Dispositif de préhension d'une pièce, et procédé pour sa fabrication
L'invention se rapporte au domaine des dispositifs de préhension utilisés pour la manipulation de pièces .
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de préhension du type comprenant un bâti qui présente une interface propre à être fixée à un organe de déplacement et qui supporte au moins un organe de préhension propre à maintenir la pièce dans une position géométrique définie par rapport au bâti.
De tels dispositifs de préhension, appelés aussi préhenseurs, sont utilisés principalement sur les chaînes de montage industrielles pour déplacer une pièce depuis un premier emplacement, par exemple un emplacement de stockage, jusqu'à un deuxième emplacement, par exemple un emplacement définitif de montage.
C'est ainsi que ces dispositifs trouvent une application préférentielle dans les chaînes de montage des véhicules automobiles pour mettre en place une pièce sur un véhicule en cours de montage.
Le bâti d'un tel dispositif est généralement fixé, par l'intermédiaire de son interface, à un bras de robot ou à un organe de déplacement analogue pour déplacer le bâti et la pièce qu'il supporte entre les deux emplacements mentionnés.
Le bâti supporte un ou plusieurs organes de préhension, tels que des pinces de serrage ou de bridage, des ventouses, etc., qui servent à saisir la pièce et a la maintenir dans une position géométrique définie de façon précise par rapport au bâti, pendant tout le déplacement.
Un des impératifs essentiels est d'assurer une précision lors
du prélèvement de la pièce et surtout lors de sa mise en place, pour qu'elle puisse être placée dans un endroit précis, notamment lorsqu'il s'agit de positionner une pièce sur un véhicule en cours de montage. Ceci suppose par conséquent d'assurer conjointement une précision de l'organe de déplacement et une précision du dispositif de préhension. A titre d'exemple, sur une chaîne de montage de véhicules automobiles, la précision demandée est généralement de l'ordre du dixième de millimètre.
Dans les dispositifs de préhension connus, le bâti est réalisé par différents moyens, par exemple à partir d'éléments métalliques mécano-soudés, en acier ou en aluminium, réalisés de façon spécifique en fonction du plan de définition donné.
Il est connu aussi de réaliser le bâti par assemblage de modules standard gérés en stock et par réalisation de parties spécifiques .
De plus, il est connu de réaliser le bâti par assemblage de profilés divers (tubes extrudés, tubes cylindriques coupés à longueur) à l'aide d'éléments de jonction standard par vissage, pincement ou autre moyen, et par réalisation de parties spécifiques d'interface et de fixation pour les éléments de maintien.
En effet, chaque dispositif de préhension constitue un élément spécifique dont le bâti est réalisé également de façon spécifique pour permettre de supporter le ou les organes de préhension dans des positions géométriques bien définies par rapport au bâti, et donc par rapport à l'organe de déplacement (robot ou analogue).
Cette conception traditionnelle des dispositifs de préhension nécessite de gérer en stock un certain nombre de pièces, puis d'assembler ces pièces, éventuellement avec des éléments spécifiques, pour réaliser un bâti de profil géométrique bien
défini.
Ceci nécessite par conséquent un temps de réalisation et d'assemblage important.
De plus, il peut arriver, de manière accidentelle, que le bâti soit faussé en service.
Ceci nécessite alors de démonter le bâti pour soit le réparer, soit le remplacer par un autre bâti identique ou similaire.
Il en résulte des temps d'immobilisation importants, pendant lesquels la chaîne de montage, n'est pas opérationnelle.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités.
Elle propose à cet effet un dispositif de préhension du type défini en introduction, dans lequel le bâti comprend au moins un élément conformé réalisé en un matériau fritte obtenu par fusion localisée d'un matériau en poudre par apport de chaleur.
Ainsi, le bâti du dispositif de l'invention se différencie radicalement des bâtis traditionnels réalisés par assemblage d'éléments mécaniques.
Le bâti de l'invention est réalisé à partir d'au moins un élément conformé, c'est-à-dire réalisé à la forme, par une technique de frittage utilisant un matériau en poudre susceptible d'être fritte par voie thermique.
A ce titre on envisage de manière préférentielle un matériau fritte par un rayon laser.
Jusqu'à présent, ces matériaux frittes sont utilisés essentiellement pour le prototypage rapide, c'est-à-dire pour la réalisation de prototypes, qui peuvent avoir des formes très
complexes, par une technique de frittage par voie thermique, et tout particulièrement une technique de frittage au laser.
On rappellera qu'une telle technique de frittage consiste à déposer une première couche fine d'un matériau polymérisable en poudre, de fritter le matériau de cette première couche suivant une surface définie grâce à un rayon laser qui vient balayer cette première couche, en fonction de données stockées dans un ordinateur. On procède ensuite au dépôt d'une deuxième couche que l'on fritte dans les mêmes conditions, et selon une autre surface définie, et ainsi de suite.
De cette manière, on peut réaliser une pièce en trois dimensions, éventuellement avec des parties creuses, dont la forme correspond exactement à une forme dont les caractéristiques ont été numérisées, enregistrées et stockées dans un ordinateur. Une telle technique permet de réaliser des pièces de forme complexe qui sont difficiles, voire impossibles à réaliser par des techniques traditionnelles.
Cependant, cette technique n'a jusqu'à présent pas été utilisée pour réaliser des pièces industrielles en grande série, car elle se prête essentiellement à la réalisation de prototypes.
Or, dans un dispositif de préhension, du type défini précédemment, chaque bâti constitue un élément spécifique bien précis qui est généralement réalisé en un exemplaire, ou en un très faible nombre d'exemplaires.
La Demanderesse a été trouvé qu'une telle technique de prototypage pouvait être utilisée pour réaliser un bâti à partir d'un ou plusieurs éléments conformés, c'est-à-dire réalisés avec des formes bien spécifiques, en matériau fritte, sans compromettre les propriétés mécaniques du bâti.
Avantageusement, le matériau fritte est choisi parmi les polyamides, les matériaux métalliques frittables, l'aluminium
et le carbone polymérisable.
On envisage tout particulièrement un polyamide fin, éventuellement chargé, en particulier par des billes de verre.
Dans une forme de réalisation de l'invention, le bâti comprend au moins un bras relié à l'interface et supportant au moins un organe de préhension. Le bras peut être relié à l'interface par des moyens de fixation, par exemple des moyens mécaniques et/ou des moyens de collage. Ces moyens de collage font en ce cas appel à une colle adaptée au matériau fritte utilisé.
Il est envisageable aussi que le bras soit formé d'une seule pièce avec l'interface, cette dernière étant alors réalisée aussi en matériau fritte. Le bras peut être complètement plein. Il est avantageux cependant, pour diminuer le poids du bras, de le réaliser creux, éventuellement avec des entretoises internes. Ceci permet de faire une économie de matière, tout en concevant un bras de résistance mécanique suffisante.
Cela n'empêche pas que le bras lui-même puisse être réalisé en une seule pièce, ou éventuellement en plusieurs pièces.
Dès lors, toutes les combinaisons sont possibles. On peut, par exemple, avoir deux bras fixés à l'interface, un bras fixé à l'interface et un autre réalisé monobloc avec celle-ci, deux bras réalisés monobloc avec l'interface, etc.
Il est avantageux que le bâti soit entouré d'un revêtement de protection, par exemple d'un revêtement métallisé, ou encore d'un revêtement rapporté, pour permettre au dispositif de résister à un environnement agressif (par exemple des projections d'huile, d'étincelles, etc.).
Selon une autre caractéristique de l'invention, le bâti comprend au moins un passage accessible de l'extérieur réalisé dans un élément conformé pour recevoir un câble ou un conduit
d'alimentation. La technique de frittage permet en effet de réaliser des formes choisies, et c'est le cas pour un passage accessible de l'extérieur.
Dans une forme de réalisation de l'invention, chaque organe de préhension est réalisé sous la forme d'une pince comprenant une partie fixe reliée au bâti et une partie mobile capable de déplacement par rapport à la partie fixe.
En pareil cas, la partie fixe de la pince peut être fixée au bâti ou elle peut aussi être réalisée d'une seule pièce avec le bâti.
L'interface du dispositif de l'invention est susceptible de nombreuses variantes. Il peut s'agir notamment d'un boîtier ouvert avec plusieurs faces dont l'une au moins est dotée de moyens de passage de câbles.
Cette interface est aménagée pour être fixée à l'extrémité d'un bras de robot ou analogue.
Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de préhension tel que défini précédemment, ce procédé comprenant les opérations consistant à :
a) établir une maquette numérique en trois dimensions du dispositif, notamment du bâti, pour constituer un fichier de données ; et b) réaliser le bâti, à partir des données de ce fichier, par une technique de frittage utilisant un matériau en poudre susceptible d'être fritte par voie thermique.
De préférence, cette technique de frittage est une technique au laser. Le laser utilisé est avantageusement un laser au C02 ou un laser YAG.
Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue en perspective simplifiée montrant un dispositif de préhension selon l'invention fixé sur un bras de robot et utilisé pour déplacer une pièce ;
- la Figure 2 est une vue en perspective du dispositif de préhension, sans ses organes de maintien ; - la Figure 3 est une vue en plan du dispositif de préhension de la Figure 2 ;
- la Figure 4 est une vue de côté du dispositif de préhension des Figures 2 et 3 ;
- la Figure 5 est une autre vue de côté du dispositif de préhension des Figures 2 et 3 ;
- la Figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la
Figure 3 ; et
- la Figure 7 représente le détail VII de la Figure VI, à échelle agrandie.
On se réfère d'abord à la Figure 1 qui montre un dispositif de préhension 10 selon l'invention, comportant un bâti 12 fixé à un organe de déplacement 14, ici un robot (représenté schématiquement) . Le dispositif 10 comporte, dans l'exemple, deux organes de préhension 16 pour supporter une pièce P. Les organes de préhension 16 sont constitués chacun de tout organe approprié, par exemple d'une pince de serrage ou de bridage, d'une ventouse, etc. Dans l'exemple chacun des organes de préhension est réalisé sous la forme d'une pince de bridage comprenant une partie fixe 16a et une partie mobile 16b susceptible d'être déplacée par rapport à la partie fixe.
La fonction du dispositif de préhension est de prélever une pièce P sur un premier emplacement, par exemple un emplacement de stockage, pour la déplacer jusqu'à un deuxième emplacement, par exemple un emplacement de montage. A titre d'exemple, la pièce P peut être un composant d'un véhicule automobile qui est
prélevé sur une réserve de stockage et est ensuite positionné de manière précise sur un véhicule en cours de montage.
On se réfère maintenant conjointement aux Figures 2 à 6 pour décrire la structure du bâti 12 du dispositif 10 précité. Dans l'exemple de réalisation représenté, le bâti 12 comprend deux éléments conformés 18 et 20 (encore appelés des bras) qui sont reliés à une interface 22 destinée à être fixée, dans un emplacement précis, à l'extrémité du robot 14. Dans l'exemple représenté, l'interface 22 est réalisée sous la forme d'un boîtier ouvert, de forme générale parallélépipédique, comprenant une face de fond 24 dont dépendent quatre faces latérales, à savoir deux grandes faces 26 et 28 et deux petites faces 30 et 32. La face de fond 24 est aménagée pour être fixée à l'extrémité du bras de robot 14 et elle comprend à cet effet des moyens de fixation appropriés en particulier des trous 31 et des rainures de positionnement 33 (Figure 3). Cela permet à l'interface 22 d'être bloquée dans une position précise sur une interface de montage (non représentée) que porte le robot 14.
Les faces 26 et 28 servent à la fixation respectivement des bras 18 et 20. Dans l'exemple de réalisation, le bâti est formé exclusivement à partir d'éléments conformés réalisés en matériau fritte par une technique de prototypage rapide, par une technique au laser. Le matériau fritte est choisi avantageusement parmi les polyamides, les matériaux métalliques frittables, l'aluminium et le carbone polymérisable.
Dans l'exemple, on utilise avantageusement un polyamide fin, éventuellement chargé, en particulier par des billes de verre. A ce titre, on envisage essentiellement du polyamide 6-6. Dans l'exemple représenté, tous les éléments, y compris l'interface 22, sont en matériau fritte. Cependant, il est envisageable aussi de réaliser l'interface de manière traditionnelle par moulage ou usinage d'un matériau métallique approprié.
Dans l'exemple représenté, le bras 18 comprend d'abord deux
branches 34 et 36 dont les extrémités sont reliées à la grande face 26. Ces deux branches 34 et 36 sont réalisées de manière monobloc avec l'interface. Comme on peut le voir sur la Figure 2, les branches 34 et 36 sont creuses et sont dotées de croisillons internes 38 qui s'étendent sur toute leur longueur pour conférer une meilleure rigidité. Les branches 34 et 36 ont ainsi deux extrémités respectives 40 et 42 qui se rattachent à la grande face 26. Elles possèdent en outre deux extrémités coudées 44 et 46 sur lesquelles est collé un élément rapporté 48 qui est avantageusement réalisé par frittage au laser, mais qui pourrait aussi être réalisé dans une pièce moulée en un autre matériau, par exemple en aluminium. Le collage est effectué avec une colle adaptée au matériau fritte utilisé. Dans le cas d'un matériau du type polyamide, on uilise avantageusement une colle acrylique.
Cet élément rapporté 48 est formé de deux demi-coquilles 48a et 48b et il comprend deux embouts cylindriques 50 et 52 dans lesquels sont emmanchées respectivement les extrémités coudées 44 et 46, et un autre embout cylindrique 54 qui reçoit un bras d'extrémité 56 présentant une forme évolutive et se terminant par une interface 58 sur laquelle peut être fixé l'un des organes de préhension 16. A cet effet, cette interface est réalisée plane et comporte un certain nombre de trous 60 pour des vis ou analogue, qui servent, dans l'exemple à la fixation de la partie fixe 16a d'un organe de préhension.
Dans une variante de réalisation, l'interface 58 pourrait constituer elle-même une partie de l'organe de maintien. Ainsi, dans le cas où l'organe de maintien est une pince de serrage comportant une partie fixe 16a et une partie mobile 16b, cette partie fixe 16a peut être réalisée monobloc avec le bras 18, c'est-à-dire ici avec le bras d'extrémité 56.
Le bras 20 est réalisé également par une technique de frittage laser en utilisant un matériau fritte. Le bras 20 comprend deux branches 62 et 64, généralement parallèles, terminées chacune
par une embase 66, respectivement 68, de forme générale carrée. Chacune de ces embases est destinée à être fixée sur la grande face 28, par exemple par une fixation mécanique et/ou un collage. Chacune de ces embases comprend quatre trous qui permettent la mise en place d'éléments vissés. Bien entendu, il est envisageable de réaliser les deux branches 62 et 64 monobloc avec la face 28.
Les branches 62 et 64 sont renforcées par des croisillons internes 65 (Figures 6 et 7) et se prolongent par un bras d'extrémité 70 qui est réalisé monobloc avec ces branches. Ce bras d'extrémité est renforcé par des croisillons internes et il présente une extrémité 72 dans laquelle est emboîté un élément coudé 74 ayant des croisillons internes 75 (Figures 5 et 6) et terminé par une interface 76. L'élément coudé 74 et l'interface 76 sont réalisés d'une seule pièce par frittage au laser.
L'interface 76 comprend un certain nombre de trous 78 pour permettre la fixation de la partie fixe 16a de l'autre organe de préhension. Comme déjà indiqué, l'interface 78 pourrait constituer une partie d'un organe de préhension, notamment dans le cas où celui-ci comprend une partie fixe 16a et une partie mobile 16b.
L'élément coudé 74 et l'interface 76 sont réalisés monobloc, tandis que l'élément 74 est rapporté et collé sur l'extrémité 72 du bras d'extrémité 70. Il est envisageable que l'élément coudé 74 et le bras d'extrémité 70 aient des formes d'emboîtement complémentaires qui permettent, lors de l'assemblage, un positionnement précis de l'élément 74 par rapport au bras 20. Le collage est réalisé avec une colle adaptée, ici une colle acrylique.
Par ailleurs, comme on peut le voir sur la Figure 3, les faces latérales de l'interface comportent différentes ouvertures 80 formant passage de câbles pour permettre l'alimentation
électrique et/ou pneumatique des organes de préhension.
Le bâti représenté aux Figures 2 à 6 constitue un exemple parmi d'autres d'un bâti susceptible d'être réalisé selon l'invention. Le principe de base est de réaliser le bâti à partir d'au moins un élément conformé, c'est-à-dire possédant une forme précise, réalisé en un matériau fritte. Pour un bâti de faible encombrement, il est envisageable de réaliser l'ensemble du bâti d'une seule pièce. Cependant, en fonction de l'encombrement du bâti et des possibilités de la machine de prototypage, il sera souvent nécessaire de réaliser le bâti en plusieurs éléments. Ainsi, l'interface peut, selon le cas, soit être réalisée en matériau fritte, soit être réalisée en un matériau traditionnel. Le reste du bâti pourra, dans certains cas, être réalisé d'une seule pièce avec cette interface pour des raisons de simplification.
Pour fabriquer un dispositif de préhension tel que défini précédemment, on établit une maquette numérique en trois dimensions (3D) du dispositif et notamment du bâti. Ceci permet de réaliser une forme qui relie l'interface servant à la fixation sur le robot ou analogue, aux organes de préhension qui sont nécessaires pour maintenir la pièce. Ces organes de préhension peuvent être constitués, par exemple, par des organes de serrage, des pinces, des pilotes multifonction, des pilotes linéaires, des brides pivotantes, des ventouses, etc. La forme des éléments est choisie pour avoir la rigidité suffisante afin d'assurer la prise de la pièce à manipuler, sans déformation, en assurant la répétabilité.
La forme est définie grâce à un logiciel de calcul par éléments finis permettant d'optimiser son inertie, son poids et sa résistance mécanique. Le profil de cette liaison ne tient pas compte d'une réalisation classique sur machine mais permet des réalisations impossibles suivant les techniques traditionnelles. Il permet notamment de réaliser des éléments avec des corps creux nervures de forme évolutive présentant,
par exemple, une forme cylindrique à une extrémité et une section parallélépipédique à une autre.
La réalisation des éléments est possible après numérisation 3D en CAO (conception assistée par ordinateur) du modèle et par exploitation directe du fichier de données ainsi obtenu, dans une machine de prototypage, et cela sans réaliser de plan de définition. Ceci élimine les risques d'erreurs de cote sur les plans, en réalisation d'usinage ou en montage.
Le bâti est ensuite réalisé par frittage d'un matériau frittable selon une technique de prototypage rapide à partir des données de ce fichier. Le frittage s'effectue couche par couche par apport d'énergie thermique à chaque fois sur une surface définie précisément. On trouve dans le commerce différents types de machines de prototypage fonctionnant par frittage au laser qui peuvent convenir à la mise en oeuvre de l'invention. Ces machines connues fonctionnent le plus souvent avec un laser au C02 ou avec un laser YAG. Elles utilisent un matériau frittable en poudre qui est étalé pour former une première couche de faible épaisseur sur laquelle on vient balayer un rayon laser suivant une surface définie dont les caractéristiques sont stockées dans un ordinateur, et on procède ensuite de la même façon, couche par couche pour réaliser la pièce désirée.
Ces machines ont des capacités limitées en termes de dimensions des pièces à réaliser. C'est la raison pour laquelle, pour des bâtis de grande dimension, il sera nécessaire de les réaliser en plusieurs parties et de les assembler ensuite par des techniques d'assemblage mécanique et/ou collage.
La forme réalisée permet entre autres d'inclure le passage de câbles ou de conduits protégés par la forme elle-même. Les Figures 6 et 7 montrent la section d'un bras, ici le bras 64, réalisé creux et comportant une gorge 82 accessible de l'extérieur pour former un passage pour un câble ou un conduit
84 s 'étendant le long du bras. Il est possible aussi de former des éléments en saillie pour assurer le maintien d'un tel câble ou conduit dans une position définie. Le câble ou conduit peut être par exemple un câble électrique, un conduit d'air comprimé, etc.
Les matériaux utilisés pour les différents éléments sont variables suivant les mécaniques désirées. On utilisera tout particulièrement du polyamide, par exemple du polyamide 6-6, de préférence chargé.
Après réalisation du bâti, il est envisageable de le protéger par un revêtement approprié, afin de limiter les risques entraînés par les projections de matériau de toute nature, par exemple les projections d'huile ou projections d'étincelles. Comme revêtements, on envisage en particulier un revêtement métallisé, par exemple un chromage, ou encore un revêtement rapporté formant gaine de protection.
L'avantage de l'invention est l'absence totale de stock. Une seule numérisation permet la réalisation à l'identique d'un nombre infini de dispositifs de préhension. Une modification éventuelle d'un ensemble réalisé peut être intégrée par collage sur les éléments existants.
En cas d'endommagement du bâti, par exemple à la suite d'un choc, il est envisageable de remplacer purement et simplement ce bâti par un nouveau bâti, ou encore une partie du bâti par une nouvelle pièce en matériau fritte. L'avantage est que l'on dispose d'un fichier numérisé des caractéristiques du bâti qui permet de réaliser un nouveau bâti strictement identique au bâti initial.
L'invention trouve une application particulière dans le domaine des dispositifs de préhension utilisés dans l'industrie automobile .