Caractérisation des usinages robotisés : Application aux processus de transformation du matériau bois

Characterization of robotic machining : Application to wood material transformation processes

• Auteur / Autrice : Oussama Ayari
• Direction : Pierre-Jean Meausoone, Anis Bouali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 22/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Marchal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Meausoone, Anis Bouali, Florent Eyma, Sébastien Garnier, Anélie Pétrissans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florent Eyma, Sébastien Garnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Coupe

Travail du bois

Robots industriels

Mots clés libres

Robot

Usinage du bois

Efforts de coupe

Robot

Wood machining

Cutting forces

Résumé

De nos jours, la robotisation de l’usinage du bois par enlèvement de matière reste une tâche compliquée et peu répandue. Cela revient également aux contraintes non négligeables auxquelles est soumise l’utilisation d’un robot industriels (dit aussi anthropomorphe ou polyarticulé). Celles-ci concernent en particulier les opérations qui demandent une grande précision et une certaine agilité. En effet, les efforts exercés sur les articulations du robot et sur l’outillage se heurtent à une rigidité naturelle insuffisante des robots polyarticulés. Ce qui fait perdre la machine ses performances en termes de rendement et efficacité et dégrade la qualité de l’usinage. De plus, les propriétés variables du matériau bois ne fait pas du robot polyarticulé le candidat idéal pour des procédés d’usinage par enlèvement de matière. Pour répondre à cette problématique nous cherchons, à travers cette thèse, à améliorer l’usinage du bois robotisé en prenant en compte les difficultés technologique majeures : Rigidité naturelle, Qualité dimensionnelle d’usinage et efforts de coupe et interaction entre eux. Ainsi les difficultés liées à l’anatomie du bois : Hétérogénéité, anisotropie, texture fibreuse et les singularités. Pour solutionner cette problématique nous avons utilisé une machine-outil à commande numérique (CNC) et un robot anthropomorphes ®Kuka équipé d’un moteur d’usinage à grande vitesse. Nous avons instrumenté notre banc expérimental par une chaine de mesure d’effort et une table à mesurer numérique pour quantifier les erreurs dimensionnelles des profils usinés. Trois matériaux du bois sont usinés : Feuillu (Hêtre), résineux (Sapin) et bois dérivé (MDF). Les résultats obtenus démontrent qu’il existe une relation de proportionnalité directe entre les efforts de coupe et la dégradation de la qualité dimensionnelle, et cela indépendamment de la machine utilisée. Plus les forces appliquées pour enlever la matière sont élevées, plus les performances de suivi de trajectoire de l’effecteur diminuent. En termes de stabilité du système, les mesures ont révélé que plus l’outil usine loin de la base du robot, plus les efforts de coupe fluctuent et plus la qualité dimensionnelle se dégrade. Ceci s’accentue lorsque l’hétérogénéité et la densité du matériau sont élevées. Par conséquent, le robot est moins stable et ses performances en terme de répétabilité en production série se dégradent. Les fluctuations des efforts et la dégradation de la qualité dimensionnelle s’intensifient en changeant le mode de coupe. Les efforts de coupe se multiplient par 8 lorsque l’outil usine perpendiculairement aux fils du bois. Le cas des singularités liées au matériau est abordé. En effet, les mesures dévoilent un saut rapide et brusque des efforts qui se multiplie par 3 lorsque l’arête coupante traverse un nœud. Ceci engendre, par conséquent, des éclats et des fissures au niveau de la matière et dégrade l’orthogonalité de la coupe. La variation des vitesses d’avance du robot de 4m/min à 9m/min en usinage du hêtre a abouti à un endommagement au niveau de la surface usinée sous la forme d’ondulations et d’éclats de matière dues aux déviations de la trajectoire d’outil. Les mêmes expériences de variation des vitesses d’avance du robot sont réalisées sur d’autres essences comme le mélèze (résineux) et le chêne (feuillu) pour étudier la qualité d’usinage. Les résultats trouvés sont similaires à ceux obtenus précédemment (des éclats de matière, des déviations de trajectoire d’outil et des fissures).

Nowadays, the robotization of wood machining remains a complicated and uncommon task. This is also due to the significant constraints to which the use of an industrial robot (also known as anthropomorphic or polyarticulated) is subject. These particularly concern operations that require a high degree of precision and agility. Indeed, the forces exerted on the robot's articulations and on the tooling come up against the insufficient natural rigidity of polyarticulated robots. This causes the machine to lose its performance in terms of output and efficiency and degrades the quality of machining. In addition, the variable properties of the wood material do not make the polyarticulated robot the ideal candidate for material removal machining processes. In order to answer this problem, we seek, through this thesis, to improve the machining of robotized wood by taking into account the major technological difficulties: natural rigidity, dimensional quality of machining and cutting forces and interaction between them. Thus the difficulties related to the wood anatomy: Heterogeneity, anisotropy, fibrous texture and singularities. To solve this problem we used a numerically controlled (CNC) machine tool and an anthropomorphic ®Kuka robot equipped with a high-speed machining engine. We instrumented our experimental bench with a force measuring chain and a digital measuring table to quantify the dimensional errors of the machined profiles. Three wood materials are machined: Hardwood (Beech), softwood (Fir) and derived timber (MDF). The results obtained show that there is a direct proportional relationship between cutting forces and degradation of dimensional quality, regardless of the machine used. The higher the forces applied to remove the material, the more the tracking performance of the end effector decreases. In terms of system stability, measurements have shown that the farther the tool works from the robot base, the more the cutting forces fluctuate and the more the dimensional quality deteriorates. This becomes more pronounced when material heterogeneity and density are high. As a result, the robot is less stable and its performance in terms of repeatability in series production degrades. Fluctuations in stress and degradation of dimensional quality are intensified by changing the cutting mode. Cutting forces increase by a factor of 8 when the tool works perpendicular to the wood grain.The case of material-related peculiarities is discussed. Indeed, measurements show a rapid and sudden jump in forces which multiplies by 3 when the cutting edge passes through a knot. This leads to splinters and cracks in the material and degrades the orthogonality of the cut. The variation of the robot feed rates from 4m/min to 9m/min in beech machining resulted in damage to the machined surface in the form of material ripples and splinters due to deviations in the tool path. The same experiments on the variation of the robot feed rates are carried out on other species such as larch (softwood) and oak (hardwood) to study the machining quality. The results found are similar to those obtained previously (material splinters, tool path deviations and cracks).