Développement du prototype

DÉVELOPPEMENT DU PROTOTYPE

GÉNÉRALITÉS

La contribution des machines-outils dans l’épanouissement de plusieurs domaines industriels de pointe n’est plus à démontrer. Cependant, durant la dernière décennie, le contexte économique a imposé à cette industrie de nouvelles normes de performance en ce qui concerne la qualité, la productivité, les coûts et les délais de production. Ces contraintes de marché ont évolué beaucoup plus vite que les performances des machines actuelles. La technologie sur laquelle ces machines reposent est basée sur des concepts datant de plusieurs décennies et qui arrivent presque à la limite de leur potentiel. Les quelques développements technologiques enregistrés dans le domaine sont davantage motivés par les besoins des utilisateurs que par les initiatives des constructeurs. Cette situation met en évidence la nécessité de développer des stratégies permettant de répondre à ces nouveaux défis en mettant en place les moyens susceptibles d’améliorer les performances des machines et de les faire évoluer vers un palier technologique supérieur. Cette tâche s’avère difficile vu la complexité des interactions entre les machines-outils et le procédé de coupe. Les nouvelles technologies dans le domaine permettent de réaliser une  amélioration nette de la précision des machines-outils en augmentant la qualité de leurs designs. Cependant, pour la mettre en place, cette approche mobilise des moyens financiers et techniques énormes. L’autre alternative réside dans l’amélioration de la partie contrôle en combinant la commande numérique et la structure grâce au développement emegistré au niveau de l’instrumentation, de l’électronique et de la microinformatique.

CLASSIFICATION DES ERREURS

La qualité des pièces produites par des machines-outils découle principalement du degré de précision et de stabilité des machines elles-mêmes. De manière générale, la qualité mesure “le degré de conformité d’une pièce à des spécifications dimensionnelles et géométriques prédéfinies”. Cependant, une simple mesure ne permet pas d’identifier la contribution de chaque source d’erreur affectant la pièce. Il est alors important d’analyser les aspects technologiques définissant la structure des machines-outils, le contrôle numérique et l’influence du procédé.
Dans le but de donner à la problématique de la précision dans les machines-outils une dimension conceptuelle, il est préférable de procéder à une classification des facteurs qui l’affectent. Les erreurs peuvent être classées selon la phase de travail pendant laquelle les sources qui les génèrent sont actives. Pendant la phase de préparation, les erreurs peuvent être associées aux procédures de réglage, aux erreurs de programmation et de conversion des programmes d’usinage en langage machine. Durant la phase d’usinage, les sources d’erreur qui affectent la précision sont beaucoup plus variées. Leurs effets peuvent être considérés comme étant la combinaison des contributions individuelles de tous les éléments constituant le système Machine-Outil-Pièce (MOP), ainsi que l’interaction de ce système  avec le procédé. La figure 1 présente une classification possible de l’ensemble des facteurs qui peuvent affecter la précision des machines-outils. De façon générale, la précision est fortement limitée par la structure géométrique de la machine et par la modification de cette structure sous des conditions statiques, thermiques et dynamiques. Les sources d’erreurs durant l’usinage sont regroupées selon trois catégories: • les sources d’erreurs dues à la machine; • les sources d’erreurs dues au procédé de coupe; • les sources d’erreurs dues à l’environnement. Précision totale Conception mécanique Contrôle de position Influence du procédé Une machine-outil de haute précision peut être réalisée en se basant exclusivement sur des techniques avancées de conception. Le succès de cette solution se trouve souvent inhibé par plusieurs limitations physiques et technologiques. Les coûts qu’il faut supporter pour  contourner ces limitations sont exorbitants. Cette situation a conduit à l’introduction du concept de l’amélioration de la précision des machines-outils à travers des techniques de correction ou de compensation des erreurs. En effet, à cause des économies qu’il permet de réaliser, ce concept s’est imposé comme alternative et a acquit rapidement une certaine popularité. La compensation de certaines erreurs telles que le jeu et l’usure des outils est devenue même une fonction standard dans certaines versions de MOCN actuellement disponibles sur le marché. Dans plusieurs applications, la compensation électronique des erreurs s’est avérée plus économique et plus efficace qu’une modification dans le design de la machine. Cependant, une bonne conception demeure la première étape du processus de contrôle de la précision. La compensation des erreurs ne constitue pas une alternative aux efforts de conception mais un complément. Depuis quelques dizaines d’années, plusieurs études ont été menées concernant le problème d’amélioration des performances des MO. Ces travaux ont débouché sur plusieurs concepts, techniques et recommandations pertinentes que nous allons présenter dans les sections suivantes. Un bref survol des recherches dans le domaine de la précision des MO montre que la plupart des travaux s’inscrivent dans l’une des quatre catégories suivantes: évaluation des performances, amélioration de la précision, modélisation mathématique, et analyse des erreurs. Dans l’évaluation des performances, la précision des MO a été examinée selon différentes sources en utilisant des méthodes analytiques ou expérimentales. Les procédures d’amélioration de la précision comportent l’ensemble des approches et des techniques susceptibles d’améliorer les performances des MO. Dans la modélisation mathématique, plusieurs méthodes ont été proposées pour décrire le comportement de la  machine sur le plan de la cinématique. Finalement, l’analyse des erreurs soulève le problème des incertitudes et des erreurs introduites durant le processus d’étalonnage.
• Évaluation des performances: les performances des MO peuvent être évaluées selon deux optiques différentes. En régime statique ou quasi-statique, les performances sont évaluées quand la machine est dans un état d’équilibre statique. Les performances dynamiques sont mesurées durant le régime dans lequel des facteurs tels que les vibrations et la stratégie de commande deviennent significatifs. Trois stratégies de base ont été employées pour évaluer les performances des MO. Les tests d’usinage [1], les tests géométriques [2] et [3-6] et l’étalonnage par comparaison à des pièces étalons [2, 5, 7, 8]. La plupart de ces tests sont utilisés dans des procédures d’acceptation et lors des vérifications périodiques des performances des MO [9-11]. De plus, parce qu’ils sont incomplets, ils ne permettent pas de prédire le comportement réel des machines dans des conditions aussi disparates que celles qui règnent dans un atelier de fabrication. Enfin, ces tests sont coûteux, souvent très lents à mettre en oeuvre et consomment beaucoup de temps. Un test de circularité sur un tour, par exemple, peut prendre jusqu’à trois heures.
• Amélioration de la précision: trois techniques de base peuvent être considérées pour résoudre le problème de l’imprécision des MO. La première de ces techniques suppose la présence d’instruments de mesure dans l’espace de travail de la machine pour décrire la position et l’orientation de l’outil/la pièce par rapport au système de référence [12]. Les axes de la MO sont alors commandés de manière à réduire  l’erreur entre la position désirée et la position mesurée. Dans cette situation, la connaissance de la relation entre les déplacements des axes et la position et l’orientation de l’outil et de la pièce ne sont pas requises. Cependant le développement d’un tel système sensoriel peut s’avérer très difficile à cause de l’accessibilité réduite. La seconde approche nécessite la mesure des erreurs et l’élaboration de cartes de contrôle établissant une relation de correspondance entre l’espace de travail de la MO et la position et l’orientation de l’outil par rapport à la pièce [13]. Ces cartes de contrôle, qu’on appelle également matrices d’erreurs, sont stockées dans une mémoire interne ou externe au contrôleur de la MO pour effectuer la correction des erreurs. Cette solution est loin d’être satisfaisante à cause du nombre infini de positions possibles dans l’espace de travail et aussi à cause des limitations au niveau des unités de mémoire du contrôleur qui ne peuvent pas supporter une correspondance une à une entre les variables de l’espace de travail et les composantes de l’erreur. Même si différents schèmes d’interpolation ont été investigués pour approcher un niveau raisonnable de précision globale, cette approche reste toujours tributaire de la disponibilité de l’espace mémoire des contrôleurs. La troisième et dernière approche nécessite le développement d’un modèle mathématique précis qui décrit les relations entre les déplacements élémentaires dans chaque liaison et la position et l’orientation de l’outil et de la pièce. Cette approche est basée sur l’identification des sources d’erreurs les plus importantes, de les mesurer et de créer un modèle simplifié qui permet d’effectuer  une approximation de la trajectoire réelle de l’outil par rapport à la pièce dans l’espace de travail de la machine-outil.

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Table des matières

Chapitre 1 INTRODUCTION 
1.1 Généralités
1.2 Classification des erreurs
1.3 Approches d’évaluation des perfonnances
1.4 Problématiqu
1.5 organisation du mémoire
Chapitre 2 PRÉCISION DANS LES MACHINES-OUTILS 
2 .1 Analyse des sources d’erreurs
2.2 Techniques de réduction des effets d’erreurs
2.2.3 Compensation active
2.2.4 Limitations des techniques de compensation
Chapitre 3 DÉVELOPPEMENT DU PROTOTYPE
3.1 Introduction
3.2 Configuration du système de mesure
3.2.1 Mesure des rectitudes horizontale et verticale
3.2.2 Mesure du lacet et du tangage
3.2.3 Mesure du roulis
3.3 Quantification des signaux
3.3. 1 Calcul de la position du faisceau
3.3.2 Calcul des six composantes de l’erreur
3.4 Discussion
Chapitre 4 ANALYSE DES PERFORMANCES 
4.1 Introduction
4.2 Montage expérimental
4.3 Essais préliminaires
4.3.1 Évaluation de l’impact de l’environnement
4.3.2 Correction des effets environnementaux
4.3.3 Calibration des détecteurs de position
4.4 Amélioration de la stabilité
Chapitre 5 TEST ET VALIDATION 
5.1 Introduction 
5.2 Caractéristiques métrologiques du système
5.2.1 Caractéristiques du système de mesure
5.2.2 Précision du système de mesure
5.2.3 Spécifications de fonctionnement
5.3 Mesure de validation sur la MMT
5.3.1 Montage expérimental
5.3.2 Analyse des résultats
Chapitre 6 CONCLUSION
Bibliographie
Annexe 1 : Principes de l’interférométrie laser
Annexe 2: Mesure des rectitudes (Renishaw ML 10)
Annexe 3 : Mesure du lacet et du tangage (Renishaw ML 10)

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