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LES ROBOTS PLUS UTILES QUE JAMAIS

Mirel Scherer

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LES ROBOTS
PLUS UTILES QUE JAMAIS

Fanuc Robotics a développé la solution Arc Mate destinée aux applications de soudage à l'arc. Ici le modèle ARC Mate 100c.

© D.R.

Moins chers et plus faciles à mettre en oeuvre, ils trouvent leur place partout. Pour assister les machines-outils, pour assembler, pour souder, pour peindre... Même dans les PME.

Nécessité fait loi... Quand la situation économique et les performances technologiques se rencontrent, la question du choix ne se pose plus. C'est le cas avec les robots, de plus en plus présents dans les entreprises, surtout les PME. Les raisons qui rendent le robot incontournable sont en effet multiples : manque chronique d'opérateurs aguerris, objectifs drastiques de réduction des coûts, impératifs de qualité... Et surtout « un seul jour suffit désormais pour la mise en oeuvre d'un robot, alors qu'il fallait autrefois deux semaines », souligne Constant Bernard, le directeur du développement des marques chez Actemium.

Nos voisins italiens ou allemands ont bien compris les avantages de cette solution. Leurs entreprises, PME en tête, ont pris une bonne longueur d'avance dans l'utili-sation de robots. Les construc-teurs de robots, quant à eux, s'efforcent de proposer une palette de solutions qui s'adaptent aux différents cas d'application. Chargement de machine, packaging, usinage... le robot sait désormais presque tout faire.

1. Pour assister les machines-outils

Un rapide passage aux salons Industrie 2008 de Paris et Metav 2008 de Düsseldorf (Allemagne) suffisait à démontrer que l'intégration du robot pour assurer des opérations de chargement/ déchargement se généralise.

Le numéro 1 mondial de la machine-outil, Mazak, et celui de la robotique, Fanuc Robotics, ont profité du salon français pour dévoiler une cellule robotisée facile à mettre en oeuvre. Cette installation plug and play comporte une machine multifonction Integrex de Mazak que dessert un robot polyarticulé Fanuc M-710iC/50. « Destinée aux ateliers de mécanique qui veulent améliorer leur taux de rendement synthétique (TRS), cette cellule peut travailler sans surveillance », explique Florence Bertaux, la responsable développement et marketing de Fanuc Robotics France. En fait, les robots du constructeur japonais savent tout faire : prise et dépose rapide, soudure de précision à grande vitesse, manipulation, usinage avec simulation du fraisage, peinture, traitement de surface...

Toutefois, le robot seul ne peut pas grand chose, comme l'explique Jean-Paul Bugaud, le directeur général du Symop (lire p.47). Message entendu par les constructeurs de robots ABB, Kuka, Stäubli ou Fanuc. Ce dernier propose un environnement très riche qui accompagne ses installations robotisées : logiciels, systè- mes de vision, produits PC associés, la panoplie comporte des solutions telles qu'IR Vision Fanuc, visual line tracking, simulation robotique Roboguide... Des outils qui facilitent la prise de produits à la volée et à grande vitesse et les applications de chargement/déchargement avec prise de pièces en semi-vrac.

Bien sûr, les applications de chargement/déchargement de machine-outil ne sont pas nouvelles. Cependant, non seulement elles se généralisent, mais les constructeurs proposent désormais des installations "catalogue". Le robot était ainsi omniprésent au salon Metav 2008 de Düsseldorf, avec ce même principe du plug and play : les solutions d'automatisme peuvent être choisies sur catalogue et pour un prix global. Exemple : Röders, dont les fraiseuses UGV (usinage à grande vitesse) peuvent être accompagnées, au choix, d'un magasin automatique ou d'un robot ; ou DMG, qui propose désormais plusieurs solutions standards. Comme le centre d'usinage DMU 40 monoBlock, une machine vendue avec le système d'automatisation PH 5020 qui comporte un magasin de palettes de vingt places et un robot Kuka 6 axes pour assurer leur chargement/déchargement. Plusieurs solutions d'automatisme sont disponibles au catalogue DMG à partir de 44 900 euros !

Même approche pour Haas. Il propose un centre d'usinage doté d'un robot Kuka qui assure même l'ouverture et la fermeture de la porte de la machine. Wirth et Gruffat adopte, lui aussi, pour sa machine transfert rotative Transturn 312, un robot de manipulation. Installée à dix exemplaires chez Bosch en Allemagne pour la réalisation des culasses de pompes à haute pression destinées aux systèmes d'injection diesel, cette solution a réduit le temps d'usinage de 2 minutes à 25 secondes par pièce. La production a augmenté pour atteindre 3 000 pièces par jour. Comment ? L'usinage se fait en cycle double. Les culasses sont usinées simultanément sur les faces avant et arrière sur deux fois six stations de travail à l'aide d'une station de retournement robotisée.

Le constructeur allemand Reis propose, pour sa part, un concept original : la cinématique hybride à 6 axes, qui allie les avantages des robots linéaires à ceux des robots sphériques. Cette construction offre une enveloppe de travail cylindrique, parallèle à l'installation. Le robot surplombe la machine et procède au chargement ou au déchargement des pièces par le côté. « La flexibilité de la cinématique sphérique à 6 axes permet des mouvements complexes, sans qu'il soit néces- saire d'équiper le poignet de modules de rotation ou de basculement supplémentaires », explique Patrice Robinot, le directeur commercial de Reis France. Il précise que « ce concept est particuliè-rement bien adapté à des cellules de faible encombrement ». Le montage suspendu des robots ainsi que leur faible hauteur permettent une utilisation dans des halls de production à plafond bas. Il est par ailleurs possible d'équiper la machine sur ses côtés de composants ou de stations de transformation et d'assemblage complémentaires. L'axe linéaire, d'une course standard de 1,5 m, peut être allongé, en option, jusqu'à 40 m. Cette conception autorise la réalisation d'une succession d'opérations telles que l'usinage, le montage, la palettisation ou l'emballage pendant le cycle de travail. Et cela, dans l'enceinte même de la cellule.

2. Pour les opérations d'assemblage

Plus sophistiquées que le chargement de machines, les applications d'assemblage nécessitent des robots adaptés. Les utilisateurs peuvent ainsi faire appel au robot UPJ3D de Motoman qui dispose de... deux bras. Destiné aux applications de montage, pour lesquelles deux "mains" sont nécessaires, il peut transférer différentes pièces et modules entre les deux bras. Les processus d'assemblage, dans lesquels les deux pièces à assembler doivent être déplacées l'une vers l'autre, peuvent être réalisés de manière simple. Bien évidemment, les deux bras peuvent ensemble soulever et déplacer une charge. Les deux bras à 5 axes déplacent respectivement 9 kg de charge et le robot est monté sur un axe de déplacement linéaire supplémentaire.

Ce système innovant est devenu possible grâce à la mise au point d'une armoire de commande très puissante, la NX 100, qui dirige jusqu'à quatre robots simultanément, soit 36 axes au total. Dans le cas du robot à deux bras, elle est installée dans le pied du robot et pilote 12 axes. Il s'agit d'une commande numérique qui assure des fonctions évoluées comme le calcul dynamique du couple et de la charge transportée. L'utilisateur peut ainsi affiner en permanence les différents mouvements du robot et sa vitesse, contrôler les vibrations, détecter les collisions. Dotée d'une carte Ethernet et d'une option Internet, la commande se relie facilement aux différents bus de terrain existants sur le marché.

3. Pour la manutention de fortes charges

Kuka bat tous les records de charge soulevée avec un robot qui mériterait de s'appeler...Hercule. Capable de manipuler jusqu'à 1 000 kg, le KR 1000 est destiné aussi bien aux usines qui fabriquent des matériaux de construction qu'aux constructeurs d'automobiles. « Ce robot 6 axes peut, par exemple, déplacer tout seul une carrosserie de voiture complète », confirme Jean-François Germain, le directeur commercial de Kuka France. Pour effectuer une telle opération, les utilisateurs ont actuellement besoin d'au moins deux robots ou ont recours à des cinématiques spéciales et complexes, ce qui coûte évidemment plus cher. Dans le secteur des matériaux de construction, ce titan peut manipuler des segments d'escalier en béton et remplacer ainsi une grue. Le groupe Plattard, spécialisé dans la production de produits pour le bâtiment, les routes, etc., vient ainsi de s'équiper avec deux robots de ce type pour assurer la manutention des blocs de béton.

Précisons, pour les amateurs de chiffres, que ce robot mesure plus de 4 m de haut en position étirée. Son rayon d'action dépasse 3,2 m horizontalement et 5 m verticalement. Et dans les 78 m3 de son volume de travail, lancé à pleine vitesse, il arrête ses 1 000 kg de charge à ± 0,2 mm de sa cible ! Le secret : une mécanique optimisée par la méthode des éléments finis et d'une double motorisation sur les axes majeurs. Les neuf moteurs montés sur la mécanique fournissent ensemble la puissance d'un véhicule de taille moyenne. Ce robot dispose d'un couple de rotation statique de 60 000 Nm. Le KR 1000 offre un rapport poids/charge de moins de 5. Il peut être transporté dans les conteneurs standard et s'installe sans peine dans des halls industriels classiques.

4. Pour usiner moins cher

L'usinage continue à faire l'objet de développements intéressants chez la plupart de constructeurs. Comau (champion lui aussi du poids avec un robot qui manipule 800 kg) propose une installation de robotique coopérative : deux robots travaillent en synergie avec un système automatisé d'ébavurage. L'installation comporte quatre bras et 40 axes et est dotée d'une console de programmation sans fil connectable jusqu'à 100 m distance. Le constructeur italien offre aussi une cellule de fraisage et d'ébavurage de pièces de fonderie en aluminium, développée en collaboration avec Evolut.

Reis possède aussi une installation d'ébavurage dotée de plusieurs outils différents.

Kuka étudie, lui, depuis une dizaine d'années, ces procédés. L'objectif n'est évidemment pas de rivaliser avec les machines-outils 5 axes, mais d'ouvrir de nouveaux marchés et de permettre une automatisation là où le 5-axes n'est pas rentable. Et, de fait, ce robot est plus de 50 % moins cher que la machine-outil. « La qualité principale du robot reste la flexibilité. Il peut être utilisé pour réaliser des prototypes, des pièces unitaires ou des petites séries. En revanche, il n'est pas encore aussi rapide qu'une machine-outil », précise Jean-François Germain, de Kuka. Le robot peut usiner les matériaux plastiques, des matériaux tendres, la pierre et le verre, et c'est en travaillant l'aluminium et les composites que la concurrence avec la machine-outil s'est révélée. Le travail de l'acier reste encore au niveau des laboratoires, mais, selon Kuka, « les résultats sont prometteurs ».

Quatre robots de la gamme Kuka assurent l'usinage, avec dans l'ordre de croissance de l'effort assuré : les KR60HA, KR100HA, KR240 ABS, KR500 MT. Équipés de réducteurs spéciaux (moins souples), de motorisations plus puissantes, ils ont été mesurés individuellement après assemblage pour assurer une meilleure précision absolue. « Suivant les applications et les matériaux, il est difficile de descendre en dessous de 0,5 mm de précision, mais on est toujours à moins de 1 mm de précision absolue », affirme Jean-François Germain, de Kuka.

Autre argument déterminant en faveur du robot, le volume de travail, déjà plus important que sur une machine-outil, peut être multiplié à l'envi en positionnant le robot sur un rail linéaire. Kuka fournit également la table d'usinage et la broche. Le refroidissement et l'alimentation de la broche en puissance sont intégrés dans l'armoire de commande du robot. Le raccordement en fluides de la broche est également fourni. Un râtelier de support d'outils (16 au maximum, gérés par le logiciel) est proposé en option. En revanche, en général, l'outil coupant est choisi par le client, en fonction de ses habitudes et de son expérience.

Le constructeur allemand propose enfin le système CAMRob qui génère automatiquement le programme du robot. Les développements se poursuivent aujourd'hui sur deux pistes : l'usinage de l'acier, où la faisabilité est acquise, mais où il faut optimiser les performances (les débouchés n'étant pas certains) et le soudage par friction (ou FSW, Friction Stir Welding) qui est un procédé de soudage dont les contraintes sont voisines de celles de l'usinage. La demande, notamment dans le secteur aéronautique, est très importante.

L'usinage fait également partie de l'offre ABB qui propose plusieurs cellules d'usinage. Baptisées Flex Finishing Cell, ces solutions clés en main comportent un robot IRB 140F (doté d'une broche de 3,3 kW et 50 000 tr/min), un magasin de cinq outils et des logiciels de contrôle RobotWare. Il s'agit du logiciel FC Pressure qui maintient une pression constante entre l'outil et la surface à usiner et FC SpeedChange qui adapte la vitesse d'usinage au type d'opération effectuée. Avantages pour l'utilisateur : amélioration de la qualité des opérations de finition, réduction du temps de programmation d'environ 90 %, des opérations d'ébavurage 20 % plus rapides, une prolongation de la vie des outils de l'ordre de 20 %... La cellule peut traiter des pièces en acier, en Inox, en aluminium ou en magnésium, en bois, en plastique ou en verre.

ABB propose également un système d'autoapprentis- sage de la trajectoire par le robot distingué par le tro-phée robotique industrielle du salon Industrie 2008. L'opérateur n'a qu'à bouger le robot à la main pour lui apprendre les points caractéristiques de sa trajectoire ; le dispositif génère alors automatiquement la trajectoire finale sans aucune intervention humaine. À la clé, un gain de 50 à 80 % du temps de programmation sur une pièce complexe. Un des projets les plus innovants dans le domaine de l'usinage robotisé est sans doute celui initié depuis plusieurs mois par le Centre technique des industries mécaniques (Cetim). Stäubli participe à ce développement avec son robot RX170 HP qui intègre directement dans l'avant-bras une électrobroche Fisher (vitesse de rotation 42 000 tr/min, puissance 17 kW). Une adaptation permettant d'améliorer considérablement la rigidité. De plus, le harnais comprenant l'alimentation, le refroidissement et la lubrification de l'unité passe complètement à l'intérieur du bras, sans aucun conduit extérieur. Le robot est également pressurisé, pour pouvoir faire face à des conditions difficiles.

Conçue par Segula, la cellule très rigide dans laquelle est installé ce robot, réduit les vibrations avec son bâti usiné, soudé et rempli de sable. L'éditeur de logiciels Delcam participe à ce projet et assure la génération de la trajectoire du bras en cinq axes, tandis qu'Alma convertit en langage robotique les fichiers FAO (fabrication assistée par ordinateur) et les simule afin de valider les parcours. « L'objectif visé est de se rapprocher du ± 0,04 mm de précision de répétabilité du robot RX170 HP standard », explique Jacques Dupenloup, responsable technico-commercial chez Stäubli. Un défi à relever au cours des deux ans de tests qui se dérouleront au Cetim à Senlis (Oise). On peut envisager la réalisation de différentes opérations d'usinage (contournage, détourage, usinage de cordon de soudure, prototypage, polissage, perçage, taraudage...).

Lancé à Industrie 2008, le robot d'usinage de Stäubli fait d'ores et déjà l'objet d'un intérêt particulier et trouvera sa place dans de nombreux secteurs d'activité : industrie automobile, horlogerie, usinage du verre, du bois, mais aussi dans le nucléaire (pour les opérations de maintenance), l'aéronautique ou le ferroviaire.

5. Pour les applications de manipulation ultrarapide

Comme celles de la mécanique, les industries de l'emballage, de la pharmacie et de l'agroalimentaire sont à la recherche de solutions qui améliorent la productivité. Et le robot peut les aider à la trouver.

Un des derniers-nés dans la gamme de Fanuc, le robot M-430iA/2F destiné aux applications de picking dans l'agroalimentaire, offre le rayon d'action et la flexibilité nécessaires aux différentes manipulations des produits de ce type. La conception anthropomorphe du bras assure une grande enveloppe de travail et lui permet de tourner rapidement ou de se renverser sur lui-même, pour couvrir, si nécessaire, une surface atteignant plus de 1,8 m de diamètre.

Deux moteurs fiables et à grande vitesse sont montés sur chacun des principaux axes (axes 1, 2 et 3). Ils utilisent la fonction "tandem drive" qui autorise des vitesses très élevées. Le nouveau robot réalise ainsi 120 cycles par minute, avec une charge embarquée de 1 kg, et 100 cycles par minute avec une charge de 2 kg (résultats constatés dans des essais industriels où le bras se déplace de 25 mm verticalement, de 300 mm horizontalement, puis de 25 mm vers le bas).

Les configurations delta se multiplient par ailleurs dans les applications destinées à l'emballage ou à l'agroalimentaire. Après ABB, c'est au tour d'Adept de proposer une telle solution. Réputé pour ses robots véloces de type Scara, ce dernier a mis au point un robot delta ultrarapide. Baptisé Quattro, le système conçu par le constructeur de robots américain possède une structure brevetée à 4 axes au lieu de 3 habituellement utilisés par les configurations delta classiques. Il autorise des vitesses de 10 m/s et des accélérations atteignant 15 g, ce qui fait de lui, selon Adept, le plus rapide de tous les robots commercialisés. Ces performances autorisent des temps de cycle compris entre 0,26 et 0,50 seconde en fonction de la charge transportée, qui peut aller jusqu'à 2 kg.

Comparée aux solutions automatisées de pick and place existantes sur le marché, celle mise au point par les ingénieurs d'Adept est la seule capable de porter de telles charges à des vitesses et des accélérations très importantes. La précision de positionnement du robot est de ± 0,1 mm et celle, angulaire, des axes rotatifs de ± 0,4 mm. L'enveloppe de travail de ce robot est de 1 300 mm (le diamètre du cylindre couvert par le robot) avec un axe Z de 500 mm.

Le robot peut être accompagné, si l'application l'exige, du logiciel de vision assistée par ordinateur et du système de contrôle adaptés aux applications d'emballage à grande vitesse. Baptisé AdeptVision sAVI, le système de guidage proposé par le constructeur s'adapte à toutes les caméras du marché. Le contrôle du robot est effectué par le système SmartController CX qui est configuré sur une architecture de commande distribuée maison qui, selon les spécialistes d'Adept, améliore les performances de traitement de 30 %.

Côté programmation, Rockwell Automation propose dans sa solution de contrôle intégré Logix, la prise en compte de géométries robotiques Delta comme celle d'Adept ou d'ABB. Leur avantage est d'autoriser le déplacement au-dessus des convoyeurs et l'emplacement des moteurs ne requiert pas de câbles flexibles.

6. Pour doper la vitesse et la flexibilité du soudage

Le soudage est l'une des applications qui sont en ligne de mire de nombreux constructeurs, comme Reis, dont c'est l'une des grandes spécialités, ou Fanuc. Ce dernier propose une solution intéressante, l'Arc Mate 100iC. Doté d'un bras creux, il permet notamment de contourner les contraintes mécaniques que posent les faisceaux de câbles.

Situé à Commercy, le pôle européen de robotique du groupe Air liquide Welding, qui a pris la suite des activités robotiques de Commercy Soudure et de la Soudure Autogène Française, propose des solutions innovantes. Des installations qui utilisent, entre autres, les robots Fanuc et ceux d'OTC. « Les équipes de ce pôle fournissent des solutions robotiques de soudage clés en main intégrant des robots, des positionneurs et des sources de soudage avec les outillages, le traitement des fumées, l'assistance à la production et les contrats de maintenance », précise Olivier Rondu, le responsable de l'activité robotique d'Air liquide Welding. La cellule Major, par exemple, comporte un robot de soudage 6 axes intégré dans une cellule standard sur plate-forme autoporteuse. Deux postes de travail permettent à l'opérateur de charger et décharger les pièces à souder en temps masqué. Avec une produc-tivité 2 à 3 fois supérieure au soudage manuel. Cette cellule polyvalente, bien adaptée aux besoins des PME, reçoit des pièces jusqu'à 2 m et 250 kg. Elle peut être amortie en moins de deux ans.

Autre solution intéressante proposée par le constructeur français : le robot de soudage TopTIG (TIG avec métal d'apport). Procédé breveté par Air liquide Welding, il combine la productivité du soudage MIG et la qualité du soudage TIG. Il apporte une solution aux principaux freins à la robotisation du soudage TIG en améliorant nettement la vitesse de soudage, l'accessibilité de la torche et la simplicité de programmation et d'utilisation. Une approche destinée aux applications sur acier ou Inox jusqu'à 5 mm d'épaisseur et tout particu- lièrement aux industries alimentaires, mobilier métallique, tôleries fines, sous- traitance automobile.

Enfin, pour améliorer la rentabilité de cet équipement, le robot peut être équipé en bi-procédé MIG et TopTIG. On peut ainsi robotiser de très petites séries de pièces, dans une grande diversité de configuration et de types d'assemblage. Encore un outil pour les PME qui privilégient la flexibilité et la qualité de soudage...

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LE SECOND SOUFFLE DU PROJET ROBOTCALISER

- Initié par les entreprises de robotique du Symop, le projet Robotcaliser (comprendre : robotiser pour ne pas délocaliser), qui se propose de promouvoir les solutions robotiques principalement dans les PME-PMI françaises, revient sur le devant de la scène. Les constructeurs de robots ont du pain sur la planche, car le retard qu'accuse la France par rapport aux autres pays parle de lui-même. Si 33 000 robots sont actifs dans notre pays, on en compte deux fois plus en Italie et quatre fois plus en Allemagne. La distribution du parc robotique français montre que les entreprises de plus de 1 000 employés se taillent la part du lion avec 66 %.

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