Description du sujet de thèse

L’ambition de ce projet est de développer une nouvelle architecture de robot parallèle de type Exechon pouvant être déplacé pour des tâches d’usinage et de perçage sur des pièces ou des assemblages de grandes dimensions dans le domaine aéronautique et navale. Cette architecture doit répondre à des exigences de raideurs mais aussi de légèreté pour minimiser la consommation énergétique nécessaire à sa mise en mouvement. Dans cet objectif, l’originalité du projet est de s’intéresser aux robots à architecture parallèle hyperstatique (OPKM ) ; ce type d’architecture permet de réduire le poids des éléments mobiles tout en proposant des performances en raideur importante. La conception de OPKM industrialisables implique des travaux transverses et innovants dans des thématiques scientifiques comme la synthèse de mécanisme, le tolérancement de mécanisme hyperstatique et la modélisation du comportement de l’architecture du robot sous la sollicitation des efforts induits par l’hyperstatisme. L’enjeu est de pouvoir maîtriser le comportement et le coût de fabrication de ce type de robots au regard du gain en poids et en consommation énergétique.
Dans ce projet, nous nous mettons au défi de développer des outils utilisables dans l’industrie permettant la conception d’une OPKM amenant la maîtrise de son coût, de son comportement tout en réduisant les masses en mouvement. L’ambition est de pouvoir proposer une nouvelle architecture d’OPKM amenant à un gain de consommation énergétique tel qu’il compense son surcoût. Une telle étude n’existe pas même si les résultats des travaux autour des OPKM de type Exechon montre son intérêt pour l’usinage et le perçage de pièces de grandes dimensions.

Présentation du sujet de thèse :
Ces travaux de thèse s’intéresseront à la conception de l'architecture d'un robot parallèle hyperstatique. Des travaux seront conduits pour choisir une architecture ainsi que sur la définition et la quantification des défauts acceptables/tolérables au niveau des liaisons d’une OPKM en fonction de la qualité d’usinage requise.
L’objectif est d’introduire une nouvelle méthode de tolérancement dédiée à chaque élément d’une OPKM pour garantir son assemblage et sa précision finale. Cette méthode doit s'intégrer dans les méthodes de synthèse de mécanisme permettant le choix de l'architecture.
Actuellement, les OPKM sont réputés trop chères pour être une réelle alternative aux machines-outils pour la réduction de la consommation énergétique. La maîtrise de leur tolérancement ne peut pas se faire juste en ajoutant des jeux et suivant des approches géométriques comme cela peut être fait dans la littérature. En effet, l’ajout de jeux n’est pas possible au vu de la précision nécessaire et des efforts induits par l’hyperstatisme. Ainsi, des approches probabilistes couplées à un modèle élasto-géométrique rapide à simuler doivent être mises en place.
La méthode d’analyse des tolérances des OKPM sera adaptée en partant de celles des mécanismes hyperstatiques avec jeux. Toutefois, les défauts de chaque surface impliquée dans les différentes liaisons ne seront pas modélisés explicitement. En effet, il n’y a pas de jeux permettant d’accommoder ces défauts et l’analyse des surfaces se fait à une échelle trop petite devant celle de OKPM. Un travail sera conduit pour introduire la notion de liaisons cinématiques dans la méthode de tolérancement.
Afin de pouvoir réaliser l’ensemble des simulations nécessaire à la synthèse de tolérancement, il est nécessaire de développer un modèle élasto-géométrique dédié aux OPKM et proposant des temps de simulation réduits. Pour conduire ces travaux, nous retravaillerons le formalisme vectoriel que nous avons déjà développé pour intégrer les déformations des liaisons et des éléments de l’architecture d’une OPKM (Guyon et al., 2023). Le nouveau formalisme doit permettre d’introduire de façon exhaustive les défauts tout en maîtrisant leur nombre. Deux types de tolérancement apparaitront suivant que le paramètre géométrique soit contraint ou non par l’hyperstatisme. Les imperfections géométriques seront ainsi les défauts géométriques introduits par le formalisme. Les imperfections seront modélisées par des variables aléatoires et la simulation (par exemple de Monte Carlo) sera utilisée pour propager leurs effets au niveau de l’OKPM. Les paramètres associés aux liaisons actives seront modélisés comme des variables libres car ces derniers ne prennent pas une valeur fixe, mais ils doivent pouvoir varier sur un intervalle prédéfini. Une approche basée sur les quantificateurs ∀ et ∃ sera mise en place pour garantir le bon fonctionnement pour toutes les valeurs des paramètres libres, c’est-à-dire dans tout l’espace de travail de l’OPKM. Un travail sera conduit sur la formalisation de l’exigence qui pourra être par exemple le couple à appliquer au moteur pour réaliser un mouvement. En effet, du fait de l’hyperstatisme, un effort supplémentaire doit être appliqué pour faire évoluer la déformée de l’architecture du robot lors du mouvement. Ainsi, les tolérances mises en place seront contraintes par la nécessité d’assemblage et de non blocage du robot, et par la précision finale attendue sur le robot.
Les travaux devront permettre de proposer un modèle élasto-géométrique intégrant les défauts d’assemblage et de fabrication de l’architecture de l’OPKM. Ils s’appuieront sur une synthèse des tolérances dimensionnelles des éléments du robot en fonction de la précision attendue et de la raideur de son architecture. Ces travaux conduiront à un compromis entre la taille des intervalles des tolérances (et donc le coût) et la raideur au niveau de l’outil. Ils permettront aussi d’identifier les positions d’assemblage de l’architecture du robot.
Ces travaux permettront d’évaluer l’impact de l’architecture et de la raideur sur les intervalles de tolérance. Ainsi, nous aurons la capacité d’évaluer si les OPKM de type Exechon sont des solutions pertinentes pour l’usinage de pièces de grandes dimensions.

Références bibliographiques
Guyon, J.B., Chanal, H., Boudon, B., Blaysat, B., 2023. Geometric modeling with small defects of over-constrained Parallel Kinematic Machine. Mech. Mach. Theory 179. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2022.105120

Contexte de travail

Equipe encadrante :
Hélène Chanal (MCF-HDR), Pierre Beaurepaire (MCF), Benoit Blaysat (PU), ..
Financement :
Contrat doctoral de trois ans avec Clermont Auvergne INP, financé par l’Agence National de la Recherche (ANR)
Lieu : SIGMA Clermont – Institut Pascal
Partenaire : LS2N