Brevet FR2934368A1 — publié le 20100129

La présente invention concerne une platine de me-sure d'efforts de coupe pour machine-outil d'usinage et le procédé qu'elle permet de mettre en oeuvre. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La mesure d'efforts de coupe est importante dans le domaine de l'usinage. Il est nécessaire de disposer d'une technologie permettant cette mesure. En effet, dans une machine d'usinage, des forces existent au cours de l'opération, entre la pièce en cours d'usinage et l'outil. Il existe bien entendu une corrélation entre la déformation et la force qui l'engendre. En outre, la mesure des forces en cours de processus est d'une grande importance pour les opérations d'usinage préprogrammées. Une divergence des valeurs mesurées par rapport à des valeurs de consigne permet d'apporter les corrections nécessaires. Par ailleurs, l'observation quantitative du phénomène de coupe, permet de le comprendre et de le modéliser pour fournir une assistance dans les choix concernant l'optimisation du processus de coupe. On connaît plusieurs capteurs de mesure, se différentiant d'une part, par le nombre de composantes de l'effort qu'ils sont capables de mesurer (au maximum six composantes : résultante et moment de l'effort projetés dans les trois directions de l'espace), et d'autre part, par leur architecture (dynamomètres stationnaires ou rota-tifs). Les capteurs de mesure des dynamomètres rotatifs sont directement reliés à l'outil tournant, tandis que les dynamomètres stationnaires sont reliés aux efforts de coupe par le fait qu'ils appartiennent à un élément fixe formant le support de l'outil ou de la pièce. Des dynamomètres à trois composantes comporte, de manière connue, entre deux plaques parallélépipédiques, quatre capteurs à trois composantes, chaque capteur compor- tant deux quartz de cisaillement et un quartz de compres- 2 sion. Les deux plaques sont bridées l'une sur l'autre avec précontrainte. Ces capteurs connus s'analysent comme des systèmes élastiques avec une plaque rigide montée sur des ressorts que sont les capteurs piézo-électriques : ils présentent une fréquence de résonance très marquée et une grande sensibilité aux mouvements de leur support qui les rendent peu aptes à la mesure des efforts de coupe lors des régimes transitoires de fonctionnement de la machine. En effet, un dynamomètre soumis à des forces variables est le siège de mouvements qui induisent des forces d'inertie qui se superposent aux forces à mesurer. Il en résulte une détérioration du signal mesuré qui peut aller jusqu'à une dénaturation complète si les forces d'inertie deviennent du même ordre de grandeur ou sont supérieures aux forces à mesurer. Cet effet est particulièrement important lorsque la fréquence d'excitation est voisine des fréquences propres du dynamomètre. Les fréquences de résonance des capteurs connus s'étendent sur une plage allant généralement entre 0.5kHz et 5kHz. Ces fréquences sont différentes d'un axe de mesure à l'autre (les différentes directions des composantes de l'effort mesuré). Ces capteurs conviennent, par exemple, pour une opération de rainurage dans laquelle les signaux d'efforts de coupe sont principalement constitués de l'harmonique correspondant à la fréquence de passage des dents de l'outil car dans ce cas, l'excitation de coupe ne dépasse généralement pas les valeurs de fréquence propre du cap- teur. Ainsi par exemple, un outil à quatre dents qui rainure une pièce en tournant à 15 000 tr/min donne une fréquence d'excitation d'lkHz, qui est inférieur à la valeur de ka fréquence propre de certains dynamomètres. La mesure des efforts de coupe est alors possible. Cependant l'erreur croît lorsque la vitesse de rotation s'élève. nti En revanche, dans une opération d'usinage à grande vitesse ou une opération d'usinage du genre fraisage de profil sur une faible épaisseur, les efforts de coupe sont beaucoup plus discontinus. Leur spectre fréquentiel corn- porte alors des harmoniques très élevés susceptibles de provoquer la mise en résonance de la plaque supérieure des dynamomètres. Dans ces conditions, les mesures recueillies sont très perturbées. Il existe donc un besoin non satisfait d'une pla- tine de mesure insensible aux vibrations des capteurs qui sont importantes notamment dans les régimes transitoires des opérations de coupe qui caractérise les opérations de coupe à grande vitesse, fortement discontinue, à faibles niveaux d'effort, ou les usinages de parois minces ou de profils polynomiaux. En outre, la demande d'une mesure d'efforts de coupe fiable, quelles que soient les conditions de le coupe, est grande pour de multiples raisons. En effet, elle est de plus en plus utile pour ce qui concerne la prépara- tion de processus de coupe (phase de réception machine, mise en place de couple outil/matière, ...), lorsqu'on fait de la recherche et du développement (mise au point, ana-lyse, optimisation de fonctionnement, détermination des lois gouvernant les opérations de coupe en dynamique, simu- lation...et lorsqu'on surveille en temps réel les processus de coupe. OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour premier objet une pla- tine de mesure d'efforts à compensation inertielle compor- tant une plaque de base, une plaque supérieure et des cap- teurs de force bridés entre chacune des plaques, dans la- quelle la plaque supérieure destinée à coopérer de manière rigide avec une pièce à usiner ou un outil d'usinage est indéformable de manière que ses fréquences propres soient situées à un niveau supérieur à 10 kHz, en ce que le nombre 4 des capteurs de force est au moins égal à trois et en ce qu'elle comprend un jeu d'au moins six accéléromètres uni-axiaux. Par le moyen des accéléromètres, il est possible de déterminer les six composantes de l'accélération de la plaque supérieure qui sont exploitées par le calcul pour sous-traire des résultats de la mesure effectuée par les capteurs de forces, la composante inertielle qui vient s'y surimposer. De manière préférée, la plaque supérieure est de forme triangulaire, le nombre de capteurs étant égal à trois et trois accéléromètres sont orientés dans le sens de l'épaisseur de la platine tandis que les trois autres sont logés dans le plan de la platine, avec deux d'entre eux perpendiculaires à l'un de ses cotés et le dernier parallèle à ce dernier. Une procédure de calibration très simple permet de déterminer la masse et la position du centre d'inertie de l'ensemble formé par la plaque supérieure et l'objet qui y est fixé. L'invention a pour second objet un procédé de me-sure d'efforts de coupe notamment en période transitoire ou pour de grandes vitesses de coupe en utilisant la platine ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'identification de la platine avant sa mise en fonctionne-ment, afin de connaître la masse (m) de l'ensemble et la position de son centre d'inertie et à traiter par le calcul la valeur (Fmes) du signal de mesure de la platine pour en extraire la valeur de l'effort de coupe (Fapp). Cette étape d'identification est remarquable en ce qu'elle comprend l'application d'un choc sur la plaque supérieure de la platine au moyen d'un marteau non instrumenté. D'autres caractéristiques et avantages de 35 l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant le fondement théorique de la platine selon l'invention, - la figure 2 et 3 représentent par deux vues schématiques orthogonales une platine de mesure conforme à l'invention. Le principe de base de la compensation est simple. Dans le cas d'une platine, théorique, comme illustrée par la figure 1, à un seul capteur, la platine 1 comporte deux plaques parallèles 2 et 3 entre lesquelles un capteur piézo-électrique 4 est bridé sous précontrainte. Le capteur est assimilé à un ressort pour mettre en équations les comportements de la platine en fonctionnement dynamique. La plaque supérieure 2 de la platine est soumise à l'action de la force extérieure Fapp qu'on cherche à mesurer et à l'action du capteur (ressort) 1. La plaque inférieure 3 est so- lidaire d'un support 5. En faisant l'hypothèse que la va-leur mesurée Fmes correspond à la force exercée par la plaque supérieure 2 sur le capteur 1, on peut facilement écrire l'équation d'équilibre de la masse m correspondant à la plaque supérieure 2 : m..ï = Fmes + Fapp (1) La connaissance simultanée de la force mesurée Fmes et de l'accélération ("x) permet de déterminer la force ap- pliquée si on connaît la masse m : Fapp=m.zùFmes. On re- marque que cette relation ne fait pas intervenir la plaque de base et son mouvement éventuel. La compensation iner- tielle donne la force exercée vraie même en présence d'un mouvement du support. Dans le cas particulier où aucune force extérieure n'est appliquée au dynamomètre, les mouve- ments de la base engendre une force d'inertie m..x qui se traduit par une force mesurée :Fmes= m.ï. Le dynamomètre fonctionne alors comme un accéléromètre. La masse m est difficile à connaître à priori. Mais on la détermine par identification dans le cas d'une force appliquée connue. Un cas particulier remarquable est celui où cette force est nulle. Si la force mesurée et l'accélération sont connues à des instants ti (i = 1, n), alors la meilleure valeur de m est celle qui minimise la quantité: n s = E (m.ï ù Fmes; )2 i=1 (2) La même démarche est applicable au cas d'un dynamo-mètre comportant par exemple, quatre capteurs multidirectionnels ou multiaxiaux. Par construction, on doit être proche de la condition d'indéformabilité de la partie supé- rieure du dynamomètre. Il alors est possible d'écrire son équation d'équilibre dynamique qui est donnée sous sa forme complète par Chung et Spiewak. On se limitera aux équations qui font intervenir des trois composantes orthogonales de l'effort appliqué Fapp = [Fappx , FappY, Fappz] sans envisager l'utilisation des équations de moment : 4 4 m.XG = E Fmes, + Fappx m. ÿG _ E Fmes y + FappY !=1 J=1 4 m.zG _ E Fmesz + Fapp2 i=1 (3) Dans ces équations, xG, ÿG, zG sont les accélérations du centre de gravité de la partie supérieure. Les quatre capteurs tri-directionnels fournissent les douze signaux de mesure: Fmes,u FmesY; et Fmesz;. Les valeurs d'accélération i'G, yG, zG peuvent s'obtenir à partir de mesures d'accélération en six points du solide à condition de connaître la position du centre de gra- vité. De la même manière que précédemment, il est possible d'obtenir la valeur de la masse et des trois paramètres de position du centre de gravité par identification dans le cas d'un effort appliqué nul. La platine selon l'invention constitue l'appareil particulier qui permet d'obtenir de manière simple, avec des approximations largement acceptables, les variables nécessaires à la résolution des équations ci-dessus. L'appareil 6 proposé et représenté aux figures 2 et 3, possède trois capteurs d'efforts piézo-électriques tri- axiaux ou tri-directionnels, non représentés et bridés de manière classique sous précontrainte entre deux plaques parallèles comme dans la figure 1. Cette disposition assure l'isostatisme du système, ce qui est un avantage car cet isostatisme garantit une certaine indépendance vis-à-vis des déformations dues à des dilatations thermiques ce qui n'est pas vrai pour un système à 4 capteurs. C'est ainsi que, pour cet appareil, le système d'équations (3) devient : 3 3 m x-G = ù~ Fmesx + Fappx m yG = -1 Fmes y + Fapp y i=1 j=1 3 m zG = ù~ Fmesz + Fapp, (4) j=1 D'une manière classique, les résultantes sur chaque direction sont obtenues par sommation des charges électri- ques (mise en parallèle) issues des trois capteurs. Cette 8 technique permet de ramener le nombre d'amplificateurs de charges de neuf à trois, ce qui rend le système plus économique. L'architecture de l'appareil proposé est telle qu'au moins la plaque supérieure 7 de la platine (voir figure 3), c'est-à-dire celle qui sera attelée à la pièce ou à l'outil, siège de l'effort de coupe à mesurer, est de forme triangulaire. La forme triangulaire de la plaque supérieure a été déterminée parce qu'elle est la plus compatible avec la présence de trois capteurs de force et qu'elle permet de se rapprocher le plus de la condition d'indéformabilité qui est la base du système d'équations (4). En outre, avec ce dispositif, une indéformabilité maximale de la plaque supé- rieure de la platine est obtenue. Les modes propres de flexion, torsion de la plaque supérieure sont alors reportés au-delà de la bande passante visée de 10kHz, ce qui n'est pas possible avec une plaque rectangulaire. De plus, la platine possède trois accéléromètres 10, 11, 12, orientés selon la direction Z perpendiculaire aux plaques de la platine, deux accéléromètres 13 et 14 orientés selon la direction X parallèle au plan des plaques et perpendiculaire à l'un des côtés de la plaque supérieure et un accéléromètre 15 orienté selon la direction Y qui ap- partient au plan de la direction X et qui est perpendiculaire à cette direction. Azl, Az2, Az3, Ax4, Ax5, Ay6 désignent les accélérations mesurées respectivement par les accéléromètres 10, 11, 12, 13, 14 et 15. On supposera connue la position xc,yG,zc du centre de gravité dans un repère lié à la plaque supérieure. Les six accéléromètres sont placés aux points {P1,P2,...,P6{, dans les directions {d1,d2,...,d6}. Avec l'approximation des petits déplacements, on obtient les valeurs des accélérations en fonction de celle du centre de gravité G : W a; _ (FG +�G AGP,~•d, (5) avec rG = ~xG YG ZÇi J 1 OG {Bx , ey , BZ } GP, = {xGpi ' YGI;. , ZGp, } et di = {xd; , Zd; } En développant le produit vectoriel et le produit scalaire, l'équation (5) devient : al =( +By.ZGp ùez.YGp, ).xd +(YG ù BC.ZGI,+0Z.x0j, }.Yd +(2(i +O .YGI, ùBY.XGI )Zd ( 6 10 L'équation (6) constitue un système linéaire de 6 équations à 6 inconnues. Il permet d'obtenir les 6 composantes de l'accélération au centre d'inertie si le système n'est pas singulier, c'est-à-dire si les positions et les orientations des accéléromètres sont bien choisies. Avec la confi- 15 guration décrite par la figure 3, le système se simplifie et devient le système (7): (7) Le système d'équations précédent possède la parti- 20 cularité de pouvoir être scindé en 3 sous-systèmes. Le premier, constitué des 3 premières lignes, permet d'obtenir ZG , 6x , By . Ensuite, les deux lignes suivantes donnent xG, 9Z et la dernière ligne donne ensuite Cette séparation est très utile lors de la calibration du dynamomètre car 25 elle permet d'opérer direction par direction. Ceci est obtenu grâce à la disposition particulière des accéléromètres. L'exposé théorique ci-dessus démontre qu'en connaissant la masse m de la plaque supérieure et l'accélé-30 ration de son centre de gravité, on peut parvenir, par le 1 0 0 i..a ` T 0 1 0 0 - I 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 - (z - 0 calcul, au résultat recherché, à savoir, la valeur de la force Fapp. Dans les applications d'usinage, une pièce (ou un outil) est fixée sur la plaque supérieure. La justesse des résultats implique que l'ensemble plaque et pièce soit un ensemble indéformable, ce qui impose des limites strictes tant à la forme de la pièce fixée sur la plaque que sur les moyens de fixation. Les coordonnées xG, YG' ZG du centre de gravité ne 10 sont pas connues. Il faut donc les déterminer pour chaque pièce montée. Il en est de même de la masse m. La connaissance de ces variables passe donc par une procédure dite procédure d'identification des caractéristiques du capteur. Cette procédure est répétée chaque fois 15 que, du fait de l'enlèvement de matière résultant de l'usinage par exemple, la masse et le centre de gravité de l'ensemble plaque/pièce a varié de manière significative. Cette procédure d'identification est du type de celle répondant à l'équation (2) ci-dessus. Une perturba- 20 tion est exercée sur le système et les mesures sont effectuées après sa cessation lorsque l'effort appliqué est nul. 1l s'agira de manière avantageuse d'un simple choc sur la platine, donné par exemple par un coup de marteau non instrumenté. 25 L'identification est normalement faite entre deux utilisations du dynamomètre. Mais dans le cas d'un usinage intermittent, il est possible d'y procéder sur les périodes où l'effort de coupe est nul, pour suivre les évolutions de la masse et de la position du centre de gravité. 30 Parmi les nombreux intérêts de la platine de mesure selon l'invention et son procédé d'utilisation, on citera : - la mesure des efforts de coupe en vue de l'identification dynamique de lois de coupe en fraisage à grande vitesse, 35 - la possibilité de faire l'étude de cas d'usinage de parois usinées à grande vitesse, - l'aide à l'étude et à la mémorisation de modèles d'efforts de coupe, - l'appréhension des problèmes de coupe en régime 5 transitoire (phénomènes de talonnage, ...), - enfin, l'appréhension des problèmes d'usinage récurrents (vibrations du système outil/porte/outil/broche monté dans la machine, ...) L'invention n'est pas limitée au mode de réalisa- 10 tion décrit ci-dessus. En particulier, la forme en triangle équilatéral de la plaque supérieure peut souffrir des transformations vers la forme isocèle. Il est possible également d'augmenter le nombre de capteurs de force et de changer la forme de la plaque supé- 15 rieure tout en respectant l'exigence de rigidité : c'est elle en réalité qui permet de simplifier les calculs. L'application de l'invention illustrée à la mesure d'efforts de coupe n'est pas limitative. On peut utiliser la platine en effet pour mesurer les efforts et leur varia- 20 tions pour toute pièce fixée sur sa plaque supérieure quelle que soit l'origine de ces efforts. Par ailleurs, la pièce concernée par les revendications peut être une pièce en contact avec un outil ou un outil en contact avec une pièce. REVENDICATIONS1. Platine de mesure d'efforts auxquels est soumise une pièce indéformable selon trois axes, àicompensation inertielle comportant une plaque de base (4), une plaque supérieure (5) et des capteurs de force bridés entre chacune des plaques (4,5), caractérisée en ce que la plaque supérieure (5) est destinée à coopérer de manière rigide avec la pièce et est indéformable de manière que ses fréquences propres soient situées à un niveau supérieur à 10 kHz, en ce que le nombre des capteurs de force est au moins égal à trois et en ce qu'elle comprend un jeu d'au moins six accéléromètres uni-axiaux (10 à 15). 2. Platine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque supérieure est de forme triangulaire, le nombre de capteurs étant égal à trois et en ce que trois accéléromètres (10,11,12) sont orientés dans le sens de l'épaisseur de la platine tandis que les trois autres (13,14,15) sont logés dans le plan de la platine, avec deux d'entre eux (13,14) perpendiculairement à l'un de ses cotés et le dernier (15) parallèlement à ce dernier. 3. Procédé de mesure d'efforts de coupe notamment en période transitoire ou pour de grandes vitesses de coupe en utilisant la platine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'identification de la platine avant sa mise en fonctionne-ment, afin de connaître la masse (m) de l'ensemble et la position de son centre d'inertie et à traiter par le calcul la valeur (Fmes) du signal de mesure de la platine pour en extraire la valeur de l'effort de coupe (Fapp). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'identification de la platine comprend l'application d'un choc sur la plaque supérieure de la platine au moyen d'un marteau non instrumenté. h