WO2010010253A1

WO2010010253A1 - Platine et procede de mesure d'un effort de coupe

Info

Publication number: WO2010010253A1
Application number: PCT/FR2009/000907
Authority: WO
Inventors: Arnaud Larue; François LAPUJOULADE
Original assignee: ARTS
Current assignee: ARTS
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2011-01-22
Also published as: FR2934368A1; FR2934368B1

Abstract

L' invention concerne une platine de mesure d'efforts à compensation inertielle comportant une plaque de base (4), une plaque supérieure (5) et des capteurs de force piézo-électriques bridés entre chacune des plaques (4,5), caractérisée en ce que la plaque supérieure (5), destinée à coopérer de manière rigide avec une pièce à usiner ou un outil d'usinage est triangulaire et le nombre des capteurs égal à trois tandis qu'elle comprend en outre un jeu de six accéléromètres uni-axiaux (10 à 15) dont trois (10,11,12) sont orientés dans le sens de l'épaisseur de la platine, et les trois autres (13,14,15), logés dans le plan de la platine avec deux d'entre eux (13,14) perpendiculairement à l'un de ses cotés et le dernier (15) parallèlement à ce dernier. Le procédé de mesure utilisant la platine consiste à identifier le capteur par une méthode des moindres carrés, afin de connaître la masse (m) de l'ensemble et la position de son centre de gravité et à traiter par le calcul la valeur du signal de mesure de la platine pour en extraire la valeur de l'effort de coupe par soustraction à la valeur de mesure la valeur calculée des forces d'inertie du type masse multipliée par accélération.

Description

Platine et procédé de mesure d'un effort de coupe.

La présente invention concerne une platine de mesure d'efforts de coupe pour machine-outil d'usinage et le procédé qu'elle permet de mettre en oeuvre.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

La mesure d'efforts de coupe est importante dans le domaine de l'usinage. Il est nécessaire de disposer d'une technologie permettant cette mesure. En effet, dans une machine d'usinage, des forces existent au cours de l'opération, entre la pièce en cours d'usinage et l'outil. Il existe bien entendu une corrélation entre la déformation et la force qui l'engendre. En outre, la mesure des forces en cours de processus est d'une grande importance pour les opérations d'usinage préprogrammées. Une divergence des valeurs mesurées par rapport à des valeurs de consigne permet d'apporter les corrections nécessaires .

Par ailleurs, l'observation quantitative du phéno- mène de coupe, permet de le comprendre et de le modéliser pour fournir une assistance dans les choix concernant l'optimisation du processus de coupe.

On connaît plusieurs capteurs de mesure, se diffé- rentiant d'une part, par le nombre de composantes de l'effort qu'ils sont capables de mesurer (au maximum six composantes : résultante et moment de l'effort projetés dans les trois directions de l'espace), et d'autre part, par leur architecture (dynamomètres stationnaires ou rotatifs) . Les capteurs de mesure des dynamomètres rotatifs sont directement reliés à l'outil tournant, tandis que les dynamomètres stationnaires sont reliés aux efforts de coupe par le fait qu'ils appartiennent à un élément fixe formant le support de l'outil ou de la pièce.

Des dynamomètres à trois composantes comporte, de manière connue, entre deux plaques parallélépipédiques, quatre capteurs à trois composantes, chaque capteur comportant deux quartz de cisaillement et un quartz de compression. Les deux plaques sont bridées l'une sur l'autre avec précontrainte . Ces capteurs connus s'analysent comme des systèmes élastiques avec une plaque rigide montée sur des ressorts que sont les capteurs piézo-électriques : ils présentent une fréquence de résonance très marquée et une grande sensibilité aux mouvements de leur support qui les rendent peu aptes à la mesure des efforts de coupe lors des régimes transitoires de fonctionnement de la machine.

En effet, un dynamomètre soumis à des forces variables est le siège de mouvements qui induisent des forces d'inertie qui se superposent aux forces à mesurer. Il en résulte une détérioration du signal mesuré qui peut aller jusqu'à une dénaturation complète si les forces d'inertie deviennent du même ordre de grandeur ou sont supérieures aux forces à mesurer. Cet effet est particulièrement important lorsque la fréquence d'excitation est voisine des fré- quences propres du dynamomètre.

Les fréquences de résonance des capteurs connus s'étendent sur une plage allant généralement entre 0.5kHz et 5kHs . Ces fréquences sont différentes d'un axe de mesure à l'autre (les différentes directions des composantes de l'effort mesuré) .

Ces capteurs conviennent, par exemple, pour une opération de rainurage dans laquelle les signaux d'efforts de coupe sont principalement constitués de l'harmonique correspondant à la fréquence de passage des dents de l'outil car dans ce cas, l'excitation de coupe ne dépasse généralement pas les valeurs de fréquence propre du capteur. Ainsi par exemple, un outil à quatre dents qui rainure une pièce en tournant à 15 000 tr/min donne une fréquence d'excitation d'ikHz, qui est inférieur à la valeur de ka fréquence propre de certains dynamomètres. La mesure des efforts de coupe est alors possible. Cependant l'erreur croît lorsque la vitesse de rotation s'élève.

En revanche, dans une opération d'usinage à grande vitesse ou une opération d'usinage du genre fraisage de profil sur une faible épaisseur, les efforts de coupe sont beaucoup plus discontinus. Leur spectre fréquentiel comporte alors des harmoniques très élevés susceptibles de provoquer la mise en résonance de la plaque supérieure des dynamomètres. Dans ces conditions, les mesures recueillies sont très perturbées.

Il existe donc un besoin non satisfait d'une platine de mesure insensible aux vibrations des capteurs qui sont importantes notamment dans les régimes transitoires des opérations de coupe qui caractérise les opérations de coupe à grande vitesse, fortement discontinue, à faibles niveaux d'effort, ou les usinages de parois minces ou de profils polynomiaux.

En outre, la demande d'une mesure d'efforts de coupe fiable, quelles que soient les conditions de le coupe, est grande pour de multiples raisons. En effet, elle est de plus en plus utile pour ce qui concerne la préparation de processus de coupe (phase de réception machine, mise en place de couple outil/matière, ...), lorsqu'on fait de la recherche et du développement (mise au point, ana- lyse, optimisation de fonctionnement, détermination des lois gouvernant les opérations de coupe en dynamique, simulation... et lorsqu'on surveille en temps réel les processus de coupe .

OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour premier objet une platine de mesure d'efforts à compensation inertielle comportant une plaque de base, une plaque supérieure et des capteurs de force bridés entre chacune des plaques, dans laquelle la plaque supérieure destinée à coopérer de manière rigide avec une pièce à usiner ou un outil d'usinage est indéformable de manière que ses fréquences propres soient situées à un niveau supérieur à 10 kHz, en ce que le nombre des capteurs de force est au moins égal à trois et en ce qu'elle comprend un jeu d'au moins six accéléromêtres uni- axiaux.

Par le moyen des accéléromêtres, il est possible de déterminer les six composantes de l'accélération de la plaque supérieure qui sont exploitées par le calcul pour soustraire des résultats de la mesure effectuée par les cap- teurs de forces, la composante inertielle qui vient s'y surimposer .

De manière préférée, la plaque supérieure est de forme triangulaire, le nombre de capteurs étant égal à trois et trois accéléromêtres sont orientés dans le sens de l'épaisseur de la platine tandis que les trois autres sont logés dans le plan de la platine, avec deux d'entre eux perpendiculaires à l'un de ses cotés et le dernier parallèle à ce dernier.

Une procédure de calibration très simple permet de déterminer la masse et la position du centre d'inertie de l'ensemble formé par la plaque supérieure et l'objet qui y est fixé.

L'invention a pour second objet un procédé de mesure d'efforts de coupe notamment en période transitoire ou pour de grandes vitesses de coupe en utilisant la platine ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d' identification de la platine avant sa mise en fonctionnement, afin de connaître la masse (m) de l'ensemble et la position de son centre d'inertie et à traiter par le calcul la valeur (Fmes) du signal de mesure de la platine pour en extraire la valeur de l'effort de coupe (Fapp) .

Cette étape d'identification est remarquable en ce qu'elle comprend l'application d'un choc sur la plaque supérieure de la platine au moyen d'un marteau non instrumen- té. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS II sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 est un schéma illustrant le fondement théorique de la platine selon l'invention,

- la figure 2 et 3 représentent par deux vues sché- matiques orthogonales une platine de mesure conforme à

1 ' invention.

Le principe de base de la compensation est simple. Dans le cas d'une platine, théorique, comme illustrée par la figure 1, à un seul capteur, la platine 1 comporte deux plaques parallèles 2 et 3 entre lesquelles un capteur pié- zo-électrique 4 est bridé sous précontrainte. Le capteur est assimilé à un ressort pour mettre en équations les comportements de la platine en fonctionnement dynamique. La plaque supérieure 2 de la platine est soumise à l'action de la force extérieure Fapp qu'on cherche à mesurer et à l'action du capteur (ressort) 1. La plaque inférieure 3 est solidaire d'un support 5. En faisant l'hypothèse que la valeur mesurée Fmes correspond à la force exercée par la plaque supérieure 2 sur le capteur 1, on peut facilement écrire l'équation d'équilibre de la masse m correspondant à la plaque supérieure 2 :

m.x = Fmes + Fapp ,^ _*

La connaissance simultanée de la force mesurée Fmes et de l'accélération ("x) permet de déterminer la force appliquée si on connaît la masse m : Fapp = m.x — Fmes . On remarque que cette relation ne fait pas intervenir la plaque de base et son mouvement éventuel. La compensation iner- tielle donne la force exercée vraie même en présence d'un mouvement du support. Dans le cas particulier où aucune force extérieure n'est appliquée au dynamomètre, les mouvements de la base engendre une force d'inertie m.x qui se traduit par une force mesurée :Fmes = m.x. Le dynamomètre fonctionne alors comme un accéléromètre . La masse m est difficile à connaître à priori. Mais on la détermine par identification dans le cas d'une force appliquée connue. Un cas particulier remarquable est celui où cette force est nulle. Si la force mesurée et l'accélération sont connues à des instants ti (i = 1, . , . , . ,n) , alors la meilleure valeur de m est celle qui minimise la quantité : n ε = ^(m.x,. —FtHeS₁)²

'⁼¹ (2)

La même démarche est applicable au cas d'un dynamomètre comportant par exemple, quatre capteurs multidirec- tionnels ou multiaxiaux. Par construction, on doit être proche de la condition d' indéformabilité de la partie supérieure du dynamomètre. Il alors est possible d'écrire son équation d'équilibre dynamique qui est donnée sous sa forme complète par Chung et Spiewak. On se limitera aux équations qui font intervenir des trois composantes orthogonales de l'effort appliqué Fapp = [Fapp_x , Fapp_{y f} Fapp_z] sans envisager l'utilisation des équations de moment :

m.x_G = ∑Fmes_Xj + Fαpp_x m.y_G = ∑Fmes_yj + Fαpp_y -/⁼¹ J^≈1

m.z_G = ∑Fmes_Zj + Fαpp_z

J=I

(3)

Dans ces équations, x_G,y_G,z_G sont les accélérations du centre de gravité de la partie supérieure. Les quatre capteurs tri -directionnels fournissent les douze signaux de mesure :

Fmes_Xj FmeSy_j et Fmes_Zj .

Les valeurs d'accélération x_G,y_G,z_G peuvent s'obte- nir à partir de mesures d'accélération en six points du solide à condition de connaître la position du centre de gravité. De la même manière que précédemment, il est possible d'obtenir la valeur de la masse et des trois paramètres de position du centre de gravité par identification dans le cas d'un effort appliqué nul.

La platine selon l'invention constitue l'appareil particulier qui permet d'obtenir de manière simple, avec des approximations largement acceptables, les variables nécessaires à la résolution des équations ci-dessus. L'appareil 6 proposé et représenté aux figures 2 et

3, possède trois capteurs d'efforts piézo-électriques tri- axiaux ou tri-directionnels, non représentés et bridés de manière classique sous précontrainte entre deux plaques parallèles comme dans la figure 1. Cette disposition assure l' isostatisme du système, ce qui est un avantage car cet isostatisme garantit une certaine indépendance vis-à-vis des déformations dues à des dilatations thermiques ce qui n'est pas vrai pour un système à 4 capteurs.

C'est ainsi que, pour cet appareil, le système d'équations (3) devient :

m - x_G = + Fapp_y

3 m - z_G = -∑Fmes_Zj + Fapp_{z (4)} J=ι

D'une manière classique, les résultantes sur chaque direction sont obtenues par sommation des charges électriques (mise en parallèle) issues des trois capteurs. Cette technique permet de ramener le nombre d'amplificateurs de charges de neuf à trois, ce qui rend le système plus écono- mique .

L'architecture de l'appareil proposé est telle qu'au moins la plaque supérieure 7 de la platine (voir figure 3), c'est-à-dire celle qui sera attelée à la pièce ou à l'outil, siège de l'effort de coupe à mesurer, est de forme triangulaire.

La forme triangulaire de la plaque supérieure a été déterminée parce qu'elle est la plus compatible avec la présence de trois capteurs de force et qu'elle permet de se rapprocher le plus de la condition d' indéformabilité qui est la base du système d'équations (4) . En outre, avec ce dispositif, une indéformabilité maximale de la plaque supérieure de la platine est obtenue. Les modes propres de flexion, torsion de la plaque supérieure sont alors reportés au-delà de la bande passante visée de 1OkHz, ce qui n'est pas possible avec une plaque rectangulaire.

De plus, la platine possède trois accéléromètres 10, 11, 12, orientés selon la direction Z perpendiculaire aux plaques de la platine, deux accéléromètres 13 et 14 orientés selon la direction X parallèle au plan des plaques et perpendiculaire à l'un des côtés de la plaque supérieure et un accéléromètre 15 orienté selon la direction Y qui appartient au plan de la direction X et qui est perpendiculaire à cette direction. AzI, Az2, Az3 , Ax4 , Ax5 , Ay6 désignent les accélérations mesurées respectivement par les ac- céléromètres 10, 11, 12, 13, 14 et 15.

On supposera connue la position x_G,y_G,z_G du centre de gravité dans un repère lié à la plaque supérieure. Les six accéléromètres sont placés aux points [P₁,P₂,...,P₆] , dans les directions ψ_ι,d₂,...,d₆j . Avec l'approximation des petits déplacements, on obtient les valeurs des accélérations en fonction de celle du centre de gravité G :

avec : ,

= {x_dι , y_dj , z_dι } .

En développant le produit vectoriel et le produit scalaire, l'équation (5) devient :

α, = (x_G + θ_y.z_GP/ -θ_z.y_GPι )x_d + (y_G -θ_x.z_G/? + θ_t.x_GPι )y_d + (z_G + θ_x.y_GPι -θ_y.x_GPj )z_d ( 6 ) L'équation (6) constitue un système linéaire de 6 équations à 6 inconnues. Il permet d'obtenir les 6 composantes de l'accélération au centre d'inertie si le système n'est pas singulier, c'est-à-dire si les positions et les orientations des accéléromètres sont bien choisies. Avec la configuration décrite par la figure 3, le système se simplifie et devient le système (7) :

Le système d'équations précédent possède la particularité de pouvoir être scindé en 3 sous-systèmes . Le premier, constitué des 3 premières lignes, permet d'obtenir z_G ,Θ_X ,θ_y . Ensuite, les deux lignes suivantes donnent x_G , θ_z et la dernière ligne donne ensuite y_G . Cette séparation est très utile lors de la calibration du dynamomètre car elle permet d'opérer direction par direction. Ceci est obtenu grâce à la disposition particulière des accéléromètres .

L'exposé théorique ci-dessus démontre qu'en connaissant la masse m de la plaque supérieure et l'accélération de son centre de gravité, on peut parvenir, par le calcul, au résultat recherché, à savoir, la valeur de la force Fapp . Dans les applications d'usinage, une pièce (ou un outil) est fixée sur la plaque supérieure. La justesse des résultats implique que l'ensemble plaque et pièce soit un ensemble indéformable, ce qui impose des limites strictes tant à la forme de la pièce fixée sur la plaque que sur les moyens de fixation.

Les coordonnées x_G, y_G, z_G du centre de gravité ne sont pas connues. Il faut donc les déterminer pour chaque pièce montée. Il en est de même de la masse m.

La connaissance de ces variables passe donc par une procédure dite procédure d'identification des caractéristiques du capteur. Cette procédure est répétée chaque fois que, du fait de l'enlèvement de matière résultant de l'usinage par exemple, la masse et le centre de gravité de l'ensemble plaque/pièce a varié de manière significative. Cette procédure d'identification est du type de celle répondant à l'équation (2) ci-dessus. Une perturbation est exercée sur le système et les mesures sont effectuées après sa cessation lorsque l'effort appliqué est nul. Il s'agira de manière avantageuse d'un simple choc sur la platine, donné par exemple par un coup de marteau non instrumenté .

L'identification est normalement faite entre deux utilisations du dynamomètre. Mais dans le cas d'un usinage intermittent, il est possible d'y procéder sur les périodes où l'effort de coupe est nul, pour suivre les évolutions de la masse et de la position du centre de gravité.

Parmi les nombreux intérêts de la platine de mesure selon l'invention et son procédé d'utilisation, on citera : la mesure des efforts de coupe en vue de l'identification dynamique de lois de coupe en fraisage à grande vitesse,

- la possibilité de faire l'étude de cas d'usinage de parois usinées à grande vitesse,

-l'aide à l'étude et à la mémorisation de modèles d'efforts de coupe, l'appréhension des problèmes de coupe en régime transitoire (phénomènes de talonnage, ...) ,

- enfin, l'appréhension des problèmes d'usinage récurrents (vibrations du système outil/porte/outil/broche monté dans la machine, ...)

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. En particulier, la forme en triangle équilatéral de la plaque supérieure peut souffrir des transformations vers la forme isocèle. II est possible également d'augmenter le nombre de capteurs de force et de changer la forme de la plaque supérieure tout en respectant l'exigence de rigidité : c'est elle en réalité qui permet de simplifier les calculs.

L'application de l'invention illustrée à la mesure d'efforts de coupe n'est pas limitative. On peut utiliser la platine en effet pour mesurer les efforts et leur variations pour toute pièce fixée sur sa plaque supérieure quelle que soit l'origine de ces efforts. Par ailleurs, la pièce concernée par les revendications peut être une pièce en contact avec un outil ou un outil en contact avec une pièce .

Claims

REVENDICATIONS

1. Platine de mesure d'efforts auxquels est soumise une pièce indéformable selon trois axes, à compensation inertielle comportant une plaque de base (4) , une plaque supérieure (5) et des capteurs de force bridés entre chacune des plaques (4,5), caractérisée en ce que la plaque supérieure (5) est destinée à coopérer de manière rigide avec la pièce et est indéformable de manière que ses fréquences propres soient situées à un niveau supérieur à 10 kHz, en ce que le nombre des capteurs de force est au moins égal à trois et en ce qu'elle comprend un jeu d'au moins six accéléromètres uni-axiaux (10 à 15) .

2. Platine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque supérieure est de forme triangulaire, le nombre de capteurs étant égal à trois et en ce que trois accéléromètres (10,11,12) sont orientés dans le sens de l'épaisseur de la platine tandis que les trois autres (13,14,15) sont logés dans le plan de la platine, avec deux d'entre eux (13,14) perpendiculairement à l'un de ses cotés et le dernier (15) parallèlement à ce dernier.

3. Procédé de mesure d'efforts de coupe notamment en période transitoire ou pour de grandes vitesses de coupe en utilisant la platine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'identification de la platine avant sa mise en fonctionnement, afin de connaître la masse (m) de l'ensemble et la position de son centre d'inertie et à traiter par le calcul la valeur (Fmes) du signal de mesure de la platine pour en extraire la valeur de l'effort de coupe (Fapp) .

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'identification de la platine comprend l'application d'un choc sur la plaque supérieure de la platine au moyen d'un marteau non instrumenté.