Brevet FR2970199A1 — publié le 20120713

DISPOSITIF DE MESURE D'EPAISSEUR POUR MACHINE-OUTIL La présente invention concerne un dispositif de mesure d'épaisseur de pièces sur une machine-outil à commande numérique. L'invention couvre aussi l'installation de mesure d'épaisseur incluant ce dispositif. Afin de réaliser des pièces usinées, les machines-outils disposent de moyens d'usinage sophistiqués. Néanmoins, il est nécessaire d'adjoindre à ces machines à commande numérique des périphériques afin de les rendre encore plus performantes, de leur permettre un travail plus rapide, de manière à limiter les reprises. En effet, le temps d'usinage est une chose mais la mise en place est fortement 10 consommatrice de main d'ceuvre. Afin de limiter les pertes de temps, il apparait nécessaire de réaliser le plus possible d'opérations directement sur la machine-outil sans retirer la pièce en cours d'usinage. Notamment, une contrainte est bien la mesure des cotes des pièces sur la 15 machine-outil, ceci automatiquement en cours d'usinage, sans interrompre le cycle d'usinage. L'opérateur peut alors ajuster les paramètres et apporter les corrections nécessaires. Un paramètre important est la mesure d'épaisseur, en contrôle non destructif. 20 Dans l'art antérieur, la mesure est effectuée de façon connue par ultrasons, à l'aide d'une sonde dédiée. Par contre, cette mesure est effectuée manuellement, sur la pièce, en machine, mais cycle d'usinage arrêté. Le but est donc de pouvoir mesurer en continu et que le cycle d'usinage puisse se poursuivre. Il existe des moyens de contrôle par laser qui constituent un contrôle non destructif de mesures de forme, notamment pour des profils courbes. Un tel agencement permet de définir une cartographie d'une pièce, y compris de grandes dimensions, avec une très grande précision, y compris l'épaisseur, plus particulièrement pour des pièces composites. Un tel dispositif est extrêmement onéreux et complexe à mettre en oeuvre. De plus, il s'agit d'une mesure a posteriori, plutôt pour du contrôle de fabrication ou 10 de la qualification de pièces. L'avantage important est l'absence totale de contact, supprimant le recours à tout couplant de surface, évitant tout risque de pollution de la pièce, supprimant le besoin de nettoyage de ladite pièce après contrôle. Il existe aussi des méthodes électromagnétiques de contrôle non destructif. 15 En effet, il est possible de mesurer par induction magnétique par exemple des épaisseurs de revêtements non magnétiques sur des pièces ferromagnétiques, la mesure étant basée sur les variations de perméabilité magnétique. Les courants de Foucault sont utilisés pour la mesure d'épaisseur de revêtements cette fois basée sur les variations de conductivité électrique. 20 Dans ces applications, il faut une mise en contact avec la pièce ou une étroite proximité. Le problème qui se pose est aussi lié au fait que les machines-outils nécessitent dans certains cas, pour leur phase d'usinage, du fluide de coupe afin de refroidir les outils et de faciliter la coupe sans modifier les caractéristiques du matériau 25 usiné que pourrait engendrer une forte élévation de température. Aussi faut-il pouvoir travailler en contrôle non destructif en présence de fluide de coupe, en continu. Il est donc nécessaire de prévoir un dispositif qui assure la mesure en présence ou non de fluide de coupe. C'est l'objet du dispositif de mesure d'épaisseur selon la présente invention. Le dispositif selon la présente invention est également adapté pour s'intégrer directement sur la machine concernée, plus particulièrement pour s'intégrer sur la broche de la machine-outil. Le dispositif est maintenant décrit en détail avec une variante pour machine-outil usinant à sec et une variante pour machine-outil usinant avec du fluide de coupe. Cette description est établie en regard des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent : - Figure 1 : une vue d'une chaîne de mesure suivant l'invention intégrant le dispositif de mesure d'épaisseur suivant la présente invention, - Figure 2 : une vue schématique du dispositif de mesure d'épaisseur suivant la présente invention dans le cas d'un usinage avec fluide de coupe, - Figure 3 : une vue schématique du dispositif de mesure d'épaisseur suivant la présente invention dans le cas d'un usinage à sec. La chaîne de mesure intégrant le dispositif de mesure d'épaisseur suivant l'invention comprend un dispositif 10 de mesure d'épaisseur par ultrasons. Le dispositif 10 de mesure d'épaisseur est relié à une électronique 12 embarquée destinée à traiter les signaux mesurés. Cette électronique embarquée a les fonctions suivantes : - pilotage des entrées et sorties, - communication avec la commande numérique, - traitement du signal, - validation des mesures, - transmission des mesures, - interface de maintenance. Les informations ainsi transformées et recueillies sont transmises à des moyens 14 de traitement informatique par exemple à travers une liaison 16 du type RS 232, normalisée, peu sensible aux perturbations environnementales. Cette liaison 16 permet de transmettre les données mesurés et transformées en toute sécurité. Les moyens 14 de traitement informatique assurent l'interface entre les signaux mesurés et la machine-outil 18 à commande numérique au moyen d'un logiciel intégré, la communication étant établie par une liaison 20 du type Bus Ethernet par exemple. Le logiciel permet tout d'abord de réaliser des cycles de calibration en fonction de variables renseignées au préalable dans le programme par l'opérateur, à partir d'un référentiel. Le logiciel intervient dans le cycle de mesure. Ainsi il est possible de renseigner les coordonnées des points souhaités de mesure d'épaisseur. Le résultat de cette mesure est ensuite transmis à la machine-outil 18 à commande numérique sous forme de variables directement exploitables par ladite machine qui dispose elle d'un programme relatif à la pièce en cours d'usinage. Le logiciel intervient aussi pour le contrôle et valide l'usinage en comparant une valeur théorique et une valeur mesurée, du type GO/NO GO. Si la mesure est correcte tenant compte des tolérances, alors l'opération suivante est engagée. Les données sont programmables par l'opérateur, tant les mesures que les tolérances. Le dispositif 10 de mesure de l'épaisseur d'une pièce en place sur un plateau de machine à commande numérique suivant la présente invention est représenté sur la figure 1 et comprend un transducteur 22 à ultrasons fonctionnant à une fréquence comprise entre 4 et 20 MHz. Selon la première variante de réalisation, ce transducteur 22 est disposé dans une buse 24, solidaire de la broche porte-outil, non représentée, de la machine à commande numérique travaillant avec du fluide de coupe. Cette buse 24 comprend un corps 26 monté périphériquement au transducteur, laissant un passage en périphérie dudit transducteur. Ce corps 26 comprend à son extrémité une ouverture 28. Cette ouverture 28 est centrée sur le transducteur de sorte à laisser passer le faisceau d'ultrasons émis par ledit transducteur. La buse 24 est reliée à l'alimentation en fluide 30 de coupe de la broche d'usinage qui agit également comme fluide de couplage en l'occurrence pour le transducteur. En effet, dans le cas d'un usinage avec fluide de coupe, une grande quantité de fluide est déversée sur l'outil d'une part pour refroidir l'outil et la matière de la pièce au droit de l'usinage par l'outil et d'autre part pour lubrifier l'outil afin qu'il assure une coupe de meilleure qualité avec une moindre usure. Ce fluide de coupe a aussi un rôle de nettoyage de la zone de coupe avec une élimination des copeaux retirés de la pièce au fur et à mesure de l'avance de l'outil. Le fluide est donc chargé de particules de matière usinée et fait l'objet d'un recyclage avec une décantation, filtrations successives avant d'être renvoyé vers la broche. Une partie de ce fluide étant déviée pour venir alimenter la buse 24, cette fraction de fluide est avantageusement filtrée de façon plus poussée pour éliminer les particules d'usinage. Compte tenu de la faible consommation, les fluides de coupe étant des émulsions aqueuses, il est aussi possible d'alimenter la buse avec de l'eau claire. Le fluide est donc utilisé comme couplant entre la pièce P en usinage dont on souhaite mesurer l'épaisseur et le transducteur. En effet les ultrasons se propagent de façon adaptée dans un milieu fluide. L'extrémité de la buse 24, plus exactement l'ouverture 28 est positionnée à une distance comprise entre 20 et 25 mm. Le couplant s'écoule par ladite ouverture 28 sur la pièce et compte tenu de la proximité entre l'ouverture et la pièce, il se forme un cône 32 continu, par capillarité. Le faisceau d'ondes ultrasonores se propage du transducteur dans la pièce et de façon connue, lorsque le faisceau rencontre un changement de milieu, les deux faces de la pièce, il se produit un écho premier directement réfléchi sur la première surface de la pièce et un écho second généré lors de la sortie du faisceau à partir de la seconde face de la pièce. Connaissant la vitesse propagation des ondes ultrasonores dans le milieu, il suffit de mesurer le différentiel de temps entre les deux réflexions pour déterminer l'épaisseur D de la pièce P, par la relation simple D=VxT avec V la vitesse de propagation et T la durée séparant les deux échos. En l'occurrence, avec la sonde retenue, les épaisseurs mesurées sont comprises entre 1 et 20 mm avec une précision de +/- 50,um. Selon la seconde variante de réalisation, le transducteur 22 est disposé dans une buse 24, solidaire de la broche porte-outil, non représentée, de la machine à commande numérique travaillant à sec, sans fluide de coupe. Cette buse 24 est identique à la buse 24 de la première variante dans son agencement général et porte un transducteur 22 identique. Les références de pièces identiques entre les deux versions sont référencées avec les mêmes numéros. Par contre, l'extrémité de la buse 24 est équipée d'une jupe 34 de confinement. 25 Cette jupe 34 de confinement est par exemple constituée d'un matériau élastomère. Cette jupe se présente sous une forme de cylindre. Cette jupe est solidaire de la paroi extérieure du corps de la buse afin d'être périphérique et coaxiale à l'ouverture 28. De façon avantageuse, la jupe est largement périphérique, de façon à constituer un volume suffisant. En effet, la hauteur de la jupe est sensiblement celle de la distance de travail de la buse, elle-même liée à la distance de travail du transducteur. L'extrémité libre de la jupe de confinement est destinée à venir au contact avec la pièce, en assurant une étanchéité avec ladite pièce. Ainsi lorsque la buse est opérationnelle, la jupe définit un volume de fluide de couplage déterminé, suffisant pour permettre le passage du faisceau d'ultrasons. Ce volume de fluide de couplage est délivré et confiné. Compte tenu des quantités nécessaires extrêmement limitées, le fluide de couplage peut faire l'objet d'une alimentation spécifique et être d'une composition adaptée aussi à la nature de la pièce à usiner pour ne pas la polluer. En effet, il n'y a pas la contrainte d'utiliser le fluide de coupe de la machine- outil puisque cette machine travaille à sec. De la même façon que dans la première variante, le faisceau d'ultrasons se propage et rencontre les deux surfaces de la pièce, les deux changements de milieu provoquant un signal avec un décalage temporel mesurable. On note que la jupe ne peut en aucun cas perturber le signal ultrasonore émis ou reçu. En fin d'opération de mesure, il existe deux options. La première option consiste à soulever la buse et à nettoyer la pièce soit par essuyage, soit par évaporation si la nature chimique du fluide le permet, la quantité étant négligeable, surtout si les pièces concernées sont de grandes dimensions. La seconde option consiste à aspirer le fluide de couplage qui s'était écoulé par gravité et qui se trouvait confiné dans la buse et dans la jupe avant de soulever la buse et de l'écarter de la pièce en attendant une nouvelle mesure afin de ne laisser aucune trace de produit. Pour donner un ordre d'idée des dimensions, la buse est d'un diamètre de 25 mm, le transducteur est d'un diamètre de 10 mm. Le volume défini par la jupe de 5 confinement est de 2 000 mm3. Les applications d'un tel dispositif sont les tours verticaux, les fraiseuses et robots par exemple. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique munie d'au moins une broche d'usinage, caractérisé en ce qu'il comprend une buse (24), prévue pour être disposée à proximité immédiate de ladite pièce e, ladite buse comprenant un corps (26) muni d'une ouverture (28), un transducteur (22) à ultrasons disposé dans ce corps (26) prévu pour émettre un faisceau d'ultrasons, de façon que ledit faisceau puisse passer à travers ladite ouverture, du fluide de couplage étant délivré par ladite buse (14) de façon à assurer un couplage entre le transducteur et ladite pièce P. 2. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est rapporté sur la broche d'usinage de la machine-outil (18). 3. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la buse (24) comprend une jupe (34) de confinement solidaire du corps (26) de ladite buse. 4. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la jupe (34) est périphérique au transducteur et coaxiale à l'ouverture (28). 5. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau de la jupe (34) de confinement est un élastomère. 6. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine- outil (18) à commande numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans le cas d'une machine-outil travaillant avec du fluide de coupe, le fluide de couplage est du fluide de coupe. 7. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, dans le cas d'une machine-outil (18) travaillant à sec, le fluide confiné est fonction du matériau usiné. 8. Dispositif de mesure d'épaisseur de pièces P sur une machine-outil (18) à commande numérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur (22) travaille dans une plage de fréquences de 4 à 20 MHz. 9. Système de mesure de l'épaisseur d une pièce, équipé d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - une électronique (12) embarquée destinée à traiter les signaux mesurés, - des moyens (14) de traitement informatique, - une liaison (16), peu sensible aux perturbations environnementales, - une liaison (20) entre les moyens (14) de traitement informatique et la machine-outil (18) à commande numérique.