Brevet FR2813390A1 — publié le 20020301

Domaine de l'invention industriel La présente invention se réfère à procédé à surveiller et, en cas de besoin, à com- mander une opération de vissage au cours de formation d'un assemblage vissé moyennant une vis, dans lequel une technique à écho des impulsions est appliquée afin de coupler des impulsions ultrasonores répétées dans la vis, à partir de la tête de vis, en mesurant les temps de propagation des impulsions sur la longueur de la vis. Le présent procédé se prête bien, en particulier, aux procédés de vissage automati- sés dans la fabrication industrielle pour la détermination de l'effort de précontrainte des vis en continu au cours de l'opération de vissage et afin d'être capable de com- mander l'opération de vissage de vissage de manière appropriée. Etat antérieur L'achèvement sûr d'un effort de précontrainte minimal dans un raccord vissé au cours de l'assemblage en série joue un rôle important pour la fabrication d'un grand nombre de produits. Un effort de précontrainte insuffisant peut être la cause d'une défaillance des raccords vissés exposés aux fortes sollicitations, aux conséquences sérieuses, qui en résultent. En vertu des facteurs d'influence supplémentaires, comme des pertes dues au frot- tement, cependant, des procédés traditionnels, qui fonctionnent à commande du couple de rotation et de l'écart angulaire pour la production d'un raccord vissé, n'at- teignent pas la précision requise pour un ajustement sûr de l'effort de précontrainte. A part de ces méthodes indirectes à déterminer l'effort de précontrainte, on a égale- 2 2813390 ment appliqué, depuis plusieurs ans, des techniques à ultrasons afin de déterminer l'effort de précontrainte directement. Par exemple, la Sté. Krautkraemer GmbH & Co. vend des unités de contrôle à ultra- sons, dans lesquels une technique à écho des impulsions est appliquée avant et après le serrage de la vis afin de coupler des impulsions ultrasonores répétées dans la vis, à partir de la tête de vis, pour le mesurage des temps de propagation des im- pulsions sur la longueur de la vis. En considération de l'effet acoustoélastique on peut calculer la dilatation de la vis à la base du temps des impulsions ultrasonores et en dériver la tension ou l'effort de précontrainte, si cela est nécessaire et souhaité. o10 Dans les systèmes connus par les désignations "Stress Mike " ou "Boltmike ", les constantes de calibrage pour la détermination de la précontrainte à la base des temps de propagation mesurés sont mises en mémoire dans un système de micro- ordinateur. Il y est requis, que ce calibrage soit déterminé et programmé à la base des données mesurées concrètes pour les matériaux des vis respectifs avant la ré- alisation de l'opération de vissage. Au cas d'un mode de réalisation des systèmes susmentionnés il est aussi possible d'entrer des limites supérieures ou inférieures de la précontrainte, auxquelles un signal d'alarme est émis quand les valeurs y arrivent. Il est nécessaire dans les deux systèmes d'appliquer une probe de mesure séparée sur la tête de la vis, via laquelle les impulsions ultrasonores sont introduites et moyennant laquelle on peut recevoir les signaux réfléchis. Pour une amélioration des conditions de propagation du son et de réflexion les fabri- cants des vis conçoivent les surfaces à la tête de vis et au bout de vis selon les conceptions d'optimisation différentes. Il est connu, par exemple, d'appliquer une couche piézoélectrique sur chaque tête de vis déjà au temps de la fabrication de la vis. Il est ensuite simple d'engendrer les impulsions ultrasonores et de recevoir les signaux réfléchis seulement moyennant une commande électrique appropriée via cette couche piézoélectrique. Cela facilite en particulier un emploi des techniques à ultrasons connues dans des outils tournants de manoeuvré des vis et des écrous, comme cela est réalisé, par exemple, dans les systèmes de contrôle fabriqués par la Sté. Ultrafast 3 2813390 Malgré plusieurs essais en vue d'améliorer les méthodes à déterminer l'effort de pré- contrainte dans des vis, en particulier sur le plan de la précision en mesure et la fidé- lité des valeurs mesurées, les expériences gagnées jusqu'à présent dans l'utilisation de tels systèmes dans la fabrication en série, en particulier dans l'industrie de cons- truction des automobiles, étaient peu satisfaisants. Les exigences demandées no- tamment de la précision requise et de la sûreté n'étaient pas encore satisfaites jus- qu'à présent. Le brevet allemand DE 42 31 429 Cl décrit un procédé de vissage, dans lequel la surveillance de l'opération de serrage se fait moyennant une technique de mesure à ultrasons. Selon ce document, on applique une technique à échos des impulsions avant le début et au cours de l'opération de serrage de la vis afin d'introduire des im- pulsions répétées à partir de la tête de la vis dans la vis et de mesurer les temps de propagation des impulsions ultrasonores sur la longueur de la vis. Au début de l'opé- ration de serrage on fait un premier mesurage du temps de propagation des impul- sions ultrasonores sur la vis non chargée et met la valeur mesurée en mémoire. Au cours de l'opération de pose par rotation ou respectivement de serrage on réalise des mesures supplémentaires du temps de propagation à un grand taux de reprises. Les variations du temps de propagation mesurées dans cette technique sont compa- rées avec des valeurs de référence de la variation du temps de propagation, qui étaient mises en mémoire dans un tableau au préalable. Les valeurs de référence du tableau étaient établies au préalable de manière empirique. Quand une variation du temps de propagation est atteinte, qui correspond à une précontrainte souhaitée se- lon le tableau, I'opération de serrage est arrêtée. A partir de cet état antérieur, la présente invention se fonde sur le problème de pro- poser un autre procédé à surveiller et, en cas de besoin, à régler une opération de vissage à la formation d'un assemblage vissé moyennant une vis, qui fournit un haut degré de sûreté et de précision, en permettant en particulier la détection d'une varia- tion significative des spécifications données d'une vis posée. Description abrégée de l'invention> Pour résoudre ce problème, conformément au procédé de la présente invention, on applique une technique à échos d'impulsions avant le début et au cours de l'opération de serrage de la vis, afin d'introduire des impulsions ultrasonores répétées dans la vis, à partir de la tête de la vis, et de mesurer les temps de propagation des impulsions ultrasonores sur la longueur de la vis. A cette fin, il est suffisant, par principe, de mesurer une fois la valeur du temps de propagation du son dans la vis non chargée avant l'opération de serrage, par exemple déjà au cours de la pose de la vis par rotation. Plusieurs mesures, cependant, augmentent la précision de mesure. De plus, avant le début de l'opération de serrage, on calcule et on met en mémoire la variation du temps de propagation du son en fonction de la tension dans la vis ou de la précontrainte de la vis, respectivement, sur la base des caractéristiques spécifiques du matériau de la vis et de la valeur du temps de propagation du son, qui est mesurée une ou plusieurs fois dans la vis non chargée avant le serrage de la vis. Ce calcul se fait sur la base des constantes d'élasticité connues, qui sont caractéristiques du matériau du type de vis utilisé. Ensuite, on établit au moins une valeur du rapport entre une variation du temps de propagation et une variation d'un paramètre de vissage, qui prend de I'influence sur la précontrainte de la vis, par dérivation des valeurs du temps de propagation du son, qui sont mesurées plusieurs fois au cours de l'opération de serrage. Ce paramètre de vissage peut être, par exemple, le couple de rotation, l'angle de rotation ou le temps de pose par rotation à un moment du couple constant. Enfin, la valeur ou les valeurs du rapport ainsi établies par des mesures du temps de propagation est/sont comparée(s) avec la dépendance mémorisée des variations du temps de propagation d'une variation de la précontrainte. Cette comparaison de la pente d'une courbe calculée en théorie pour le type de vis utilisé avec les valeurs mesurées au cours de l'opération de serrage permet une information sur le fait de savoir si la vis posée correspond en fait aux spécifications. La compa- 2813390 raison permet de plus une information sur le fait, si les paramètres de vissage choisis sont sélectionnés de façon appropriée pour la réalisation de l'opération de vissage actuelle. On peut ainsi utiliser la comparaison en particulier à la fin de prendre de l'influence sur les paramètres de vissage respectifs, au cas d'une variation des va- leurs, qui sont établies à la base des mesures du temps de propagation, de la valeur ou des valeurs mis(es) en mémoire, afin de minimiser une déviation. Une variation de la valeur établie par les mesures du temps de propagation d'une valeur mise en mé- moire, qui est nettement au-dessus ou au-dessous d'une valeur définissable, est affi- chée, de préférence, de façon qu'on puisse arrêter l'opération de vissage, si néces- saire, à la main ou aussi de manière automatisée. Une telle variation significative si- gnale, que les spécifications de la vis posée ne satisfont les spécifications prédéter- minées. Dans un tel cas, le fait pourrait aussi appliquer, que des conditions margi- nales non attendues règnent au temps de pose par rotation, qui pourraient prendre de l'influence néfaste sur le résultat de vissage. En vue d'une haute sûreté souhaitée de l'assemblage vissé, il est nécessaire dans les deux cas, d'arrêter l'opération de vissage. La comparaison des données calculées avec les données mesurées permet aussi l'établissement très facile du point de temps auquel une précontrainte de consigne définissable de la vis est atteinte. Par dérivation de la précontrainte de consigne, on peut calculer un temps de propagation de consigne à la base des valeurs mises en mémoire, et ainsi on peut arrêter l'opération de vissage, dès que les temps de pro- pagation mesurés correspondent à ce temps de propagation de consigne. A un inter- valle constant entre les mesures individuelles, on peut aussi établir un pronostic sur la variation des temps de propagation jusqu'au prochain mesurage ou sur le temps jusqu'à ce que le temps de propagation de consigne soit atteint. Au cours de la réalisation de la présente invention, les inventeurs ont reconnu, que la raison pour les résultats non satisfaisants des procédés connus jusqu'à présent ré- side, en partie, dans le fait, que les caractéristiques des vis utilisées en pratique sont nettement différentes des propriétés des vis utilisées pour le calibrage, pouvant ainsi réduire essentiellement la sûreté des unités de commande employées. Le calcul des variations du temps de propagation des impulsions du son en fonction de la pré- 6 2813390 contrainte à la base des caractéristiques typiques du matériau des types des vis em- ployés, en particulier, qui est réalisé dans le cadre du présent procédé, rend le pré- sent procédé indépendant des mesures de calibrage à une vis individuelle. Des dé- viations de la vis utilisée en fait des données calculées au préalable sont ainsi dé- tectées suffisamment tôt, de façon qu'on puisse exclure des dérangements de mar- che presque entièrement. De préférence, dans un premier intervalle de l'opération de serrage, I'opération de vissage est arrêtée à un écart essentiel entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées en théorie, pendant qu'un écart seulement minime permet la conclusion de 1o la pose d'une vis correcte et de la présence des conditions marginales attendues. Dans un tel cas, on modifie seulement un paramètre de vissage de façon appropriée à une variation des valeurs plus tard dans un deuxième intervalle de l'opération de serrage, afin de minimiser la variation de la courbe calculée et afin d'atteindre la pré- contrainte souhaitée à haute précision. Grâce à la surveillance susmentionnée, le présent procédé permet une plus haute précision et une plus grande sûreté, qui sont possibles en achevant l'effort de pré- contrainte requise dans l'opération de vissage. Cela mène à une meilleure utilisation de la résistance mécanique de la vis, en évitant un dimensionnement excessif des vis pour des raisons de sécurité. Les rapports et relations à la base du présent procédé sur le plan du calcul de la va- riation du temps de propagation en fonction de l'effort de précontrainte c, à dérivation des caractéristiques spécifiques du matériau de la vis, découlent de l'équation sui- vante: (to - to) / to = (A / C) o to représente le temps de propagation mesuré dans la vis non chargée au cours de sa pose par rotation, pendant que ta correspond au temps de propagation dans la vis chargée au cours de l'opération de serrage. A et C sont des combinaisons des constantes d'élasticité caractéristique du matériau du lime (À, p) et du illme ordre (I, m, n), qui sont établies dans des contrôles préliminaires ou étaient respectivement éta- 7 2813390 bles déjà pour un grand nombre de qualités des vis. Là, la relation suivante s'appli- que: A = 2(À + p) (4m + 5 À + 10p +21) - 2 À(21 + À) C = -4p (À + 2p) (3 À + 2 p). Les constantes À et p sont les constantes caractéristiques du matériau selon Lamé, qui définissent les constantes d'élasticité "module d'élasticité transversale" et "mo- dule d'élasticité". Les constantes 1, m et n sont courantes parmi les hommes de mé- tier par le terme "constantes selon Murnaghan". Dans un mode de réalisation du présent procédé - o la relation non linéaire entre la n0 contrainte et la déformation, qui est spécifique du matériau, est établie, par des étu- des préliminaires, en fonction de la classe de résistance mécanique de la vis et la technique de sa fabrication et les valeurs caractéristiques obtenues sont utilisées dans le calcul du temps de propagation du son en fonction de la précontrainte dans des vis allégées serrées en dehors de la limite d'élasticité - on doit étendre les rap- ports et relations susmentionnés de façon à permettre le calcul théorique de la varia- tion du temps de propagation du son même au cas d'une sollicitation de la vis en de- hors de la limite d'élasticité. A cette fin, on élargit la relation donnée dans ce qui pré- cède par un terme supplémentaire aux constantes d'élasticité modifiées et à un terme de contrainte quadratique. Dans le présent procédé, les mesures du temps de propagation au cours de l'opéra- tion de serrage sont réalisées, de préférence, au moins 100 fois par seconde. On a trouvé qu'une détection des valeurs mesurées à un taux des 200 et plus mesures in- dividuelles du temps de propagation par seconde est particulièrement avantageuse, auxquelles on peut mesurer le temps de propagation à une précision relative qui est mieux que 0,01 %. Une technique de mesurage appropriée est décrite, par exemple, dans le brevet allemand DE 39 05 956. Il est possible d'introduire les impulsions ultrasonores dans la vis de façon conven- tionnelle via une noix de tournevis, à configuration spécifique et à une tête de contrôle à ultrasons ou moyennant la commande de vis à une couche piézoélectri- 8 2813390 que y déposée, qui est également connue de l'état antérieur. Grâce aux techniques et milieux de couplage disponible aujourd'hui pour la transmission de l'impulsion ul- trasonore à partir de la tête de contrôle dans la vis et vice versa, on peut assurer une application suffisamment constante du son même au cas de l'emploi des têtes de contrôle à ultrasons commerciales. Des développements ultérieurs dans la technologie de transmission de signaux per- mettent la transmission des signaux sans contact dans ou des composants tournants en particulier. Selon le présent procédé, on utilise, de préférence, une technique de transmission des signaux sans contact entre la tête de contrôle dans la partie tour- 0o nante, d'un côté, et la partie stationnaire de la noix de tournevis, d'autre côté. La transmission vers une unité de traitement de données pour l'analyse des données mesurées et pour la réalisation des comparaisons peut se faire via des câbles d'une manière conventionnelle. L'unité de traitement de données comprend, en particulier, un microprocesseur programmable, qui commande l'entrée des données de mesure et permet la comparaison en ligne des valeurs mesurées du temps de propagation avec les variations des valeurs mesurées calculées au préalable, qui étaient calcu- lées par dérivation des caractéristiques acousto-élastiques des vis à mettre en oeu- vre et mises en mémoire. Description abrégée des dessins Dans ce qui suit, on va à décrire le présent procédé brièvement encore une fois par un mode de réalisation, sans limitation de l'idée inventive générale, en faisant réfé- rence aux dessins dans lesquels: lafig. 1 montre une vue de côté et d'en haut d'une vis à une tête de contrôle à ultrasons y posée, et la fig. 2 illustre un exemple de la dépendance du temps de propagation des ultrasons par la vis du couple de rotation ou de l'angle de rotation ou de la précontrainte ou de l'élongation. 9 2813390 Modes de réalisation de l'invention La fig. 1 montre une vue de côté et d'en haut d'une vis 1 à une tête de vis 2 sur la- quelle est posée une probe à émetteur ou respectivement récepteur d'ultrasons 3 pour l'introduction des impulsions ultrasonores en sens longitudinal de la vis et pour la réception des signaux réfléchis au bout de la vis. Une telle probe à ultrasons est intégré, de préférence, directement dans la noix du tournevis de l'outil tournant correspondant de manoeuvre des vis et des écrous. Les possibilités diverses de la commande de cette tête de contrôle ainsi que de la transmission des données sont connues aux hommes de métier et ne jouent pas un rôle pour la présente invention. Pour l'établissement de l'effort de précontrainte en parallèle avec l'opération de pose par vissage d'une telle vis, on utilise une tête de contrôle commerciale pour la détec- tion des ondes longitudinales ultrasonores, qui émet ou respectivement reçoit des ondes ultrasonores à une fréquence de reprise de 1 kHz environ. Dès que la tête de contrôle 3 entre en contact mécanique avec la tête 2 de la vis, comme on voit en schéma sur la fig. 1, on mesure le temps de propagation de l'impulsion du son pour deux passages le long de la longueur de la vis. Un microprocesseur non illustré sur la figure, auquel sont transmises les données mesurées, calcule la valeur moyenne to de ce temps de propagation du son, en le dérivant d'un nombre de mesures indivi- duelles paramétrables. On peut réaliser ces mesurages au cours de l'opération de pose de la vis par rotation, avant le début de l'opération de serrage. Au cas de plu- sieurs mesures individuelles, on peut utiliser la grandeur de l'écart quadratique moyen afin de contrôler l'application du son et la forme du signal sonore et des don- ner des indications au sujet d'un mauvais couplage. Après la phase de pose de la vise 1 par rotation, le temps de propagation t des ultra- sons s'augmente en conséquence de la dilatation causée par l'effort de traction ef- fectif dans la vis. En ce regard, la fig. 2 illustre cette relation moyennant la courbe 5 établie en théorie, qui était calculée au préalable et mise en mémoire dans le micro- processeur à la base des caractéristiques acousto-élastiques de la vis 1, qui sont ty- piques du matériau. Cette courbe 5 montre très clairement la relation linéaire entre une augmentation de la dilatation ou de la tension dans la vis et l'augmentation du temps de propagation. 2813390 La figure illustre de plus la dépendance des temps de propagation mesurés en fonc- tion d'un paramètre de vissage (au présent cas: le couple de rotation ou l'angle de rotation) (courbe 4). On dérive la meilleure ligne droite du nombre paramétrable des mesures individuelles du temps de propagation 5 en fonction du couple de rotation ou d'un autre paramètre de processus, par exemple l'angle de rotation, et compare la pente de cette ligne droite avec la pente de la courbe 5 calculée, mise en mémoire dans l'ordinateur. Une variation essentielle indique des irrégularités. Telles variations peuvent être causées, par exemple, par des pertes en frottement élevées, en parti- culier par des dégâts au filet et/ou par une résistance mécanique de la vis, qui s'écarte des valeurs de consigne spécifiées. Ensuite, le temps de propagation t" est calculé à la base de l'effort de précontrainte, qui est requise ou peut être spécifié pour l'assemblage vissé individuel, des caracté- ristiques spécifiques du matériau et du temps de propagation to des impulsions ultra- sonores dans la vis non chargée; ce temps de propagation calculé correspond à l'effort de précontrainte souhaité. Dès que le temps de propagation mesuré t atteint la valeur ta spécifiée au préalable, on arrête le moteur du tournevis. Dans la gamme de la limite apparente d'élasticité, la courbe du temps de propagation s'écarte plus ou moins fortement de la ligne droite calculée à linéarité élastique pour le cas idéal. Cela est apparent sur la fig. 2 pour l'augmentation de la tension. En fonction de la variante de fabrication et de la résistance mécanique de la vis, cet écart de l'allure linéaire peut aussi être dirigé en haut, c'est-à-dire vers des plus longs temps de propagation. Il est possible de déterminer cette variation spécifique du matériau pour des variantes différentes des vis fabriquées et pour des classes de ré- sistance mécanique de manière expérimentale par des études et essais précédents; ainsi on peut dériver l'effort de précontrainte de l'écart de la variation de la ligne droite calculée à linéarité élastique, même au cas des vis qui sont serrées à une va- leur dans la gamme de la limite apparente de l'élasticité (sollicitation en dehors de la limite d'élasticité). i 1 2813390 Liste des numéros de référence I vis 2 tête de la vis 3 probe à émetteur ou respectivement récepteur d'ultrasons 4 données de temps de propagation mesurées données de temps de propagation calculées en théorie 12 2813390 Revendications 1. Procédé à surveiller une opération de vissage au cours de la formation d'un assemblage vissé moyennant une vis, dans lequel - dans lequel, avant le début et au cours de l'opération de serrage de la vis, une technique à écho des impulsions est appliquée afin de coupler des impul- sions ultrasonores répétées dans la vis, à partir de la tête de vis, en mesurant les temps de propagation des impulsions sur la longueur de la vis; - avant le débit de l'opération de serrage une ou plusieurs valeurs de la varia- tion du temps de propagation des impulsions ultrasonores en fonction d'une précontrainte de la vis sont mises en mémoire; caractérisé en ce - que ladite une ou lesdites plusieurs valeurs de la variation du temps de pro- pagation sont calculées en fonction de la précontrainte des caractéristiques spécifiques du matériau de la vis et dudit temps de propagation mesuré une seul fois ou plusieurs fois; - une première valeur du rapport entre une variation du temps de propagation et une variation d'un paramètre de vissage, qui prend de l'influence sur la pré- contrainte de la vis, est déterminée une fois ou plusieurs fois au cours de l'opération de serrage; et - ladite première valeur ou lesdites premières valeurs, qui sont déterminées à la base des mesures du temps de propagation au cours de l'opération de ser- rage, sont comparées avec des deuxièmes valeurs établies à la base des va- leurs mises en mémoire pour le rapport entre une variation du temps de pro- pagation et une variation de la précontrainte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cas d'une variation desdites premières valeurs, établies à la base des mesures du temps de propagation, de ladite première valeur ou respective- ment lesdites deuxièmes valeurs, on prend de l'influence sur le paramètre des 13 2813390 vissage afin d'achever une précontrainte requise dans un temps de processus spécifié. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un écart en dessus ou en dessous d'une valeur prédéterminable desdites premières valeurs, établies à la base des mesures du temps de propagation, de ladite deuxième valeur ou desdites deuxièmes valeurs est affiché. 4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'opération de serrage est arrêté au cas d'un écart en dessus ou en des- sous d'une valeur prédéterminable desdites premières valeurs, établies à la base de mesures du temps de propagation, de ladite deuxième valeur ou des- dites deuxièmes valeurs. 5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un temps de propagation de consigne est calculé à la base d'une pré- contrainte de consigne prédéterminable de la vis, des données spécifiques du matériau de la vis, et du temps de propagation mesuré avant le début de l'opé- ration de serrage, en ce que le temps de propagation respectif mesuré est comparé avec le temps de propagation de consigne, et en ce que l'opération de serrage est arrêté, dès que le temps de propagation de consigne est at- teint. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites caractéristiques spécifiques du matériau sont déterminées par des études et essais préliminaires en fonction de la classe de résistance mé- canique de la vis et de la technologie de fabrication. 14 2813390 7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, moyennant des études et essais préliminaires, la relation non linéaire en- tre la contrainte et la déformation, qui est spécifique du matériau, est établie en fonction de la classe de résistance mécanique de la vis et la technique de fabrication, et en ce que les valeurs caractéristiques ainsi obtenues sont utili- sées dans le calcul du temps de propagation du son en fonction de la pré- contrainte dans des vis allégées serrées en dehors de la limite d'élasticité. 8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le temps de propagation est mesuré au moins 100 fois par seconde. 9. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une tête de contrôle à ultrasons est utilisée pour l'introduction et la récep- tion desdites impulsions ultrasonores et une broche de tournevis à un élément tournant et un élément stationnaire est employé pour la réalisation de l'opéra- tion de vissage, la transmission des signaux électriques dans et de la tête de contrôle se faisant sans contact entre ledit élément tournant et ledit élément stationnaire de la broche de tournevis.