Brevet FR2778355A1 — publié le 19991112

La présente invention est relative à un appareil d'usinage d'une pièce, en particulier d'une pièce métallique, ainsi qu'à un procédé d'usinage correspondant. Elle se rapporte en particulier à un appareil et à un procédé d'usinage d'un piston permettant la réalisation d'un orifice conique de très faible pente dans la face interne de la paroi de l'alésage du piston. Pour ce type d'application, les contraintes relatives à la précision et à la forme à obtenir sont très strictes. L'usinage est classiquement effectué à l'aide d'un outil d'usinage rotatif axialement déplaçable par rapport à la pièce sous la commande d'un premier actionneur et radialement déplaçable par rapport à celle- ci sous la commande d'un deuxième actionneur sous le contrôle d'un dispositif de commande numérique délivrant au premier actionneur un signal de commande de déplacement axial et au deuxième actionneur un signal de commande de déplacement radial. Dans l'état de la technique, le dispositif de commande numérique procède par calcul de l'interpolation de deux axes perpendiculaires liés mécaniquement, c'est-à-dire par calcul de l'interpolation de l'avance axiale de l'outil d'usinage combinée à l'expansion radiale de ce dernier. Un tel calcul s'effectue en asservissant les positionnements axial et radial de l'outil sur des gabarits respectifs prédéfinis, c'est-à-dire sur des lois de forme respectives 2 0 prédéfinies. Ainsi, pour le pilotage du déplacement axial, le dispositif de commande numérique génère une consigne de vitesse de déplacement axial de l'outil par calcul de l'erreur de poursuite, c'est-à-dire la différence entre la position théorique et la position réelle de l'outil. 2 5 Cette technique nécessite donc de disposer d'une mesure de position axiale la plus directe et la plus précise possible. En particulier, dans le cas de figure envisagé, c'est-à-dire pour la réalisation d'un cône de très faible pente et ce avec une très grande rectitude, il est nécessaire de disposer d'une mesure avec une résolution environ dix fois inférieure à la grandeur à asservir, c'est-à- 3 0 dire de l'ordre de 0,1 micron, et ce au plus près possible de l'outil. Bien qu'il soit possible d'obtenir une mesure du déplacement axial de l'outil avec une telle précision, une telle contrainte s'applique également pour l'asservissement du déplacement radial de l'outil, pour lequel il est donc nécessaire de disposer d'une mesure de positionnement radial de l'outil avec une telle résolution. Une telle mesure effectuée sur site, sur un outil d'usinage en rotation à haute vitesse et soumis à un échauffement relativement important, et donc à une dilatation consécutive, n'est pas possible à mettre en oeuvre dans le cadre d'une industrialisation à une cadence de fabrication relativement élevée, compte tenu de la précision recherchée. Le but de l'invention est de pallier cet inconvénient et de fournir un appareil d'usinage d'une pièce et un procédé d'usinage correspondant permettant de s'affranchir de la nécessité d'une mesure du déplacement radial de l'outil d'usinage, tout en obtenant la précision désirée. Elle a donc pour objet un appareil d'usinage d'au moins une pièce, comprenant au moins un outil d'usinage rotatif axialement déplaçable par rapport à la pièce sous la commande d'un premier actionneur et radialement déplaçable par rapport à celle-ci sous la commande d'un deuxième actionneur et un dispositif de commande numérique délivrant au premier actionneur un signal de commande de déplacement axial et au deuxième actionneur un signal de commande de déplacement radial, caractérisé en ce que le dispositif de commande numérique comporte un premier circuit d'asservissement en boucle fermée délivrant au premier actionneur le signal de commande de déplacement axial de l'outil et un deuxième circuit d'asservissement assurant une comparaison entre un signal de consigne de 2 0 déplacement radial et un signal de retour, correspondant à la position radial de l'outil et forcé à une valeur fixe prédéterminée, le deuxième circuit délivrant au deuxième actionneur le signal de commande de déplacement radial de l'outil. Par conséquent, la précision du déplacement radial de l'outil correspond à la précision de la mesure du déplacement axial de celui-ci et ne dépend pas de la mesure de 2 5 son déplacement radial, cette dernière n'étant pas effectuée. L'appareil d'usinage selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - il comporte plusieurs outils et le dispositif de commande numérique génère en 3 0 sortie un signal de commande de déplacement radial spécifique pour chaque outil; - le deuxième actionneur comporte au moins une tête porte-outil à déformation radiale sous la commande d'un fluide hydraulique délivré par une servo-valve associée à une source de fluide sous haute pression et pilotée par le dispositif de commande numérique. L'invention a également pour objet un procédé d'usinage d'au moins une pièce au moyen d'au moins un outil d'usinage, par déplacement axial et radial du ou de chaque outil, sous la commande d'un premier actionneur de commande de déplacement axial et d'un deuxième actionneur de commande de déplacement radial pilotés par un dispositif de commande numérique, au cours duquel on asservit le déplacement axial du ou de chaque outil sur un signal de consigne de déplacement axial prédéterminé, caractérisé en ce que le déplacement radial du ou de chaque outil est piloté au moyen d'un circuit d'asservissement assurant une comparaison entre un signal de consigne de déplacement radial et un signal de retour correspondant à la position radiale du ou de chaque outil, forcé à une valeur prédéterminée. Selon une caractéristique du procédé, le signal de consigne de déplacement radial est élaboré à partir d'une loi de forme dans laquelle la position radiale du ou de chaque outil évolue en fonction de sa position axiale. Avantageusement, le dispositif de commande génère un signal de commande de déplacement radial spécifique pour chaque outil. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pièce à usiner et d'un outil d'usinage correspondant, montrant la forme à obtenir dans la pièce; et - la figure 2 est un schéma synoptique montrant la structure de l'appareil d'usinage selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une vue schématique en coupe d'une portion de jupe d'un piston d'un moteur à combustion interne, désignée par la référence numérique générale 10, ainsi qu'un outil 12 associé permettant d'usiner cette pièce 10 pour former dans celle-ci un orifice conique de très faible pente et ce avec une très grande rectitude, c'est-à- dire avec des irrégularités de surface par exemple inférieures à 3 microns. L'outil d'usinage 12 est constitué par une plaquette axialement déplaçable par rapport à la pièce 10, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du cône à réaliser dans cette dernière, sous la commande d'un premier actionneur 14, constitué par une table d'avance de type classique. Il est également entraîné en rotation par rapport à la pièce 10 sous la commande d'un deuxième actionneur 16, également de type classique dans le domaine de la motorisation de broches. Comme on le voit également sur la figure 2, le deuxième actionneur 16 comprend une tête porte-outil 17 constituant un système à déformation radiale sous la commande d'un fluide hydraulique délivré par un régulateur de pression 18 comprenant une servo-valve associée à une source de fluide sous haute pression 20. Comme on le voit sur la figure 1, le premier actionneur 14 et le deuxième actionneur 16 provoquent le déplacement axial de l'outil 12, selon la direction représentée par la flèche F2, ainsi que son déplacement radial, selon la direction centripète représentée par la flèche F3, en fonction de son positionnement axial, et sa mise en rotation, comme représenté par la flèche Fl. Pour ce faire, et comme mentionné précédemment, l'appareil comporte une table d'avance 14 permettant le déplacement axial, et le deuxième actionneur 16 reçoit, en entrée, pour permettre le déplacement radial, une pression hydraulique délivrée par le régulateur 18. L'appareil comporte en outre un dispositif de commande numérique 22 recevant, en entrée, une loi de forme F correspondant au déplacement radial à imposer à l'outil en fonction de son déplacement axial et délivrant, d'une part, à la table d'avance 14, un signal Si de commande du déplacement axial de l'outil et, d'autre part, au deuxième 2 0 actionneur 16 un signal S2 de commande du déplacement radial de l'outil, constitué par une tension continue analogique fournie en entrée au régulateur de pression 18. Comme on le voit sur la figure 2, le dispositif de commande numérique comporte deux circuits d'asservissement juxtaposés, respectivement 24 et 26 assurant l'un, 24, la commande du déplacement axial du porte-outil et l'autre, 26, la commande du 2 5 déplacement radial de ce dernier. Le premier circuit d'asservissement 24 est constitué par un circuit d'asservissement en boucle fermée, de type classique, assurant l'asservissement du positionnement axial de la table d'avance 21 sur un signal de consigne de position axiale Cl reçu en entrée du circuit 24 en boucle fermée. Comme cela est classique, ce circuit 24 d'asservissement du déplacement axial de la table d'avance 21 calcule l'erreur de poursuite de la table d'avance 21, par calcul de la différence entre la position axiale théorique et la position axiale réelle de la table d'avance 21 délivrée par des moyens de mesure appropriés associés à la table 21, de manière à piloter son positionnement axial et délivrer le signal de commande Si, après amplification au moyen d'un amplificateur 28. Suivant l'invention, le deuxième circuit 26 d'asservissement du déplacement radial de l'outil 12 comporte un circuit d'asservissement en "pseudo boucle fermée". Ce circuit effectue une comparaison entre un signal de consigne C2 de déplacement radial théorique délivré par un circuit 30 d'élaboration de consigne de déplacement radial recevant en entrée une loi de forme F dans laquelle la position radiale de l'outil évolue en fonction de sa position axiale, et un signal de retour C3 prédéterminé constitué par un signal dont la valeur est forcée à un potentiel fixe, et donc analogue à un signal de mesure de position radiale forcé à une valeur fixe. On conçoit donc que ce signal de consigne C3 est perçu par le dispositif de commande numérique comme étant une mesure de la position axiale réelle du porte-outil 14. Dès lors, dans la mesure o le deuxième circuit 26 reçoit, sur la borne inverseuse du comparateur de ce circuit d'asservissement 26, un signal de mesure de position fixe, il identifie le porte-outil comme étant à l'arrêt. Par conséquent, l'écart de poursuite délivré par le deuxième circuit 26 correspond à la position radiale théorique souhaitée pour le porte-outil 14. On conçoit donc que le signal de sortie S2 délivré par le comparateur 2 0 correspond, au gain d'asservissement près, à la position théorique fournie par le deuxième circuit 26 d'asservissement, et varie par exemple, selon une loi prédéfinie. Il est donc possible, en agissant sur la loi de forme F présentée en entrée de l'appareil de faire varier la loi selon laquelle l'outil 12 se déplace radialement. Selon un autre mode de réalisation, non représenté, on utilise plusieurs outils portés chacun par un porte-outil pour l'usinage simultané de plusieurs pièces. Dans le but de provoquer les déplacements axial et radial de chaque outil, l'appareil comporte plusieurs actionneurs reliés chacun à un dispositif de commande numérique similaire au dispositif décrit précédemment et dont le circuit en boucle "pseudo fermée" reçoit une loi de forme F spécifique pour chaque outil. Il est ainsi possible d'usiner simultanément plusieurs pièces dont les formes sont différentes (cônes, lois exponentielles,...). On conçoit que ce mode de réalisation présente toutefois un inconvénient relatif au fait qu'il est impossible de décaler les points de départ des cônes les uns par rapport aux autres. Pour pallier cet inconvénient et selon un autre mode de réalisation, chaque deuxième circuit d'asservissement 26 en pseudo "boucle fermée" reçoit en entrée un signal nécessaire au pilotage du déplacement radial de l'outil auquel il est associé sous la forme d'un tableau de points dans lequel le déplacement radial de l'axe concerné est associé à une position réelle physique de l'axe assurant simultanément le déplacement axial des outils. On conçoit aisément que ce mode de réalisation permet de piloter radialement plusieurs outils suivant des lois différentes et avec des points de départ d'expansion radiale différents, tous ces outils étant portés par la même table d'avance de commande de déplacement axial. On obtient ainsi des effets similaires à partir de la programmation du déplacement de l'un des outils. Il est en outre possible de décaler le point de départ de plusieurs formes usinées simultanément dans différentes pièces. REVENDICATIONS 1. Appareil d'usinage d'au moins une pièce (10), comprenant au moins un outil (12) d'usinage rotatif axialement déplaçable par rapport à la pièce (10) sous la commande d'un premier actionneur (14) et radialement déplaçable par rapport à celle-ci sous la commande d'un deuxième actionneur (16) et un dispositif (22) de commande numérique délivrant au premier actionneur (14) un signal de commande (S1) de déplacement axial et au deuxième actionneur (16) un signal de commande (S2) de déplacement radial, caractérisé en ce que le dispositif (22) de commande numérique comporte un premier circuit (24) d'asservissement en boucle fermée délivrant au premier actionneur le signal de commande (S1) de déplacement axial de l'outil et un deuxième circuit (26) d'asservissement assurant une comparaison entre un signal de consigne (C2) de déplacement radial et un signal (C3) de retour, correspondant à la position radiale de l'outil et forcé à une valeur fixe prédéterminée, le deuxième circuit (26) délivrant au deuxième actionneur (16) le signal de commande (S2) de déplacement radial de l'outil. 1 5 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs outils (12) et en ce que le dispositif de commande numérique (22) génère en sortie un signal de commande (S2) de déplacement radial spécifique pour chaque outil. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le deuxième actionneur (16) comporte au moins une tête porte-outil (17) à déformation radiale sous la commande d'un fluide hydraulique délivré par une servo-valve (18) associée à une source (20) de fluide sous haute pression et pilotée par le dispositif de commande numérique (22). 4. Procédé d'usinage d'au moins une pièce au moyen d'au moins un outil d'usinage (12), par déplacement axial et radial du ou de chaque outil (12), sous la commande d'un premier actionneur (14) de commande de déplacement axial et d'un deuxième actionneur (16) de commande de déplacement radial, pilotés par un dispositif de commande numérique (22), au cours duquel on asservit le déplacement axial du ou de chaque outil (12) sur un signal de consigne (CI) de déplacement axial prédéterminé, caractérisé en ce que le déplacement radial du ou de chaque outil (12) est piloté au moyen d'un circuit d'asservissement (26) assurant une comparaison entre un signal de consigne (C2) de déplacement radial et un signal de retour correspondant à la position radiale du ou de chaque outil, forcé à une valeur prédéterminée. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le signal de consigne (C2) de déplacement radial est élaboré à partir d'une loi de forme (F) dans laquelle la position radiale du ou de chaque outil (12) évolue en fonction de sa position axiale. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5 pour le pilotage de plusieurs outils, caractérisé en ce que le dispositif de commande (22) génère un signal de commande (S2) de déplacement radial spécifique pour chaque outil. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, pour le pilotage du déplacement de plusieurs outils, caractérisé en ce que l'on utilise une loi de forme (F) spécifique pour chaque outil.