Brevet FR2612434A1 — publié le 19880923

TOUR A COMMANDE NUMERIQUE POUR L'USINAGE D'UNE FORME COMPLEXE. La présente invention a pour objet un tour à commande numérique pour L'exécution subsidiaire par cette commande de l'usinage d'une forme complexe telle que la section non circulaire de la pièce tournée, notamment la section d'une jupe d'un piston de moteur à combustion interne ou la rainure en patte d'araignée elliptique d'un coussinet, comprenant :: - une broche de support de la pièce à usiner, - un capteur de position angulaire de la broche, - un support de chariot associé à une première boucle d'asservissement de chariotage pour la commande de la position du chariot placé sur le support de chariot, selon un axe Z parallèle à L'axe de la broche avec une fréquence inférieure à quelques hertzs en fonction d'informations fournies par un circuit de commande numérique, - une seconde boucle d'asservissement pour la commande de la position du chariot avec une fréquence inférieure à quelques hertzs selon un axe X perpendiculaire à L'axe Z, en fonction d'informations fournies par le circuit de commande numérique et - au moins une tourelle porte-outil montée sur le chariot. Lorsqu'il est nécessaire d'usiner une forme complexe, on utilise la plupart du temps un profil étalon associé à un palpeur et l'usinage est effectué par recopie en suivant le profil étalon. Ainsi, dans le cas de l'usinage du profil extérieur de pistons de moteurs à explosion, il est nécessaire de réaliser, outre la tête de piston qui comporte des gorges destinées à recevoir les segments d'étanchéité et qui présente une section parfaitement circulaire, la jupe qui assure le guidage correct du piston dans le cylindre et dont la section radiale n'est pas rigoureusement circulaire. La section radiale de la jupe d'un piston est déterminée expérimentalement en fonction de l'usure qui se produit sur des pistons constituant des cylindres de révolution parfaits. Le profil réel de la jupe d'un piston évolue de façon progressive le long de la jupe entre la tête et l'extrémité arrière du piston sans toutefois que l'écart par rapport au cylindre parfait excède environ trois dixièmes de millimètre. Selon un procédé connu de fabrication de piston, l'usinage est réalisé par chariotage sur un tour à l'aide d'un outil monté sur un équipage mobile à un degré de liberté permettant de faire varier la distance de la pointe de l'outil à l'axe de rotation de la broche. La valeur de cette distance est définie par un palpeur solidaire de l'équipage mobile qui vient en contact avec un profil étalon monté sur le même axe que le piston et qui tourne en même temps que lui. Un tel procédé présente des inconvénients. En effet, du fait de L'inertie du système mécanique de reproduction, la vitesse de rotation est limitée à une valeur très inférieure à celles rendues possibles par les outils de coupe, de sorte qu'il y a une réduction de la productivité du poste d'usinage. De plus, Le profil étalon qui est spécifique à chaque type de piston doit être remplacé à chaque changement de série. Dans le cas de la réalisation d'une rainure en patte d'araignée elliptique d'un coussinet, on fait de même habituellement appel à un profil étalon et à un mécanisme mobile de reproduction. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à supprimer les profils étalons et les mécanismes mobiles de reproduction nécessaires pour l'usinage de formes complexes. L'invention a plus particulièrement pour objet de permettre l'adaptation de tours à commande numérique afin de permettre l'exécution subsidiaire par cette commande de l'usinage d'une forme complexe. Ces buts sont atteints grâce à un tour à commande numérique du type défini en tête de la description, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un porte-outil additionnel monté sur le support de chariot par l'intermédiaire d'un actionneur capable de conférer au porte-outil additionnel un mouvement rapide de déplacement selon une direction prédéterminée (R, Z) par rapport à l'axe de la broche - un capteur de position du porte-outil additionnel selon ladite direction prédéterminée (R, Z), et - une troisième boucle d'asservissement à large bande passante pour la commande de la position du porte-outil additionnel en fonction d'informations fournies par une mémoire de profil associée au circuit de commande numérique et comprenant des données relatives à un profil particulier à usiner en fonction de la position angulaire de la broche porte-pièce. Le porte-outil additionnel peut être agencé pour se déplacer selon une direction R perpendiculaire à l'axe de la broche. Selon un mode de réalisation avantageux, l'actionneur est constitué par un excitateur électromagnétique comprenant une masse ferromagnétique solidaire du porte-outil additionnel et un bobinagequi peut se déplacer axialement dans le champ magnétique d'un aimant permanent et présente un courant d'excitation fourni par ladite troisième boucle d'asservissement. Selon une application particulière, la mémoire de profil fournit à la troisième boucle d'asservissement en fonction de la position angulaire de la broche et de la position du chariot selon l'axe Z en des points régulièrement espacés, une consigne constituée par la valeur des écarts existant pour chaque point entre le rayon d'une hélice dont le pas est l'avance du chariot par tour de broche et la valeur de la distance séparant l'axe de l'hélice du point du profil réel à usiner. Le porte-outil additionnel peut aussi être agencé pour se déplacer selon une direction paralléle à l'axe de la broche. Dans ce cas, l'actionneur peut être constitué par un excitateur électro-hydraulique à réponse rapide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique de face d'un tour selon l'invention adapté à l'usinage de pistons de moteurs à combustion interne, - la figure 2 est une vue de dessus du tour de la figure 1, - La figure 3 est un schéma-bloc montrant les boucles d'asservissement du tour à commande numérique des figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'un tour selon l'invention, adapté à l'exécution de pattes d'araignée, - La figure 5 est un schéma-bloc montrant Les boucles d'asservissement du tour à commande numérique de La figure 4, et - la figure 6 est une section selon la ligne VI-VI de la figure 1. Les figures 1 à 3 concernent une première application de la présente invention selon laquelle un tour à commande numérique de conception classique est équipé d'une boucle d'asservissement supplémentaire spécifique, référencée 130 sur la figure 3, permettant grâce à un actionneur particulier 54, de commander un outil suplémentaire 52 d'usinage du profil prédéterminè de La jupe 23 d'un piston 20 de moteur à explosion placé sur la broche porte-pièce 10 du tour (fig 1 et 2). L'usinage du reste de la pièce 20, et notamment de La tête 21 du piston 20 dans laquelle sont formées des gorges 22 de réception de segments d'étanchéité, est effectué à L'aide des constituants classiques du tour à commande numérique qui seront d'abord décrits brièvement ci-dessous en référence aux figures 1 à 3. La broche porte-pièce 10 porte à l'une de ses extrémités un mandrin 11 de réception de la pièce 20 et à son autre extrémité un pignon 12 en prise avec un pignon 13 solidaire de L'axe d'un codeur 14 de la position angulaire de la broche 10. Un support de chariot 30 peut se déplacer selon un axe Z de chariotage en étant guidé par une vis à billes 32 en prise avec le roulement 31 solidaire du support de chariot 30. Une extrémité de la vis 32 coopère avec un codeur 33 de la position de chariotage qui fournit un signal relatif à la position du support de chariot 30 selon l'axe Z. Un moteur 124, non représenté sur les figures 1 et 2, assure les déplacements du support de chariot 30 selon l'axe Z en fonction d'instructions de commande fournies par une boucle d'asservissement 120 (Fig 3). Le chariot 41 surmonté d'une tourelle porte-outil 42 est monté sur le support de chariot 30 de manière à pouvoir se déplacer selon un axe X perpendiculaire à l'axe Z, en étant guidé par une vis à billes 44 dont une extrémité est en prise avec un roulement 46 solidaire du chariot 41 et L'autre extrémité coopère avec un codeur 45 de la position du chariot 41 selon la direction X. La tourelle porte-outils 42 est classique et peut comporter plusieurs outils 43, notamment pour réaliser un dressage. Un moteur 114, non représenté sur les figures 1 et 2, assure les déplacements du chariot 30 selon L'axe X en fonction d'instructions de commande fournies par une boucle d'asservissement 10 (fig 3). La figure 3 montre de façon schématique les boucles d'asservissement 110, 120 d'ur tour à commande numérique classique permettant d'usiner des pièces de révolution. Les informations de commande des opérations d'usinage enregistrées sur un support tel qu'une bande magnétique sont lues dans un dispositif de lecture 101 pour être transmises au calculateur constituant l'élément de base des circuits de commande numérique 100. A chaque instant, en fonction du programme d'usinage mis en oeuvre par les circuits de commande numérique 100, les circuits 111 et 121 appliquent des consignes relatives respectivement à la position du chariot selon l'axe X et à la position du chariot selon l'axe Z, à des comparateurs électroniques 112, 122 respectivement. Le comparateur électronique 112 de la boucle d'asservissement 110 reçoit du codeur 45, par l'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 115, un signal représentatif de la mesure de la position transversale du chariot porte-outil 41, et donc d'un outil 43, selon L'axe X, lequel signal est retranché à la valeur de consigne selon l'axe X appliquée par le circuit 111 pour fournir un signal d'erreur E qui est appliqué par l'intermédiaire d'un étage x d'amplification de puissance 113 au moteur électrique 114 de commande de la position du chariot 41 selon l'axe X. D'une façon tout-à-fait similaire, le comparateur électronique 122 de la boucle d'asservissement 120 reçoit du codeur 33, par L'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 125, un signal représentatif de la mesure de la position axiale du support de chariot 30, et donc de l'outil 43, selon L'axe Z, Lequel signal est retranché à la valeur de consigne selon L'axe Z appliquée par le circuit 121, pour fournir un signal d'erreur E qui est appliqué z par L'intermédiaire d'un étage d'amplification de puissance 123 au moteur électrique 124 de commande de la position du support de chariot 30 selon l'axe Z. Le codeur 14 fournit par ailleurs aux circuits de commande numérique 100, par L'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 141 une information sur la position angulaire de la broche porte-pièce 10. Conformément à La présente invention Le tour à commande numérique comprenant les boucles d'asservissement standard 110, 120 est adapté de manière à permettre en outre la réalisation d'un profil particulier pour La jupe 23 du piston 20. Les données du profil particulier à obtenir, définies point par point en coordonnées polaires, sont fournies avec le programme d'usinage de la pièce lu sur Le dispositif de lecture 101 et sont enregistrées dans une mémoire de profil 102.Cette mémoire 102 fournit à un circuit 131, en fonction de l'avancement de L'exécution du programme par La commande numérique 100, en fonction de La position axiale du support de chariot 30 fournie par le codeur 3, et en fonction de la positin angulaire de la broche porte-pièce 10 fournie par Le codeur 14, une valeur de consigne R correspondant à la position d'un outil additionnel 52 selon une direction transversale par rapport à la pièce 20, afin de réaliser l'usinage particulier de la jupe 23 du piston 20. L'outil 52 d'usinage du profil de la jupe 23 est monté sur un coulisseau 51 support d'outil lui-même placé dans un bâti 53 en pouvant présenter des mouvements de translation selon la direction transversale R prédéterminée. Le coulisseau 51 peut être monté dans le bâti 53 par l'intermédiaire d'un guide à billes à recirculation ou, de préférence, présenter une section carrée rectifiée et être monté sur des aiguilles 56 sans recirculation disposées parallèlement aux faces du coulisseau 51 dans des plans radiaux de celui-ci (Fig 6). Le coulisseau 51 portant L'outil additionnel 52 constitue un équipage mobile solidaire de La plate-forme mobile 63 d'un actionneur électromagnétique 54 pressentant un temps de réponse très bref et incorporé dans une boucle d'asservissement supplémentaire 130 à bande passante plus élevée que celle des boucles d'asservissement 110 ou 120. La boucle d'asservissement 130 se referme par un détecteur 55 de position de L'outil additionnel 52. Le détecteur de position 55 placé à proximité du coulisseau 51 peut être constitué par exemple par un capteur de type inductif, tel que le transducteur de proximité commercialisé par La Société Bently Nevada sous la dénomination "7200 series proximitor", qui délivre un signal analogique fonction de la position du capteur par rapport à l'organe mobile dont la position est à surveiller. D'autres types de capteurs, tels que par exemple un transformateur linéaire différentiel, peuvent également- être utilisés en combinaison avec L'actionneur 54 et la boucle d'asservissement 130. L'actionneur électromagnétique 54 peut être constitué à titre d'exemple par un dispositif du genre "pot vibrant" électrodynamique comprenant une plate-forme 63 reliée à une bobine mobile 62 placée dans l'entrefer annulaire 65 d'un aimant permanent comprenant un pôle central 61 et un pêle extérieur 66. Dans un tel type d'actionneur, la plate-forme mobile 63 et la bobine 62 sont reliées à la carcasse fixe du dispositif par une suspension élastique 64. La bobine 62 se déplace dans l'entrefer 65 de l'aimant-permanent 61,66 selon une direction axiale privilégiée, en entrainant La plate-forme 63, en fonction des signaux électriques appliqués à cette bobine 62. Tandis que les "pots vibrants" répondant à la définition précédente, tels que Les pots vibrants commercialisés par la Société Ling Dynamic Systems Limited sous la référence "vibrateur de la série 400", fonctionnent en boucle ouverte, avec un oscillateur appliquant sur la bobine mobile un signal alternatif de fréquence prédéterminée, selon la présente invention l'actionneur électromagnétique fonctionne en boucle fermée et La bobine mobile 62 est alimentée par un amplificateur 133 dont le signal d'entrée est constitué par Le signal d'erreur E R délivré en sortie d'un comparateur électronique 132 dont une des entrées reçoit un signal de consigne analogique fourni par Le circuit 131 et l'autre entrée reçoit du détecteur de position 55, par L'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 135, un signal analogique représentatif de la position réelle de L'outil additionnel 52 selon la direction transversale R. Les données relatives au profil de La jupe 23 stockées dans La mémoire de profil 102 sont définies de la façon suivante La trajectoire de l'outil 52 pour engendrer une surface parfaitement cylindrique est une hélice cylindrique dont le pas est L'avance par tour qui a été choisie et sur laquelle sont repérés des points régulièrement espacés. La surface réelle, déterminée expérimentalement pour chaque type de piston, est définie par la valeur des écarts existants pour chaque point entre le rayon de L'hélice et La valeur de la distance séparant L'axe de L'hélice du point du profil réel correspondant. La valeur numérique de cet écart, fournie au circuit 131 de mise en forme est convertie en une tension ana Logique constituant la consigne appliquée au comparateur 132 et comparée à la tension analogique fournie par le circuit 135 et représentant la position réeLle de L'outil 52. La fonction du système d'asservissement 130 est d'annuler en permanence la valeur de la différence existant entre les deux tensions comparées par Le comparateur 132 de façon que la position de l'outil 52 corresponde en permanence à la consigne fournie par Le circuit 131, et fonction à la fois de la position angulaire du piston 20 à usiner et de La position longitudinale de l'outil additionnel 52. L'actionneur électromagnétique 54 est adapté pour fonctionner jusqu'à des fréquences de plusieurs kilohertzs, par exemple 9 kHz, de sorte que pour une vitesse de rotation de la broche 10 de 1200 tours par minute, correspondant à une fréquence fondamentale de 20 Hz, le système présente une réponse satisfaisante jusqu'à des harmoniques d'un ordre élevé. A titre d'exemple, on a réalisé des jupes de piston avec un dispositif selon l'invention, à partir d'un profil défini point par point tous les 50 utilisant une broche porte-pièce 10 tournant à 1200 t/mn, en appLiquant à l'outil 52 des efforts de coupe dont la valeur de La composante perpendiculaire à L'axe de rotation est de l'ordre de 40N, en effectuant un déplacement maximum de l'outil de L'ordre de + 0,3 mm et en prévoyant un taux d'accroissement maximum du rayon de 0,40 mm/rad. pour un angle de rotation de 1 radian. Pour des applications concernant la réalisation de profils complexes avec un faible volume de copeaux à enlever et impliquant des efforts de coupe relativement faibles, inférieurs à environ 40N, avec une course d'outil relativement limitée de L'ordre de quelques centièmes de millimètre à un millimètre, le mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 3 permet de travailler à vitesse relativement élevée, sans problème compte tenu de la large bande passante de la boucle d'asservissement additionnelle 130. Toutefois, la présente invention peut s'appliquer également à des usinages particuliers avec des déplacements d'outil beaucoup plus importants, de l'ordre de 50 mm par exemple, et des efforts de coupe non négligeables, de l'ordre de 500 à 1000 N, sous réserve de travailler à une vitesse plus faible, qui peut cependant rester très supérieure à la vitesse possible dans le cadre des boucles d'asservissement traditionnelles 110, 120. Ainsi, la bande passante de la boucle d'asservissement supplémentaire 130 peut être environ dix fois plus large que celle des boucles classiques 110, 120 tout en permettant des déplacements et des efforts de coupe relativement importants. A titre d'exemple, on décrira maintenant en référence aux figures 4 et 5 un tour à commande numérique adapté pour la réalisation de "pattes d'araignée" sur des coussinets, en vue d'améliorer le graissage. Le dispositif de la figure 4 présente un certain nombre d'éléments constitutifs semblables à des éléments déjà décrits en référence aux figures 1 à 3. Ces éléments ne seront donc pas décrits à nouveau et portent Les mêmes références. Ainsi, sur la figure 4, la broche porte-pièce 10, Le support de chariot 30, le chariot 41 et sa tourelle porte-outils 42, et Les codeurs 14, 33, 45 présentent Les mêmes caractéristiques et fonctions que les éléments correspondants des figures 1 et 2. De même, les boucles d'asservissement 110, 120 de la figure 5 constituent des boucles d'asservissement standard anaLogues aux boucles d'asservissement de la figure 3 qui portent les mêmes références. Sur La figure 4, La pièce à usiner fixée par le mandrin 11 sur La broche porte-pièce 10 n'est cependant plus constituée par un piston 20 de moteur à explosion, mais par un coussinet 20'. L'ensembLe additionneL d'usinage 50' diffère également de l'ensembLe additionneL d'usinage 50 des figures 1 et 2 par sa localisation et sa constitution. Ainsi, sur La figure 4, le porte-outil 51' supportant l'outil 52' est placé selon une direction parallèle à L'axe Z de La broche porte-pièce 10, et coopère avec un actionneur 54' adapté pour communiquer au porte-outil 51' une course relativement importante. L'actionneur 54' est de préférence constitué par un excitateur électrique ou hydraulique ou électro-hydraulique avec une servo-valve à réponse rapide. Par ailleurs, le codeur 55' de La position du porte-outil 51' selon L'axe Z' du porte-outil, parallèle à L'axe Z de La broche 10 porte-pièce est adapté à la détection de déplacements sur une course par exemple par une règle digitale à impulsions comptabilisées par un compteur. Comme on peut Le voir sur la figure 5, la boucle d'asservissement supplémentaire 130' associée à l'actionneur 54' est très semblable à la boucle 130 de la figure 3 et les éléments 54', 55', 131', 132', 133', 135' correspondent respectivement aux éléments 54, 55, 131, 132, 133, 135 de la figure 3. Toutefois, le circuit 131' fournissant une valeur de consigne au comparateur 132' et le circuit 135' fournissant au comparateur 132' un signal représentatif de la position de L'outil 52' concernent des positions répérées par rapport à l'axe Z' parallèle à L'axe Z de la broche, et non par rapport à un axe transversal R comme dans Le cas de la figure 3. Par ailleurs, la mémoire du profil 102 comporte des données définissant l'amplitude de la sinusoide que doit décrire l'outil 52' pour réaliser une patte d'araignée 24 dans l'alésage du coussinet 20'. La réalisation d'une patte d'araignée elliptique 24 correspondant à La section d'un alésage cylindrique par un plan oblique implique en effet un mouvement de va et vient de L'outil 52' purement sinusoidal seLon La direction Z'. A titre d'exemple dans le cas de La réalisation de pattes d'araignée, La broche porte-pièce 10 peut être entraînée en rotation avec une vitesse de l'ordre de 300 à 600 tours/mn. REVENDICATIONS 1. Tour à commande numérique pour l'exécution subsidiaire par cette commande de l'usinage d'une forme complexe telle que la section non circulaire de la pièce tournée, notamment la section d'une jupe d'un piston de moteur à combustion interne ou la rainure en patte d'araignée elliptique d'un coussinet, comprenant - une broche (10) de support de la pièce à usiner (20, 20'), - un capteur (14) de position angulaire de la broche (1 O), - un support de chariot (30) associé à une première boucle d'asservissement de chariotage (120) pour la commande de la position du chariot (41) placé sur le support de chariot (30), selon un axe Z parallèle à l'axe de la broche (10) avec une fréquence inférieure à quelques hertzs en fonction d'informations fournies par un circuit de commande numérique (100), - une seconde boucle d'asservissement (110) pour la commande de la position du chariot (41) avec une fréquence inférieure à quelques hertzs selon un axe X perpendiculaire à l'axe Z, en fonction d'informations fournies par le circuit de commande numérique (100) et - au moins une tourelle porte-outil (42) montée sur le chariot (41), caractérisé en ce qu'il comprend en outre :: - un porte-outil additionnel (51, 51') monté sur le support de chariot (30) par l'intermédiaire d'un actionneur (54, 54') capable de conférer au porte-outil additionnel (51, 51') un mouvement rapide de déplacement selon une direction prédéterminée (R, Z) par rapport à l'axe de la broche (10), - un capteur (55, 55') de position du porte-outil additionnel (51, 51') selon ladite direction prédéterminée (R, Z) et - une troisième boucle d'asservissement (130, 130') à large bande passante pour la commande de la position du porte-outil additionnel (51, 51') en fonction d'informations fournies par une mémoire de profil (102) associée au circuit de commande numérique (100) et comprenant des données relatives à un profil particulier à usiner en fonction de la position angulaire de la broche porte-pièce (10). 2. Tour selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-outil additionnel (51) est agencé pour se déplacer selon une direction R perpendiculaire à l'axe de la broche (10). 3. Tour selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-outil additionnel (51') est agencé pour se déplacer selon une direction parallèle à l'axe de la broche (10). 4. Tour selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur (54) est constitué par un excitateur électromagnétique comprenant une plate-forme (63) pouvant être rendue solidaire du porte-outil additionnel (51) et rattachée à un bobinage (62) qui peut se déplacer axialement dans le champ magnétique d'un aimant permanent (61) et présente un courant d'excitation fourni par ladite troisième boucle d'asservissement (130). 5. Tour selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (55) de position du porte-outil additionnel (51) est du type inductif. 6. Tour selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mémoire de profil (102) fournit à la troisième boucle d'asservissement (130) en fonction de la position angulaire de la broche (10) et de la position du chariot selon l'axe Z en des points régulièrement espacés, une consigne constituée par la valeur des écarts existant pour chaque point entre le rayon d'une hélice dont le pas est l'avance du chariot (41) par tour de broche et la valeur de la distance séparant l'axe de L'hélice du point du profil réel à usiner. 7. Tour selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mémoire de profil (102) fournit à la troisième boucle d'asservissement (130') une consigne qui confère au porte-outil additionnel (51') un mouvement alternatif sinusoidal. 8. Tour selon la revendication 3 ou la revendication 7, caractérisé en ce que l'actionneur (54') est constitué par un excitateur électro-hydraulique à réponse rapide. 9. Tour selon la revendication 4, caractérisé en ce que L'excitateur électromagnétique est adapté pour provoquer des déplacements du porte-outil additionnel (51) de l'ordre de quelques centièmes de mm à environ un millimètre pour des frequences maximales de l'ordre de quelques kilohertzs. 10. Tour selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le porte-outil additionnel (51) est constitué par un coulisseau rectifié de section carrée dont chacune des faces coopère avec des roulements à aiguilles (56).