Brevet FR2710405A1 — publié le 19950331

La présente invention concerne un procédé de caractérisation quantitative des états de surfaces anisotropes, par exemple pour la mesure de rugosité du bois, et un dispositif d'application du procédé. L'application du procédé dans le domaine du bois est particulièrement importante, mais elle n'est pas limitative. Le développement de moyens de contrôle à la fois fiables, rapides (en continu), peu coûteux et mieux adaptés au matériau bois, revêt un intérêt particulier pour les entreprises qui se sont dotées d'une politique de qualité portant sur les produits finis. Une des propriétés importantes du bois est son état de surface qui conditionne non seulement son aspect esthétique, la tenue des collages et des produits de finition, mais aussi la satisfaction du besoin du client pour qui une surface lisse est un critère de choix important, dans l'ameublement par exemple. I1 existe actuellement plusieurs procédés d'appréciation et/ou mesure de la rugosité d'une surface bois présentés ci-après. Le procédé viso-tactile en comparatif est le plus utilisé, il consiste à comparer par un mouvement rotatif du doigt, la rugosité de la surface testée avec celle d'un échantillon. La simplicité, la rapidité, l'appréciation de rugosités faibles sont les points forts de ce procédé, mais les résultats sont liés à la subjectivité de l'opérateur et relèvent plus du qualitatif que du quantitatif. Le procédé de palpage mécanique met en oeuvre un appareil transformant les mouvements verticaux d'un palpeur en une grandeur électrique. Les résultats obtenus sont quantitativement précis, mais le domaine d'utilisation est limité à certaines essences de bois (en particulier il ne s'applique pas aux feuillus à zone initiale poreuse et aux surfaces cumulant différents types d'anisotropie). De plus la répétabilité des mesures n'est pas bonne, le palpeur peut modifier localement l'état de surface, la longueur de palpage est limitée, la vitesse du pal peur est insuffisante. Pour toutes ces raisons, l'application industrielle du procédé n'est pas envisageable. Le procédé de vision-artificielle est basé sur un principe qui consiste à éclairer la surface étudiée à l'aide d'une lumière rasante issue d'une source laser, les creux étant dans des zones d'ombre et les pics éclairés. Ce procédé est compatible avec une application industrielle par la rapidité du traitement de l'image obtenue, par l'absence de contact palpeur-bois, mais ses inconvénients restent importants et notamment : application difficile aux surfaces présentant des variations locales de couleur (comme par exemple maillure du chêne, cernes d'accroissement des résineux) et mise au point longue et aléatoire de la source laser. Le procédé pneumatique est basé sur les propriétés des écoulements des fluides à travers des orifices. I1 consiste à comparer la fuite entre un gicleur de forme généralement annulaire posé sur la surface à examiner et une fuite étalon. L'inconvénient majeur de ce procédé est son utilisation limitée aux essences de bois non poreuses. Tous ces procedés ont montré leurs limites dans les cas des essences poreuses, des anisotropies surfaciques importantes et complexes (feuillus à zone initiale poreuse par exemple). Ils ne permettent pas de couvrir toute la gamme des états de surface rencontrés dans la mise en oeuvre du bois. Le but de l'invention est de palier les inconvénients de l'art antérieur et de mettre au point un procédé basé sur la mesure du frottement et qui prend en compte et quantifie l'anisotropie de la surface testée. De plus ce procédé doit d'une part permettre un développement industriel de la mesure de l'état de surface et d'autre part couvrir toute la gamme des etats de surface rencontres dans la mise en oeuvre du bois (du brut de sciage jusqu'au procédé de finition des surfaces). Pour cela, les inventeurs ont eu l'idée nouvelle d'isoler et de prendre en compte une énergie liée à la topographie de la matière, ils l'ont appelée "énergie topographique" et ont cherché à l'évaluer. Le principe développé s'inspire d'une approche "pseudo tactile" qui se propose de reconstituer le mouvement tournant des doigts de la main sur un plan, et d'en déduire les composantes topographiques caractéristiques de l'état de surface. Cette méthode devant intégrer alors, en une seule mesure, l'anisotropie de l'état de surface et permettre un classement quantitatif de celles-ci, (seul un classement viso tactile comparatif est utilisé actuellement dans les entreprises). Plus particulièrement, le procédé selon l'invention est un procédé de caractérisation quantitative de l'état d'une surface, par exemple pour la mesure de la rugosité du bois, caractérisé en ce qu'il est basé sur la mesure énergétique du frottement d'un palpeur rotatif sur ladite surface. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après faite en référence aux figures suivantes - figure 1 : schéma de principe mécanique d'un dispositif selon l'invention, - figure 2 : vue en coupe d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention, - figure 2a et 2b : détails de la figure 2, - figure 3 : organigramme d'un procédé de mesure selon l'invention, - figure 4 : graphique de comparaison du critère théorique et du critère experimental, - figure 5 : graphique illustrant l'influence du pas d'usinage sur le critère d'état de surface. Le principe mécanique développé est schématisé sur la figure 1, la mesure s'effectue sur un tour. Un palpeur rotatif (1) formé d'un élément moteur (2) entrainant un système frottant, par exemple et non limitativement une bille (3), prend en compte les irrégularités de la surface dans toutes les directions au cours d'une rotation d'un angle O Le critère proposé est basé sur une approche énergétique pouvant s'écrire ETS = AEF AET avec ATs , le travail fourni au système, 6E, , le travail des forces de frottement, et AET le travail des forces dû à la topographie de la surface. Le travail fourni au système s'écrit compte tenu de sa géométrie 6Ts - F,(0)R2dS avec Fi(#) : l'effort tangentiel appliqué à la bille pour la déplacer, c'est l'effort mesuré, Rp : le rayon de giration du dispositif. Le travail des forces de frottement (F (6)) s'exprime en fonction de N, poids du système au point de contact bille-surface bois et du coefficient de frottement dynamique local tg#(#) , on a alors la relation #EF = N#tg#(#).Rp.d# Nous supposons de plus que le travail topographique est nul sur l'ensemble de l'essai, c'est-à-dire que le travail des forces nécessaires pour franchir une singularité de surface est entièrement récupéré à la descente de celles-ci, soit E# = ETM + ETd = 0 où ETS est le travail des forces lors de la montée et ETd est le travail des forces lors de la descente. Le travail fourni des forces topographiques sur un tour devient d'où L'effort nécessaire pour déplacer la bille sur un plan incliné (montée d'une singularité de surface), est proportionnel à N et La variation d'énergie topographique moyenne par unité de déplacement peut s'inscrire après normalisation par rapport à N ettgÇQ Fi(0) représente l'effort de frottement local qui peut être estimé sur une distance suffisamment grandelet =0) par l'effort tangentiel moyen mesuré sur cette même distance. Une bonne appréciation de Ff(#) peut être obtenue par lissage de la fonction F,(0) et l'expression retenue est Ff(#) = A + Bcos(O) + Crin(0) + Dcos(#) + Ecos(0)sin(0) + Fin2(0) JEN représente alors le critère d'état de surface. Un dispositif de mise en oeuvre est montré plus en détail en figures 2, 2a, 2b. I1 comporte un boitier (8) que l'on pose sur la surface à tester. Un cordon d'alimentation (6) alimente un moteur (2), lui-même entrainant en rotation un bras ou disque (4) qui porte un système frottant (3) à son extrémité. Un couple mètre (5j ou tout système de mesure du couple resistant est prévu sur l'axe de rotation du bras (4), et les signaux de mesures sont transmis par un cordon de sortie (7) à un système électronique intégré de calcul non représenté. Un organigramme simplifié non limitatif d'un procédé de mesure est donné en figure 3. Les signaux issus d'un palpeur rotatif tel que (1) sont envoyés par le cordon (7) au système électronique intégré de calcul. Le procédé de la figure 3 comporte des étapes classiques d'initialisation (a), menu (b), prise de mesure (c), sauvegarde (d), recherche de fichiers (e), résultats (ç). L'étape de calcul (f) est un programme de calcul du critère expérimental d'état de surface N > mesuré selon les formules établies ci-dessus, et en fonction des mesures relevées en étape (c). En outre, il est possible d'ajouter si nécessaire un calcul du critère limite qui illustre l'état de surface optimal inhérent à l'anatomie spécifique du matériau testé, et d'un critère théorique caractérisant le mode d'usinage. Par exemple le graphique de la figure 4 permet une comparaison entre critère théorique et critère expérimental réalisée comme suit Une géométrie de surface théorique, obtenue par rabotage, (outil tournant 4 dents, $ 140 mm) a été modélisée suivant différentes conditions de coupe (vitesse d'avance de 5 à 23 m/mn, vitesse de rotation de l'outil de 3000 à 8400 tr/mn). Le matériau etant pour cette simulation considéré comme parfait (pas de topographie liée à l'anatomie, ni à la texture), seul le motif élémentaire lié aux conditions de coupe est pris en compte. Les valeurs du critère 6EN calculées pour cette surface théorique sont comparées aux mesures effectuees sur surfaces réelles d'épiceas usinées dans les mêmes conditions de coupe (figure 4). On peut noter la bonne corrélation obtenue (r2=0,95) , validant ainsi la méthode proposée. La figure 5 montre l'influence du pas d'usinage sur le critère d'état de surface, les mesures étant réalisées sur des surfaces d'épicéas corroyées. L'ordonnée à l'origine correspond à la topographie inhérente à l'anatomie du bois, définissant un état de surface optimal spécifique de la matière ligneuse usinée constituant le critère limite défini précédemment. Un grand nombre d'applications sont possibles à partir du principe de mesure de la qualité des surfaces bois, notamment - détermination de la topographie de surface limite des bois utilisés en production industrielle (ameublement, menuiseries industrielles, placages, panneaux...) permettant de déterminer le degré de finition optimum pour un usage donné, - caractérisation du niveau de performance d'un processus d'usinage (outils ou conditions de coupe, conditions physico-chimiques du matériau : température, humidité, vieillissement), - détection et optimisation des cycles de changement d'outillage sur les chaines de production évitant les mesures d'usure des arêtes de coupe des outils, e - visualisation et quantification possibles de l'effet des parametres de coupe d'un outil. En outre ce dispositif est tres simple dans son principe mécanique et présente une bonne sensibilité d'où de bonnes performances au niveau du critère retenu. Son développement industriel intéresse en particulier les fabricants d'outils d'usinage car il permettra de quantifier les performances ou le rendement des outils, de mettre en place un contrôle qualité. Les applications du procédé et du dispositif sont donc nombreuses dans le domaine du bois. De plus, comme spécifié en introduction, ce domaine d'application n'est pas limitatif et peut être étendu à l'étude de toutes les surfaces anisotropes quelque soit le matériau. REVENDICATIONS 1. Procedé de caractérisation quantitative de l'état d'une surface, par exemple pour la mesure de la rugosité du bois, caractérisé en ce qu'il est basé sur la mesure énergétique du frottement d'un palpeur rotatif (1) sur ladite surface. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calcul d'un critère d'état de surface appele ENT qui représente le travail des forces dû à la topographie de la surface et calculé selon la formule où5E est la variation de l'énergie topographique, F,(0) est l'effort mesuré, Ff(#) est estimée par lissage de la fonction Ft(O) est l'angle de rotation du palpeur. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la formule retenue pour le calcul de Fi(0) est Fi(0) = A + Bcos(B) + Csin(#) + Dcos(#) + Ecos(0)sin(0) + Fsin2(0) 4. Procédé selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte en plus une étape de calcul du critère théorique selon le matériau employé. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte en plus une étape de calcul du critère limite selon le matériau employé. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte en plus une étape prenant en compte l'effet des paramètres de coupe d'un outil et des caractéristiques physico-chimiques du matériau (température, humidité, vieillissement). 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un palpeur rotatif formé d'un boîtier (8) que l'on pose sur la surface à tester, un cordon d'alimentation (6) alimente un moteur (2), lui-même entrainant en rotation un bras ou disque (4) qui porte un système frottant (3) à son extrémité, un système de mesure du couple (5) est prévu sur l'axe de rotation du bras (4), et les signaux de mesures sont transmis par un cordon de sortie (7) à un système de calcul.