Optimisation de trajectoires d’outil pour l’usinage de surfaces gauches

Toolpath optimization for free-form surfaces machining

• Auteur / Autrice : Mahfoud Herraz
• Direction : Marcel Mongeau, Jean-Max Redonnet, Mohammed Sbihi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 29/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse ; 1968-....) - Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Walter Rubio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcel Mongeau, Jean-Max Redonnet, Mohammed Sbihi, Walter Rubio, Pascal Mognol, Sébastien Le Digabel, Delphine Sinoquet, Cyril Bordreuil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Mognol, Sébastien Le Digabel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse en composantes principales

Surfaces gauches

Machines-outils -- Commande numérique

Mots clés libres

Surfaces gauches

Usinage en bout

Outil torique

Partitionnement

Lassification non-supervisée

Analyse en composantes principales

Optimisation boite noire sans dérivées

Modèles de substitution

Free-form surfaces

End-milling

Oroidal cutter

Clustering

Unsupervised classification

Principal components analysis

Blackbox and derivative-free optimization

Surrogate models

Résumé

Cette thèse a pour objet la définition de méthodes efficaces pour l’optimisation du temps d’usinage en bout et par zones des surfaces gauches sur les machines 3-axes et 3+2-axes, sous contrainte de qualité (hauteur de crête maximale) en utilisant la stratégie plans parallèles. Le premier chapitre présente les prérequis à savoir sur le problème d’usinage, ainsi que les notions de bases nécessaires à la compréhension de la suite de ce travail. Le second chapitre est consacré à une nouvelle méthodologie d’approximation des surfaces gauches par des plans, à l’aide de l’Analyse en Composantes Principales (ACP). Dans le troisième chapitre , le partitionnement des surfaces gauches est traité. Une nouvelle métrique est intro-duite permettant prendre en compte le comportement cinématique de la machine, de plus différents algorithmes de partitionnement sont testés et comparés. Dans le dernier chapitre, l’usinage de surfaces gauches est formulé comme un problème d’optimisation où on cherche à minimiser le temps d’usinage sous contrainte de hauteur de crête. Une formulation originale intégrant les étapes de partitionnement et d’usinage est proposée. Le problème d’optimisation ainsi obtenu est de type boite noire et résolu par le logiciel NOMAD. Une approche heuristique combinant ACP et optimisation est également proposée. Cette approche permet d’obtenir des gains considérables par rapport aux résultats que nous avons obtenus jusqu’ici etceux de la littérature.

The objective of this thesis is to define efficient methods for optimization of free-form surfaces machining time. Specifically, 3-axis and 3+2-axis by zone end-milling, using parallel-planes strategy are considered under quality constraints (maximum scallop height). The first chapter presents the prerequisites to know about the machining problem, as well as the basic notions necessary to understand the rest of this work.The second chapter is devoted to a new methodology of approximation of free-form surfaces by planes, using Principal Component Analysis (PCA). In the third chapter, the clustering of free-form surfaces is treated. A new metric is introduced to take into account the kinematic behavior of the machine, also, different clustering algorithms are tested and compared. In the last chapter, the machining of free-form surfaces is formulated as an optimization problem where we seek to minimize the machining time under the scallop height constraint. An original formulation integrating the clustering and machining steps is proposed. The resulting optimization problem is a black-box problem solved by the NOMAD software. A heuristic approach combining PCA and optimization is also proposed, this approach allows to obtainconsiderable gains compared to the results we have obtained so far and those from the literature