Modélisation mécanique intégrant des champs répulsifs pour la génération de trajectoires 5 axes hors collision

par Virgile Lacharnay

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Christophe Tournier.

Soutenue le 21-11-2014

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Lorong.

Le jury était composé de Christian Arber, Sylvain Lavernhe.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Duc, Walter Rubio.


  • Résumé

    Le processus de réalisation des pièces de formes complexes par usinage est un processus essentiel dans les domaines de l'aéronautique, de l'automobile, des moules et des matrices. Alors que l'usinage 5 axes grande vitesse est maintenant répandu dans les grands groupes industriels, il reste plusieurs problématiques à traiter. L'évitement de collisions le long de la trajectoire outil programmée en alors traité, notamment au niveau des interférences globales représentant une collision entre l'outil et son environnement. Classiquement, l'évitement de collisions dans le domaine de l'usinage 5 axes grande vitesse peut être programmé à l'aide d'une analyse géométrique de la situation. Si une collision est détecté, alors une phase de correction et d'optimisation peuvent être utilisée afin d'obtenir une nouvelle trajectoire hors collision. Le but des travaux est alors d'utiliser une modélisation physique afin d'obtenir une trajectoire corrigée hors collision le plus lisse possible. Pour ce faire le mouvement de l'outil est alors étudié d'un point de vue dynamique afin d'éviter les réorientation brutal post correction. De plus, les éléments constituants les obstacles émettent une action répulsive à distance. Cela permet, au cours de la programmation, d'anticiper l'approche d'un obstacle et ainsi d'entamer les corrections d'orientation outil en prévision d'une possible collision. Cette démarche de modélisation du mouvement étudiée permet alors de réaliser des simulations sur des pièces classiquement usinées dans les domaines énoncés précédemment. Dans le but de généraliser la programmation réalisée, il est alors important de comprendre comment les éléments obstacles sont représentés ainsi que la modélisation retenu pour l'outil utilisé au cours de la simulation. Enfin, la résolution de la dernière problématique mise en avant au cours de cette thèse concerne les temps de calcul obtenus. Il a été montré, après de multiples simulations, que ces derniers peuvent exploser d'un point de vue combinatoire pour des utilisateurs exigeants (modélisation fine de l'outil et de l'environnement). Une méthode de pré calcul est alors présentée utilisant la voxelisation permettant de diminuer les temps de calcul de manière très importante sans pour autant perdre de manière importante sur la solution obtenue. Le dernier objectif présenté est de proposer une approximation permettant de diminuer nettement les temps de calcul tout en conservant une assurance de non-collision. Cette méthode notée voxelisation consiste en utilisant une interpolation à diminuer le temps de calcul. L’important est alors de comprendre quels inconvénients se rattachent à la voxelisation et à partir de quand cette dernière apporte un résultat acceptable

  • Titre traduit

    A potential field approach for collision avoidance in 5-axis milling


  • Résumé

    Although 5-axis free form surfaces machining is commonly proposed in CAD/CAM software, several issues still need to be addressed and especially collision avoidance between the tool and the part. Indeed, advanced user skills are often required to define smooth tool axis orientations along the tool path in high speed machining. In the literature, the problem of collision avoidance is mainly treated as an iterative process based on local and geometrical collision tests. In this paper, an innovative method based on potential fields is used to generate 5-axis collision-free smooth tool paths. In the proposed approach, The ball-end tool is considered as a rigid body moving in 3D space on which repulsive force, deriving from a scalar potential field attached to the check surfaces, and attractive forces are acting. The resolution of the differential equations of the tool motion ensure smooth variations of the tool axis orientation. The proposed algorithm is applied on open pocket parts such as an impeller and a pocket corner to emphasize the effectiveness of this method to avoid collision. After that, it is possible to see that de calculation time can be very importante for a delicate mesh. It is for that, a voxelisation method is developed to decrease these.


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