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Traité de soudage automatique tome 4 : les robots de soudage volume 1 : environnements, caractéristique et équipements

De
495 pages
...
1. Eléments pour la réalisation de produits soudés au moyen de robots2. Caractéristiques géométriques, mécaniques et fonctionnelles3. Contraintes de fonctionnement et constituants des robots de soudage4. PerspectivesBibliographieIndex
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TRAITÉ DE SOUDAGE
AUTOMATIQUE
série soudage par fusion en continu
robots de soudage
environnement
caractéristiques et équipements
Paul Marchal
HERMES Robots de soudage
ENVIRONNEMENT
CARACTÉRISTIQUES
ET
ÉQUIPEMENTS Collection dirigée par
Jean Cornu Soudage par fusion en continu
ROBOTS DE SOUDAGE
Volume 1
ENVIRONNEMENT
CARACTÉRISTIQUES
ET
ÉQUIPEMENTS
Paul Marchai
HERMES Le présent ouvrage appartient au Traité de soudage automatique. Des références y sont faites
en particulier auprès des trois volumes consacrés aux notions fondamentales en soudage et
aux procédés, de M.J. Cornu. Les principales relations des diverses variables prises en
considération font l'objet de renvois aux passages ou aux volumes traitant des sujets mentionnés
sous les différents aspects procédés, commande, capteurs.
Ces ouvrages de référence sont placés en tête de notre bibliographie.
Note de l'auteur et remerciements
L'inclination des mécaniciens étant de cerner la réalité des formes et les rapports
des volumes en saisissant visuellement les éléments d'architecture des produits qui
les concernent et des objets qui les entourent, j'ai voulu illustrer cet ouvrage par
une iconographie aussi complète que possible. Cela m'a conduit à compléter les
informations directement exploitables des fournisseurs — dont je remercie la coo­
pération — par un ensemble de photographies ou de reproductions photographiques.
L'amateur que je suis a dû souvent faire appel à un professionnel, en la personne
de Monsieur Alain Foucha, qui a droit à ma très vive reconnaissance.
Enfin, tout le travail fait n'aurait pu être mené à bien sans la compréhension et
l'assistance de ma femme Nicole, à qui j'offre ici le meilleur de ce qui a été... le
pire !
© Hermès, Paris, 1989
Editions Hermès
51, rue Rennequin
75017 Paris
ISBN 2-86601-154-6
IBBN 2-86601-059-0 pour l'ensemble du traité TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION 11
1" Partie. ÉLÉMENTS POUR LA RÉALISATION DE
PRODUITS SOUDÉS AU MOYEN DE ROBOTS
1. LES INTERVENANTS 23
1.1. FONCTIONS ET RELATIONS
1.2. LES CHARGÉS D'AFFAIRES5
1.3. LES SPÉCIALISTES, LES LABORATOIRES ET CENTRES
D'ESSAIS7
1.4. LES SERVICES PROTOTYPES9
1.5. CONCLUSION 30
2. LES MOYENS OU LES ROBOTS DE SOUDAGE ET
LEUR ENVIRONNEMENT INDUSTRIEL 33
2.1. LES MOYENS D'UN ATELIER DE SOUDAGE
2.2. LESS GÉNÉRAUX DE L'ENTREPRISE OU DE
L'ATELIER INTERVENANT AVANT LES OPÉRATIONS
DE SOUDAGE4
2.3. LES MATÉRIELS DE SOUDAGE ET LES MOYENS DE
MISE EN ŒUVRE DU PROCÉDÉ 35
2.4. LES CONSTITUANTS DES ROBOTS DE SOUDAGE ET DE
LEUR COMMANDE6
2.5. LES ÉQUIPEMENTS PÉRIROBOTIQUES INDIRECTE­
MENT ASSOCIÉS AU ROBOT 42
2.6. LES MOYENS GÉNÉRAUX DE L'ENTREPRISE OU DE
L'ATELIER INTERVENANT APRÈS LES MOYENS DE SOU­
DAGE 4
3. LES VARIABLES7
3.1. PRÉSENTATION6 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
3.2. RELATION ENTRE LES VARIABLES ET LES COMPO­
SANTES D'UNE OPÉRATION DE SOUDAGE 52
3.3. INTERACTIONS ENTRES ET CONSÉQUENCES 8
3.4. ADAPTATIVITÉ DU PROCÉDÉ 94
3.4.1. Diagramme général d'une opération de soudage 95
3.4.2.e du procédé de soudage6
3.4.2.1. Les boucles de retour8
3.4.2.2. contrôles
3.4.2.3. Cas du soudage manuel ou mécanisé 99
3.4.3. Diagramme du procédé physique 100
3.4.3.1. Procédé spatial et procédé d'arc
3.4.3.2. Procédés d'échauffement et de fusion1
3.4.3.3. de refroidissement et de solidification 102
3.4.3.4. Interdépendances 10
3.4.3.5. Capteurs2
3.4.3.6. Cas du soudage manuel ou mécanisé 102
3.4.3.7. du adaptatif3
3.4.3.8. Conclusion4
3.5. RÉPARTITION DES VARIABLES POUR LA MISE EN
ŒUVRE DES MOYENS 10
3.5.1. De l'enchaînement logique et de l'utilisation des variables 10
3.6. CONCLUSION8
e2 Partie. CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES,
MÉCANIQUES ET FONCTIONNELLES
4.S GÉOMÉTRIQUES
ET MÉCANIQUES 113
4.1. PRÉSENTATION ET REMARQUES PRÉLIMINAIRES .... 11
4.2. MORPHOLOGIE ET ARCHITECTURE DES ROBOTS DE
SOUDAGE 129
4.2.1. Généralités
4.2.2. Organisation des constituants du corps et du bras — 134
4.2.2.1. Les robots de la CLASSE 1, à rotations arti­
culaires et structure de bras vertical 135
4.2.2.2. Les robots de la CLASSE 2, à structure de bras
horizontal avec rotations articulaires 17
4.2.2.3. Les robots de la CLASSE 3, à structure à deux
translations orthogonales au moins 182 TABLE DES MATIÈRES 7
4,2.2.4. Les robots de la CLASSE 4. Quelques structures
particulières 199
4.3. LES POIGNETS DES ROBOTS DE SOUDAGE 204
4.3.1. Définitions 20
4.3.2. Les poignets à deux axes5
4.3.3. Less à trois axes 213
4.4. MORPHOLOGIE ET MODULARITÉ DES ROBOTS DE SOU­
DAGE 217
4.5. LES CHAMPS ET CONFIGURATIONS DES ROBOTS DE
SOUDAGE 220
4.5.1. Caractéristiques intrinsèques
4.5.2. Les champs pour l'application d'un procédé : le volume
utile des robots de soudage1
4.5.3. Notions de position et d'accessibilité : relation avec la
notion d'espace2
4.5.4. Conditions d'utilisation des robots de soudage dans leur
volume utile de travail 223
4.5.5. Approche CAO. Conditions d'utilisation d'un robot dans
son espace de travail. Apprentissage assisté par ordi­
nateur
4.5.5.1. Modèles géométriques direct et inverse 224
4.5.5.2. Modèle cinématique8
4.5.5.3. Espace d'exécution de la tâche et stratégie d'évo­
lution 22
4.5.6. Conclusion 231
5. CARACTÉRISTIQUES FONCTIONNELLES, EFFETS
D E CONTRAINTES DE PROCÉDÉ, D'ESPACES, DE
TÂCHE, D'ENVIRONNEMENTS ET DE MILIEU 237
5.1. EFFETS DES CONTRAINTES DE PROCÉDÉ 23
5.1.1. Les robots MIG-MAG7
5.1.2. Les produits TIG 245
5.1.3. Le soudage par faisceau LASER9
5.1.3.1. Aménage du faisceau par guides extérieurs ... 24
5.1.3.2. du en interne 253
5.1.4. Conclusion 25
5.2. EFFETS DES CONTRAINTES D'ESPACE, DE TÂCHE,
D'ENVIRONNEMENT ET DE MILIEU 258
5.2.1. Contraintes d'espace8 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
5.2.2. Contraintes de tâches superposées aux contraintes d'es­
pace et d'environnement 260
5.2.2.1. Soudage par robots de grandes dimensions .. 261
5.2.2.2. Les robots de petites dimensions pour le soudage
de grandes structures à poste fixe 268
5.2.3. Contraintes du milieu 275
5.2.3.1. Le soudage à distance en milieu nucléaire 27
5.2.3.2. Le robotisé en milieu sous-marin — 288
e3 Partie. CONTRAINTES DE FONCTIONNEMENT ET
CONSTITUANTS DES ROBOTS DE SOUDAGE
6. LESS D ET 297
6.1. CONTRAINTES SUR LES POSITIONS ET LES ORIEN­
TATIONS 29
6.1.1. Les contraintes de position9
6.1.2. Less d'orientation 303
6.1.3. La régulation en longueur d'arc, en soudage à l'électrode 306
6.2. CONTRAINTES SUR LES VITESSES, LES ACCÉLÉRA­
TIONS, LES FORCES ET LES COUPLES
6.2.1. Contraintes sur les vitesses et les accélérations 30
6.2.2.s sur les forces et les couples 310
6.3. CONTRAINTES DUES AUX CONDITIONS DE PROGRAM­
MATION 311
6.4. CONCLUSION2
7. LES CONSTITUANTS DES ROBOTS DE SOUDAGE 313
7.1. LESS MÉCANIQUES STRUCTURAUX ET
FONCTIONNELS3
7.1.1. Constituants mécaniques structuraux 314
7.1.2. Les chaînes cinématiques 320
7.1.2.1. Les courroies
7.1.2.2. chaînes
7.1.2.3. Les bielles
7.1.2.4. Les réducteurs5
7.1.3. Les dispositifs d'équilibrage 331
7.1.3.1. Conditions générales d'équilibre d'un solide .. 33
7.1.3.2. Equilibrage des robots par masses additionnelles 334
7.1.3.3. Les équilibrages à ressorts 343 TABLE DES MATIÈRES 9
7.1.3.4. Les systèmes actifs d'équilibrage à énergie extrin­
sèque 349
7.1.3.5. Remarques générales sur les systèmes d'équili­
brage 350
7.2. LES ACTIONNEURS2
7.2.1. Généralités
7.2.2. Les actionneurs hydrauliques 356
7.2.3. Less électriques
7.2.3.1. Les moteurs synchrones 361
7.2.3.2. Les pas à pas9
7.2.3.3. Remarques générales sur les moteurs synchrones,
autopilotés, pas à pas 384
7.2.3.4. Les moteurs à courant continu5
7.2.4. Conclusion 40
7.3. LES CAPTEURS DE POSITION ET DE DÉPLACEMENT 402
7.3.1. Les potentiomètres3
7.3.2. Les synchromachines7
7.3.2.1. Les synchros
7.3.2.2. resolvers 410
7.3.2.3. Les machines proches ou dérivées 41
7.3.3. Les capteurs digitaux optoélectroniques ou codeurs angu­
laires optiques8
7.3.3.1. Les capteurs incrémentaux9
7.3.3.2. codeurs absolus
7.3.3.3. Remarques générales sur les capteurs optiques 423
7.3.3.4. Conclusion 423
7.3.4. Les capteurs de déplacement : capteurs de vitesse — 424
7.3.5. Remarques générales sur l'utilisation des capteurs —7
7.3.6. Conclusion9
7.4. LES DISPOSITD7S DE SÉCURITÉ MÉCANIQUES, ÉLEC­
TRIQUES OU ÉLECTROMÉCANIQUES 430
7.4.1. Les sécurités électriques
7.4.2. Less mécaniques1
7.4.3. Les sécurités de fonctionnement, protection des soudeurs
et des pièces en cours d'apprentissage3
7.4.4. Les sécurités de fonctionnement en cas de panne d'ali­
mentation des actionneurs 43
7.5. LE CÂBLAGE ÉLECTRIQUE DES ROBOTS DE SOUDAGE 434
7.6. CONCLUSION GÉNÉRALE SUR LES CONSTITUANTS DES
ROBOTS DE SOUDAGE5 10 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
8. LES TÊTES DE SOUDAGE 437
8.1. GÉNÉRALITÉS
8.1.1. Définition
8.1.2. Références aux autres volumes du traité 43
8.1.3. Effet des contraintes sur les architectures des têtes de
soudage 438
8.1.4. Conséquences des stratégies relationnelles « effecteurs-
pièces à souder » 440
8.1.5. De la complexité des têtes de soudage 443
8.2. CARACTÉRISTIQUES ESSENTIELLES DES TÊTES DE
SOUDAGE4
8.2.1. Exemple de tête laser de robot de soudage ou d'usinage 44
8.2.2. Les têtes constituées d'une torche montée à poste fixe 446
8.2.2.1. Torches intégrées sur les « machines dédiées » 446
8.2.2.2. rapportées et déportées 450
8.2.2.3. Accouplement automatique de torches2
8.2.2.4. Dispositifs de protection
8.2.3. Les têtes multitorcb.es 455
8.2.4. Les têtes avec accessoires de soudage 456
8.2.4.1. Têtes avec dévidoir pour métal d'apport ou métal
de base en conditions particulières de mise en
œuvre
8.2.4.2. Têtes pour le soudage sous flux solide 457
8.2.5. Les têtes équipées de capteurs 458
8.2.5.1. Capteurs à poste fixe
8.2.5.2. Têtes polyarticulées avec capteurs
8.2.5.2.1. Têtes polyarticulées non motorisées
8.2.5.2.2. Têtess avec axes motorisés
de mobilisation du support des capteurs
8.2.6. Un exemple de tête de soudage pol> articulée sans capteur
favorisant les orientations de torche 467
8.2.7. Conclusion 470
PERSPECTIVES ET CONCLUSION1
BIBLIOGRAPHIE 48Introduction
Les robots envahissent le marché : les constructeurs mondiaux en ont
déjà livré des milliers, mais si la réalité a remplacé la fiction, les espoirs
ont souvent été déçus quant aux applications possibles. Considérés trop
souvent comme les ouvriers spécialisés, voire même qualifiés, des temps à
venir dans lesquels la machine prendrait la place de l'homme pour exécuter
les tâches ingrates de la production industrielle, on a trop vite pensé
pouvoir les employer pour tout faire.
Il est vrai que les progrès de la mécanique et de l'automatique avaient
donné naissance à un ensemble de moyens éprouvés, dont l'association
suscitait un grand espoir.
Ainsi, les télémanipulateurs maîtres-esclaves, créés tout d'abord pour le
travail en milieu hostile nucléaire comme prolongement de l'homme pour
lui permettre de travailler dans des lieux qui lui étaient physiquement
interdits, avaient permis de réaliser des mécanismes de mobilisation dans
l'espace de pinces de préhension capables de réaliser avec dextérité, sous
la conduite d'un bon opérateur, des tâches de manipulation très diverses
et souvent peu aisées.
Les techniques utilisées pour la machine spéciale permettaient de réaliser
à grande cadence des opérations de toute sorte avec une excellente fiabilité.
Les machines à commande numérique disposaient d'automatismes pour
la réalisation, le suivi et le contrôle d'opérations programmées, exécutées
sur la même machine mais sur des pièces différentes.
En outre, la manutention et, en particulier, l'assistance pour la mani­
pulation de lourdes charges, ainsi que les engins de travaux publics, avaient
également fait des progrès en donnant naissance à des architectures de
machines et à des mécanismes autorisant d'importants changements de
conformation...
Tout convergeait donc pour que naisse enfin cette merveilleuse machine
universelle capable de mobiliser dans l'espace une pince comme un bras
humain mobilise la main, mais cette fois sans faiblesse ni fatigue, en
associant universalité, flexibilité, fiabilité, dextérité... 12 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
Alors que le télémanipulateur maître-esclave, créé pour le travail en
milieu hostile, nucléaire d'abord, sous-marin et spatial ensuite, était le
prolongement de l'homme (figure 1), les progrès techniques devaient per­
mettre au robot de travailler seul et de le remplacer complètement dans
Téléopération nucléaire
l'homme
est dans la
courte distance
stioucl e y excellente dextérité
fenêtre
distance illimitée
excellente dextérité
maître-esclave
câble
multiconducteur
enregistre'
assistance ou coaxial
ordinateur
vision directe ou télévision
Robotique industrielle
calculateur
remplace
rhomme^.
Figure 1. Téléopération nucléaire et robotique industrielle INTRODUCTION 13
l'exécution des tâches répétitives. Il suffisait de doter la machine de capacités
de mémorisation, de reproduction et bientôt... d'interprétation. Convena­
blement programmé, on devait pouvoir utiliser le même robot pour peindre
et pour forger. Cet espoir fut vite déçu. La machine s'avéra beaucoup
moins adaptable que l'homme, aussi habiles qu'aient été ses concepteurs :
les dimensionnements restèrent dépendants des masses et des volumes à
manipuler. De même, il fallut tenir compte de l'environnement : un
manipulateur industriel n'est pas immédiatement, ni même simplement
transformable en manipulateur sous-marin. On passa vite d'une espérance
d'universalité à une considérable différenciation de l'espèce. On peut
aujourd'hui estimer que « de la diversité des téléopérateurs et robots »
dépend la réussite des mutations technologiques en cours (figure 2).
La plus importante raison de spécialiser ces machines qu'on appelle des
robots industriels, celle qui justifie sinon les plus visibles, du moins les
plus fondamentales différences entre les machines, est la nécessité d'adapter
celles-ci aux procédés qu'elles mettent en œuvre. On parle maintenant de
robots de manutention, de robots à peindre, de robots d'assemblage, de
robots de soudage. Comme le montre la figure 3, cette différenciation qui
conduit à classer les robots en fonction des types de tâches à remplir, de
leur capacité à manipuler ou à déplacer des masses ou des volumes plus
ou moins importants et de leur aptitude à travailler dans des types
d'environnement différents, se réduira sans doute avec les progrès attendus
de la technologie. Mais il reste beaucoup à faire. La convergence vers un
niveau de perfection absolue, pour reprendre sous une autre forme l'image
de Philippe Coiffet faisant référence à Teilhard de Chardin, dans Modéli­
sation et commande, tome 1 de la série « Les Robots », Hermès, 1986,
cette convergence n'est qu'à peine amorcée faute, en partie, de disposer
de la synthèse des contraintes liées à la mise en œuvre des procédés
industriels robotisables pour ensuite étudier et mettre au point les méca­
nismes et les éléments de la commande !... Cette approche globale nous
étant inaccessible, les progrès se feront pas à pas. Bon nombre de barrières
technologiques sont encore à franchir.
En attendant, il nous faut résoudre les besoins d'aujourd'hui et être
capables de répondre aux demandes. Dans le domaine du soudage par
fusion en continu, elles sont maintenant nombreuses et leur croissance,
nous semble-t-il, devrait se poursuivre compte tenu de l'importance que
prend de plus en plus cette technique, comme l'ont montré les trois premiers
volumes de ce traité.
Jean Cornu a décrit les procédés robotisables et indiqué quelles sont
leurs conditions de bon emploi, mais il nous fait maintenant définir ce que
sont exactement ces robots de soudage et dans quel environnement ils
doivent fonctionner. 14 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
MEDICALES SOUS-MARINES SPATIALES
INDUSTRIELLES
Figure 2. De la diversité des téléopérateurs et robots (document J. Vertut, P. Marchai, J.-C. Germond) 15 INTRODUCTION
DUNE ESPÉRANCE D UNIVERSALIT E A UNE CONSIDERABLE
DIFFERENCIATION
OE LA NAISSANCE DES ROBOTS
TM : Télémanipulateurs
MM : Machines de manutention
Les exemples donnés ne sont pas limitatifs CND : Commandes numériques
k MS : Machines spéciales
MACHINE UNIVERSELLE, ROBOT
LES ROBOTS D'AUJOURD'HUI
Machines de procédés
SFC : Soudage par TC : Transferts-Chargement
fusion A : Assemblage
(TIG-MIQ P : Peinture
' PLASMAI SP : Soudage par points
EXTENSIONS ENl^f-a-gB
Capacités • Dimensions - Classes
Ci : Capacités parmi les n
Dj : Dimensions parmi les p
Ck : Classes parmi les nv
EXTENSIONS A
L'ENVIRONNEMENT
IND : Industriel
SM : Sous-marin
SPA : Spatial
CH : Chimique
NUC : Nucléaire
VER S UNE CONVERGENCE POUR DES MACHINES MULTIPROCEDES
D'une espérance d'universalité à une considérable différenciation Figure 3. SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU 16
Lorsque l'on considère tout ce qu'on appelle robot, il faut bien reconnaître
qu'il n'est pas inutile, avant d'entreprendre l'écriture d'un livre sur ce
thème, de préciser dans quel cadre nous nous plaçons. Même si nous
posons, in fine, le problème en terme d'adaptation de la machine au
procédé, nous le voulons cependant suffisamment général pour qu'il puisse
contenir tous les aspects industriels de ces machines.
Rappel de quelques définitions des robots
— Définition proposée par le groupe de travail robotique de l'AFNOR,
après amendement par les autres groupes de travail de l'ISO.
— Manipulateur commandé en position, reprogrammable, poly­
valent, à plusieurs degrés de liberté, capable de manipuler des
matériaux, des pièces, des outils et des dispositifs spécialisés au
cours de mouvements variables et programmables pour l'exécution
d'une variété de tâches. Il a souvent l'apparence d'un ou plusieurs
bras se terminant par un poignet. Son unité de commande utilise
notamment un dispositif de mémoire et, éventuellement, de per­
ception et d'adaptation à l'environnement et aux circonstances.
Ces machines polyvalentes sont généralement étudiées pour effec­
tuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être adaptées
à d'autres fonctions sans modification permanente du matériel.
— Définition proposée par Gérard Roorick.
— Nom donné à des équipements mécaniques très divers dont
on veut souligner la polyvalence d'emploi et le fonctionnement
automatique. Parfois, le sens est restreint aux systèmes articulés
multi-axes du type bras manipulateur automatisé, parfois encore
l'automatisme doit mettre en œuvre les principes de la cybernétique.
— Définition proposée par Philippe Coiffet.
— Un robot répond à trois exigences. Primo, ce doit être un
outil autonome et puissant à structure adaptative, donc universel.
Secondo, un robot a deux propriétés caractéristiques essentielles :
la versatilité, l'autoadaptativité à l'environnement. Tercio, un robot
en fonctionnement possède une structure comprenant : la machine
mécanique équipée d'actionneurs,, les tâches et
le calculateur ou cerveau du robot.
Dans la première définition, tout passe par la notion de manipulateur.
La seconde exige la polyvalence. La troisième enfin, plus exigeante, vise
l'universalité, réduit bien le concept mécanique à l'unicité de la machine
mais ne traite pas des conditions de sa mise en œuvre. Aucune de ces
trois définitions n'est donc convenablement ajustable à notre propos, soit
par trop d'ambition, soit par trop de restriction, soit les deux. Pourquoi 17 INTRODUCTION
ne pas appeler robot une quelconque machine de soudage qui ne sera
peut-être pas capable d'autre chose mais qui, à l'intérieur des procédés
mis en œuvre, serait programmable, versatile et adaptative ?
Si l'on considère l'image qui s'attache maintenant au terme de robot
industriel, il faut bien admettre que c'est celle d'une machine constituée
d'un ensemble de segments mobiles en translation ou en rotation, au bout
desquels se trouvent un ou des outils déplacés selon des trajectoires
programmées dans un espace où ils réalisent les tâches attendues. Triste
réduction du concept à sa plus simple expression mécanique, mais il nous
semble bien que, de plus en plus, on sépare la mécanique de sa commande
qui devient en soi un produit commercial. Des accords se font entre
producteurs associant le bras de l'un appelé « robot » à la commande de
l'autre. Lorsque l'on dit utiliser un ASEA, un TRALFA un HITACHI, un
robot du type se ARA , un SCEMI, un COMMERCY OU un autre, on parle
essentiellement de la machine en se situant par rapport aux travaux qu'elle
peut faire, la commande étant de la même marque ou d'une autre, adaptée,
modifiée ou non. Quant à ce que l'on trouve autour (convoyeurs, supports
de pièces), plus ou moins en relation avec le robot, il est couramment
admis de l'appeler périrobotique.
Depuis quelque temps cependant, la distinction entre les moyens utilisés
pour robotiser des opérations de production industrielle tend à n'être plus
aussi claire qu'elle le fut : en soudage, par exemple, des positionneurs
asservis et programmables sont vendus comme « axes supplémentaires de
robots ».
Placés dans ce contexte constamment évolutif, nous définirons comme
suit les termes génériques utilisés dans la suite de ce volume.
Robot : ensemble de mécanismes physiquement liés et fonctionnellement
associés.
Ceux-ci doivent être capables de se mouvoir et/ou de mouvoir un objet
dans l'espace. Ils sont commandés pour exécuter des tâches :
— par un opérateur humain travaillant à distance par l'intermédiaire
d'une télécommande adaptée,
— par un automatisme programmé au cours d'opérations pratiques
d'apprentissage pendant lesquelles le travail à reproduire a été réellement
effectué ou simulé,
— par un automatisme dont le programme a été établi « hors ligne » à
partir d'une base de données.
Ils exécuteront des opérations différentes avec des outils adaptés, moyen­
nant une adaptation de l'opérateur et/ou du programme. Ils devront, si
possible (condition non nécessaire), s'adapter sans l'intervention d'un opé­
rateur humain à des conditions différentes d'exécution d'une tâche
(commande adaptative associée à des capteurs d'environnement et de
procédé). 18 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
Les moyens de sa mise en œuvre sont :
— l'unité de commande qui est organisée autour d'une structure de
calcul lui servant de cerveau, elle comprend aussi les fonctions de contrôle
et de sécurité ;
— les outils de programmation (on y inclut le syntaxeur dans le cas
d'un fonctionnement en mode téléopéré maître-esclave) ;
— les sources d'énergie.
Robot de soudage = robot + tête de soudage. C'est un robot apparemment
comme les autres, mais qui a les qualités requises pour mettre convena­
blement en œuvre les outils de procédé. Il est équipé au moins de l'effecteur
de soudage et de son support (tête de soudage). En cas de besoin, la tête
dee peut comporter également un capteur de suivi de joint monté
sur un support adapté ou d'autres senseurs.
Dans quel environnement fonctionnent-ils ?
Pour remplir leur fonction, les robots de soudage sont intégrés dans un
ensemble cohérent de moyens comportant les équipements de soudage et
les équipements de périrobotique qui comprennent (cf. A. Jutard) les moyens
nécessaires à l'automatisation complète du poste de travail de façon à
rendre l'exécution du cycle de travail totalement autonome. Il s'agit donc,
pour nous, des outillages, des positionneurs, des systèmes de transfert, des
moyens de contrôle, etc. Autour des pièces à souder, l'organisation de ces
éléments qui permettent leur aménage, leur positionnement statique ou
dynamique, leur évacuation, rend possible la constitution d'un centre de
soudage. Celui-ci peut comporter un ou plusieurs robots. Lorsque plusieurs
centres de soudage sont organisés pour fonctionner en coopération pour
la réalisation de produits soudés, l'automatisation de l'ensemble étant régie
par une unité centrale de contrôle commande jouant le rôle de superviseur,
nous dirons que cet ensemble est un système robotique de soudage.
Si tous les moyens de production d'ensembles soudés sont régis par un
même automatisme assurant leur coordination pour la fabrication de dif­
férents produits répondant à une demande évolutive, le rassemblement de
ces moyens constitue un atelier flexible de soudage. Intégré aux moyens
de production de l'usine dont il recevra les demandes et les approvision­
nements, il fournira des ensembles finis et contrôlés, destinés aux assemblages
finals et/ou à l'expédition.
Le résultat recherché par la mise en œuvre de tous ces moyens étant
la réalisation de produits soudés, nous aborderons le problème de la
robotisation des procédés en portant tout d'abord notre attention sur les
étapes à franchir pour cerner le besoin, définir le produit qui doit le
satisfaire, mettre en œuvre les moyens nécessaires à sa fabrication en
considérant l'ensemble des variables dont il faut tenir compte. La bonne INTRODUCTION 19
exécution des tâches de soudage requérant la mise en œuvre des matériels
ci-avant définis, nous les décrirons ainsi que leur organisation en nous
basant sur les exigences des procédés ; en indiquant les conditions et les
contraintes de leur mise en œuvre.
Enfin, la conclusion de l'ouvrage donne quelques perspectives d'avenir
que les actuelles recherches de laboratoire laissent entrevoir, sans oublier
de considérer les conséquences humaines qu'aura nécessairement l'intro­
duction massive de la robotisation du soudage dans la productique. r e
l partie
Eléments
pour la réalisation
de produits soudés
au moyen de robots
Il nous a paru difficile de parler de robots de soudage sans préciser le
contexte dans lequel ils sont mis en œuvre et, avant cela, celui dans lequel
se prend la décision de robotiser telle ou telle opération, en se plaçant
bien entendu du point de vue de l'utilisateur et non de celui du constructeur
de robots.
C'est pourquoi, en partant de la naissance d'un produit soudé, nous
avons présenté dans cette première partie les intervenants, les moyens, les
variables, ceci avant de présenter les robots de soudage eux-mêmes.
Tous ces éléments sont liés et leur synthèse sera faite dans le volume
traitant des Centres de soudage robotisés (Editions Hermès). Le robot de
soudage étant au cœur du dispositif, il ne pourra être convenablement
choisi et ne pourra effectuer convenablement son travail si des précautions
suffisantes ne sont pas prises au départ en tenant compte de l'ensemble
des contraintes auxquelles il sera soumis.
« Comprendre » un robot de soudage, c'est d'abord « comprendre » son
environnement, procédé compris. Chapitre 1
Les intervenants
1.1. FONCTIONS ET RELATIONS
Tout produit provient d'un besoin à satisfaire, suivant un processus qui
se développe en deux étapes. Au cours de la première, la définition du
produit naît de la prise de conscience et de la définition du besoin. Au
cours de la seconde, la réalisation du produit (étude et fabrication) se
développe sur la base d'une bonne définition de ses tenants et aboutissants.
L'objectif technique à atteindre sera la bonne adéquation au besoin, en
prenant en considération l'environnement, les conditions de transport, les
conditions d'installation et d'utilisation.
On tiendra compte, en particulier, des sollicitations de toute nature
auxquelles il devra résister (contraintes mécaniques, thermiques,
chimiques...), y compris en conditions accidentelles, et on évaluera les
risques potentiels en cas de défaillance.
Ces démarches mettront en présence deux interlocuteurs principaux que
sont l'acheteur et le constructeur. (Nous désignerons ainsi respectivement
celui pour qui le produit est fait de celui qui le fait, sachant qu'excep­
tionnellement ce peut être le même, ce qui ne change rien à la logique
du processus.)
De cette rencontre naîtront un ou plusieurs documents contractuels
(cahier des charges, cahiers de spécifications) initialement proposés par
l'acheteur, éventuellement corrigés ou complétés par le constructeur et
conjointement acceptés, dans lesquels devront être réunis tous les éléments
qui seront pris en compte pour réaliser et contrôler. On y précisera
également, chaque fois que nécessaire, les limites de fourniture.
Dès ce stade, les exigences de l'acheteur peuvent être précises, notamment
pour les matériaux, les types d'assemblage, les procédés et les produits de 24 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
soudage, les modes opératoires (préparation, préchauffage, condition d'exé­
cution des soudures, postchauffage et traitements thermiques), enfin les
contrôles.
En outre, on pourra préciser les conditions d'intervention d'autres inter­
venants, comme : le producteur ou revendeur de matériaux, le service ou
organisme de contrôle, l'organisme d'inspection.
Le rôle du producteur ou du revendeur de matériaux est important.
C'est, en particulier, par rapport au matériau et à sa présentation (nature,
épaisseur, forme) que seront choisis les procédés à utiliser et leur condition
de mise en œuvre. Les matériaux seront définis en référence à une norme
ou feront l'objet d'une spécification particulière.
Producteurs et revendeurs devront garantir leur fourniture. Les lots
pourront être accompagnés de certificats de conformité chaque fois que
nécessaire, contrôlés et marqués si besoin est.
Contrôleurs et inspecteurs sont les garants de la qualité et donc de la
sécurité lorsque des défauts de fabrication peuvent entraîner des défauts
de fonctionnement ou des accidents dangereux pour les personnes utilisant
le produit concerné, ou qui se trouvent dans son voisinage.
— Les contrôleurs sont des personnels spécialisés, membres de l'entreprise
qui construit ou d'un organisme auquel on fait appel.
— Les inspecteurs sont des spécialistes désignés par l'acheteur qui
appartiennent soit à son entreprise, soit à des organismes spécialisés. Tout
ceci mis en place permettra aux phases d'études et de fabrication de se
dérouler normalement. Celles-ci font appel à de nombreux autres inter­
venants dont les principaux (tous, ou en partie seulement, nécessaires
suivant les difficultés de réalisation des produits) sont :
— Les ingénieurs chargés d'affaires,
— Les bureaux d'études,
— Les ingénieurs spécialistes, laboratoires et centres d'essais,
— Les ateliers prototypes,
— Les bureaux des méthodes,
— Les services de planification et d'ordonnancement,
— Less d'approvisionnement,
— Les unités de fabrication,
— Les services entretien,
— Less de contrôle de la qualité.
Un exemple d'organisation d'une unité de production est donné en
figure 1.1., extrait de la Gestion de production assistée par ordinateur de
Guy Doumeingts, Dominique Breuil et Lucas Pun, éditions Hermès, 1985.
Les fonctions doivent être toujours remplies ; par contre, les schémas
d'organisation peuvent être différents. Dans une petite entreprise, ou même 25 LES INTERVENANTS
CONTROL E
ENTRETIE N D E
QUALIT É
BUREA U
BUREA U FABRICATIO N DE S
D'ETUDE S
METHODE S
PLANIFICATIO N
APPROVISIONNEMEN T
ORDONNANCEMEN T
Figure 1.1. La production
dans une grande lorsque l'on est en phase de lancement d'une nouvelle
activité, une même personne ou un même groupe peut remplir plusieurs
fonctions. Dee les spécialistes et les services peuvent être regroupés
de différentes manières : l'essentiel est que le regroupement soit efficace
pour la bonne marche de l'entreprise, c'est-à-dire en particulier, qu'il réduise
les conflits et permette une bonne et rapide circulation des informations
et des ordres.
REMARQUE : certains intervenants ne sont pas mentionnés dans notre
liste, puisque non explicitement désignés par le schéma de la figure 1.1.,
néanmoins ceux-ci existent. Ainsi les soudeurs et les robots de soudage !
Mais il nous a paru nécessaire d'attirer l'attention du lecteur sur l'importance
de certaines autres compétences ou fonctions.
1.2. LES CHARGÉS D'AFFAIRES
Ce sont des ingénieurs appartenant à l'entreprise qui construit ; ceux-ci
sont responsables de la réalisation des produits :
— conformité au cahier des charges et aux spécifications particulières
de l'acheteur, 26 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
— respect des coûts et des délais.
Ils prennent l'affaire en compte au plus tard dès la réception de la
commande ; si possible, ils assistent les services commerciaux dès que la
relation acheteur/constructeur est suffisamment établie. D'ailleurs, dans bien
des cas, en particulier dans les petites entreprises, ce sont les chargés
d'affaires qui effectuent le démarchage commercial.
Deux cas sont à prendre en considération.
— L'affaire est une affaire de soudage : le chargé d'affaire est alors un
soudeur qui doit posséder une expérience pratique des robots de soudage.
Il doit, à tout le moins, en connaître les possibilités et les limitations.
— L'affaire concerne la fabrication d'un produit où le soudage intervient :
le chargé d'affaire n'est généralement pas un soudeur et lorsqu'il n'est pas
suffisamment au fait des possibilités de ces techniques, il doit pouvoir se
faire assister par des spécialistes et ce dès la phase de conception. L'utilisation
des techniques de soudage offre, en effet, de nombreuses possibilités mais
impose aussi un certain nombre de contraintes qu'il faut connaître et dont
il faut savoir maîtriser les effets (cf. Procédés, volumes 1 et 2, de J. Cornu).
Toute opération de soudage devrait se définir et sa réalisation se préparer
dès la conception des produits à réaliser, au niveau de l'avant-projet.
Malheureusement, trop souvent, les bureaux d'études, quand ils ne sont
pas spécialisés, ne font appel à cette technique que lorsqu'elle s'impose à
eux par raison d'évidence : il n'existe pas d'autres moyens pour résoudre
le problème posé où l'assemblage à réaliser concerne des métaux classiques
et des techniques traditionnelles dont les règles de l'art sont bien connues,
couramment pratiquées et dont l'application simplifie le travail du dessi­
nateur. Il conviendrait plutôt de chercher toujours la meilleure solution
au problème posé d'un point de vue tant économique que technique, dès
que se présentent des problèmes d'assemblage, et de comparer les différentes
solutions envisagées, sachant que le temps passé à bien concevoir est le
plus rentable.
Veiller à ce que cette analyse soit effectuée fait partie des actions à
conduire par le chargé d'affaire quand le responsable du bureau d'études
n'en prend pas lui-même l'initiative. Il faudra, bien entendu, tenir compte
des moyens disponibles dans l'entreprise.
S'il s'agit d'une fabrication nécessitant l'emploi de moyens de soudage
nouveaux, le choix de ces moyens devra se faire en même temps que
l'étude des produits à réaliser, le tout convenablement intégré dans l'or­
ganisation des productions, grâce à une étroite collaboration entre le chargé
d'affaire et le responsable concerné des fabrications.
Dans tous les cas, pour les besoins des, il faudra disposer
d'un dossier de plans et d'une gamme de fabrication. Sur ces documents,
devront être mentionnées toutes les informations nécessaires à la bonne 27 LES INTERVENANTS
exécution non seulement des soudures (y compris la préparation des joints),
mais aussi celles utiles aux contrôles. Pour bien faire, il faudra tenir compte
des caractéristiques des robots, des machines de procédé et des autres
dispositifs associés. Les bureaux d'études et les bureaux des méthodes,
même lorsqu'ils sont bien familiarisés avec les techniques, ne le sont pas
toujours avec les moyens à mettre en œuvre lorsqu'il s'agit de robots. Si
l'on ajoute à cela que, dans certains cas, les matériaux utilisés ou les
formes de pièces peuvent poser des problèmes nouveaux, on ne saurait
trop conseiller aux chargés d'affaires et aux bureaux d'études qui travaillent
pour eux, de faire appel aux spécialistes.
1.3. LES SPÉCIALISTES, LES LABORATOIRES ET CENTRES
D'ESSAIS
Les spécialistes plus particulièrement concernés sont, bien entendu : les
soudeurs, les métallurgistes, les thermiciens, et les roboticiens.
Que les opérations de soudage soient robotisées ou non, les thermiciens
et les métallurgistes interviennent toujours de la même manière. Nous ne
nous étendrons donc pas sur leur cas. Disons simplement pour mémoire
que si l'on prêtait toujours une attention suffisante à ces deux aspects des
problèmes de soudage, on éviterait bon nombre d'ennuis ultérieurs. Rap­
pelons que des difficultés peuvent apparaître dès que l'on sort des sentiers
battus, à tous les stades de la fabrication, depuis les opérations de formage
et d'usinage (y compris pour la préparation des joints), jusque et y compris
au cours d'opérations de postchauffage.
Si, par exemple, pour des raisons de contrainte de destination du produit
on est amené à utiliser des matériaux inhabituels, il faudra aller au-delà
de la simple information concernant la composition de l'alliage pour prendre
en compte les conditions d'élaboration aussi bien que les méthodes de
mise en forme (laminage, moulage, forgeage, matriçage). Les essais de
soudage et la qualification des modes opératoires devront se faire sur des
pièces dont la préparation sera identique à celle pratiquée pour la fabrication
industrielle du produit. Ainsi, tel essai de soudage satisfaisant effectué sur
un alliage laminé à froid pourra donner de bons résultats, alors que les
pièces à souder qui doivent subir une opération de formage à chaud
entraînant une modification métallurgique de l'alliage, s'avéreront diffici­
lement soudables dans les conditions d'essais. Une différence notable de
préparation entre pièces d'essais et pièces de fabrication pourra entraîner
des conséquences semblables.
Ceci étant, revenons aux soudeurs et aux roboticiens qui sont concernés
par notre propos. Comme nous avons dit et comme nous verrons, dans
un premier temps du moins, la machine est étroitement dépendante des
procédés mis en œuvre, on est amené à souhaiter que les deux compétences 28 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
soient réunies chez le même spécialiste. Ce n'est actuellement encore que
très rarement le cas, mais il convient quand même de considérer que les
deux fonctions doivent être conjointement assurées. On peut aujourd'hui
constater que lorsque la machine est bien choisie, ce sont essentiellement
des problèmes de soudage qu'il faut régler et c'est l'ingénieur soudeur qui
restera le spécialiste principalement concerné.
Qu'on ne s'étonne pas ici de l'importance donnée aux spécialistes du
soudage : le soudage ne s'apprend pas seulement en théorie mais aussi en
pratique. L'utilisation de centres de soudage robotisés, comme la pratique
du soudage automatique sur machines spécialisées, reste une opération de
soudage, mais complexe, car elle nécessite que l'on sache tenir compte du
fait qu'entre l'opérateur et la « torche » se trouve un intermédiaire actif : le
robot ou la machine. Cet intermédiaire est loin d'être transparent. Il faut
donc savoir bien le maîtriser pour en tirer le meilleur profit. En conséquence,
si l'on veut souder au moyen de robots, a fortiori si l'on veut, pour ce
faire, robotiser un procédé pour réaliser des assemblages soudés en continu,
nous pensons qu'il faut que ce soit le soudeur qui acquiert les compétences
du roboticien pour que soit bien pratiquée sa technique (ou son art). Ces
spécialistes sont donc à former dans les écoles d'ingénieurs soudeurs. En
attendant, le chargé d'affaire devra veiller à ce qu'il y ait cohérence entre
les propos divers issus d'interlocuteurs différents.
Afin de remplir leur rôle, les spécialistes doivent disposer des moyens
que sont les laboratoires et les centres d'essais. Dans les laboratoires, sont
effectuées les études de faisabilité concernant plus particulièrement les
possibilités, les conditions de mise en œuvre de tel ou tel procédé, le
choix des produits, la définition des conditions d'exécution des cordons
avec la détermination des paramètres de soudage, les contrôles : le soudage
s'effectuant sur des « machines » plus performantes que les soudeurs
manuels, on recherchera à utiliser au mieux toutes les possibilités des
robots. C'est à partir des études de laboratoire que pourront s'élaborer
des bases de données qui permettront d'intégrer dans la XAO un terme
propre au soudage qui manque encore aujourd'hui, bien que des travaux
sur ce thème soient en cours dans plusieurs laboratoires.
Le laboratoire n'a généralement pas pour vocation de prendre en compte
tous les aspects industriels du soudage robotisé. La mise en œuvre par un
robot des moyens de soudage nécessaires à la réalisation de tel ou tel
assemblage nécessite, chaque fois que le problème posé est trop complexe
et (ou) trop nouveau pour que l'on puisse faire confiance à la seule
expérience acquise, des essais qui serviront suivant les cas :
— à la qualification sur machine du ou des procédés choisis,
— au choix et à la qualification du ou des robots et du ou des équipements
de soudage associés, LES INTERVENANTS 29
— à la configuration ou à la détermination de gammes de soudage avec
vérification du comportement des assemblages en fonction des préparations,
pointages, bridages, préchauffages préconisés,
— à la qualification des opérateurs, si ce n'est en premier lieu à leur
formation,
— à l'adéquation de tel capteur,
Enfin, en anticipant quelque peu sur le contenu de Centres de soudage
robotisés, nous ferons remarquer l'intérêt que ces centres expérimentaux
revêtent.
Il est bien évident que plus l'expérience du constructeur (bureau d'études,
bureau des méthodes, unités de fabrication) est grande, moins l'apport des
laboratoires et centres d'essais est important et plus les spécialistes peuvent
se consacrer à l'étude de problèmes nouveaux permettant de faire évoluer
les techniques et leurs conditions d'emploi. Mais au sein des entreprises,
la robotisation est encore insuffisante et de ce fait ne permet pas qu'un
tel niveau d'expérience soit atteint.
Les laboratoires et centres d'essais n'existent pas, tant s'en faut, dans
toutes les entreprises de construction, même quand la part du soudage y
est importante. MPE et MPI doivent en particulier faire appel à l'extérieur.
A côté des laboratoires et centres d'essais des grandes entreprises qui en
disposent pour leurs propres besoins, on en trouve :
— dans des organismes spécialisés comme l'Institut de Soudure en France
et ses homologues à l'étranger,
— en France également, dans quelques organismes publics de recherche
et développement technologique,
— chez des constructeurs ou revendeurs de robots ou de matériels de
soudage, assez souvent dans le cadre d'associations comme ASEA-ESAB.
1.4. LES SERVICES PROTOTYPES
Le passage par les laboratoires ou centres d'essais, qu'ils soient internes
à l'entreprise ou extérieurs, nécessite que soient préparées les pièces
(éprouvettes, modèles, pièces prototypes) et les montages qui leur seront
remis pour essais. Le terme « services prototypes » désigne les personnes
chargées de ces réalisations. Dans les petites entreprises ce sont généralement
les outilleurs et les ajusteurs monteurs, les usinages étant réalisés par les
personnels des fabrications ; dans les grandes entreprises, ces activités sont
souvent regroupées au sein d'unités qui sont à la disposition des bureaux
d'études et des services de recherche. Dans tous les cas, il nous paraît
important, et c'est notre seul propos sur ce sujet, que les personnels qui 30 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
travaillent sur des ensembles à souder, des montages, des préparations de
soudage, soient bien informés des procédés et des moyens qui seront mis
en œuvre et qu'ils participent suffisamment aux essais, du moins les plus
significatifs, afin qu'ils assimilent bien les techniques utilisées, ressentent
convenablement les précautions à prendre, comprennent correctement les
informations communiquées et interprètent utilement les ordres donnés.
1.5. CONCLUSION
Les acteurs ainsi sommairement présentés, qui prennent part à la naissance
et à la réalisation d'un produit soudé, interviennent suivant leur niveau
de responsabilité, les missions qu'ils ont à accomplir et leur compétence
pour : décider, concevoir, planifier, acquérir, fabriquer, vérifier, livrer, et
cela en reprenant les sept fonctions simples du CAMI (Computer Aided
Manufacturing International).
Dans le cas de la réalisation d'un produit soudé, un exemple d'enchaî­
nement logique des actions à accomplir est présenté dans la figure 1.2. qui
fait, bien entendu, plus particulièrement apparaître les niveaux d'intervention
des spécialistes du soudage robotisé. Nous avons volontairement choisi un
cas complexe qui nécessite le passage par des étapes intermédiaires du
type qualification de procédés, de matériels, de formes de joints ou de
pièces, etc.
Lorsqu'il s'agit de pièces simples en matériaux bien connus dont les
conditions de présentation devant la torche ne posent pas de problèmes,
on pourra brûler les étapes ; c'est le privilège du spécialiste que de pouvoir
prendre de telles décisions.
Toujours dans le cas de produits nécessitant des choix de procédés,
d'équipements, de robots, la figure 1.3. détaille les actions à conduire par
ces mêmes spécialistes afin que soient satisfaites les exigences des chargés
d'affaires, des bureaux d'études, des bureaux des méthodes, des unités de
fabrication et des contrôleurs.
Nous traiterons plus à fond les problèmes posés par l'introduction de
robots dans les unités de fabrication dans l'ouvrage consacré aux centres
de soudage robotisés, tout en situant dès maintenant le robot dans les
ateliers de fabrication de produits soudés : un objet appartenant à un
ensemble ne peut être bien compris que s'il est « saisi » dans son envi­
ronnement. 31 f niveaux ^ r
d'intervention nature
des autres des
principaux spécialistes
intervenants soudage et
S. robotique /
détection d'un besoin
définition du produit
capable de le satisfaire
autres spécialistes établissement faisabilité :
suivant nature cahier des charges
procédés possibles
et destination cahier des spécifications moyens utilisables
du produit techniques
bureau d'études avant-projet et projet
sélection
des procédés
et des
moyens de
unité de fabrication
mise en oeuvre étude des conditions service de planification
de fabrications et d'ordonnancement
dans l'entreprise
bureau des méthodes
-sous-traitance- services d'approvisionnement
études-réaiisation-^ssais bureau d'études
éprouvettes, modèles atelier prototypes
prototypes services de contrôle
conditions
de mise en oeuvre
des procédés
et des moyens
établissement des dossiers bureau d'études
de plans
bureau des méthodes
bons pour fabrication
service d'approvisionnement
approvisionnement spécification service de planification
des matériels mise en place et d'ordonnancement
programmation mise en service unités de fabrication
essais sur site des moyens de fabrication service entretien
maintenance
fabrication
constructeur :
service de
planification
spécifications et d'ordonnancement
contrôles d'exécution et unités de fabrication
inspections d'exploitation services de contrôle
des résultats
acheteur :
inspecteurs
livraison
Figure 1.2. Les principaux intervenants et leurs actions pour la réalisation d'un
produit nécessitant ou justifiant des opérations d'assemblage en soudage par fusion
en continu et Vutilisation de robots de soudage caractéristiques géométriques et mécaniques des pièces à souder
nature des métaux
contraintes de service et de l'environnement en service
choix du ou des procédés
évaluation des paramètres
de soudage
(savoir faire, abaques, FAO)
spécifications évaluation
concernant les des effets
assemblages thermiques
spécifications
stratégie concernant
de soudage la préparation
des pièces
analyse des conditions
de présentation des pièces
analyse des champs en fonction
des pièces et des montages
des positions de torche
de l'environnement
choix des matériels choix du ou des choix des annexes
de soudage robots de soudage (péri robotique)
et des montages
analyse des conditions
d'intégration
définition des conditions définition des conditions définition des conditions
de s de prèchauftage de présentationde mise en oeuvre
de postchauffage ensemble^ à souder des moyens de soudage
i ;—
enchaînement des séquences
programmation
définition des contrôles et des
moyens à mettre en oeuvre
méthodes de mesure
exploitation des résultats
Figure 1.3. Les interventions des spécialistes soudage et robotique des laboratoires
et centres d'essais, au cours différentes phases d'études et de fabrication d'un
produit nécessitant ou justifiant des opérations d'assemblage en soudage par fusion
en continu et l'utilisation de robots de soudage
intervention au intervention au niveau
intervention au niveau intervention sur le produit
niveau des contrôles ' de la mise en oeuvre des équipements
au niveau du ou des procédés
. des équipements Chapitre 2
Les moyens
ou les robots de soudage
et leur environnement
industriel
2.1. LES MOYENS D'UN ATELIER DE SOUDAGE
Nous les définirons comme l'ensemble des mécanismes, machines, systèmes
mécaniques, électriques, électroniques ou informatiques qui concourent
matériellement à la réalisation d'une opération d'assemblage par soudage.
L'énumération qui suit (assortie de quelques définitions ou commentaires
destinés à préciser le sens des termes utilisés lorsqu'ils ne sont pas encore,
ou pas tout à fait, du langage conventionnel), bien que ne prétendant pas
être exhaustive, paraîtra peut-être fastidieuse et rebutera même certains
lecteurs par le nombre des « objets » recensés.
Le technicien désireux de « robotiser » quelques opérations de soudage
dans une petite entreprise peut réaliser des opérations simples sur des
matériaux bien connus et sur des pièces de petite et moyenne dimensions,
sans utiliser tout l'arsenal présenté ; seule une partie de l'énoncé l'intéresse
alors. On peut très bien mettre en œuvre un robot dans un coin de garage
(eh oui ! cela se fait) avec, pour tout environnement, un bâti mécano-
soudé de dépose et de présentation des pièces préalablement pointées. Si
le robot est un TRALFA équipé, ou plus récemment un MAC 2000 par
exemple, le soudeur pourra faire sa programmation en prenant la torche
en main et en effectuant lui-même son cordon après avoir affiché sur son
générateur les paramètres désirés ; avec d'autres il fera presque de même 34 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
mais en utilisant une boîte à boutons ou tout autre moyen de commande
(cf. Robots de soudage, commande et programmation, de J.-M. Détriché,
Hermès, 1987). Mais si l'on veut, avec plus de moyens, rationaliser
conception et fabrication, si l'on réalise de grandes séries de pièces soudées,
si l'on dispose d'une assistance par ordinateur pour la conception et la
fabrication, si l'on prend le pari de conquérir des marchés en automatisant
radicalement les productions, alors on peut et il faut tenir compte de la
riche palette de moyens à mettre en œuvre et l'utiliser au mieux.
Nous venons ainsi de fixer le cadre de l'énumération et de la description :
celui des ateliers de production au sein desquels les robots de soudage
ont de plus en plus leur place et pour lesquels ils doivent être bien adaptés.
Les pièces sont de petites ou moyennes dimensions, mobilisables dans
l'espace, c'est-à-dire transférables d'un poste à un autre avec des moyens
classiques d'atelier et orientables afin d'être présentées dans la meilleure
position possible devant l'équipement de soudage (torche ou tête laser,
par exemple). Cela n'exclut d'ailleurs pas que le robot puisse être lui-
même déplacé afin que soient encore améliorées ces conditions de pré­
sentation.
Il existe des cas où les assemblages sont de grandes dimensions, à souder
à poste fixe, opérations qui sont plus du type « chantier » que du type
« atelier ». C'est alors le soudeur ou le robot qui sont déplacés pour souder
en position. C'est, par exemple, le cas de la construction navale ou off­
shore, de la construction de certains grands ouvrages d'art ou de composants
de très grandes dimensions comme les cuves de centrales nucléaires. Nous
aurons l'occasion d'aborder ultérieurement ce propos sous l'aspect des
contraintes d'environnement ou de tâches qui conduisent à adapter les
moyens et les procédés pour aller parfois jusqu'à la réalisation de robots
« très spécialisés ». Le lecteur fera facilement de lui-même la transposition
d'organisation nécessaire entre ces cas particuliers et ce qui suit.
2.2. LES MOYENS GÉNÉRAUX DE L'ENTREPRISE
OU DE L'ATELIER INTERVENANT AVANT LES OPÉRATIONS
DE SOUDAGE
Pour la clarté de l'exposé nous avons regroupé ces moyens en neuf
catégories principales. Des regroupements sont également effectués dans
les paragraphes suivants.
1. Les moyens de gestion, de stockage et de contrôle des approvision­
nements en produits semi-ouvrés ou manufacturés.
2. Les moyens de transformation et de préparation des pièces à assembler.
3. Less de stockage des pièces préparées.
4. Les moyens de manutention et de transfert. LES MOYENS 35
5. Les magasins d'outillage des éléments, dispositifs ou mécanismes de
bridage et de positionnement.
6. Les alimentations en fluides, y compris de refroidissement.
7. Les moyens de gestion, de stockage et de contrôle des électrodes et
métaux d'apport.
8. Les moyens de gestion, de stockage et de contrôle des fluides des
procédés.
9. Les systèmes généraux d'aspiration, de ventilation et de protection.
2.3. LES MATÉRIELS DE SOUDAGE
ET LES MOYENS DE MISE EN ŒUVRE DU PROCÉDÉ
(robots et équipements de périrobotique directement associés)
Ils sont regroupés de façon fonctionnelle pour constituer des centres de
soudage. Ils constituent les moyens qui participent à la réalisation, sur un
même lieu, d'une opération complète de soudage c'est-à-dire qui effectuent,
ou permettent d'effectuer, toutes les tâches comprises entre le chargement
et le déchargement des pièces convenablement préparées, positionnées et
bridées.
Ils comprennent :
1. Le ou les robots avec leurs outils de programmation.
2. La ou les têtes de soudage, c'est-à-dire le ou les terminaux * compre­
nant :
— supports d'effecteur,
— effecteurs (torche TIG, MIG, plasma, tête laser),
— supports des systèmes de détection de joint,
— systèmes de détection de joint,
3. Le ou les positionneurs des pièces à souder pour que celles-ci soient
convenablement présentées devant la torche.
4. Le ou les porteurs de robot(s) lorsqu'il faut le(s) déplacer pour
permettre, faciliter ou améliorer les conditions d'accès aux joints à souder.
5. Les équipements de soudage :
— générateurs,
— systèmes d'alimentation en métaux d'apport,
— montages de positionnement et de bridage,
* Terminal — Définition AFNOR : dispositif fixé au poignet au moyen du coupleur et
qui sert à effectuer le travail du robot industriel (voir 4.3.1. et chapitre 8). 36 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
— systèmes de distribution des fluides du procédé,
—s de circulation dess de refroidissement,
— systèmes de préchauffage.
6. Les dispositifs de contrôle en temps réel :
— supports de systèmes de détection des variables du procédé,
— détecteurs.
7. Les dispositifs de sécurité propres au centre de soudage.
8. L'ensemble de contrôle-commande.
2.4. LES CONSTITUANTS DES ROBOTS DE SOUDAGE
ET DE LEUR COMMANDE
Dans un environnement où les moyens utilisés sont encore, pour la
plupart, traditionnels, ce sont essentiellement les robots qui représentent
la part innovatrice que l'on trouve dans les centres de soudage des
installations automatisées. Ils remplacent les soudeurs ou les machines
automatiques de soudage. Les positionneurs, après les robots, font l'objet
de développements importants.
Pour ce qui concerne les robots, c'est l'organisation et l'association des
constituants qui les composent qui font leur originalité dans la mesure où,
comme le soudeur, mais cependant moins que lui, ils sont flexibles et
adaptatifs ; et telles les machines automatiques, mais cependant pas encore
tout à fait autant qu'elles, ils sont sûrs, fiables et rapides.
Les fonctions des différents constituants composant les robots et les
moyens de leur mise en œuvre, sont présentées dans la liste suivante.
Pour la machine
1. Constituants structuraux : supporter et permettre la mobilisation du
terminal et des moyens nécessaires à sa mise en œuvre (motorisation et
transmission, systèmes d'équilibrage...).
2. Actionneurs : transformer l'énergie en travail mécanique (motorisation
par moteurs électriques ou hydrauliques, vérins).
3. Transmissions — Réductions : transmettre le mouvement de l'actionneur
à l'élément final mené en ajustant les caractéristiques der aux
besoins, en couple et en vitesse, des organes à mobiliser. Dans certains
cas, tout ou partie de la réduction est intégrée à l'actionneur.
4. Systèmes d'équilibrage : limiter les dépenses en énergie et les besoins
en puissance en compensant les effets de la pesanteur. Eviter les « chutes »
intempestives du bras en cas de défaut d'alimentation des actionneurs
(pannes-arrêts d'urgence...). LES MOYENS 37
5. Les capteurs : mesurer les états et les conditions de fonctionnement
(position, vitesse, accélération, force...) des organes mobiles intervenant
pour l'exécution de la tâche.
Pour l'énergie et la commande
Suivant J.-M. Détriché, le matériel de commande et de programmation
est constitué des éléments suivants : le contrôleur, le pupitre, le dispositif
d'apprentissage ;s que cet auteur décrit ainsi que leur fonction­
nement. Ce sont les différents moyens d'animation des machines présentées
en deuxième partie de ce volume.
Avant d'aborder les détails des problèmes de programmation et de
commande, nous mentionnerons simplement, sous forme fonctionnelle, les
différents composants afin que le lecteur puisse avoir une idée d'ensemble
qui éclaire la suite de notre propos.
1. Outils de programmation : permettre l'écriture et la mise en œuvre
des programmes.
2. Alimentations : fournir l'énergie et la puissance suffisantes aux différents
organes de la machine, qu'ils soient électriques, hydrauliques ou pneu­
matiques.
3. Asservissements et amplifications : ajuster les lois de commande et la
fourniture de la puissance aux impératifs de la commande et aux besoins
des actionneurs.
4. Calculateur : stocker, traiter, restituer pour commander et contrôler
les informations liées à la programmation et à l'exécution de la tâche.
5. Unité centrale, superviseur, CPU (carte unité principale) : gérer l'en­
semble des informations intéressant le robot, y compris celles ayant trait
au fonctionnement du centre de soudage ou du système robotique dans
lequel il est intégré.
6. Unité de procédé : adapter la machine au procédé.
7. Dispositifs de sécurité : assurer au fonctionnement de l'ensemble des
conditions de sécurité satisfaisantes.
8. Interfaces : recevoir et transférer sous forme convenable les infor­
mations entre le robot et les autres composants du système.
La localisation des éléments réalisés pour remplir ces diverses fonctions
est différente suivant les constructeurs et les robots. Elle doit être le
résultat d'analyses techniques, économiques et ergonomiques. Le meilleur t est souvent obtenu lorsque sont convenablement pris en compte
par le concepteur, les exigences du procédé et les contraintes d'environ­
nement.
Les constituants mécaniques structuraux sont le squelette des robots qui
seront décrits de façon détaillée dans la suite de cet ouvrage. 38 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
Les autres constituants qui permettent à cette machine de fonctionner,
et qui ne sont pas physiquement liés à sa structure mécanique, sont répartis
de différentes manières suivant les constructeurs et la nature des actionneurs
utilisés (électriques, hydrauliques ou pneumatiques).
ACM A ROBOTIQUE, pour ses robots hydrauliques, avait choisi une orga­
nisation telle que commande et puissance étaient séparées. La baie de
commande est commune à toute une famille de robots. Pour les robots
électriques, la centrale hydraulique est remplacée par une armoire électrique.
Ces deux organisations sont présentées par la figure 2.1. avec, comme
exemple, les robots type 80 et un T H 8. Pour ses robots électriques « nouvelle
gamme », le même constructeur a tout rassemblé, énergie et commande,
dans une armoire unique V5E, dont une version est visible avec la figure 2.2.
Dans certains cas, il peut être intéressant de séparer les fonctions et
d'organiser les matériels pour qu'ils puissent être répartis sur les sites.
MITSUBISH I propose (figure 2.3.) une organisation qui facilite l'accès en
espace limité aux différentes fonctions.
Dans un centre robotisé, les dispositifs ou outils de programmation et
plus généralement tout ce qui permet le dialogue entre l'opérateur, le
robot et les machines associées (en particulier les positionneurs), prennent
de l'importance. On passe du travail manuel où l'homme fait, au monde
de l'automatique où l'homme fait faire. Dans ce monde-là, plus la machine
est versatile, sans pour autant devoir être adaptative, et plus la participation
de l'homme et le dialogue homme/machine occupent une grande place.
Ainsi, pour une « machine spéciale », il suffit à la limite d'appuyer sur le
bouton « marche » puisqu'elle sait, par construction, ce qu'elle doit faire
et comment le faire. La fonction de l'homme est strictement nourricière :
approvisionner, alimenter, transférer...
Avec un robot, il faut effectuer les opérations d'apprentissage chaque
fois que l'objet d'application de la tâche change. Le compagnon n'est plus
seulement celui qui alimente et qui commande en tout ou rien. Il est
maintenant celui qui enseigne. Dominique Roget et Patrick Millot donnent
de l'activité humaine due à l'introduction d'un robot à un poste de travail,
le schéma de la figure 2.4.
Certes, les outils de programmation sont de types très différents. Disons
simplement ici qu'ils peuvent être implantés :
— sur le robot (par exemple une poignée qui permet de mobiliser, à
la main, le terminal pour lui faire accomplir la trajectoire désirée dans
l'espace, la mémoriser et la reproduire),
— sur la baie, intégrés à un pupitre,
— associés à la baie mais physiquement indépendants : boîtes à boutons,
syntaxeurs. 39 LES MOYENS
H8 0
1
BAI E
V8 0
1
CENTRAL E
HYDRAULIQU E
G8 0
1
ARMOIR E
ELECTRIQU E
BAI E
3 _ ,
Figur e 1-1
Figure 2.1. Organisation des systèmes so et THS. Répartition physique des principaux
constituants (doc. ACM A ROBOTIQUE) 40 SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU
pupitre mobile
Figure 2.2. Armoire VSE, ACMA-RESAULT 41 LES MOYENS
System controller
robot
casette
magnetic
tape
sensor
interface unit
arc welding
operator's
power supply
console
teaching
pendant opération
pendant
Figure 2.3. Un ensemble de programmation et contrôle commande proposé par
MITSUBISHI
homme
informations ordres
homme
interface
informations actions
commandes. informations
actions
robot machine machine
Figure 2.4. Evolution de l'activité humaine due à l'introduction d'un robot sur un
poste de travail
La programmation peut également être faite hors site, par clavier, à
partir ou non d'outils de CAO-FAO.
Toutes ces considérations ne sont pas sans importance quant à l'utilisation
des moyens, à leur intégration sur site et quant à la qualification des
opérateurs. Il y aura lieu d'en tenir compte lorsque l'on voudra monter SOUDAGE PAR FUSION EN CONTINU 42
un centre de soudage dans un atelier où les contraintes d'environnement,
de compétence, de moyens existants doivent être prises en considération.
2.5. LES ÉQUIPEMENTS PÉRIROBOTIQUES
INDIRECTEMENT ASSOCIÉS AU ROBOT
Autour, à côté du centre de soudage et à l'intérieur du système robotique,
on trouvera, lorsque ces travaux ne sont pas à la charge de personnels
ouvriers, les divers équipements ci-dessous énumérés.
1. Les moyens de mise en place et de préassemblage des pièces et
ensembles à souder sur les montages de positionnement et de bridage
(présentation).
2. Les systèmes d'amenage et d'alimentation effectuant la mise en place
automatique des montages sur les positionneurs après préassemblages des
pièces (positionnement).
3. Les systèmes automatiques de reprise (éjection et démontage) et de
transfert des sous-ensembles ou produits finis ou à finir.
4. Les dispositifs particuliers de protection et de sécurité.
5. La ou les armoires de contrôle-commande de l'ensemble.
Enfin, la suite des opérations de fabrication liées à la production mettra
également en œuvre, à l'intérieur ou à l'extérieur du système robotique
ou du centre de soudage, suivant qu'ils leur sont affectés ou non, certains
moyens mentionnés dans le paragraphe qui suit.
2.6. LES MOYENS GÉNÉRAUX DE L'ENTREPRISE
OU DE L'ATELIER INTERVENANT
APRÈS LES MOYENS DE SOUDAGE
Ceux-ci peuvent être répartis selon l'ordre ci-après.
1. Les moyens de manutention.
2. Less de contrôle a posteriori (contrôle de la qualité).
3. Les moyens de postchauffage.
4. Les équipements de stockage des produits avant livraison, emballage
et expédition.
Le schéma de la figure 2.5. représente une organisation de ce genre
comportant deux centres de soudage pour la réalisation de deux produits
différents avec un seul robot. Le schéma de la figure 2.6. montre deux
centres de soudage pour la réalisation d'un seul produit constitué d'une
pièce rapportée sur un sous-ensemble soudé. stockage des produits semi-ouvrés! stockage des pièces sous-traitées
préparations non demandées mise en forme
à la sous-traitance usinage préparation
stockage intermédiaire des pièces préparées
alimentation alimentation
des composants des composants
alimentation en produits de soudage
d'un produit A d'un produit S
système robotique
de soudage
présentation présentation
bridage -Ç> bridage
• préassemblage préassemblage
matériels matériels
de soudage de soudage
transfert du robot
contrôle contrôle
commande commande
éjection éjection
démontage démontage
superviseur
e r contrôle de la qualité 1 contrôle de la qualité
postchauffage
traitements de finition
em e2 contrôle de la qualité
stockage - emballage - expédition
livraison au client
Figure 2.5. Exemple d'organisation d'un système robotique à deux centres de soudage
et un seul robot
transfert des montages
transfert des montages stockage des produits stockage des pièces
semi-ouvrés sous-traitées
préparations non demandées mise en forme
à la sous-traitance usinage préparation
stockage intermédiaire des pièces préparées
alimentation alimentation alimentation alimentation
en composants en produits en produits en pièces
de soudage d'un sous-ensemble complémentaires de soudage
système robotique
présentation de soudage I
présentation b rid age
^> bridage assemblage
assemblage
centre n° 2
matériels matériels
de soudage de soudage
positionneur' positionneur
controle contrôle centre n° 1
commande commande
éjection
démontage
superviseur
transfert des montages
contrôle de la qualité iransfert (produit fini)
stockage - emballage - expédition
livraison au client
Figure 2.6. Système robotique à deux centres de soudage
Centre n° 1 : assemblage d'un sous-ensemble composé de pièces soudables sans
intervention sur leur montage
Centre n° 2 : soudage d'une ou plusieurs pièces rapportées sur le sous-ensemble
préalablement soudé 45 LES MOYENS
Les combinaisons de moyens sont, en effet, multiples, mais s'il est
possible de donner libre cours à l'imagination, encore faut-il que les
caractéristiques des équipements disponibles, leur implantation et les moyens
de contrôle-commande le permettent... et que les programmes assurent au
système suffisamment de souplesse.