Brevet FR2928289A1 — publié le 20090911

PROCEDE DE CONTROLE DE LA GEOMETRIE D'UNE MACHINE A COMMANDE NUMERIQUE POUR L'USINAGE 5 AXES. La présente invention concerne un procédé de contrôle de la géométrie d'une machine à commande numérique pour l'usinage dit : � usinage 5 axes �. Elle concerne aussi un outil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de contrôle. Dans le présent texte, la commande numérique désigne, de manière classique, l'ensemble des matériels et logiciels ayant pour fonction de donner des instructions de mouvements à tous les organes de la machine. Par extension, elle désigne aussi l'armoire de commande recevant le programme d'usinage. L'expression � machine pour l'usinage 5 axes � regroupe plusieurs topologies de construction. Par exemple, une fraiseuse 5 axes comporte toujours 3 axes linéaires X, Y, Z, de déplacement dans le volume de travail et 2 axes rotatifs d'orientation dans l'espace à choisir parmi les désignations A, B ou C, les machines se différenciant par la position de ces axes rotatifs situés sur la tête d'usinage et/ou sur la table de travail. L'usinage 5 axes est de plus en plus utilisé dans les opérations de fraisage et d'usinage mixte � fraisage/tournage �. Il permet de réaliser simultanément plusieurs opérations d'usinage multilatérales, ce qui a pour résultat une augmentation de la productivité et une élimination des erreurs susceptibles de se produire lors des multiples opérations de configuration de pièces. Toutefois, l'usinage 5 axes exige l'utilisation de machines-outils rapides et, surtout, extrêmement précises. Pour cela, la géométrie des têtes 5 axes en particulier, doit être parfaite. Au moindre choc, des opérateurs de maintenance sont appelés pour contrôler la géométrie et, si cela s'avère nécessaire, pour reprendre les réglages qui en découlent. Des contrôles sont également réalisés avant les usinages de grande précision. Les méthodes classiques de contrôle de la géométrie de ces machines d'usinage comprennent les étapes 5 suivantes . - installation de deux outils très lourds sur la machine, à savoir un marbre et une équerre, - dégauchissement de ces deux outils afin qu'ils soient parfaitement positionnés par rapport aux 10 déplacements de la machine, -réalisation sur le marbre et sur l'équerre d'une mesure au comparateur installé sur un bras monté en broche, - si les mesures des comparateurs ne sont pas dans 15 les tolérances exigées, réalisation de calculs trigonométriques relativement compliqués pour connaître la valeur du décalage à rattraper, et - après rattrapage des décalages, nouvelle série de mesures au comparateur sur l'équerre et sur le marbre, de 20 façon à s'assurer du bon positionnement des coulisses de la tête d'usinage 5 axes. Toutes ces opérations de contrôle et de réglage, connues de l'art antérieur, sont des opérations manuelles, fastidieuses et très longues : elles peuvent 25 durer 4 ou 5 heures lorsqu'elles sont réalisées par un opérateur de maintenance confirmé. Pendant ce temps, la machine-outil ne produit pas. Le but de la présente invention est de fournir un nouveau procédé de contrôle de la géométrie d'une machine 30 à commande numérique pour l'usinage � 5 axes �, qui permette de réduire très substantiellement le temps de cette opération de contrôle. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel procédé, qui permette un contrôle très 35 précis, régulier, notamment avant les usinages de finition précis, fiable, économique et sans effort physique. C'est également un but de la présente invention de fournir un outil de contrôle pour la mise en oeuvre d'un tel nouveau procédé. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle de la géométrie d'une machine à commande numérique pour l'usinage � 5 axes �, du type comportant, d'une part, au moins trois axes linéaires en X, Y et Z de déplacement dans le volume de travail et deux axes rotatifs A ou B selon la configuration machine, et C d'orientation dans l'espace portés par la broche porte-outil et, d'autre part, un moyen de mesure à faisceau laser monté à demeure sur la table de travail, dont on connaît approximativement les dimensions. Selon ce nouveau procédé, on monte sur la broche porte-outil de la machine d'usinage un outil de contrôle, dont on connaît avec précision les dimensions, on déplace ensuite ladite broche et son outil monté vers le faisceau laser et, à l'instant où ledit outil de contrôle vient couper le faisceau laser, on récupère avec précision les positions de la machine, cette opération appelée aussi opération de � palpage � du faisceau laser par l'outil de contrôle étant répétée, selon un programme prédéterminé, pour différentes positions angulaires de l'outil de contrôle sur la broche porte-outil, et pour différentes positions angulaires de la broche porte-outil autour de ses axes rotatifs d'orientation dans l'espace. Selon la présente invention, l'outil de contrôle est constitué par une boule positionnée sur un bras destiné à être monté radialement sur la broche porte- outil. Pour avoir une bonne précision de mesure, de manière préférentielle, on contrôle que l'on vient faire le palpage sur le sommet de la boule. Ce contrôle s'effectue, de la manière suivante, avec le faisceau laser dirigé selon la direction en X : - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage vertical sur le point sommet inférieur de la boule, - on réalise un palpage vertical sur le sommet 5 inférieur de la boule, - on mémorise les coordonnées en Y et en Z du point palpé au sommet inférieur, - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage horizontal sur le point sommet côté gauche de 10 la boule, - on réalise un palpage horizontal sur le sommet côté gauche, - on mémorise les coordonnées en Y et en Z du point palpé au sommet côté gauche, 15 - on vérifie que l'écart entre les positions selon la direction en Y des deux points palpés est égal au rayon de la boule, et si cela n'est pas le cas, on relance un deuxième cycle de palpage en modifiant la position théorique en Y du point sommet inférieur, 20 laquelle sera alors égale à la valeur mesurée de la position en Y du sommet côté gauche à laquelle est ajoutée la valeur du rayon de la boule. De préférence, les différentes positions angulaires de l'outil de contrôle sont les positions suivantes : 0°, 25 90°, 180°, 270°. De préférence également, les différentes positions angulaires de la broche porte-outil autour de ses axes rotatifs (A ou B, C) d'orientation dans l'espace sont, pour chacun des axes (A ou B, C), une ou plusieurs des 30 positions suivantes : 0°, +90°, -90°, 180°. Selon la présente invention, les valeurs des positions récupérées avec précision par les différents palpages selon un programme prédéterminé sont traitées par un logiciel spécifique, installé sur la commande 35 numérique de la machine, de façon à faire apparaître la nature des défauts de la géométrie de la machine d'usinage et de son accessoire de tête 5 axes et le contenu des modifications à apporter aux paramètres de la machine d'usinage. De préférence, les résultats du traitement sont affichés sur l'écran de la commande numérique. La présente invention a également pour objet un outil de contrôle de la géométrie d'une machine à commande numérique pour l'usinage dit � usinage 5 axes �, qui est constitué par une boule positionnée sur un bras destiné à être monté radialement sur la broche porte- outil. De préférence, cette boule présente un diamètre de l'ordre de 50 mm. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - la figure 1 est un schéma montrant la cinématique d'un exemple de machine pour l'usinage 5 axes, avec deux 20 axes rotatifs sur la tête d'usinage, - la figure 2 représente, de manière schématique, le principe du contrôle automatique de la géométrie d'une machine à commande numérique pour un usinage 5 axes, selon la présente invention, 25 - la figure 3 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation de l'outil utilisé dans la mise en oeuvre du procédé de contrôle selon la présente invention, - les figures 4 à 6 représentent différents palpages selon des positions angulaires différentes de 30 l'outil ou des positions différentes selon l'axe d'orientation dans l'espace de la broche porte-outil, et - la figure 7 est un schéma illustrant le principe des mesures permettant un contrôle avec une très grande précision (inférieure à 5 pm). 35 En référence au schéma de la figure 1, on a représenté la cinématique d'un exemple de machine pour l'usinage 5 axes, qui comporte, de manière classique, 3 axes linéaires de déplacement dans le volume de travail, désignés X, Y et Z, et 2 axes rotatifs d'orientation dans l'espace, désignés B et C, lesquels axes rotatifs sont positionnés sur la tête d'usinage désignée T. Il s'agit d'une configuration assez répandue qui permet d'usiner à peu près tous les types de pièces. On peut avoir, selon d'autres configurations, un quatrième axe linéaire (non représenté) qui assure une surlongueur de travail ou qui permet un accès aux zones à usiner à travers la pièce. Cet axe est conventionnellement codé avec la lettre W. La broche porte-outil est ainsi intégrée dans une tête inclinable, de manière à pouvoir être positionnée dans n'importe quel plan incliné entre le plan horizontal et le plan vertical. Le mouvement d'inclinaison est réalisé à l'aide de l'axe A ou B et permet, en combinaison avec l'axe de rotation C de la tête (ou de la table selon d'autres configurations) et les trois axes linéaires de déplacement X, Y et Z de manoeuvrer quelle que soit l'orientation par rapport à la pièce montée sur la table ou même simultanément dans tous les axes pour un réel usinage 5 axes. En référence au dessin de la figure 2, on a représenté, de manière schématique, une table ou bâti horizontal, de référence 1, un accessoire tête d'usinage 5 axes, référence 3, d'une machine-outil à commande numérique, en particulier d'une machine-outil à commande numérique de grandes dimensions pouvant usiner des outillages de 4500 mm x 2500 mm, par exemple. A titre d'exemples non limitatifs de l'objet et de la portée de la présente invention, il peut s'agir d'une machine-outil servant à l'usinage d'outillages d'emboutissage pour la fabrication de panneaux ou de doublures d'ouvrants de véhicules automobiles, ou bien encore pour la fabrication de côtés de caisses automobiles. L'outil de contrôle de géométrie selon la présente invention est formé d'une boule 5, montée sur un bras rotatif 4, monté lui-même sur la broche porte outil 3 de la machine, comme mieux représenté encore sur le dessin de la figure 3. La boule 5 peut être, à titre d'exemple, une boule de 50 mm de diamètre, montée sur le bras radial 4 par l'intermédiaire d'un petit manchon ou axe fixe 5a. La référence 7 désigne le cône d'entraînement monté dans le mandrin de la broche porte-outil, muni d'encoches d'entraînement en rotation 7a. Un dispositif de mesure à faisceau laser, de référence 2, est installé à demeure sur la table 1 (figure 2). Ce dispositif 2, qui émet un faisceau laser référencé 2a, est utilisé, de manière conventionnelle et connue en soi, pour prendre les mesures des longueurs et des rayons des outils coupants de la machine d'usinage. Il importe de noter que les positions du faisceau 2a sont connues, et sont en mémoire dans la partie commande numérique, illustrée par la référence 6, de la machine. La connaissance de ces positions du faisceau laser 2a, illustrée par la flèche � i �, ajoutée à la connaissance des dimensions de la boule 5 et de la position angulaire de cette dernière, sont à la base du principe de la présente invention. Le principe général de contrôle de géométrie de la présente invention est illustré sur le dessin de la figure 4 et consiste, à partir de la commande numérique de la machine-outil, à lancer le programme de contrôle de géométrie de la machine et de son accessoire tête 5 axes en réalisant, dans des positions angulaires bien déterminées de la boule 5, des � palpages � de cette dernière sur le faisceau laser 2a. A l'instant � t � où la boule vient couper le faisceau laser 2a du dispositif de mesure 2 (figure 4), on récupère avec précision les positions de la machine. En fin de cycle, à l'aide des positions relevées et d'un logiciel spécifique, installé sur la commande numérique de la machine, les données de position sont traitées, et la commande numérique renseigne l'opérateur de maintenance sur la nature des défauts de géométrie de la machine et de géométrie de son accessoire de tête 5 axes et sur le contenu des modifications à apporter aux paramètres de la machine. On va décrire maintenant, à titre d'exemple non limitatif de l'objet et de la portée de la présente invention, un programme de contrôle de géométrie, le terme � palpage � étant utilisé pour désigner l'opération qui consiste, comme décrit précédemment, à déplacer la boule 5 jusqu'à ce qu'elle vienne � couper � le faisceau laser 2a. Le déroulement de cet exemple de programme de contrôle est le suivant : - on réalise une première série de palpages dans les positions suivantes, laquelle première série comprend 15 deux cycles de contrôles : Cycle 1 Position Position Position angulaire de l'axe B de l'axe C de l'outil de contrôle 0° 0° Outil à 0°(figure 4) 0° 0° Outil à 90°(figure 5) 0° 0° Outil à 180° 0° 0° Outil à 270° 20 Cycle 2 Position Position Position angulaire de de l'axe B de l'axe C l'outil de contrôle 0° 180° Outil à 0° 0° 180° Outil à 90° 0° 180° Outil à 180° 0° 180° Outil à 270° on calcule ensuite, à partir des relevés réalisés, les défauts de géométrie de l'axe B et on affiche sur l'écran de la commande numérique les défauts mesurés de l'axe B, et les corrections à apporter. on réalise ensuite une deuxième série de palpages les positions suivantes, laquelle comprend également cycles de contrôles : Cycle 3 Position de Position Position angulaire de l'axe B de l'axe C l'outil de contrôle + 90° + 90° Outil à 0°(figure 6) + 90° + 90° Outil à 180° 10 Cycle 4 Position de Position Position angulaire de l'axe B de l'axe C l'outil de contrôle - 90° - 90° Outil à 0° - 90° - 90° Outil à 180° A partir de ces relevés des cycles 3 et 4, on calcule les défauts de géométrie de l'axe C et on affiche 15 sur l'écran de la commande numérique les défauts mesurés de l'axe C, et les corrections à apporter. Pour avoir une bonne précision de mesure, on doit contrôler que l'on vient faire les palpages sur le sommet de la boule. Ce contrôle se réalise de la manière 20 suivante : - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage vertical sur le point sommet inférieur de la boule 5, désigné A sur le schéma de la figure 7, - on réalise un palpage vertical sur le sommet 25 inférieur de la boule, on mémorise les coordonnées en Y et en Z, a savoir YA et ZA respectivement, du point palpé au sommet inférieur, dans 5 deux - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage horizontal sur le point sommet côté gauche de la boule 5, désigné B sur le schéma de la figure 7, - on réalise un palpage horizontal sur le sommet côté gauche, -on mémorise les coordonnées en Y et en Z, à savoir YB et ZB respectivement, du point palpé au sommet côté gauche, - on vérifie que l'écart Y entre YA et YB est bien égal au rayon R de la boule 5, et si cela n'est pas le cas, on relance un deuxième cycle de palpage en modifiant la position théorique en Y du point sommet inférieur, laquelle sera alors égale à la position en Y du sommet côté gauche mesurée à laquelle est ajoutée le rayon R de la boule 5. La présente invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels les avantages suivants : -le temps du contrôle de géométrie, qui est d'une durée de 4 à 5 heures environ avec les procédés connus de l'art antérieur est considérablement réduit à environ 10 minutes avec le procédé de l'invention, - aucun effort physique n'est requis, - la précision du contrôle est de l'ordre de 5 pm, c'est-à-dire très améliorée par rapport à la précision des procédés manuels de l'art antérieur qui est d'environ 20 pm, - la mise en place de contrôles de géométrie réguliers et systématiques est rendue possible, notamment avant les usinages de finition très précis, - la réalisation de contrôles de géométrie en temps � masqué � pendant un montage de pièces est également rendue possible. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté ci- dessus à titre d'exemple ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la géométrie d'une machine à commande numérique pour un usinage � 5 axes �, du type comportant au moins trois axes linéaires (X, Y, Z) de déplacement dans le volume de travail et deux axes rotatifs d'orientation dans l'espace (A ou B, C) portés par la broche porte-outil (3), un moyen de mesure (2) à faisceau laser étant monté sur la table de travail (1), caractérisé en ce qu'on monte sur la broche porte-outil (3) de la machine d'usinage un outil de contrôle, dont on connaît approximativement les dimensions, on déplace ensuite ladite broche (3) et son outil (5) monté vers le faisceau laser (2a) et, à l'instant où ledit outil vient couper le faisceau laser (2a), on récupère avec précision les positions de la machine, cette opération de � palpage � du faisceau laser (2a) par l'outil de contrôle étant répétée, selon un programme prédéterminé, pour différentes positions angulaires de l'outil de contrôle sur la broche porte-outil, et pour différentes positions angulaires de la broche porte-outil (3) autour de ses axes rotatifs (A ou B, C) d'orientation dans l'espace. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit outil de contrôle est constitué par une boule (5) positionnée sur un bras (4) destiné à être monté radialement sur la broche porte-outil (3). 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour avoir une bonne précision de mesure, on contrôle que l'on vient faire le palpage sur le sommet de la boule, de la manière suivante : - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage vertical sur le point sommet inférieur (A) de la boule, - on réalise un palpage vertical sur le sommet inférieur de la boule,- on mémorise les coordonnées en Y et en Z (YA, ZA) du point palpé au sommet inférieur, - on calcule les positions théoriques en Y et en Z de palpage horizontal sur le point sommet côté gauche (D) 5 de la boule, - on réalise un palpage horizontal sur le sommet côté gauche, - on mémorise les coordonnées en Y et en Z (Y0, Z0) du point palpé au sommet côté gauche, 10 - on vérifie que l'écart ( Y) entre les positions (YA, Y0) selon la direction en Y des deux points palpés (A, D) est égal au rayon (R) de la boule (5), et si cela n'est pas le cas, on relance un deuxième cycle de palpage en modifiant la position théorique en Y du point sommet 15 inférieur (A), laquelle sera alors égale à la position en Y (YD) du sommet côté gauche (D) mesurée à laquelle est ajoutée le rayon (R) de la boule (5). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites 20 différentes positions angulaires de l'outil de contrôle (5) sont les positions angulaires suivantes : 0°, 90°, 180°, 270°. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites 25 différentes positions angulaires de la broche porte-outil (3) autour de ses axes rotatifs (A ou B, C) d'orientation dans l'espace sont, pour chacun des axes (A ou B, C), une ou plusieurs des positions angulaires suivantes : 0°, +90°, -90°, 180°. 30 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les valeurs des positions recupérées avec précision par les différents palpages sont traitées par un logiciel spécifique installé sur la commande numérique de la 35 machine, de façon à faire apparaître la nature des défauts de la géométrie de la machine d'usinage et de sonaccessoire de tête 5 axes et le contenu des modifications à apporter aux paramètres de la machine d'usinage. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les résultats du traitement sont affichés sur l'écran de la commande numérique. 8. Outil pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est constitué par une boule (5) positionnée sur un bras (4) destiné à être monté radialement sur la broche porte-outil (3). 9. Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite boule (5) présente un diamètre de l'ordre de 50 mm.