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Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 1 1. INTROD

Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 1 1. INTRODUCTION Sans remonter aux premiers concepts de machine remplaçant l’homme dès le XVIIe siècle, la robotique est née dans les années 1950, du croisement des besoins et des disponibilités de nouvelles technologies développées durant la seconde guerre mondiale : l’électronique, l’automatique, l’informatique… Les deux premières orientations de ces machines étaient de répondre aux besoins de l’industrie manufacturière et aux besoins de l’industrie en milieux hostiles à l’homme [1]. Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont généralement dangereuses, pénibles, répétitives ou impossibles pour les humains, soit des tâches plus simples mais en les réalisant mieux que ce que ferait un être humain. le terme robot apparaît pour la première fois dans la pièce de théâtre (science-fiction) de l'auteur Karel Čapek : R. U. R. (Rossum's Universal Robots). Le mot a été créé par son frère Josef à partir du mot tchèque « robota » qui signifie « travail, besogne, corvée » [2]. Les progrès en sciences cognitives et ceux réalisés dans la compréhension du vivant, ouvrent également la porte à de nouvelles avancées sur les capacités d’apprentissage et d’intelligence d’entités artificielles, matérielles et à leur introduction dans des environnements en forte interaction avec l’homme. Ces applications de la robotique de service sont très larges car elles peuvent couvrir des domaines très variés du monde professionnel (agriculture, médical, nettoyage…) et du monde grand public (jeux, éducation, tâches domestiques…). Dans ce chapitre nous allons définir dans un premier temps les différents types de robots industriels, à savoir les robots sériels et les robots parallèles, les avantages et les inconvénients seront aussi exposés [3]. Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 2 2. Les différents types de robotique En utilisant plusieurs types des robots voir (figure I.1) figure I.1 : Les différents types des robots [4] Robots mobiles : Robots capables de se déplacer dans un environnement. Ils sont équipés ou non de manipulateurs suivant leur utilisation. Robots domestiques : Robots utilisés pour des tâches ménagères, par exemple en vaisselle, en repassage, en nettoyage. Robots collaboratifs : Hommes et robots travaillent ensemble, les robots permettant de diminuer la pénibilité des manipulations manuelles, des efforts ou des mouvements réalisés par l’opérateur. Humanoïdes: Le terme humanoïde signifie « ressemblant à l'humain ». Il évoque la bipédie, la présence de deux bras et d'une tête. Robots industriels: Le robot industriel est officiellement défini comme un contrôle automatique, reprogrammable, polyvalent, manipulateur programmable dans trois ou plusieurs axes. Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 3 3. Robot industriel 3.1. Définition de robot industriel Un robot manipulateur, quelle que soit la fonction qui lui est attribuée, est un mécanisme capable de déplacer et de situer un objet appelé « organe terminal » ou « point outil » dans une partie de l’espace appeler « volume de travail ». Afin de différencier les robots que nous allons étudier des manipulateurs simples dont les mouvements sont déterminés par des butées rigides, nous parlerons de « robot industriel » dont la définition générale est donnée ci-dessous. « Un robot industriel est un manipulateur à plusieurs degrés de liberté contrôlé automatiquement, reprogrammable et multitâche qui peut être fixe ou mobile pour une application en automatisation industrielle » [3] 3.2. Les Différentes Architectures Des robots [5] La variété des domaines d’application des robots industriels a permis d’innover au niveau de l’architecture des robots afin d’en optimiser le fonctionnement. Les principales architectures existantes sont : l’architecture sérielle, parallèle et hybride (Figure I.1). (a) (b) (c) Figure I.1. Principales architectures des robots industriels: (a) Robot KUKA à architecture sérielle (b) Cosmo Center PM-600 à architecture parallèle (c) Robot ABB à architecture hybride. [5] Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 4 3.2.1. Architecture parallèle Les robots à structure parallèle sont composés d’une chaine cinématique fermée. La base du robot est reliée à l’organe terminal par un ensemble de chaines sérielles élémentaires appelées "jambes". Typiquement, le nombre des jambes est égal au nombre des degrés de liberté du robot et chaque jambe est contrôlée par un actionneur [6]. Ce type de robot est utilisé généralement pour des applications de simulateur de vol [7], de déplacement d’objet ("Pick and Place") [8], ou dans des cellules d’usinage [9]. 3.2.2. Architecture sérielle L’organe terminal du robot est relié à la base par une seule chaine cinématique ouverte [10]. La structure du robot est composée d’un ensemble de corps rigides connectés successivement entre eux par différentes liaisons, généralement des liaisons prismatiques et/ou rotoïdes. Ces liaisons sont souvent motorisées permettant de commander chaque corps séparément, ce qui offre une multitude de configurations. Les robots industriels ayant ce type d’architecture sont les plus utilisés dans l’industrie (environ 67 % du marché en 2009, selon l’étude de World Robotics 2010 [11]). Figure I.2 : Principales classes d’architectures de robots : sérielle (a) et parallèle (b) [5] Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 5 3.2.3. Architecture hybride Architectures hybrides La définition exacte d’un mécanisme hybride n’est pas stricte. Un mécanisme qui n’est ni pleinement parallèle (le nombre de chaînes n’est pas strictement égal au nombre de degrés de liberté de l’organe terminal) ni pleinement sériel (la chaîne cinématique n’est pas simple et ouverte) pourrait être qualifié d’hybride. Nous en avons ainsi trouvé différentes approches. Une première définit les architectures hybrides comme celles vérifiant au moins l’un des points suivants : * Seul un sous-ensemble de l’architecture est parallèle, * Les jambes de l’architecture comportent plusieurs actionneurs en série, * L’architecture comporte une chaîne passive. [12] Figure I.3 : Architecture hybride [2] Le tableau I.1 présente les avantages et les inconvénients des deux premiers types d’architecture. L’architecture hybride n’apparait pas dans ce tableau étant donné qu’il existe plusieurs types de mécanismes, comme souligné par Krut [13] :*Les mécanismes à porteur parallèle et poignet série.* Les mécanismes à porteur série et poignet parallèle.* Les autres mécanismes hybrides Tableau I.1 Tableau comparatif entre l’architecture sérielle et l’architecture parallèle. [13] Architecture Sérielle Parallèle Espace de travail ++ - Rigidité - ++ Inertie ++ - Rapport charge utile/poids - ++ Rapport espace de travail / dimensions ++ - Précision - ++ Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 6 L’architecture hybride représente un compromis entre les avantages et les inconvénients des mécanismes sériels et parallèles pour les applications d’usinage. En effet, la sous-structure parallèle améliore la rigidité du robot et le mécanisme à poignet sériel permet d’obtenir un volume de travail supérieur aux architectures parallèles, notamment en orientation. Cette bonne capacité spatiale permet d’avoir plus d’accessibilité aux formes complexes, plus de choix au niveau des configurations et de l’orientation de l’outil, avec une possibilité de travailler sur plusieurs postes. [5] 3.3. Types de chaînes de la structure mécanique articulée SMA [14] On distingue trois types des chaînes (figure I.4) : - Chaînes ouvertes simples(A) (aucun retour mécanique d’un segment à un autre dans la chaîne). - Chaînes arborescentes(B) (il existe plusieurs organes terminales qui agissent en parallèle) - Chaînes fermées(C) (il existe un retour mécanique d’un ou plusieurs segments à un autre dans la chaîne). (A) (B) (C) Figure I.4 Types des chaînes [14] Chapitre I Les robots industriels et cellules robotisées d’usinages 7 3.4. Les applications Voici quelques applications types. Cette liste n’est évidemment pas exhaustive, la robotique ayant un champ d’application dont les seules limites sont l’imagination…. Et la rentabilité [15]. 3.4.1. Soudage à l’arc [15] Le soudage à l’arc est une des applications robotisées les plus répandues. Le gain de productivité est très important, de deux à cinq fois plus que pour les opérations de soudage manuel. Les autres avantages de la robotisation des opérations de soudage à l’arc résident dans la suppression de tâches pénibles et dangereuses pour la santé du fait de la nocivité des fumées ou de la difficulté à manipuler des pièces de dimensions importantes. La robotisation permet également de faire face au manque de main-d’œuvre qualifiée dans ce domaine. Le procédé MIG/MAG est le plus souvent robotisé (85 % des applications) mais le soudage TIG avec ou sans métal se développe de plus en plus. Les robots de soudage à l’arc sont principalement présents dans l’industrie automobile (majoritairement chez les équipementiers) dans les secteurs du machinisme agricole, du mobilier métallique, des équipements du bâtiment et des travaux publics, de la chaudronnerie et de la sous-traitance en mécano-soudure. Les équipements robotisés vont des cellules simples et compactes destinées à des pièces de petits volumes, jusqu’aux applications dédiées dans lesquelles le robot pilote également plusieurs axes supplémentaires de déplacement ou de rotation des pièces à souder. Les configurations comptent au minimum deux postes de travail permettant à l’opérateur de réaliser en temps masqué les opérations de manutention des pièces à souder. Le robot pilote un équipement de soudage dédié aux applications robotisées (générateur, dévidoir, torche) et l’installation doit impérativement comporter des protections contre le rayonnement de l’arc et un système de captation des fumées. En plus de la répétabilité des trajectoires, uploads/Industriel/ chapitre-i 6 .pdf