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CA 02696561 2010-02-09
WO 2009/030861
PCT/FR2008/051538
Etau à dépression à plaque de travail souple maintenue par des plots
L'invention concerne principalement le domaine du maintien des pièces à
usiner sur des tables de travail et en particulier le domaine des étaux à
dépression.
Lors d'opérations d'usinage, d'assemblage ou de transformations de pièces il
est nécessaire que l'élément à travailler soit fermement fixé à un support.
Cette fixation communément appelée étau ne comporte plus aujourd'hui de
mâchoires et a évolué pour permettre le façonnage de pièces complexes et
parfois de grandes dimensions comme par exemple des panneaux ou des
plaques, dans des matériaux très variés (bois, métaux, polymères,
composites, etc...).
Les étaux requis par l'industrie doivent répondre à des contraintes diverses.
Dans de nombreuses applications l'élément à maintenir ne comporte pas des
dimensions et des formes constantes au cours de l'opération de maintien,
l'étau doit donc permettre le positionnement et le maintien de pièces à usiner
très variées, ce qui signifie d'autre part que la surface de fixation de la
pièce
dans l'étau doit délivrer une force de maintien constante quelle que soit la
taille de la pièce et sa géométrie, et d'autre part que la pièce doit être
repérée
précisément dans une direction perpendiculaire à la surface de l'étau.
Une autre contrainte connue pour la réalisation et la conception des étaux est
que l'opération de maintien doit être effectuée dans des conditions optimales
du point de vue du temps nécessaire, soit pour manoeuvrer la pièce entre
deux configurations de l'étau, soit pour permuter les pièces entre l'élément
déjà façonné et un élément à usiner, par exemple sur une chaîne de
production, de découpe, de perçage, de meulage etc... L'opération de
maintien et de relâchement de l'élément à usiner, ainsi que le processus
inverse entre le positionnement de la pièce et son immobilisation, devant être
effectuée en un minimum de temps pour des raisons évidentes de
productivité.
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Divers dispositifs connus décrits par exemple dans le brevet EP 1 283 760 de
la déposante ou le brevet EP 1 082 196 qui présente un système de fixation
sous vide de panneaux à usiner au moyen de pistons, ou encore le document
EP 505 668 décrivant des moyens à ventouses pour immobiliser les pièces à
travailler, répondent mal, voire pas du tout, aux problèmes suivants :
- la pièce doit être immobilisée et relâchée en un délai minimum,
- le dispositif de maintien ne doit pas gêner l'accès des pièces à usiner
de manière à s'insérer aisément dans une chaîne automatisée de
transformation,
- la consommation d'énergie doit être minimale,
- l'étau doit pouvoir maintenir des pièces planes de tailles variées aux
contours complexes mais également des pièces de formes complexes,
non planes, et en cela les outils disponibles actuellement sont
particulièrement mal adaptés.
- l'étau doit pouvoir positionner de manière précise la pièce à usiner.
Comme pour les étaux fonctionnant par dépression et connus dans l'art
antérieur, le dispositif répondant aux problèmes précédents doit également
satisfaire les contraintes générales de ce type d'outil à savoir une
répartition
satisfaisante de la pression d'aspiration sur la surface de travail et
l'obturation
optimale des points non recouverts par la surface à maintenir, tout en
assurant un coût de fonctionnement réduit du procédé.
L'invention a donc pour objectif de résoudre ces principales difficultés en
proposant un nouvel étau fonctionnant par aspiration sous vide.
L'art antérieur connaît des dispositifs de maintien de pièces ou d'objets
fonctionnant par aspiration sous vide.
Dans les documents US 3,335,994 A et US 3,197,170 A, les dispositifs à
aspiration sont des dispositifs à billes d'obturation servant à obturer ou
libérer
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,
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la sortie des conduits d'aspiration des alvéoles situées sous une plaque
support.
Ces dispositifs sont complexes à mettre en oeuvre, avec de nombreuses pièces à
assembler et des difficultés pour assurer une étanchéité fiable entre les
billes et la
plaque support de la pièce.
Dans le document DE 3 140 882 A, on décrit un dispositif à aspiration dont les
alvéoles d'aspiration débouchent chacune par plusieurs orifices d'une plaque
support, lesdits orifices pouvant être obturés par des lamelles déformables.
Ce
dispositif présente les mêmes inconvénients que les précédents.
Afin de s'affranchir les difficultés de mise en oeuvre des dispositifs à
billes ou
lamelles d'obturation, la demanderesse s'est orientée vers une solution
utilisant une
membrane souple comme moyen d'obturation.
L'art antérieur cite le brevet US 4,221,356 A qui décrit un dispositif à
ventouse
adapté à la manutention de pièces et non au maintien précis que nécessite un
usinage. En outre, la ventouse décrite pose certainement un problème de
fonctionnement car au cours de sa déformation elle peut venir au contact du
fond de
la chambre d'aspiration d'où le risque d'annuler la force d'aspiration et de
faire
tomber la pièce.
L'art antérieur connaît un autre dispositif décrit dans le document DE 92 04
704 U1
et utilisant une membrane souple comme moyen d'obturation des conduits
d'aspiration débouchant dans des chambres situées sous ladite membrane.
Lors du maintien d'une pièce, dont la sous face peut être plane ou non plane,
il peut
se produire un écrasement de la membrane, en plusieurs zones de la surface
d'appui. La stabilité de la pièce et son positionnement précis selon une
direction
perpendiculaire à la surface d'appui ne peuvent donc être garantis.
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Il serait donc utile de résoudre ce problème et de proposer un dispositif de
maintien
à membrane souple qui garantit la stabilité de la pièce et son positionnement
précis
selon un repérage (Ox Oy Oz) où (Ox et Oy) sont définis par la surface support
et
(Oz) est un repère orthogonal à cette surface.
Selon un aspect de la présente invention, celle-ci vise un étau raccordé à un
dispositif d'aspiration de manière à plaquer par dépression une pièce à
maintenir sur
une surface de travail et l'immobiliser, ledit étau présentant une plaque de
travail au
contact de la pièce à immobiliser et une plaque support en contact avec ladite
plaque de travail, et dans lequel étau:
- la plaque de travail est percée d'orifices, chaque orifice étant en
communication avec une chambre sous-jacente,
- la plaque support comporte un ensemble de chambres, chaque chambre
étant en communication avec le dispositif d'aspiration par un conduit,
- un moyen d'obturation déplaçable par dépression est présent dans chaque
chambre de manière à fermer le conduit lorsqu'aucune pièce à maintenir
n'est disposée au débouché d'un orifice sur la surface de travail,
caractérisé en ce que le moyen d'obturation est réalisé par ladite plaque de
travail
souple et déformable percée d'orifices, un desdits orifices n'étant pas
axialement
aligné avec un conduit de la chambre sous-jacente, de sorte qu'une zone non
perforée de la plaque de travail se déforme sous l'effet d'une dépression dans
une
chambre sous-jacente lorsqu'aucune pièce à maintenir n'est disposée au
débouché
de l'orifice correspondant à cette chambre, et en ce que la plaque de travail
est
maintenue à la périphérie de chaque chambre par une pluralité de plots de la
plaque
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4a
support s'engageant dans des perforations de la plaque de travail, lesdits
plots
réalisant une surface de référence pour le positionnement de la pièce à
maintenir.
D'autres aspects, modes de réalisation, variantes possibles et/ou avantages
résultants de la présente invention, tous étant préférentiels et/ou
optionnels, sont
brièvement décrits ci-dessous.
Par exemple, et préférentiellement, lesdits plots sont démontables et
remplaçables
en cas d'usure ou d'accident d'usinage.
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Les avantages de l'étau selon l'invention sont multiples :
- le mécanisme de maintien et de relâchement de la pièce est très
rapide, quasi-instantané,
- l'étau est utilisable pour le maintien et le positionnement de structures
5 planes telles que des panneaux ou des plaques, par exemple, mais
aussi pour l'immobilisation de pièces tridimensionnelles et des formes
complexes, ce qui est tout à fait nouveau et innovant, cet avantage
peut notamment être exploité pour le prototypage rapide des pièces et
dans le dispositif de stratoconception tel que développé par la
déposante et décrit dans son brevet EP 585 502,
- l'étau tel que décrit dans l'invention peut s'insérer aisément dans une
chaîne d'usinage notamment par le fait que la structure de la surface
de travail peut être lisse, sans élément mobile, à l'opposé des
dispositifs connus de maintien qui font appel à des clapets, des
ventouses ou des pistons,
- un avantage supplémentaire étant amené par la possibilité d'ajuster
une surface de travail adaptée à la pièce à usiner sur la plaque de
travail de l'étau, ou par la plaque de travail elle-même, de manière à
ce que l'outil puisse fonctionner aussi bien avec des éléments plans à
usiner qu'avec des éléments texturés ou tridimensionnels, ce qui n'est
pas réalisable dans les étaux connus,
- bien évidemment l'étau selon l'invention permet l'obturation efficace
des points d'aspiration non recouverts par la surface à immobiliser,
évitant en cela des pertes de pression préjudiciables au
fonctionnement de l'étau. Pour une bonne optimisation, le système
détecte et s'adapte en temps réel à l'éventuelle évolution de la surface
utile de maintien qui peut ainsi évoluer au cours de la fabrication de la
pièce sans que la qualité de maintien ne soit altérée. Par exemple lors
de l'usinage d'une pièce, une partie de la surface de maintien peut
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être entièrement dégagée de la surface de travail générant ainsi une
fuite. Le système est alors capable de s'auto adapter en dynamique en
obstruant la fuite engendrée. Cette auto-adaptation permet également
de limiter les pertes de dépression et ainsi de proposer une faible
consommation d'énergie.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la
description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés
qu'à titre d'exemples non limitatifs.
La figure 1 présente le principe de fonctionnement de l'étau pour une variante
préférentielle de l'invention dont la surface de travail est une membrane
souple servant de moyen d'obturation.
La figure 2 est un détail AA de la figure 1.
La figure 3 est détail BB de la figure 1.
La figure 4 est une vue de dessus d'un étau (3) montrant un exemple de
forme et de réparation des chambres de la plaque support optimisant la
surface utile de maintien d'un étau selon l'invention, une feuille 2 étant
posée
sur la plaque-support.
Les figures 5a et 5b sont des schémas de principe de deux variantes,
grossies et vues en coupe, de réalisation des orifices d'aspiration (7) d'une
plaque de travail.
L'étau selon l'invention est raccordé à un dispositif d'aspiration de manière
à
plaquer par dépression une pièce (1) sur une surface de travail et
l'immobiliser.
L'étau dans sa forme générale comporte au moins une plaque support (3)
accolée à une plaque de travail (2). La surface de travail est représentée, au
sens de l'invention, par l'interface entre la pièce à maintenir et la plaque
de
travail.
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La plaque support (3) comporte un ensemble de chambres, chaque chambre
(4) étant en communication avec un dispositif d'aspiration par un conduit (5),
lequel conduit traverse la plaque support (3) et est relié à un dispositif
générant une dépression, par exemple une pompe à vide. Un conduit (5) tel
que décrit dans l'invention peut disposer d'une forme quelconque, c'est à dire
de section carrée, ovale ou irrégulière, toutefois la section est de
préférence
circulaire et donc le conduit de forme cylindrique.
La plaque de travail (2) au contact de la pièce à maintenir est percée
d'orifices (7), lesquels orifices étant en communication avec des chambres
sous-jacentes (4) reliées avec le dispositif d'aspiration, de telle manière
que
la dépression générée par le dispositif d'aspiration s'applique à la surface
de
travail, sous la pièce à maintenir, par l'intermédiaire du conduit
d'aspiration
puis desdits orifices.
Dans le but de fermer les orifices (7) non recouverts par la pièce à
maintenir,
c'est à dire de manière à fermer le conduit d'aspiration lorsque aucune pièce
n'est disposée au débouché du ou des orifices sur la surface de travail, la
plaque de travail est une plaque mince (2) en matériau déformable sous
l'effet d'une dépression d'un coté de ladite plaque mince et apte à revenir
par
élasticité à sa forme initiale en l'absence de différence de pression entre
les
deux faces de la feuille.
Préférentiellement mais non limitativement la plaque (2) est une feuille de
matériau en matériau souple par exemple une feuille en polymère.
Préférentiellement la plaque (2) a une épaisseur comprise entre 0.1 mm et
5 mm, et elle est en une ou plusieurs parties.
La plaque (2) est percée d'orifices (7), les orifices (7) n'étant pas
axialement
alignés avec les conduits (5) de manière qu'une zone non perforée (10) de la
plaque de travail se déforme sous l'effet dune dépression dans une chambre
(4) sous jacente lorsque aucune pièce à maintenir n'est disposée au
débouché de l'orifice (7) correspondant à cette chambre.
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La plaque (2) est maintenue à la périphérie de chaque chambre (4) par une
pluralité de plots (8) de la plaque support (3) s'engageant dans des
perforations (9) de la plaque de travail (2), lesdits plots réalisant le
contact
entre la plaque support (3) et la pièce à maintenir (1), assurant ainsi une
référence pour son positionnement.
Les figures montrent que, lorsque la dépression est mise en route, la pièce à
maintenir (1) vient s'appuyer sur les plots (8) entourant une chambre (4) et
la
zone (10) placée au-dessus de cette chambre ne se déforme pas, tandis que
les zones (10) situées au-dessus des chambres non recouvertes par la pièce
(1) se déforment et obturent les conduits (7) situés au dessous desdites
zones (10) qui se déforment.
La feuille déformable fait fonction de moyen d'obturation et d'étanchéité
autour de la ou les chambre(s) (4) située(s) sous la pièce.
Les surfaces supérieures des plots (8) qui sont en contact avec la sous face
de la pièce forment une surface de référence pour le positionnement précis
de la pièce selon un axe Oz perpendiculaire à la plaque de travail (2).
Il peut par exemple être imaginé des tailles et des formes variables pour la
chambre (4), un nombre plus ou moins important d'orifices (7) transmettant la
dépression à la surface de travail, sans sortir du cadre de l'invention.
La forme préférentielle et non limitative des chambres (4) représentée sur la
figure 4 permet d'augmenter le nombre de points d'aspiration pour une
surface équivalente.
Cette forme a été étudiée spécialement afin d'obtenir la plus petite distance
entre deux points d'aspiration.
Le système fonctionne grâce à deux trous : un trou d'aspiration qui est la
perforation (7) de la membrane et un trou de dépression qui est
l'embouchure du conduit (5). Quand le trou d'aspiration n'est pas obstrué
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pour une pièce à maintenir, c'est le trou de dépression qui va s'obstruer pour
éviter les pertes d'aspiration.
Pour ce faire, le trou de dépression (5) doit aspirer la membrane souple
jusqu'à la plaquer hermétiquement sur son périmètre. Ce fonctionnement est
régi par le comportement de la matière et notamment par son rayon de
plaquage. Ce rayon est régi par une loi physique de déformation de la
matière qui est fonction des propriétés d'élasticité du matériau, de son
épaisseur mais également de la géométrie de la chambre et du niveau de
dépression. Ainsi, pour pouvoir aspirer la membrane et s'obstruer de manière
étanche, l'embouchure du conduit (5) doit (pour une dépression comprise en
0.95 et 1 bar et une épaisseur matière de 1.5 mm) être placé au centre d'un
cylindre libre théorique d'un rayon de 10 à 14 mm et d'une hauteur de 0.8 à
1.1 mm, cylindre libre qui définit le rayon minimal de chambre à prévoir
autour de l'embouchure du conduit (5).
A partir de cette analyse et de ces dimensionnements, les formes de
chambre d'aspiration présentant le meilleur rapport entre l'optimisation de la
surface d'aspiration et la simplicité de fabrication, sont les formes ovoïdes
ave une extrémité aiguë ou à rayon de courbure plus faible que le rayon de
courbure de l'autre extrémité, rappelant des formes en oeuf ou en
goutte d'eau .
De façon avantageuse, comme sur la figure 5, l'embouchure du conduit (5)
est placée dans la partie la plus large de la chambre alors que cette chambre
peut être moins large en sous face de l'orifice (7). Cette répartition permet
une diminution de la taille de chaque chambre et génère une forme de
chambre naturellement organisable en quinconce sur tout ou partie de la
plaque support (3), ce qui permet de réduire encore plus la distance entre
deux points d'aspiration. Plus précisément sur la figure 4, les chambres d'une
même rangée sont placées côtes à côtes avec la partie la moins large
alternativement d'un côté et de l'autre de la direction de la rangée, et les
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chambres d'une rangée sont décalées par rapport à celles de la rangée
suivante et/ou précédente.
De façon préférentielle et non limitative, les plots peuvent être amovibles ou
démontables, par exemple par des moyens de vissage. Cette disposition est
5 particulièrement avantageuse car elle permet l'ajustement de la hauteur
des
plots, en particulier lorsque la surface de travail est une surface gauche,
et/ou
permet le remplacement de ceux-ci en cas d'usure ou d'accident d'usinage.
Egalement on peut prévoir deux variantes de réalisation pour un orifice (7),
soit un trou unique (7a), soit un élément de surface (6) perforé d'une
pluralité
10 de perforations ou micro-perforations (7b), cette variante agissant
comme un
accélérateur de flux et comme un filtre pour arrêter les copeaux et autres
résidus d'usinage et les empêcher de pénétrer la chambre sous jacente.
Dans l'étau selon l'invention, il n'y a pas de pièces mobiles tributaires de
la
gravité ce qui permet d'augmenter les possibilités de maintien, notamment
cela permet d'utiliser l'étau avec une surface de travail à la verticale ou en
position oblique par exemple pour des applications en robotique. La pièce
peut même rester maintenue en cas de coupure d'aspiration.
La taille de l'étau, l'épaisseur des différentes plaques, la puissance de la
dépression et les différents paramètres dimensionnels peuvent être ajustés
dans une large plage sans sortir du cadre de l'invention.
Diverses applications de l'invention ont été citées, telles que le maintien de
pièces pour l'usinage et l'emploi en Stratoconception , l'étau selon
l'invention
peut également être employé comme clapet pneumatique ou pour la
préhension d'objet, par exemple au bout d'un bras robotisé ou sur une chaîne
de convoyage.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits
et
représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents
techniques ainsi que leurs combinaisons.
