de la spécification à la réalisation, une modélisation du comportement des agents est proposée. Les méthodes développées et les expérimentations ont été implantées pour la machine-outil à structure parallèle Shiva.

Modélisation des machines-outils

Les aspects de reconfigurabilité sont abordés sous plusieurs angles et avec une ampleur variable selon les concepteurs de machine-outil comme modularité, l’intégrabilité, la convertibilité et personnalisation. La stratégie des sociétés comme INDEX ( consulté en décembre 2008) représente ces tendances sous le vocable machine-outil multifonctionnelle [Moriwaki, 2008]. Les gammes de machines-outils G400 ou V300 bénéficient de ces avancées de modularité en conception de composants standards, d’intégration des techniques (tournage, fraisage, rectification…), de personnalisation en s’adaptant aux besoins du client. Quant à la convertibilité, l’ajout de fonctions d’environnement (mesure des outils, de pièces, de changeur d’outils…) contribuent à répondre à ce principe.
Les contraintes des machines-outils classiques sont les mêmes que les machines-outils reconfigurables. En effet, la description du cahier des charges d’une machine-outil classique se présente comme :
Définition technologique de la machine-outil ;
Taille, géométrie des entités et de la pièce à usiner (dimensions de l’espace de travail, techniques d’usinage) ; Capacité d’enlèvement de la matière (ébauche, finition en fonction des matériaux, définition du niveau de productivité) ; Précision de la machine outils (répatabilité, exactitude, réduction des sources d’erreurs…) ; Comportement cinématique (vitesse et accélération en travail et rapide …) ; La taille du lot, la cadence (niveau d’automatisation) ; Le prix (analyse des coûts, investissements…).
Sélection du nombre d’axes asservis en position et en vitesse ; Définition des mouvements principaux et secondaires (moteurs, rotation pièce ou outil) ;
Définition de la structure ;
Configuration (banc, table, colonne fixes ou mobiles) ; Structure des composants (acier, fontes, composites…) ; Guidages (contact roulant ou frottant, hydrostatique…).
Définition des systèmes de transformation de mouvement (vis à billes) ; Type et implantation du système de contrôle-commande ;
Axes (nombre, interpolation complexe) ; Réglage de la commande (paramètres machines, courses…) ; Interface «homme/machine» (personnalisation, mesure de paramètres spécifiques…).
Définition des asservissements ;
Dispositif de mesures (capteurs de position, de déplacement, de température…) ; Dispositif de contrôle (paramètres de commande).
Automatisation ; Communication (réseau locaux industriels) ; Automatisation et programmation (PLC, sureté, sécurité).
Environnement de production ; Inspection et vérification pièces ; Mesure des outils…

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Table des matières

I. Chapitre I : Introduction, état de l’Art
I.1 Introduction générale
I.1.1 Enjeux et contexte
I.1.2 Objectifs, hypothèses
I.2 Systèmes manufacturiers
I.2.1 Préambule
I.2.2 Système manufacturiers dédiés
I.2.3 Système Manufacturiers Flexibles
I.2.4 Système Manufacturier Reconfigurable
I.3 Machine–Outil Reconfigurable
I.3.1 Introduction
I.3.2 SHIVA, machine-outil multibroche
I.3.3 Université du Michigan, Arch-Type RMT
I.3.4 METEOR 2010
I.3.5 Modélisation des machines-outils
I.3.6 Bilan
I.4 Méthodologie de conception de MOR
I.4.1 Cahier des charges
I.4.2 Informations préalables
II. Chapitre II : Machine-Outil Reconfigurable : Caractéristiques intermédiaires
II.1 Introduction
II.2 Représentation intermédiaire
II.2.1 Concept d’entité
II.2.2 Notion de Volume d’encombrement
II.2.3 Concept d’accessibilité
II.3 Montage d’usinage
II.3.1 Posage et bridage
II.3.2 Fonctions élémentaires
II.3.3 Application aux pièces PA et PB
II.4 Géométrie intermédiaire caractéristique
II.5 Conclusion
III. Chapitre III : Processus, Opérations
III.1 Introduction
III.2 Processus d’usinage
III.2.1 Définitions
III.2.2 Proposition de modèles de représentation du processus d’usinage
III.2.3 Proposition de modèle d’opérations d’usinage
III.3 CFAO : Outil d’aide à la simulation
III.3.1 Logiciel CATIA
III.3.2 Exemple d’application
III.3.3 Volume balayé
III.4 Conclusion
IV. Chapitre IV : Processus de fabrication, Architecture géométrique et cinématique, Configuration et Reconfiguration
IV.1 Introduction
IV.2 Contraintes de fabrication
IV.2.1 Contraintes d’antériorité
IV.2.2 Contraintes au niveau des broches
IV.3 Ordonnancement
IV.4 Interférences des outils
IV.4.1 Détection d’interférences
IV.4.2 Intérêt de l’environnement de CFAO
IV.5 Représentation des processus de fabrication
IV.6 Architecture de MOR
IV.6.1 Informations préalables
IV.6.2 Architecture géométrique
IV.6.3 Architecture cinématique
IV.6.4 Critères de choix des solutions
IV.7 Configuration et reconfiguration de MOR
IV.7.1 Reconfiguration sans changement de structure
IV.7.2 Reconfiguration avec changement de montage de MOR
IV.8 Conclusion
V. Chapitre V : Structure, Modélisation, Création virtuelle, Validation
V.1 Introduction
V.2 Constituants structurels de la MOR
V.3 Représentation de modules de la MOR
V.3.1 Représentation géométrique
V.3.2 Représentation cinématique
V.3.3 Choix du module
V.4 Modèle structural articulé de la MOR
V.4.1 Graphe de connectivité
V.4.2 Assemblage des modules
V.4.3 Modèle géométrique direct
V.4.4 Modèle géométrique inverse
V.5 Volume d’accessibilité
V.5.1 Espace articulaire
V.5.2 Espace opérationnel
V.6 Modèle global
V.6.1 Description géométrique (pièce, entité)
V.6.2 Description géométrique (pièce, porte-pièce)
V.6.3 Description géométrique (MOR)
V.6.4 Description géométrique (broche, outil)
V.6.5 Description géométrique (outil-entité) (fermeture de la boucle)
V.7 Modèle virtuel de MOR
V.7.1 Programme d’usinage
V.7.2 Création de structure de la MOR
V.7.3 Validation
V.8 Conclusion
Conclusion générale
Perspectives et travaux futurs
VI. Annexes
VI.1 Annexe. A : nomenclature des entités d’usinage
VI.2 Annexe B: opérations d’usinage
VI.2.1 Type d’opérations d’usinage
VI.3 Annexe C : Mouvement des corps rigides

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