Brevet FR2651340A1 — publié le 19910301

Procédé de commande de machines à commande numérique pour l'usinage automatique de pièces mécaniques. La présente invention a pour objet un procédé de commande des machines à commande numérique pour l'usinage automatique de pièces mécaniques. Les programmes d'usinage les plus répandus prennent en compte exclusivement des cotes moyennes avec des tolérances réparties de part et d'autre de la valeur de la cote moyenne. Ainsi, lors de l'exécution d'un programme, c'est la valeur de la cote moyenne qui est prise en compte. Or, ceci conduit à restreindre en pratique l'intervalle de tolérance. En effet, la flexion et l'usure des outils vont toujours dans le même sens. Il est ainsi nécessaire, pour retrouver un intervalle de tolérance équivalent à celui de la définition du produit, d'effectuer une modification d'un "correcteur outil" sur la machine. La réalisation d'une correction implique l'intervention manuelle d'un opérateur averti, ce qui empêche de réaliser un usinage correctement automatisé. De plus, le choix de cotes d'usinage moyennes conduit à usiner des cotes avec la même valeur autour de la cote moyenne, alors qu'il est souhaitable que l'usinage soit effectué vers le minimum matière de chaque cote afin de faciliter les montages et la qualité des produits. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre l'usinage pleinement automatique d'une pièce mécanique, sans intervention de l'opérateur de façon à conduire à une dissociation de l'homme et de la machine. L'invention vise en outre à permettre de prendre directement en compte pour l'usinage la cote et la tolérance de chaque cote fournies par la définition du produit. L'invention a encore pour but de permettre d'usiner de façon simultanée des pièces différentes. Ces buts sont atteints grâce à un procédé de commande de machines à commande numérique pour l'usinage automatique de pièces mécaniques, caractérisé en ce que pour chaque valeur dimensionnelle de la définition de la pièce à usiner, on précise d'une part, un paramètre sans dimension b de valeur + 1 ou - 1 selon que l'élément à usiner est du type alésage ou du type arbre, et, d'autre part, une cote nominale au maximum de matière Cn et un intervalle de tolérance IT.Par ailleurs, on choisit une position de l'usinage vers le minimum matière dans l'intervalle de tolérance définie par une fraction k de l'intervalle de tolérance IT, on détermine un paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner tenant compte du comportement et de l'usure de l'outil coupant et on détermine la cote à usiner Cu à partir de la formule Cu = Cn + b . (IT . k) + a Le paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner peut âtre déterminé à partir de courbes d'analyse des outils coupants utilisés pour l'usinage. Ce paramètre a d'auto-correction peut cependant également être déterminé à l'aide d'une mesure intégrée de la pièce usinée montée sur une machine-outil à commande numérique. De façon plus particulière, selon la présente invention, les valeurs de la définition pour le paramètre b, pour la cote nominale Cn, pour l'intervalle de tolérance IT, pour la fraction k de l'intervalle de tolérance IT, la valeur déterminée pour le paramètre a d'auto-correction ainsi que la formule de calcul de la valeur de chaque cote à usiner Cu sont incluses soit dans des macro-instructions volumiques et paramétrées soit dans la programmation paramétrée de la pièce. Cette programmation prend ainsi en compte les cotes tolérancées de la définition des produits. Avec le procédé de commande de l'usinage selon l'invention, on détermine pour les différentes opérations volumiques d'usinage d'une pièce, soit une suite de macro-instructions paramétrées volumiques résidentes sur la machine-outil à commande numérique, soit une programmation paramétrée de la pièce, et les outils affectés à ces différentes opérations volumiques sont directement associées à des macro-instructions ou à des sous-programmes. 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 1A présente un exemple du tracé de définition d'une macro-instruction volumique établie conformément à l'invention, le tracé de définition s'appliquant à la réalisation d'une rainure vue en coupe, - la figure 1B est une vue en coupe selon le plan lB-lB de la figure 1A, pour compléter le tracé de définition de la figure 1A, - la figure 2 représente un diagramme montrant le positionnement d'un outil par rapport à une cote à usiner selon un procédé classique de commande de l'usinage, - la figure 3 représente un diagramme montrant la modification du positionnement d'un outil par rapport à une cote à usiner, selon un procédé classique de commande de l'usinage dans lequel est effectuée une correction manuelle du "correcteur outil" afin d'usiner dans la partie inexplorée de l'intervalle de Tolérance, - la figure 4 représente un diagramme montrant le positionnement d'un outil par rapport à une cote à usiner vers le minimum matière, dans le cas d'un arbre, conformément au procédé selon l'invention, - la figure 5 représente un diagramme montrant le positionnement d'un outil par rapport à une cote à usiner vers le minimum matière, dans le cas d'un alésage, conformément au procédé selon l'invention, et - la figure 6 représente sur un diagramme analogue à ceux des figures 4 et 5, la prise en compte d'une correction automatique du comportement ou de l'usure d'un outil, dans le cadre de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On rappellera d'abord brièvement en référence aux figures 2 et 3 un processus d'usinage tel qu'il est mis en oeuvre de façon classique. A partir d'une définition de cote à usiner (par exemple 20,0 mm) et d'un intervalle de tolérance (par exemple 0,2 mm en plus de la cote à usiner), selon les procédés classiques d'usinage qui mettent en oeuvre des programmations à cotes moyennes, on transforme la cote à usiner en cote avec tolérance répartie. Ainsi, dans l'exemple considéré, la valeur de la cote moyenne est fixée à 20,1 mm et la tolérance de 0,2 mm est répartie de part et d'autre de la cote moyenne, sous la forme d'une valeur de + 0,1 mm. Une programmation utilisant des cotes moyennes revient à ne donner que la moitié de la tolérance à l'usineur. En effet, la flexion et l'usure des outils vont toujours dans le même sens de sorte que si l'on prend en compte la cote moyenne (par exemple 20,1 mm) l'outil 11 de diamètre F1 va se trouver positionné comme représenté sur la figure 2, et la seule zone explorée par l'usinage ZE va s'étendre entre la cote moyenne et la cote moyenne diminuée de la demi-valeur de la tolérance donnée dans la définition initiale, tandis que la zone ZNE s'étendant entre la cote moyenne et cette cote moyenne augmentée de la demi-valeur de la tolérance donnée dans la définition initiale restera inexplorée par l'usinage. Pour remédier à cet inconvénient, et permettre une exploration par l'usinage d'au moins une partie de la zone ZNE normalement non explorée par l'usinage, il est nécessaire d'utiliser un correcteur d'outil qui simule pour la machine-outil un outil fictif de diamètre plus petit que le diamètre réel F. On a représenté sur la figure 2, en pointillés, un outil réel 13 de diamètre réel F, et, en traits continus, un outil fictif 12 dont le diamètre est inférieur au diamètre F, et correspond par exemple au diamètre F diminiué dans la demi-valeur de la tolérance donnée dans la définition initiale (par exemple 0,1 mm). Dans ce cas, si le système de positionnement de l'outil réel 13 vient positionner celui-ci comme s'il s'agissait de l'outil fictif 12, c'est cet outil fictif 12 qui sera positionné à la cote moyenne (par exemple 10,1 mm) seule connue par le programme. Comme l'outil réel 13 présente un diamètre F supérieur à celui de l'outil fictif 12, l'outil réel 13 est donc positionné à une cote (par exemple 10,15 mm) qui se situe dans la zone ZNE qui sans l'artifice ci-dessus ne serait pas explorée par l'outil.On notera que la zone ZNE ne reste toutefois explorée que partiellement et que la flexion et l'usure de l'outil tendent encore à réduire la partie réellement explorée. L'utilisation d'un correcteur d'outil demande l'intervention de l'opérateur chargé de suivre le processus d'usinage, car la valeur affectée au correcteur d'outil est celle qui sera calculée à partir de la plus petite tolérance des cotes qui seront usinées pendant le parcours de l'outil dans la matière. Dans le cas des procédés classiques de commande de l'usinage prenant en compte des cotes moyennes avec tolérances réparties, les tolérances ne constituent pas des données reconnues par la machine. Il s'ensuit que le correcteur outil doit être mis en oeuvre par un opérateur averti. L'intervention de l'opérateur empêche d'automatiser complètement et correctement ltopération d'usinage. Par ailleurs, dans de tels procédés connus d'usinage, toutes les cotes sont usinées avec la même valeur autour de la cote moyenne, alors qu'il est souhaitable que l'usinage soit effectué vers le minimum matière de chaque cote afin de faciliter les montages et la qualité des produits. Pour remédier aux différents inconvénients évoqués ci-dessus, selon la présente invention, on prend en compte pour le processus d'usinage la cote nominale Cn au maximum de matière ainsi que l'intervalle de tolérance IT et on affecte à un paramètre sans dimension b la valeur + 1 ou - 1 selon que l'élément à usiner est du type alésage ou du type arbre. Selon l'invention, on utilise ainsi directement les cotes de la définition et il n'est pas nécessaire de calculer une cote moyenne, en répartissant la tolérance de part et d'autre de cette cote moyenne, ni de déterminer manuellement un correcteur outil pour le parcours à effectuer par l'outil sur la pièce. Selon l'invention, une meilleure qualité du produit peut âtre obtenue en usinant les cotes vers le minimum matière afin de faciliter les montages et assurer les jeux de fonctionnement. Pour cela, on détermine la valeur d'un coefficient k qui permet de positionner ltusinage dans l'intervalle de tolérance de manière à se situer au minimum matière comme cela est illustré en référence aux figures 4 et 5. La valeur du coefficient k dépend du choix de la position de l'outil dans l'intervalle de tolérance et définit un intervalle de confiance. Cette valeur peut ainsi être déterminée à partir d'une courbe de Gauss et âtre choisie pour définir une position correspondant à un nombre d'écarts-types prédéterminé sur la courbe de Gauss. On détermine par ailleurs un paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner tenant compte du comportement et de l'usure de l'outil Dans le cas où la position réelle de la pièce à usiner est mesurée en permanence par rapport à la cote à usiner, ce qui correspond à un système de mesure intégrée de la pièce usinée montée sur la machine-outil, la valeur du paramètre a d'auto-correction peut être déterminée directement à partir de ladite mesure intégrée de la pièce usinée, laquelle mesure intégrée prend en compte à la fois l'usure de l'outil et tous les aléas liés au comportement de l'outil tels que les flexions par exemple. A titre de variante, le paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner peut toutefois également être déterminé à partir de courbes d'analyse des outils coupants utilisés pour l'usinage, lesquelles courbes d'analyse peuvent être établies par les fabricants d'outils. Pour chaque valeur dimensionnelle de la définition d'une pièce, la cote Cu à usiner par la machine-outil est automatiquement déterminée à partir de la formule suivante Cu = Cn + b (IT . k) + a (1) où Cn représente la cote nominale au maximum de matière, b présente la valeur - 1 si l'élément à usiner est constitué par un arbre et la valeur + 1 si l'élément à usiner est constitué par un alésage, Il représente l'intervalle de tolérance à l'intérieur duquel doit s'effectuer l'usinage, k représente une fraction de l'intervalle de tolérance définissant une position de l'usinage dans l'intervalle de tolérance qui vise à situer l'usinage vers le minimum matière, et a représente un paramètre d'auto-correction de la cote à usiner tenant compte du comportement et de l'usure de l'outil coupant. A titre d'exemple, la figure 4 illustre le cas de l'usinage d'un arbre pour lequel un usinage doit être effectué à une cote nominale Cn de 20,2 mm avec une tolérance IT de 0,2 mm. Pour l'application de la formule (1) sus-mentionnée, on affecte au paramètre b la valeur - 1 puisqu'il s'agit d'un élément du type arbre. La valeur du coefficient k dépend de l'intervalle de confiance C que l'on souhaite se réserver au sein de l'intervalle de tolérance IT. A titre d'exemple, le coefficient k peut être choisi égal à 0,8. Dans ce cas, si l'on ne tient pas compte du paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner, l'application de la formule (1) conduit à une cote à usiner Cmin située vers le minimum matière à 20,2 - 0,2 x 0,8 = 20,04 mm. La figure 5 illustre à titre d'autre exemple le cas de l'usinage d'un alésage pour lequel un usinage doit être effectué à une cote nominale Cn de 20,0 mm avec une tolérance IT de 0,2 mm. Dans ce cas, le paramètre b prend la valeur + 1 puisque l'élément à usiner est du type alésage. Comme dans le cas précédent, la valeur du coefficient k dépend de l'intervalle de confiance C que l'on souhaite se réserver. A titre d'exemple, si le coefficient k est de 0,8 et en ne tenant pas compte du coefficient a d'auto-correction, l'application de la formule (1) conduit à une cote à usiner Cmin située vers le minimum matière à 20,0 + 0,2 x 0,8 = 20,16 mm. La figure 6 illustre le même exemple que la figure 5, mais dans le cas où l'on prend en compte le paramètre a d'auto correction du comportement et de l'usure de l'outil. Comme indiqué précédemment, la valeur du paramètre correcteur a est soit calculée par une macro-instruction de mesure lors de la mesure intégrée de la pièce montée sur machine-outil à commande numérique, soit fournie par une donnée portée dans les paramètres de chaque outil (cas d'un usinage avec correction dynamique). Dans le cas de la figure 6, la cote usinée réelle Cr est à titre d'exemple égale à 20,06 mm, cette valeur étant relevée par mesure de la pièce. Ceci correspond à une valeur du paramètre a d'auto-correction égale à 0,1 mm. La prise en compte de ce paramètre a dans la formule (1) conduit à ramener la cote usinée au voisinage de la valeur théorique dont il a été question lors de la discussion de la figure 5. Le programme d'usinage est réalisé à l'aide de macroinstructions qui prennent en compte a) la morphologie de l'usinage, et notamment la géométrie, les spécifications techniques, la notion d'arbre ou d'alésage b) la nominale Cn, le signe de la tolérance (paramètre b lié à la notion d'arbre ou d'alésage) et la tolérance de chacune des cotes à réaliser en situant l'usinage vers le minimum matière avec un intervalle de confiance lié à la valeur du coefficient k, c) la formule (1) qui permet de calculer la valeur de chaque cote à usiner en prenant en compte le comportement et l'usure de l'outil par l'intermédiaire du paramètre a d'auto-correction. Une automation complète du processus d'usinage peut ainsi être effectuée. Le programme proprement dit est constitué par une suite de macro-instructions paramétrées résidentes sur les machines à commande numérique et de sous-programmes signalés dans le programme d'usinage comme des macro-instructions classiques. Les outils affectés aux différentes opérations volumiques ne sont pas liés à des pièces mais à des macro-instructions. Il s'ensuit que le programme d'usinage prend en compte, pour un outil en broche, l'usinage de macro-instructions réparties sur un ensemble de pièces différentes. Le procédé selon l'invention est ainsi tout à fait adapté à la réalisation d'usinages de façon simultanée sur des pièces différentes. Les figures lA et 1B présentent un exemple de pièce avec des données de définition pour la réalisation d'une rainure non débouchante, les données de définition pouvant être introduites dans une macro-instruction volumique paramétrée, dénommée RAINFD2. La figure 1A représente une vue en coupe selon un plan XOY et la figure 1B est une coupe selon un plan lB-lB perpendiculaire au plan XOY et contenant un axe Z perpendiculaire au plan XOY. Une suite de données de définition sont introduites dans une macro-instruction paramétrée pour définir les conditions d'usinage de la rainure 21 dans la pièce 20, à l'aide d'un outil 22. Sur la figure 1A, A et B représentent les décalages de l'origine du modèle (point 6) selon les axes X et Y d'un repère XOY, par rapport à l'origine O du programme. C représente le rayon réel de l'outil 22 augmenté d'une valeur e par exemple égale à 2 mm. Les différentes données prises en compte dans l'exemple des figures 1A et 1B sont les suivantes 000 paramètre prévu pour recevoir automatiquement la valeur du rayon réel de l'outil 22. 001 cote nominale de la longueur de la rainure 21. 002 tolérance attachée à la cote nominale 001 de la longueur de la rainure 21. 003 cote nominale de la largeur de la rainure 21. 004 tolérance attachée à la cote nominale 003 de la largeur de la rainure 21. 005 distance définissant un plan de sécurité au-dessus de la pièce 20 selon l'axe Z. 006 paramètre pouvant prendre la valeur 1 ou - 1. La valeur 1 correspond à un usinage "en avalant"(arrivée au point 1 puis parcours des points 2, 3, 4, 5 puis montée selon l'axe des Z de la distance 005 puis positionnement au point 6). La valeur - 1 correspond à un usinage en opposition (arrivée au point 1 puis parcours des points 5, 4, 3, 2 puis montée selon l'axe des Z de la distance 005 puis positionnement au point 6. 007 cote nominale de l'épaisseur de matière entre le fond de la pièce 20 et le fond de la rainure 21. 008 tolérance sur la cote 007. 009 valeur du rayon de la partie arrondie 23 de la rainure non débouchante. 010 tolérance sur la valeur du rayon 009. 011 avance travail. 012 approche rapide selon l'axe Z pour atteindre ensuite la cote nominale 007. 013 angle entre l'axe de la rainure dans le plan XOY, et l'axe X. 014 coefficient relatif à la tolérance 002. 015 coefficient relatif à la tolérance 004. 016 coefficient relatif à la tolérance 008. 017 coefficient relatif à la tolérance 010. 018 rayon théorique de l'outil. 019 coefficient relatif au temps d'usinage. 020 incrément selon l'axe Z (pour les valeurs 007 et 012) 021 incrément latéral de la cote 001. 022 incrément latéral de la cote 003. P01 vitesse de rotation. P02 vitesse d'avance. REVENDIGATIONS 1. Procédé de commande de machines à commande numérique pour l'usinage automatique de pièces mécaniques, caractérisé en ce que pour chaque valeur dimensionnelle de la définition de la pièce à usiner, on précise, d'une part, un paramètre sans dimension b de valeur + 1 ou - 1 selon que l'élément à usiner est du type alésage ou du type arbre, et, d'autre part, une cote nominale au maximum de matière Cn, un intervalle de tolérance Il, on choisit une position de l'usinage vers le minimum matière dans l'intervalle de tolérance définie par une fraction k de l'intervalle de tolérance IT, on détermine un paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner tenant compte du comportement et de l'usure de l'outil coupant et on détermine la cote à usiner Cu à partir de la formule Cu = Cn + b . (IT . k) + a 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre a d'auto-correction de la cote à usiner est déterminé à partir de courbes d'analyse des outils coupants utilisés pour l'usinage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que leparamètre a d'auto-correction de la cote à usiner est déterminé à l'aide d'une mesure intégrée de la pièce usinée montée sur une machine-outil à commande numérique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs pour le paramètre b,pour la cote nominale Cn, pour l'intervalle de tolérance Il, pour la fraction k de l'intervalle de tolérance IT, la valeur déterminée pour le paramètre a d'auto-correction ainsi que la formule de calcul de la valeur de chaque cote à usiner CU sont incluses dans des macro-instructions volumiques et paramétrées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs pour le paramètre b,pour la cote nominale Cn, pour l'intervalle de tolérance IT, pour la fraction k de l'intervalle de tolérance IT, la valeur déterminée pour le paramètre a d'auto-correction ainsi que la formule de calcul de la valeur de chaque cote à usiner CU sont incluses dans la programmation paramétrée de la pièce. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on détermine pour les différentes opérations volumiques d'usinage d'une pièce, une suite de macro-instructions paramétrées volumiques résidentes sur la machine-outil à commande numérique, et en ce que les outils affectés à ces différentes opérations volumiques sont directement associées à des macro-instructions, ou à des sous-programmes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on détermine pour les différentes opérations volumiques d'usinage d'une pièce, une programmation paramétrée de la pièce et en ce que les outils affectés à ces différentes opérations volumiques sont directement associées à des macro-instructions, ou à des sous-programmes.