Brevet FR2579745A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de déterminer des dimensions et caractéristiques géométriques d'un corps de révolution, tel que. à titre d'exemple, un cylindre de laminoir. Dés leur première mise en service et ensuite périodiquement au cours de leur utilisation, les cylindres de laminoirs doivent entre rectifiés sur des machines-outils spécialisées et selon un processus d'usinage qui garantit la réalisation d'un profil de révolution. L'organisation de séquences automatiques de rectification suppose que soit réalisée, au cours du processus de rectification une triple fonction de métrologie dimensionnelle de la table du cylindre - une mesure du diamètre de référence de la table, - une mesure de la conicité de la table, - une mesure du profil d'une génératrice de la table (bombé du cylindre). Sur les machines de fabrication ancienne, ces mesures s'effectuent manuellement et "en l'air" (c'est à dire en dehors de tout système de référence lié à la machine de rectification) par relevé du diamètre selon le principe du pied à coulisse et utilisation d'une règle pour déterminer le bombé. Un tel procédé est nécessairement peu précis et nécessite des arréts fréquents du processus de rectification. C'est donc un procédé coûteux compte tenu des pertes de temps qu'il implique. On connait également un autre procédé mis en oeuvre sur certaines machines de rectification utilisant les principes ci-dessus mais de façon automatique (Fig.l annexée). Selon ce procédé. on effectue une mesure du diamètre du cylindre à l'aide de deux tou ches disposées horizontalement et situées dans un plan diamètral de la table du cylindre. Cependant. la longueur de ces touches doit étre suffisante pour qu'elles soient effectivement en appui, respectivement sur la génératrice supérieure et la génératrice inférieure du cylindre. sur toute la gamme de diamètres de ce dernier.On a représenté. sur la Fig.1, en trait plein et en trait mixte et en exagérant les différences de cotes, ces deux positions extremes séparées d-une distance e. Le principe de ce capteur, au niveau de sa mise en oeuvre mécanique n'est pas compatible avec son installation dans le plan de la meule de rectification. Le capteur est donc installé sur le chariot porte-meule, d'un côté ou de l'autre de celleci. Du fait de cette disposition déportée et de son encombrement, le capteur doit étre écarté pendant les opérations de rectification afin de ne pas venir buter sur les accidents de géométrie du cylindre. de ses accessoires ou des touches d'appui.La encore, une telle mesure mécanique nécessite un arret de la machine, ce qui conduit à une double perte de temps : l'une directe. liée au temps réservé au cycle de métrologie ou de mesure. qui ne peut pas s'effectuer en temps masqué par rapport au cycled'usinage proprement dit, l'autre, indirecte par l'impossibilité de réagir en temps réel sur le processus de rectification en fonction des résultats de la mesure. Ce décalage dans le temps des opérations de métrologie et de rectification peut également induire des défauts de rectification dûs à la recopie des imperfections mécaniques de la machine sur la table du cylindre. Un tel dispositif mécanique comportant des pièces mobiles offre par ailleurs un défaut de fiab lité. L'invention se propose donc de fournir un procédé et un dispositif de mesure des ou de certaines dimensions et caractéristiques géométriques d'un corps de révolution, qui ne présentent pas ces divers inconvénients, qui soient fiables et précis et permettent d'effectuer les mesures sans interrompre un éventuel processus d'usinage, de rectification ou de fonctionnement. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure permettant de déterminer des dimensions ou caractéristiques géométriques d'un corps de révolution, tournant autour de son axe, caractérisé en ce qu'il consiste à relever instantanément et simulta nément les positions de trois points de la périphérie du corps situés dans un meme plan radial de ce dernier et à calculer en temps réel à partir des positions de ces trois points les dimensions et caractéristiques géométriques souhaitees. On peut réitérer ces opérations de proche en proche le long du cylindre pour déterminer son axe géométrique, la coaxialité de ses sections et le profil de ses génératrices. Pour effectuer ces opérations, on mesure la distance entre les trois points de la périphérie du corps et trois appareils de mesure de distance, puis on calcule la longueur des côtés du triangle formé par ces trois points. ainsi que le cosimus de l'angle de ce triangle ayant pour sommet le point intermédiaire, et l'on calcule le diamètre du corps par la formule Avantageusement, la durée de la mesure et des calculs est choisie en fonction de la vitesse de rotation et du diamètre du cylindre, de manière que sa périphérie paraisse sensiblement immobile pendant ladite durée. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini cidessus, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il -comprend trois appareils de mesure de distance disposés sur un meme support, le support et le corps rotatif pouvant être animés d'un mouvement relatif suivant une direction au moins à peu près parallèle à l'axe de révolution du corps, les trois appareils de mesure-de distance étant disposés dans un même plan radial et étant reliés à des moyens de calcul des dimensions et/ou des caractéristiques géométriques souhaitées. Suivant un mode de réalisation particulier: - les trois apparei-ls de mesure de distance sont disposés dans un secteur d'angle au centre inférieur à 180 et de préférence au plus égal à 120'; - les trois appareils de mesure de distance sont orientés à peu près radialement par rapport à l'axe de rotation du corps; - dans l'application à une machine-outil, par exemple une machine de rectification de cylindres, les trois appareils de mesure de distance sont disposes dans le même plan radial que l'outil de rectification et sont portés par le même chariot. En variante, les trois appareils de mesure de distance sont portés par un support mobile le long d'un organe de guidage parallèle mais distinct des moyens de guidage du chariot porte-outil, ce support étant entrainé en synchronisme avec le chariot porteoutil. - Avantageusement, le temps de calcul des caractéristiques dimensionnelles est court par rapport à la vitesse de translation de l'outil, de manière à pouvoir corriger en temps réel la trajectoire de cet outil. - De préférence, les appareils de mesure effectuent des mesures sans contact. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l comme déjà indiqué précédemment, illustre le principe d'un procédé connu de mesure de diamètre d'un cylindre; - les Fig.2a,2b,2c sont des schémas de principe illustrant le procédé suivant l'invention; - la Fig.3 est un organigramme fonctionnel indiquant certaines opérations effectuées dans un calculateur associé au dispositif suivant 1' inven- tion pour la détermination d'un diamètre; - la Fig.4 est une vue en élévation latérale et en coupe partielle d'une machine de rectification équipée d'un dispositif suivant l'invention. On ne reviendra pas sur le schéma de la Fig.1 qui illustre la technique antérieure et a fait l'objet d'un bref commentaire dans le préambule de la présente description. Tel que représenté sur la Fig.2a, le procédé suivant l'invention consiste à utiliser trois dispositifs de mesure de distance appelés encore " proximé- tres" et désignés par les références 1,2,3, ces trois appareils étant portés par un meme support 10. Dans une application qui correspond au dessin de la Fig.4, ce support 10 est solidaire du chariot porte-meule 11 d'une machine de rectification de cylindres. Dans une telle machine, le cylindre 12 est porté de façon à pouvoir être entrainé en rotation autour de son axe X-X et le chariot porte-meule est supporté par un bàti 13 et peut se déplacer suivant une direction parallèle à l'axe de rotation du cylindre et à l'axe Y-Y de rotation de la meule 14.Cette dernière peut par ailleurs effectuer, par rapport au chariot 11, un mouvement d'approche en direction du cylindre, c'est à dire suivant une direction horizontale perpendiculaire à son axe et à celui du cylindre. Les trois appareils de mesure sont disposés de telle façon que leurs axes soient à peu près dirigés radialement par rapport à l'axe X-X du cylindre et que les axes des deux appareils extrêmes forment entre eux un angle au plus égal à 120'. Cette valeur est choisie pour limiter l'encombrement du dispositif de mesure autour de la périphérie du cylindre et ne pas gêner les opérations de mise en place et d'enlève- ment de ce cylindre. non plus que les opérations de rectification. En tout état de cause, pour répondre à ces dernières conditions, les deux appareils extrêmes doivent être agencés de façon à laisser libre vers le haut un angle de 180'. Revenant au schéma de la Fig.2a, le support 10 peut être considéré comme rigide dans toute la gamme d'utilisation quelles que soient les contraintes thermiques ou dynamiques. Il est lié à un système d'axes de coordonnées Ox-Oy. Les positions des appareils de mesure 1,2 et 3 sont déterminées par les angles A B C que forment entre eux les axes de ces trois appareils de mesure et par les distances Di entre chaque appareil de mesure et le point d'intersection Ij de son axe avec les axes des deux autres appareils de mesure. Ces différentes valeurs d'angles et de distances sont reportées sur le schéma de la Fig.2a. Chacun des trois appareils de mesure 1,2,3 est relié à un micro-ordinateur 4 qui, d'une part, assure la gestion et la commande des séquences de mesure et, d'autre part, effectue les calculs nécessaires. Un tel calcul permettant de déterminer le diamètre d'un cylindre ou d'un corps de révolution ayant une forme à peu près cylindrique est explicité ci-dessous et illustré sur le schéma de la Fig.3. Les trois appareils de mesure 1,2,3 fournissent chacun au calculateur 4 un signal représentatif de la distance d1,d2, d3 mesurée entre chacun de ces appareils et les trois points P1. -P2, P3 du cylindre adjacent. Compte tenu de la rapidité avec laquelle sont effectuées ces mesures, le cylindre apparait comme pratiquement immobile vis-å-vis des appareils de mesure, ce qui permet d'affirmer que les mesures sont effectuées instantanément et simultanément pour les trois appareils. Détermination du diamètre Les opérations successives correspondant à l'organigramme de calcul représenté à la Fig.3 sont les suivantes, étant entendu que d'autres méthodes peuvent être utilisées pour déterminer le diamètre du cylindre à partir des mesures effectuées des trois distances d1, d2, d3. A partir de ces trois distances d1, d2, d3, et connaissant les distances Di,j on calcule par soustraction les valeurs ai, j = D i,j-di. Puis, a,b,c et A1, 81, C1, désignant les longueurs des côtés et les angles du triangle P P P 2 calcule les valeurs a2,b2,c2 on calcule les valeurs a , b , c , suivant les for-mules suivantes La connaissance des valeurs a2, b2 , c2 permet de déterminer le cosinus de l'angle B1 en utilisant la formule suivante 2 2 b2 = a + c - 2 ac cos. B1 b2 et cos B1 le cos Connaissant b2 et cos B1, le diamètre D du cylindre est détermine en calculant D2 puis en calculant la racine carrée de D2. La connaissance des paramètres de construction (distances D1,D2,D3 et angles A,B,C) peut résulter soit d'une métrologie directe après construction de l'appareil, soit d'une détermination indirecte par auto-étalonnage à partir de la mesure des diamètres préalablement connus de surfaces cylindriques de ré référence Détermination de la Dosition du centre: La position du centre C de la section du cylindre sur laquelle est effectuée la mesure est déterminée par le calcul des coordonnées de ce point (voir Fig.2b), On a reporté sur cette Fig. le point M1 du capteur 1, les points P1,P2, l'axe Mlxl du capteur 1 et l'on a désigne par C le centre de la section.L'axe M1#1 et 1 axe M1y1 perpendiculaire constituent un repère orthogonal lié au capteur 1, passant par M1. On designera par Cxi et Cy1, les coordonnées de C dans ce repère, a2,1 et al 1,2 sont des variables de construction; a a déjà été calculé (voir formule (1) ci-dessus). On déduit donc de (2), puis On peut alors calculer les coordonnées de C dans le repère (M1#1, M1y1) par les formules Connaissant la position et l'orientation du repère (M1X1, M1y1) lié au capteur 1 dans un repère de référence (Ox.Oy) il suffit d'appliquer aux coordonnées Cx1, C une formule de changement de coordonnées pour obtenir les coordonnées du point C dans ce repère. Les valeurs calculées sont mises en mémoire dans l'ordinateur et l'ensemble des mesures effectuées sur toute la longueur du cylindre permet, grâce à un traitement approprié, de déterminer, par exemple, le bombé du cylindre et sa conicité. On suppose que le capteur se déplace selon un chemin rectiligne le long de l'axe général du cylindre. La Fig.2c représente une vue de dessus schématique du cylindre et du capteur. Ce dernier se déplace suivant un axe Oz parallèle à l'axe de déplacement du chariot porte-outillage;. il effectue une mesure de diamètre de la section circulaire du cylindre au droit de laquelle il se trouve, dans un plan perpendiculaire à l'axe de déplacement Oz. L'enregistrement de ces mesures dans la mémoire du calculateur, permet de connaitre la fonction R(z). Le graphe de cette fonction représente le profil d'une génératrice et définit les deux grandeurs recherchées : la conicité et le bombé. Supposons que le graphe soit rectiligne La conicité oQ est définie à partir de la différence des deux diamètres D1, D2 aux deux extrémités du cylindre tgd(,: = 2 L Le bombé est la flèche dûe à la courbure de la génératrice si Rbî est le rayon théorique incluant la conicité et déduit de D1,D2 : Rbl = 1/4 (D1 si R b2 est le rayon mesuré au centre du cylindre, le bombé B = Rb2 R Rb1, Le capteur permettrait également de mesurer le faux rond d'une section à partir de n mesures de la position du centre pendant une rotation. D'une façon générale, la disposition de mesure en trois points et le déplacement de ce capteur selon un axe rectiligne parallèle à l'axe du cylindre permet d'effectuer une métrologie complète de la surface cylindrique. Les appareils de mesure de distance qui sont utilisés dans un tel dispositif peuvent être par exemple du type optique, ou du type à ulta-sons. L'inté- rêt du choix de ces techniques re##de dans le fait qu'elles permettent l'une et l'autre des mesures sans contact, d'une part, et rapides d'autre part. Dans le premier cas, on peut utiliser des proximétres optiques construits par la Société DIGITAL DESIGN, par exemple des appareils utilisant des caméras dites " CYCLOPE" et un système de mesure associe dit " VISIONIX". Ces appareils utilisent le- repérage du point d'impact d'un faisceau laser sur la surface du cylindre. L'image de la tache de diffusion du faisceau sur la surface est repérée par une camera linéaire. Un microprocesseur couplé à la caméra effectue un calcul de triangulation permettant de repérer la position du point à plus ou moins un micron près, dans le système de référence du capteur. Le temps d'exposition et de prise de position est de l'ordre de 250 microsecondes, le temps de traitement global étant de 1 millîseconde. On peut également utiliser un appareil de mesure à ultra-sons, par exemple un appareil de type MESUS fabriqué par la société INTERCONTROLE et fonctionnant suivant le principe suivant L'appareil émet des impulsions acoustiques ultra-sonores qui se propagent dans une colonne d'eau. L'impulsion rebondit sur la surface cylindrique. L'appareil mesure le temps de trajet aller-retour de l'impulsion depuis- l'émetteur jusqu'à son point de rebond. La mesure de temps est convertie en mesure de distance par référence à des mesures secondaires obtenies sur des obstacles de référence placés dans la colonne d'eau sur le trajet de l'impulsion. Un tel appareil est notamment décrit dans le brevet français 76 09 081 (2 346 683). A titre de variante, et bien que les appareils optiques ou à ultra-sons soient préférés, on pourrait également utiliser des appareils de type mécanique, par exemple MT60 ou CT60 de la Société Dr. Johannes Heidenhain GmbH. Par ailleurs, tout en étant situé dans le même plan que l'outil, le capteur pourrait également être guidé par un moyen différent de celui qui assure le guidage du chariot porte-outil. Dans l application à une rectification de cylindres, les séquences de métrologie sont enclenchées après l'opération d'alignement du cylindre, avant et pendant la rectification. Les défauts de la table sont - un manque de conformité des genératrices avec leur courbe théorique en particulier en sortie de laminoir, - une mauvaise circularité de la table dans chaque plan du cylindre, Ce second défaut est considéré à priori comme secondaire par rapport au premier dans la majorité des cas. Il est éliminé lors des phases d'ébauche de la rectification. C'est donc essentiellement le repérage du point le plus bas et du point le plus haut de la génératrice par rapport à la courbe devant être atteinte en fin de rectification qui sont utiles pour conduire les séquences de rectification. Cette dernière comporte deux séquences prin cipales. - une première séquence de dégrossissage, la localisation des passes et leur nombre sont déterminés par la métrologie de la table avant rectification, l'intérêt du couplage des deux opérations réside dans le gain de temps obtenu lors de l'enlèvement de matie- re et dans le masquage des durées des deux opérations l'une par rapport à l'autre. ce qui permet de gagner 25Z du temps global d'une opération machine sur un cylindre; - une deuxième séquence de finition après métrologie en fin de dégrossissage et examen visuel de l'aspect de la table; - une séquence finale de contrôle et retou che éventuelle de finition sous contrôle opérateur le cas échéant. Les avantages qu'offre le dispositif suivant l'invention sont les suivants - ce principe de mesure ne nécessite aucune précision particulière du positionnement et du guidage de l'ensemble capteur constitué par les trois appareils de mesure de distance montés sur un même support. La mesure est en effet absolue et indépendante de la précision du bâti de la machine sur laquelle le dispositif est monté; (sauf pour la mesure du bombé, bien entendu); - le dispositif permet le repérage de la position du cylindre dans le système de référence de la machine, ce repérage étant utile pour assurer un alignement approximatif du cylindre et des conditions de rectification correctes; - la mesure est effectuée sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le processus de rectification ou de fonctionnement du cylindre, On peut donc réaliser une métrologie en cours d'usinage ou de rectification ou bien en cours de fonctionnement, alors que le cylindre se trouve monté dans une cage de laminoir; - la-mesure étant effectuée en cours d'usinage, tout défaut détecté peut etre immédiatement cor rigé, de sorte que l'on peut obtenir des conditions optimales de rectification et réduire ainsi les pertes de matière. L'économie ainsi réalisée est tout à fait significative. - le capteur constitué par les trois appareils de mesure montés sur le meme support peut être entièrement rigide et ne comporte aucune pièce mobile, ce qui garantit une robustesse et une fiabilité accrues par rapport aux systémes mécaniques de l'état de la technique; - la profondeur du champ de mesure des capteurs (supérieure à 40 mm) permet de couvrir avec une précision constante l'ensemble des cas de figure, entre le cylindre neuf et le cylindre le plus usé; - ce dispositif procure une très grande précision de mesure qui peut être de l'ordre de plus ou moins 6 microns pour un diamètre de l'ordre de 700 mm environ. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure permettant de déterminer des dimensions ou caractéristiques géométriques d'un corps (12) de révolution, tournant autour de son axe, caractérisé en ce qu'il consiste à relever instantanément et simultanément les positions de trois points (P1,P2,P3) de la périphérie du corps. situés dans un même plan radial de ce dernier et à calculer en temps réel à partir des positions de ces trois points les dimensions et caractéristiques géométriques souhaitées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réitère ces opérations de proche en proche le long du corps de révolution pour déterminer son axe geométrique, la coaxialité de ses sections et le profil de ses génératrices. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on mesure la distance entre les trois points 1' P2, P 3) de la périphérie du corps (12) et trois appareils de mesure de distance (1,2,3), puis on calcule la longueur (a,b,c) des côtés du triangle formé par ces trois points, ainsi que le cosinus de l'angle (B1) de ce triangle ayant pour sommet le point (P2) intermédiaire, et l'on calcule le diamètre du corps (12) par la formule 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la durée de la mesure et des calculs est choisie de telle façon qu'étant donnés la vitesse de rotation et le diamètre du corps, la périphérie de ce corps paraisse sensiblement immobile pendant ladite durée. 5. Procédé de commande d'un processus d'usinage d'un corps de révolution, caractérisé en ce qu'on utilise le procédé de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à i. pour agir en temps réel sur la commande de l'outil. 6. Dispositif de métrologie permettant de déterminer des dimensions ou caractéristiques géomé- triques d'un corps (12) de révolution, tournant autour de son axe, caractérisé en ce qu'il comprend trois appareils de mesure de distance (1,2,3) disposés sur un même support (10), le support et le corps rotatif (12) pouvant étre animés d'un mouvement relatif suivant une direction au moins à peu près parallèle à l'axe de révolution du corps, les trois appareils de mesure de distance étant disposés dans un meme plan radial et étant reliés à des moyens (4) de calcul des dimensions et/ou des caractéristiques géométriques souhaitées. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les trois appareils de mesure de distance (1,2,3) sont disposés dans un secteur d'angle au centre inférieur à 180' et, de préférence au plus égal à 120' - 8. Dispositif suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les trois appareils de mesure de distance (1,2,3) sont orientés à peu près radialement par rapport à l'axe de rotation du corps (12). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les appareils de mesure sont adaptés pour réaliser des mesures sans contact. 10. Machine-outil pour l'usinage d'un corps de révolution, comprenant un porte-pièce pour entrai ner le corps à usiner en rotation autour de son axe et un porte-outil déplaçable le long du corps à usiner, parallèlement à l'axe de ce dernier, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un dispositif de métrologie suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, dont les trois appareils de mesure de distance (1,2, 3) sont disposés dans le même plan radial que l'outil (14). 11. Machine-outil suivant la revendication 10, caractérisée en ce que les trois appareils de mesure de distance (1,2,3) sont portés par le même chariot (11) que l'outil (14). 12. Machine-outil suivant la revendication 10, caractérisée en ce que les trois appareils de mesure sont portés par un support distinct du chariot (11) porte-outil et guidé parallèlement à l'axe du corps à usiner. 13. Machine-outil suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que le dispositif de métrologie est associé à un dispositif de commande du processus d'usinage fonctionnant en temps réel.