Brevet FR2651458A1 — publié le 19910308

APPAREIL ET PROCÉDÉ DE DETECTION DE RUPTURE ET D'USURE D'OUTIL La présente invention concerne un dispositif de surveillance de machine-outil (MTM), et plus parti- culièrement, un MTM qui non seulement détecte de façon fiable des ruptures d'outil, mais qui aussi détecte une usure d'outil. Des MTM sont décrits dans les brevets des Etats- Unis Nos 4 636 779, 4 636 780, 4 642 617 et 4 849 741 dans lesquels un signal de vibration d'outil est détecté et filtré (moyenné), et ces systèmes diffèrent dans la manière dont le signal détecté et filtré résultant est utilisé pour détecter une rupture. Ces procédés se sont avérés adéquats pour une détection fiable de la rupture d'outils en céramique lors d'une coupe de matériaux durs, par exemple un acier allié utilisé pour un moteur d'avion. Cependant, ce procédé n'est pas très fiable lorsqu'un outil de coupe en céramique effectue une coupe légère dans un tel alliage, ou lorsque la coupe est réalisée sur des alliages d'acier ordinaire avec un tel outil. Dans ces applications, une rupture d'outil peut produire seule- ment une petite modification brusque dans le signal de vibration qui ne peut pas être distinguée des modifi- cations brusques relativement petites présentes dans le niveau moyen et qui sont provoquées par des événements normaux qui ne sont pas révélateurs de problèmes d'outil. En outre, ces MTM peuvent éprouver une difficulté à détecter une usure d'outil excessive, qui provoque une modification progressive dans le niveau du signal de vibration moyen, cette modification étant analogue à la modification qui peut résulter d'une coupe normale avec une augmentation de la profondeur de coupe. Par conséquent, un objet de la présente invention consiste à fournir un appareil et un procédé pour détecter de façon fiable non seulement des ruptures d'outil mais aussi une usure d'outil pour des types variés d'outils de coupe. Un appareil selon la présente invention pour déterminer l'état d'un outil comporte un moyen pour capter la vibration de l'outil afin de fournir un signal de vibration ayant des composantes de puissance de courant alternatif et de courant continu; un moyen pour calculer un premier signal qui est une fonction de la composante de puissance de courant continu du signal de vibration; un moyen pour calculer un second signal qui est une fonction de la composante de puissance de courant alternatif du signal de vibration; et un moyen pour comparer les premier et second signaux. Un procédé selon la présente invention pour déterminer l'état d'un outil comporte la fourniture d'un signal de vibration par détection d'une vibration d'outil; le calcul d'un premier signal qui est une fonction de la puissance de courant continu du signal de vibration; le calcul d'un second signal qui est une fonction de la puissance de courant alternatil du signal de vibration; et la comparaison des premier et second signaux. La figure 1 est un schéma simplifié de la présente invention; la figure 2 est un organigramme d'un mode de réalisation possible de la programmation des calcula- teurs utilisés dans la figure 1; la figure 3 est un organigramme d'un mode de réalisation de la programmation d'un calculateur d'éva- luation utilisé dans la figure 1; et la figure 4 est un organigramme d'un second mode de réalisation de la programmation d'un des calcula- teurs. Dans la figure 1, on peut voir un capteur de vibration tel qu'un accéléromètre 10, qui est monté sur ou à proximité d'un outil (non représenté), (comme décrit dans les brevets mentionnés ci-avant), et dont la largeur de bande est de par exemple 5 Hz à 70 kHz. Dans un mode de réalisation particulier, un capteur de vibration du type Vibrametrics VM 1018, réalisé par Vibra-Metrics, Inc., Hamden, Conn., était utilisé. Cet accéléromètre, lorsqu'il est monté, a une fréquence de résonance d'environ 60 kHz, et peut être utilisé jusqu'à environ 70 kHz. D'autres accéléromètres peuvent être utilisés. Le signal obtenu en sortie du capteur 10 est acheminé jusqu'à un filtre passe-bande (BPF) 12 qui a une bande passante généralement choisie pour passer des fréquences susceptibles d'indiquer des conditions d'outil anormales, par exemple une rupture ou une usure d'outil, et pour rejeter des fréquences qui indiquent un fonctionnement de machine-outil normal ainsi qu'un bruit de fond. Typiquement, cette bande passante se situe entre environ 30 à 70 kHz, bien que d'autres bandes passantes puissent être utilisées selon le matériau de l'outil et de la pièce à usiner, la vitesse de coupe, etc... Le signal issu du BPF 12 est acheminé jusqu'à un détecteur d'énergie qui comporte un redresseur biphasé (FW) 14 ainsi qu'un filtre passe-bas (LPF) 16. Un redresseur biphasé est utilisé de préférence puisqu'il a une haute sensibilité; cepen- dant, d'autres types de redresseurs, par exemple un redresseur à une alternance, peuvent être utilisés. A son tour, le signal unipolaire obtenu en sortie du redresseur 14 est acheminé jusqu'à un filtre passe- bas (LPF) 16, qui typiquement a une fréquence de coupure d'environ 500 Hz. Le signal obtenu en sortie du LPF 16, dont l'amplitude varie dans le temps en fonction de la variation d'énergie du signal issu du BPF 12, est acheminé jusqu'à un convertisseur analogique-numérique (ADC) 18, qui a une fréquence d'échantillonnage typique d'environ 2 kHz. On appréciera ainsi que, outre sa fonction de détecteur d'énergie, le LPF 16 soit un filtre qui évite le sous-échantillonnage de 1'ADC 18. Si on le souhaite, ces fonctions peuvent être réalisées par des LPF séparés. D'autres fréquences peuvent être utilisées pour la fréquence de coupure du LPF 16, et pour la fréquence d'échantillonnage de 1'ADC 18; cependant, la fréquence de coupure du LPF 16 ne doit pas être plus grande que la moitié de la fréquence d'échantillonnage de l'ADC 18. Le signal numérique qui provient de 1'ADC 18 est acheminé jusqu'à un calculateur 20 qui calcule la valeur moyenne du signal, qui est proportionnelle à la racine carrée de la valeur de la puissance de courant continu. Ainsi, un signal qui est une fonction de la puissance de courant continu du signal numérique est fourni par un calculateur 20 à un moyen de comparaison, tel qu'un calculateur d'évaluation 22 de l'état d'un outil, et est aussi acheminé jusqu'à un calculateur 24. De manière analogue, le signal numérique qui provient de 1'ADC 18 est acheminé jusqu'à un calculateur 24 qui calcule la moyenne du carré de la différence des échantillons et la valeur moyenne. Ainsi, un signal qui est une fonction de la puissance de courant alternatif ou une variance du signal numérique est fourni au calculateur 22. On a trouvé qu'en acheminant un signal jusqu'à un calculateur 22, ce signal étant une fonction de la puissance de courant alternatif (variance) en plus de l'acheminement d'un signal qui est une fonction de la puissance de courant continu (moyenne), une indication plus fiable de rupture d'outil ainsi qu'une indication plus fiable d'usure d'outil sont obtenues. Le signal obtenu en sortie du calculateur d'évaluation 22 action- ne une alarme audio et/ou visuelle 26 de telle sorte qu'un opérateur peut arrêter la machine qui utilise l'outil. Un circuit à arrêt automatique peut aussi être utilisé. Sur la figure 2, la programmation des calculateurs 20 et 24 est illustrée avec le début du programme représenté par un bloc de début 201. Puis un o10 nouvel échantillon de signal (x;) est pris en charge suivant la fréquence d'échantillonnage, par exemple 2 kHz, comme indiqué par un bloc de traitement 203 et est stocké comme indiqué par un bloc de traitement 205. Ensuite, un bloc de décision 207 teste si N + 1 échantillons ont été stockés. Si la réponse est NON, alors le programme retourne au bloc de traitement 203 jusqu'à ce que N + 1 échantillons soient stockés, c'est-àdire jusqu'à ce que la réponse au niveau du bloc 207 soit OUI. Puis l'échantillon le plus ancien (le plus éloigné dans le temps) est éliminé comme indiqué par un bloc de traitement 209. Puis la moyenne (x) est calculée pour les N échantillons restants, comme indiqué par un bloc de traitement 211. La valeur moyenne (puissance de courant continu) est acheminée jusqu'au calculateur 22. La valeur moyenne est aussi acheminée jusqu'à un bloc de traitement 213 dans lequel le carré de la différence (déviation) entre la valeur moyenne (x) et l'échantillon courant (x) est calculé. Ensuite, comme indiqué par un bloc de traitement 215, la différence (D) est stockée. Un bloc de décision 217 montre qu'une vérification est faite pour voir si N + 1 valeurs de D sont stockées, et ici, des valeurs typiques de N et M se situent entre environ 16 à 64, bien que d'autres valeurs puissent être utilisées. Si la réponse est NON, alors le programme retourne au bloc de traitement 203. Lorsque la réponse est OUI, la valeur la plus ancienne de D est éliminée comme indiqué par un bloc de traitement 219. Puis la valeur moyenne de a2 (variance) des M valeurs restantes, qui est la puissance du courant alternatif, est calculée comme indiqué par un bloc de traitement 221. On notera que la première sortie valide de a2 est calculée sur l'échantillon de signal (N + M + 2), et ensuite des valeurs valides sont calculées à chaque échantillon. La valeur de a2 est fournie au calculateur 22 et le programme retourne au bloc de traitement 203. On appréciera que d'autres modes de réalisation soient possibles pour l'organigramme de la figure 2. Par exemple, pour simplifier le calcul, le bloc de traitement 213 peut être supprimé et la valeur moyenne de l'expression x; - x peut être calculée puisqu'elle est proportionnelle à la racine carrée de la puissance du courant alternatif. Cette formulation peut être comparée à x (racine carrée de la puissance du courant continu). Aussi, X peut être élevé au carré pour obtenir 52, qui est proportionnel à la puissance du courant continu et qui peut être comparé à a2 (puissance du courant alternatif). Les comparaisons sont réalisées par le calculateur d'évaluation 22. La figure 3 représente l'organigramme d'un mode de réalisation possible d'un programme du calculateur d'évaluation. Les valeurs de x et de a2 sont acheminées jusqu'à un bloc de traitement 301, qui divise a2 par x afin de calculer le ratio R. La valeur de R est acheminée jusqu'à un bloc de traitement 303, qui calcule R, soit la valeur moyenne de R suivant un nombre choisi d'échantillons, par exemple de 16 à 64, bien que d'autres valeurs puissent être utilisées. Les valeurs de R et de R sont acheminées jusqu'à un bloc de décision 305, dans lequel R est comparé pour voir s'il est supérieur à COR ou inférieur à CR. Les constantes C1 et C2 sont typiquement égales à 0,5 et 2, respecti- vement, bien que d'autres valeurs puissent être utilisées. Si la réponse est NON, cela signifie que R a brusquement changé par rapport à R qui est plus vrai- semblablement généré par une rupture d'outil, et une alarme 26 est par conséquent actionnée. La valeur de R est aussi acheminée jusqu'à un bloc de décision 307, dans lequel elle est comparée pour voir si elle est inférieure à une valeur de seuil choisie T. La valeur de T est choisie sur la base d'une expérience anté- rieure réalisée avec un type et un matériau d'outil particuliers, un matériau à usiner particulier, une vitesse de coupe particulière, etc..., le matériau étant usiné par un outil de coupe. Si la réponse est NON, la cause la plus probable est une usure d'outil progressive, et une alarme 26 est actionnée. On appréciera que bon nombre d'autres modes de réalisation soient possibles sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, bien que les calcu- lateurs 20, 22 et 24 aient été représentés comme des calculateurs séparés à des fins de simplification des explications, en pratique, ils constitueraient un seul calculateur, par exemple un microprocesseur. En outre, ces calculateurs pourraient être remplacés par des circuits câblés analogiques ou numériques équivalents, comme il est bien connu de l'homme de l'art. Un second mode de réalisation d'un programme pour un calculateur 20 utilise l'équation à moyenne pondérée: x(ti) = KlX(tf) + x(tjl), dans laquelle x(ti) est l'estimation courante de la moyenne pondérée, x(t1) est l'échantillon courant, (ti.1) est la moyenne calculée antérieurement, et K1 et K2 sont des première et seconde constantes, respective- ment, telles que K1 + K2 = 1. La figure 4 représente un organigramme de ce programme, qui remplace les étapes 203, 205, 207, 209 et 211 de la figure 2. Comme indiqué par un bloc de traitement 401, un premier échantillon x(t0) est prélevé et est ensuite stocké comme indiqué par un bloc de traitement 403. Ceci constitue une partie d'une procédure d'initialisation comme expliqué ci-après. Dans un bloc 405, la valeur du signal courant x(ti), o i = 0, 1, 2, 3, etc..., est échantillonnée et est ensuite multipliée par K (bloc 407). Le produit qui en résulte K1x(t;) est stocké comme représenté par un bloc 408. L'étape suivante consiste à lire la moyenne précédente (bloc 409). Cependant, pour le premier échantillon x(t0), il n'y a pas encore de moyenne précédente. Aussi, la procédure d'initialisation con- siste en ce que le premier échantillon lui-même, qui a été stocké comme indiqué par le bloc 403, soit utilisé comme valeur de moyenne précédente pour le premier échantillon, comme représenté par la ligne en poin- tillés. Pour l'ensemble de ces échantillons qui se succèdent, une valeur moyenne antérieure réelle est présente et est utilisée. La moyenne précédente est multipliée par K2 (bloc 411), et ensuite, la somme Klg(ti) + Kv(t.1) est calculée (bloc 413), et cette somme est X(t,), qui est ensuite substitué à la valeur moyenne précédente x(t11), comme représenté par un bloc 415. La moyenne pondérée X(ti) est fournie à l'étape 213 de la figure 2, puis le programme retourne au bloc 405. Un choix souhaitable pour les constantes consiste en K1 = 0,2 et K = 0,8, ce qui limite toute influence néfaste sur la moyenne par un nouvel échantillon du signal contaminé par des parasites ou par du bruit. Un autre choix consiste en K1 = 0,8 et K2 = 0,2 afin de répondre rapidement à des modifications de valeur de l'échantillon. Un autre choix possible encore consiste en une pondération à égalité, c'est-à-dire, en K1 = K = 0,5. REVENDICATIONS 1. Appareil pour déterminer l'état d'un outil, l'appareil comprenant: - un moyen (10) pour détecter la vibration de l'outil afin de fournir un signal de vibration compor- tant des composantes de puissance de courant alternatif et de courant continu; - un moyen pour calculer un premier signal qui est une fonction de la composante de puissance du signal de vibration; - un moyen pour calculer un second signal qui est une fonction de la composante de puissance du signal de vibration; et - un moyen pour comparer les premier et second signaux. 2. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le moyen de détection (10) comprend un accéléro- mètre. 3. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le premier signal est proportionnel à la puissance du courant continu. 4. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le premier signal est proportionnel à la racine carrée de la puissance du courant continu. 5. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le second signal est proportionnel à la puissance du courant alternatif. 6. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le second signal est proportionnel à la racine carrée de la puissance du courant alternatif. 7. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le moyen de comparaison comprend un moyen pour calculer un ratio des premier et second signaux, un moyen pour calculer une valeur moyenne de ce ratio, un moyen pour comparer ce ratio à la valeur moyenne du ratio, et un moyen pour comparer la valeur moyenne à une valeur de seuil choisie. 8. Appareil selon la revendication 1, compre- nant en outre un filtre passe-bande (12) relié au moyen de détection (10), un détecteur d'énergie couplé au filtre, un convertisseur analogiquenumérique (18) ayant une entrée couplée au détecteur d'énergie et une sortie couplée aux deux moyens de calcul (20, 24). 9. Appareil selon la revendication 8, dans le- quel le filtre passe-bande (12) a une bande passante comprise entre environ 30 et 70 kHz. 10. Appareil selon la revendication 8, dans le- quel le détecteur d'énergie comporte un redresseur bi- phasé (14) et un filtre passe-bas (12) couplé au redresseur (14). 11. Appareil selon la revendication 8, dans le- quel le filtre passe-bas (12) a une fréquence de coupu- re d'environ 500 Hz. 12. Appareil selon la revendication 1, compre- nant en outre une alarme couplée au moyen de comparai- son. 13. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le premier moyen de calcul de signal comporte un moyen pour calculer une somme d'un nombre choisi d'é- chantillons du signal de vibration, et un moyen pour diviser cette somme par le nombre choisi. 14. Appareil selon la revendication 1, dans le- quel le premier moyen de' calcul du signal comporte un moyen pour calculer un premier produit d'une première constante choisie et d'une valeur d'échantillon cou- rante, un moyen pour calculer un second produit d'une seconde constante choisie et d'une moyenne d'échan- tillon précédente, et un moyen pour faire la somme des premier et second produits. 15. Appareil selon la revendication 14, dans le- quel les première et seconde constantes sont d'environ 0,2 et 0,8, respectivement. 16. Procédé pour déterminer l'état d'un outil, ce procédé comprenant: - la fourniture d'un signal de vibration par dé- tection de la vibration de l'outil; - le calcul d'un premier signal qui est une fonc- tion de la puissance du courant continu du signal de vibration; - le calcul d'un second signal qui est une fonc- tion de la puissance du courant alternatif du signal de vibration; et - la comparaison des premier et second signaux. 17. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel le premier signal est proportionnel à la puissance du courant continu. 18. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel le premier signal est proportionnel à la racine carrée de la puissance du courant continu. 19. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel le second signal est proportionnel à la puissance du courant alternatif. 20. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel le second signal est proportionnel à la racine carrée de la puissance du courant alternatif. 21. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel l'étape de comparaison comprend le calcul d'un ratio des premier et second signaux, le calcul d'une valeur moyenné de ce ratio, la comparaison de ce ratio à la valeur moyenne de ce ratio, et la comparaison de cette valeur moyenne à une valeur de seuil choisie. 22. Procédé selon la revendication 16, compre- nant en outre l'actionnement d'une alarme. 23. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel la première étape de calcul du signal comprend le calcul d'une somme d'un nombre choisi d'échantillons du signal de vibration, et la division de cette somme par le nombre choisi. 24. Procédé selon la revendication 16, dans le- quel la première étape de calcul comprend le calcul d'un premier produit d'une première constante choisie et d'une valeur d'échantillon courante, le calcul d'un second produit d'une seconde constante choisie et d'une moyenne d'échantillon précédente, et le calcul de la somme des premier et second produits.