Brevet FR2771809A1 — publié le 19990604

La présente invention concerne un appareil de me- sure de la planéité d'une bande, au défilé, notamment d'une bande de métal dans une ligne de fabrication comprenant - un moyen de mise en tension de la bande pour lui appliquer une tension longitudinale et plaquer la bande sur le rou- leau embarreur, - un rouleau mesureur autour duquel est embarrée la bande, ce rouleau étant équipé de capteurs fournissant des signaux pour déterminer la tension interne locale de la bande. La planéité d'une bande ou d'une plaque au sens de la présente invention est le degré d'équilibre des con- traintes internes de la bande ou de la plaque. En d'autres termes, plus le déséquilibre des contraintes internes d'un produit est important et plus sa planéité sera faible et in- versement. Dans de nombreux domaines et en particulier dans la fabrication de produits en métal notamment destinés à l'électronique ou des applications similaires, des pièces pour du matériel électrique ou électronique, des connecteurs, des supports de composants des câbles, des chauffe-eau, on fabrique une bande de métal par des opérations de laminage, de planage, etc. Puis, on refend cette bande en bandelettes à partir desquelles on réalise les pièces. Le laminage effectué avant ces différentes opéra- tions par une pression superficielle exercée par les cylin- dres produit un amincissement de la bande et son allongement proportionnel. En pratique, l'amincissement de la bande n'est pas rigoureusement régulier, ni dans le sens de la largeur, ni dans celui de la longueur à cause de la flexion ou de la dilatation des cylindres. Cela se traduit par des contraintes internes locales de compression et de tension. Ces contrain- tes peuvent n'entraîner aucun effet apparent sur la bande fa- briquée si elles demeurent suffisamment faibles pour éviter des flambages locaux de la tôle (" cloque ", " frise "). Mais, lorsque cette bande est refendue en bande- lettes servant à fabriquer les produits évoqués ci-dessus, cet équilibre est rompu et les bandelettes se déforment de manière anarchique sous l'effet de leurs contraintes inter- nes. Or les spécifications, en particulier géométri- ques, imposées aux produits destinés à être découpés sont de plus en plus sévères. Pour respecter les tolérances de flè- che, faciliter l'opération de cisaillage et pour éviter les bavures... après cisaillage de la bande, il faut que celle-ci soit libre de toute tension interne en entrée de refendeuse. Il existe des installations ou appareils pour dé- tecter de tels défauts dans la bande par mesure des contrain- tes internes locales. Mais ces appareils connus sont extrêmement complexes et coûteux. Ils se composent en effet d'un rouleau mesureur, rigide, rotatif, sur lequel est embarrée la bande dont on veut mesurer ou déterminer la planéité. Ce rouleau est équipé de capteurs de pression intégrés dans sa surface externe. Ces capteurs de pression, solidaires du rouleau mesureur, tour- nent avec celui-ci. Il faut donc transmettre les signaux par des contacts glissants, ce qui est un problème technique dé- licat nécessitant des moyens très compliqués étant donné le faible niveau des signaux fournis par les capteurs de pres- sion. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour but de créer un appareil simple, robuste, et permettant de fournir des résultats précis en particulier des mesures discrètes associées de manière spa- tiale avec une résolution très fine, aux différentes parties de la bande, pour commander les actions de correction en amont, et une installation qui soit d'un faible coût d'entretien. A cet effet, l'invention concerne un appareil du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que - le rouleau mesureur comporte des zones périphériques défor- mables par compression, indépendantes les unes des autres, - les capteurs sont fixes et associés aux zones périphériques déformables du rouleau pour en détecter l'écrasement sous l'effet de la bande et fournir des signaux fonction de l'écrasement, - un circuit d'exploitation recevant les signaux des capteurs pour en déduire des signaux d'information et de commande. Suivant une autre caractéristique particulière- ment avantageuse: - les zones périphériques déformables du rouleau mesureur sont formées chacune par un anneau, - les anneaux étant juxtaposés indépendants les uns des au- tres et s'appuyant sur deux cylindres de référence, - au moins un capteur est associé à chacun des anneaux pour en détecter l'écrasement sous l'effet de la bande, - les anneaux sont avantageusement solidaires en rotation. Le montage en regard de deux capteurs par anneau mesurant l'aplatissement diamétral (et non plus seulement ra- dial) de l'anneau correspondant simplifie grandement l'analyse numérique des mesures et en augmente la précision, en l'affranchissant de toute correction supplémentaire du cé- dage des rouleaux d'appuis (" cylindres de référence ") a priori variable en fonction de la pression d'embarrage. Suivant une autre caractéristique avantageuse, les anneaux sont identiques. L'appareil selon l'invention est d'une construc- tion assez simple en particulier dans le cas d'un rouleau me- sureur formé d'une juxtaposition d'anneaux. Il s'intègre facilement dans une ligne de fabrication de traitement métal- lurgique en sortie de laminoirs ou de planeuses. La détection des paramètres liés à la planéité, c'est-à-dire la déforma- tion du rouleau mesureur (ou des anneaux composant le rouleau mesureur), se fait par des capteurs de distance, qui sont fixes. Cela élimine toutes les difficultés de transmission des signaux. La largeur des zones périphériques déformables ou des anneaux composant le rouleau mesureur est choisie en fonction de la finesse de la résolution que l'on souhaite. La bande est ainsi décomposée fictivement en ban- delettes appliquées chacune sur un anneau du rouleau mesu- reur. Si cette bandelette présente une contrainte intense de traction, celle-ci se traduit par une force de compression agissant sur l'anneau et aplatissant celui-ci. L'aplatissement est détecté par le capteur qui fournit ainsi un signal fonction de la contrainte interne régnant à l'endroit correspondant de cette bandelette. Le contrôle en continu du profil de contraintes internes dans la bande mesuré par le rouleau mesureur de pla- néité en sortie du laminoir finisseur ou de la planeuse per- met un réglage optimal de tous les actionneurs de ces machines: le bombé et le croisillon des cylindres de lami- nage, le basculement et le cambrage des cassettes de planage.10 La réalisation des anneaux avec une grand préci- sion correspond à un ensemble d'opérations d'usinage habi- tuelles pour que les deux faces de chaque anneau soient parfaitement perpendiculaires à leur axe de rotation. Le même soin et les mêmes précisions doivent être apportés à la réalisation des rouleaux d'appui qui non seule- ment doivent être bien équilibrés mais également être parfai- tement parallèles. Enfin la précision de réalisation des anneaux et en particulier la planéité de leurs faces et l'orthogonalité de ces faces par rapport à leur axe réduit au minimum le frottement entre les anneaux c'est-à-dire à contrario que les anneaux peuvent s'écraser tous indépendamment des autres sur les rouleaux d'appui. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des différents exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins an- nexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue en coupe très schématique d'un ap- pareil de mesure de planéité d'une bande selon l'invention, * la figure 2 est un schéma dynamique montrant les différents paramètres angulaires et les points d'action des efforts exercés sur un anneau, * la figure 3 est un schéma général, * la figure 4 est un schéma complémentaire, * la figure 5 est une vue de côté d'un premier mode de réali- sation d'une machine de mesure de planéité selon l'invention, * la figure 6 est une vue de face de la machine sur la figure , * la figure 7 est une vue de côté d'un autre mode de réalisa- tion d'une machine de mesure de la planéité selon l'invention, * la figure 8 est une vue de face simplifiée correspondant à la figure 7. Selon la figure 1, l'invention concerne un appa- reil mesurant la planéité d'une bande 1, au défilé c'est-à- dire circulant dans la direction de la flèche A. Bien qu'il s'agisse d'une bande en principe quelconque, l'invention con- cerne tout particulièrement les bandes métalliques et notam- ment des bandes de métaux non ferreux, en sortie de fabrication, pour en contrôler les caractéristiques et corri- ger le fonctionnement de l'installation en amont. Cet appa- reil se compose d'un rouleau mesureur 10 déformable par zones périphériques. Il est avantageusement formé d'un ensemble d'anneaux juxtaposés, identiques, libres les uns par rapport aux autres mais tournant à la même vitesse pour que la moyenne faite des mesures corrige bien les défauts d'usinage de chaque anneau. Les anneaux sont libres les uns par rapport aux autres en ce qu'ils peuvent glisser librement les uns contre les autres pour s'aplatir librement. Ces anneaux ont un axe XX perpendiculaire au plan de la figure 1. A titre d'exemple non représenté, les anneaux peuvent avoir sur l'un de leurs bords, des ergots et sur leur bord opposé des cavités en position homologue, et de dimen- sions plus grandes que celles des ergots. Les anneaux, ainsi réalisés, sont associés pour ces liaisons ergot/cavité lais- sant un jeu suffisant pour que les anneaux puissent s'écraser librement les uns par rapport aux autres. Le rouleau mesureur, déformable, ainsi formé d'anneaux déformables (dans des limites très faibles mais néanmoins suffisantes) permet de détecter les contraintes in- ternes de la bande comme cela sera expliqué à l'aide des fi- gures 2, 3, 4. Pour simplifier, cet ensemble d'anneaux étant équivalent au rouleau décrit ci-dessus, il portera la même référence. L'ensemble d'anneaux 10 est porté par deux cylin- dres d'appui 11, 12. La bande 1 à contrôler s'appuie sur l'ensemble d'anneaux 10 suivant un angle d'embarrage 29 com- pris schématiquement entre les deux rayons Ri, R2. La force d'aplatissement P exercée par la bande 1 sur les anneaux 10 ou plus exactement la force exercée par les différentes bandelettes élémentaires Bi théoriques de la bande 1 qui s'appuient sur les différents anneaux 10, produit un aplatissement de chaque anneau lOi sensiblement dans la direction de la bissectrice de l'angle d'embarrage. Cet aplatissement est mesuré par une série de capteurs 13 (13i) placés de préférence à l'intérieur de l'ensemble des anneaux 10. Ces capteurs 13i sont montés de manière fixe puisque l'intérieur des anneaux 10 est libre et accessible. Ces capteurs 13i fournissent chacun un signal de déformation de l'anneau lOi auquel il est associé. Les lignes de transmission des signaux n'ont pas été représentées ni le circuit d'exploitation utilisant ces signaux pour commander l'installation dans laquelle est intégré l'appareil. Il est également possible de compléter l'instal- lation par une série de capteurs 14i, alignés diamétralement sur les capteurs 13i mais situés à l'extérieur et en dessous de l'ensemble des anneaux lOi. Ces capteurs extérieurs peu- vent également remplacer les capteurs intérieurs 13i par des capteurs extérieurs 14i peut-être plus faciles à monter et à entretenir. Enfin l'appareil peut comporter un ensemble de capteurs extérieurs 15i situé au-dessus de la zone d'embarrage pour permettre une mesure de profil en parallèle de celle de planéité du profil transverse de la bande. Tous les anneaux de l'ensemble 10 dont un seul apparaît, ont la même géométrie; ils sont réalisés avec une très grande précision et leur surface extérieure est de pré- férence polie et présente une dureté très élevée pour éviter toute griffure qui détériorerait à la longue l'état de sur- face de la bande passant sur l'anneau. Ces anneaux sont de préférence en acier de cons- truction ou en acier à outil. Selon les installations, l'appareil de mesure peut être placé directement en sortie d'une table de laminoir ou d'une planeuse. Dans ce cas l'ensemble d'anneaux 10 cons- titue le rouleau embarreur. La pression d'embarrage dépend fortement de l'angle d'embarrage et de la traction appliquée à la bande. Le rouleau 10 de l'appareil mesureur de planéité peut également servir d'appui à la bande soumise à un rouleau presseur qui maintient l'effort de pression quasi constant, indépendamment de la traction de la bande, sur le rouleau me- sureur comme cela sera vu dans le second exemple de réalisa- tion. Les capteurs 13 (13i), 14 (14i), 15 (15i) sont de préférence des capteurs sans contact, des capteurs de proxi- mité, inductifs, très simples à mettre en place d'autant plus qu'ils ne sont pas au contact ou soumis à l'usure pour les anneaux. Ces capteurs sont d'un encombrement très limité et leur coût de mise en oeuvre est faible; la précision des me- sures qu'ils effectuent est très satisfaisante. Ils fournis- sent des signaux de sortie analogiques. Ces signaux peuvent être utilisés tels quels ou être convertis en signaux numéri- ques. Le principe des mesures sera exposé ci-après à l'aide du schéma de la figure 2 représentant un rouleau 10 de rayon R venant sur deux appuis ponctuels 11, 12 figurant les points d'appui du rouleau 10 sur les cylindres 11, 12. Une force P (résultant des contraintes internes de la bande) est appliquée sur ce cylindre. La mesure est faite suivant l'axe AA décalé de l'angle P par rapport à la bissectrice de l'angle 20 formé par les rayons passant par les deux appuis 11, 12. L'angle d'embarrage est égal à 2p. L'aplatissement diamétral mesuré suivant la di- rection de mesure AA, 6 est donné par la formule suivante dans laquelle E représente le module d'élasticité du rouleau. Un calcul analytique de la déformée en flexion pure sans tenir compte ni de la traction ni du cisaillement du rouleau donne la relation linéaire suivante entre la pres- sion d'embarrage et l'aplatissement diamétral (dans le cas présent l'angle d'embarrage est égal à 29): R3 xF 4) E I or or x cos(m) o =-xépaisseur3Iarg ee Le procédé de mesure de planéité tel que décrit ci-dessus est notamment destiné à mesurer la planéité de ban- des de métaux, notamment de métaux non ferreux, telles que des bandes de cuivre ou d'alliage de cuivre, utilisées pour des fabrications dans les domaines électrique et électroni- que. Dans ce cas, le procédé et l'appareil qui l'utilise re- çoivent une bande qui défile et les mesures se font pendant tout le défilement de la bande. Ces mesures sont en général faites de manière discontinue. Selon les figures 3 et 4 la bande 1 entoure un rouleau mesureur 10 suivant un angle d'embarrage a. Il en résulte une pression P que la bande 1 exerce sur le rouleau mesureur 10 et déforme le diamètre en l'écrasant. Son diamè- tre D est alors diminué de 6 qui est mesurée par des cap- teurs. En décomposant la bande 1 en bandelettes, si la bandelette envisagée présente une contrainte de traction Si, la force de compression P qu'elle exerce sur le rouleau 10 pour l'angle d'embarrage a est donnée par la formule sui- vante: Pi = 2 e e. Si À Sin c/2. Or, cette compression provoque un aplatissement 6i du rouleau et cet aplatissement est proportionnel à la force de compression 5i = K * pi. La constante K ne dépend que de la géométrie et des caractéristiques physiques du rou- leau et de son appui. En fonction de la technologie des capteurs on utilise une procédure de remise à zéro, voire de réétalonnage automatique du rouleau mesureur. Ces opérations sont d'autant plus simples que l'acquisition et le traitement des mesures5 sont numériques. Pour l'étalonnage de chaque anneau, il suf- fit de presser un rouleau sur les anneaux, idéalement avec différents efforts, et de mesurer les aplatissements corres- pondants. Enfin, pour corriger automatiquement tout défaut de faux rond entre l'alésage intérieur et la rectification extérieure des anneaux, on effectue une mesure de l'aplatiss- ement diamétral (somme des 2 déplacements radiaux opposés) de préférence à une simple mesure radiale sous le contact de l'anneau avec la bande. Comme les contraintes internes ne fluctuent pas significativement sur des longueurs inférieures au mètre, la moyenne arithmétique de deux mesures d'aplatis- sement (radial) effectuées chaque demi-tour corrige de la même façon, sans biais, un défaut de type " faux rond ". La moyenne arithmétique de deux mesures d'aplatissement (diamétral) effectuées chaque demi-tour corrige en plus de tout défaut périodique de type " ovalisation ". La moyenne arithmétique de 3 (respectivement de 4) mesures d'aplatisse- ment (diamétral) effectuées chaque tiers de tour corrige de tout défaut périodique de type " trilobe " (respectivement de type " trèfle à quatre feuilles "). De fait, toute combinai- son de ces quatre types de défauts sera corrigée sans biais si la mesure d'aplatissement retenue est la moyenne arithmé- tique de 12 mesures d'aplatissement diamétral. Un optimum pourrait être fixé à 24 mesures par tour. Cette analyse (ou toute analyse fondamentalement comparable fondée sur un trai- tement simple à partir d'inversion de Fourrier rapide par exemple) permet d'alléger très significativement les spécifi- cations d'usinage des anneaux du cylindre mesureur. Elle im- pose par contre que les anneaux soient solidarisés dans leur rotation. Idéalement, une impulsion est générée périodique- ment, par exemple chaque douzième de tour, par la rotation même du cylindre mesureur, et déclenche l'acquisition des me- sures d'aplatissement de tous les anneaux à cet instant. A titre d'exemple numérique les anneaux ont géné- ralement un diamètre de quelques centaines de millimètres, une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de millimètres. Les aplatissements à mesurer sont de l'ordre du dixième de milli- mètre. Les fluctuations dues aux variations de contraintes résiduelles sont de l'ordre du centième de millimètre. Selon les figures 5 et 6, un premier mode de réa- lisation d'un appareil selon l'invention se compose d'un cy- lindre mesureur 110 composé d'anneaux 1101... 1103... 1107 indépendants, positionnés suivant l'axe géométrique XX. Les anneaux sont maintenus latéralement par des flasques 120, 121 montés libres en rotation par l'intermédiaire de roulements à billes 122, 123 portés par un axe fixe 124 équipé des cap- teurs 1132, 1152 associés à l'anneau 1102, les capteurs 1136, 1156 associés à l'anneau 1106, etc. Les anneaux extérieurs 1101-1107 complètent le rouleau mesureur 110 au niveau des paliers 120, 121 pour faciliter la tenue des anneaux intermé- diaires et leur rotation. Aucun capteur n'est associé à ces deux anneaux extrêmes 1101, 1107 qui peuvent, le cas échéant, recevoir le bord de la bande à contrôler (non représentée). L'enrouleur 110 repose sur deux cylindres 111, 112 montés dans des flasques 125, 126 du bâti de la machine. Les différents équipements, et en particulier les branchements électriques et les faisceaux de câbles des cap- teurs vers le circuit d'exploitation électronique, ne sont pas représentés. Le câblage des capteurs 1132... 1136, 1152... 1156 ne présente aucune difficulté puisque seuls les anneaux tournent mais non les capteurs. Les figures 7 et 8 montrent une autre variante de réalisation d'un appareil de mesure de planéité selon l'invention. Cet appareil se compose, comme précédemment, d'un rouleau mesureur 220 formé ici de dix anneaux 2201... 22010 libres en rotation et s'appuyant sur deux cylindres d'appui 211, 212 montés dans les flasques 225, 226 de la machine. Il Les anneaux extérieurs 2201-22010 sont montés sur des éléments d'extrémité 220, 221 portés par des paliers à roulement 222, 223. Le ruban à contrôler 201 défile et embarre le rouleau 220 en étant tendu par un cylindre presseur 240 porté par un bras 241 et soumis à un vérin 242. Cet équipage pivo- tant exerçant une force constante sur le ruban 201 est montré dans deux positions différentes à la figure 7. En sortie, le ruban passe sur un cylindre de sor- 0 tie 250. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Appareil de mesure de la planéité d'une bande, au défilé, notamment d'une bande de métal dans une ligne de fabrication comprenant - un moyen de mise en tension de la bande pour lui appliquer une tension longitudinale et plaquer la bande sur le rou- leau embarreur, - un rouleau mesureur autour duquel est embarrée la bande, ce rouleau étant équipé de capteurs fournissant des signaux pour déterminer la tension interne locale de la bande, appareil caractérisé en ce que - le rouleau mesureur (10, loi) comporte des zones périphéri- ques déformables par compression, indépendantes les unes des autres, - les capteurs (13, 13i) sont fixes et associés aux zones pé- riphériques déformables du rouleau pour en détecter l'écrasement sous l'effet de la bande et fournir des si- gnaux fonction de l'écrasement, - un circuit d'exploitation recevant les signaux des capteurs pour en déduire des signaux d'information et de commande. 2 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les zones périphériques déformables du rouleau mesureur (10, lOi) sont formées chacune par un anneau, - les anneaux étant juxtaposés indépendants les uns des au- tres et s'appuyant sur deux cylindres de référence, - au moins un capteur (13, 13i) est associé à chacun des an- neaux pour en détecter l'écrasement sous l'effet de la bande. 3 ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les anneaux (loi) sont solidaires en rotation. 4 ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les anneaux (lOi) sont identiques. ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les anneaux (lOi) sont métalliques. 6 ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' à chaque anneau est associé un capteur (13i) placé dans l'anneau (lOi) 7 ) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' à chaque anneau est associé un capteur (14i) placé à l'extérieur de l'anneau. 8 ) Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur (13i ou 14i) associé à un anneau est complété par un autre capteur extérieur (15i) pour permettre la caractéri- sation complémentaire du profil transversal de bande.