MESURE DE L`ETAT DE SURFACE DE PIECES MINCES SUR

MESURE DE L’ETAT DE SURFACE DE PIECES MINCES SUR TOUR A
COMMANDE NUMERIQUE
H. Marcellier, C Parrenin
CEA Valduc - DFTN / STFU
21120 IS – SUR - TILLE
Moyen mis en place
Résumé
Le laboratoire de contrôle dimensionnel du CEA Valduc a
implanté un moyen optique commercial sur la tourelle
d’un tour à commande numérique afin de mesurer, sur le
moyen de production, l’état de surface de pièces
hémisphériques.
La qualification effectuée, d’abord sur cales rectifiées puis
sur cales étalons, a permis de s’assurer que ce moyen était
capable de réaliser de telles mesures.
Le système est désormais opérationnel et permet la mesure
de rugosité de pièce sans démonter l’objet de la machine
d’usinage.
Abstract
The Inspection Laboratory of CEA/Valduc has set up an
optical device on the turret of a NC lathing machine in
order to measure the surface roughness of hemispherical
partsThe assessment was first carried out on rectified
blocks and on gauges blocks to be sure this tool is reliable
The device is now oprating and allows the roughness
inspection without removing the part from the spindle
Contexte
Dans le domaine de la mesure dimensionnelle, l’utilisation
de capteurs optiques se développe fortement du fait de
l’amélioration de leurs performances (précision, étendue
de mesure, encombrement…) et surtout car le caractère
sans contact des mesures est particulièrement adapté à
l’expertise d’objets déformables ou de faibles dimensions.
Réservé au domaine du laboratoire de métrologie, ces
capteurs commencent à entrer peu à peu dans les chaînes
de fabrication et permettent alors le contrôle en ligne
d’une production.
Au sein de notre département de fabrication, les
caractéristiques d’état de surface de pièces hémisphériques
creuses étaient jusqu’à présent contrôlées par le laboratoire
de métrologie. Depuis peu nous avons implanté un capteur
optique commercial directement sur un tour de précision à
commande numérique. Il évite ainsi le démontage de la
pièce et toute la logistique habituelle inhérente à la mesure
dimensionnelle en laboratoire. Ce nouveau moyen de
contrôle est aujourd’hui opérationnel et apporte ainsi
d’importants gains de productivité pour le département.
Cahier des charges
Le moyen de contrôle mis en place répond à un certain
nombre d’exigences ; il doit notamment être capable de :
• contrôler la rugosité au pôle, à 45° et à l’équateur sur
des pièces hémisphériques minces. Les résultats
doivent être exploitables sous forme de profil.
• scruter une longueur de 5,6 mm liée à la valeur du Ra
attendue (entre 0,2 et 1,5 µm)
• être montable et démontable facilement sur la tourelle
du tour
Choix du capteur
Le capteur optique choisi est le crayon optique CHR150
de la société STIL (Sciences et Techniques Industrielles de
la Lumière). Le principe de fonctionnement de ce capteur
optique est basé sur la technologie confocale à aberration
chromatique (Fig. 1).
En effet, lorsqu’un faisceau de lumière blanche traverse un
système optique, les longueurs d’onde courtes (bleue) sont
plus déviées que les longueur d’onde longues (rouge).
Cette aberration habituellement combattue est ici utilisée
pour coder spectralement l’espace de mesure. Ainsi,
l’image d’une source ponctuelle de lumière blanche est un
continuum de points images monochromatiques répartis le
long de l’axe optique. Lorsqu’un objet intercepte l’espace
de mesure en M, une seule image ponctuelle
monochromatique est alors focalisée convenablement en
P. Il suffit de connaître par analyse spectrométrique la
longueur d’onde correctement focalisée, pour remonter à
l’altitude du point M.
Source
Lumière blanche
Spectromètre
P
M
Echantillon
Figure 1 : Principe de fonctionnement du capteur STIL
Les caractéristiques de ce capteur sont les suivantes :
Etendue de mesure
300 µm
Résolution
0,02 µm
Distance de travail
4,5 mm
Cadence de mesure
30 Hz à 1 KHz
Technologie pour le support du capteur
Le capteur est monté sur un système d’indexation à bille
qui permet de le positionner dans 3 directions différentes,
correspondant aux trois positions de mesure souhaitées.
Comme le montre la figure 2, une petite table de
déplacement a été ajoutée afin de positionner le capteur
optique dans l’axe broche.
Le système de fixation du support sur la tourelle porteoutils est un système de fixation rapide modulaire de type
"Capto" (Fig. 3). Il permet une grande compatibilité avec
la plupart des tourelles. L’avantage majeur de cette
fixation est l’excellente précision de repositionnement du
capteur lors des phases de montage et démontage.
Chaîne d’acquisition
Le programme d’acquisition des données, réalisé sous
Visual Basic, est particulièrement simple (Fig. 4).
Constitué de trois blocs il permet :
• le réglage des paramètres d’acquisition (fréquence
d’acquisition, moyennage des mesures, pas
d’acquisition..) ;
• l’acquisition des données ;
• la conversion des mesures au format ASCII de façon à
rendre ces données compatibles du logiciel de
visualisation et de traitements « Mountains ».
Ce logiciel, développé par la société Digital Surf, permet
de visualiser les profils mesurés mais surtout d’effectuer
un certain nombre de traitements (redressement,
élimination de la forme, filtrage…) et de calculer les
paramètres de rugosité, d'ondulation.
Capteur optique
Fibre optique
Boîtier d’acquisition STIL
Liaison série
0° - Pole
45°
90° - Equateur
Logiciel d’acquisition et de
conversion des signaux
Figure 2 : Positionnement du capteur
Logiciel de visualisation et
de traitements (Mountains)
Figure 4 : chaîne d’acquisition
Qualification du système de mesure
Chaque élément constitutif du système de mesure doit être
qualifié pour pouvoir évaluer les performances de
l’ensemble. Le capteur en lui-même et la liaison capteur /
boîtier sont calibrés en usine par le fabricant. Il reste donc
à quantifier les dispersions de mesures engendrées par les
mouvements des axes machines du tour de précision.
Mesures sur cales rectifiées
Avant d’évaluer les performances intrinsèques du capteur,
nous avons quantifié les éventuelles dispersions liées aux
guidages mécaniques des axes machines du tour. Pour
cela, des cales rectifiées considérées parfaitement planes
ont été utilisées (Ra de 1,9 nm, donc très faible devant
celui des pièces). Pour s’affranchir du bruit électronique
du capteur, le signal a été filtré à haute fréquence. Cette
Figure 3 : Système de fixation du capteur
méthode nous a permis de mesurer les défauts de chacun
des axes machine.
Mesures sur étalon de rugosité
Une cale de 30 mm est placée dans un premier temps
perpendiculairement à l’axe Z pour mesurer le défaut
transversal de la machine. Cette mesure (Fig 5) met en
évidence la présence d’un défaut de période 4870 µm, et
d’amplitude 0,4 µm qui est du au défaut de coaxialité de la
vis d’entraînement du chariot avec son écrou..
La longueur de palpage est de 4 mm et un filtre Gaussien
de 0,8 mm à été employé. Le premier étalon a un Ra de
0,231 µm (Rz de 1,38 µm) et le deuxième de 0,583 µm
(Rz 3,25 µm). Les résultats de mesures selon les
déplacements longitudinaux, transversaux et à 45° sont
synthétisés dans le tableau suivant.
Longueur = 29.2 mm Pt = 0.674 µm Echelle = 1 µm
µm
De manière à valider la méthodologie de mesure, nous
avons effectué des profils sur deux étalons de rugosité,
puis ces mesures ont été comparées à celles obtenues par
un rugosimètre mécanique conventionnel.
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
10
8
6
4
2
0
12
14
16
18
28 mm
26
24
22
20
Figure 5 : profil - axe transversal machine
La mesure selon l’axe longitudinal présente un défaut de
période similaire (4868 µm) et d’amplitude plus faible
(0,1 µm).
Longueur = 29.2 mm Pt = 198 nm Echelle =
300 nm
nm
150
100
50
0
-50
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28 mm
Etalon 1
Moyenne*
Ra Longitudinal
Rz Longitudinal
Ra Transversal
Rz Transversal
Ra à 45°
Rz à 45°
0,581
3,25
0,577
3,12
0,586
3,18
Etalon 2
Moyenne*
Ra Longitudinal
Rz Longitudinal
Ra Transversal
Rz Transversal
Ra à 45°
Rz à 45°
0,230
1,39
0,23
1,25
0,221
1,17
Ecart
-type
0,014
0,10
0,007
0,09
0,013
0,17
Max-Min
Ecart
-type
0,004
0,09
0,01
0,08
0,004
0,06
Max-Min
0,047
0,26
0,019
0,27
0,039
0,51
0,011
0,29
0,019
0,22
0,011
0,18
%
d'erreur/moy
0,41
0,08
1,11
4,08
0,47
2,23
%
d'erreur/moy
0,43
1,00
1,23
9,30
4,38
15,22
* Moyenne sur 8 mesures
Figure 6 : profil - axe longitudinal machine
La dernière mesure est faite sur une cale orientée à 45°
(Fig 7). Pour cette position, le déplacement simultané des
deux axes du tour est nécessaire. Le capteur a une
trajectoire rectiligne et se déplace parallèlement à la cale.
La qualité de la trajectoire du capteur va donc dépendre de
l’asservissement des axes et de la rectitude des guidages.
Longueur = 29.2 mm Pt = 2.02 µm Echelle = 3 µm
µm
1
0.5
0
-0.5
Le premier constat est la bonne répétéabilité des mesures
particulièrement celles effectuées selon le déplacement
longitudinal du tour, confirmant ainsi l'étude sur les cales
rectifiées. Les moyennes des Ra sont relativement proches
des valeurs mesurées par palpage mécanique (% d'erreur
< 4%). Les résultats sont donc satisfaisants malgré un
écart un peu fort sur Rz. qui ne peut s’expliquer que par la
tendance du capteur optique à réduire les pics abrupts.
L’ensemble des mesures sur cales nous a permis de valider
la capacité de ce palpeur optique à effectuer des mesures
directement sur une machine d’usinage. Bien que
perfectible et toujours en phase de développement, il a été
jugé suffisamment précis et répétable pour y être implanté.
-1
-1.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28 mm
Figure 7 : Profil à 45°
La forme de l’ondulation relevée résulte des ondulations
de chaque axe. Le mélange des deux signaux conduit à un
signal qui n’est plus périodique et dont l’amplitude est
plus élevée (2 µm).
Au final, ces mesures sur cales rectifiées montrent que les
guidages de la machine n’ont que peu d’influence sur les
mesures de rugosité. Par contre, il faut tenir compte de ces
défauts dans le cas de mesures de forme et/ou d’ondulation
tout particulièrement lorsque les deux axes machines sont
utilisés.
Mesures sur pièces
La campagne de validation sur pièces opérationnelles a
commencé par l’expertise d’une pièce en aluminium
(Fig. 8).
Figure
8 : Mesure
demesuré
la rugosité
à 45° suretpièce
Le profil
de rugosité
à été
à l’équateur
à 45 réelle
°, ils
sont donnés en figures 9 et 10.
Longueur = 3.2 mm Pt = 6.03 µm Echelle = 10 µm
µm
2
0
-2
-4
-6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3 mm
Paramètres calculés sur le profil Mesure >
... > Rugosité, Filtre gaussien, 0.8 mm
* Paramètres calculés par moyenne des 5
premières longueurs de base.
* Un filtre de microrugosité a été utilisé,
avec un cut-off de 2.5 µm.
Paramètres de rugosité, Filtre gaussien, 0.8
mm
Ra
Rz
= 1.24 µm
= 4.73 µm
Figure 9 : Profil de rugosité mesuré à l'équateur sur une
demi sphère en aluminium
Longueur = 3.2 mm Pt = 5.44 µm Echelle = 10 µm
µm
2
0
-2
-4
-6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3 mm
Paramètres calculés sur le profil Mesure >
... > Rugosité, Filtre gaussien, 0.8 mm
* Paramètres calculés par moyenne des 5
premières longueurs de base.
* Un filtre de microrugosité a été utilisé,
avec un cut-off de 2.5 µm.
Paramètres de rugosité, Filtre gaussien, 0.8
mm
Ra
Rz
= 1.08 µm
= 4.63 µm
Fig. 10 : Profil redressé mesuré à 45° sur une demi sphère
en aluminium.
Bien que le Rz soit identique à 0,1 µm près entre ces deux
mesures, le Ra obtenu à 45° est plus faible qu’à l’équateur.
Toutefois cet écart n’est pas suffisamment significatif pour
affirmer que la réponse du capteur optique est dégradée
dans cette zone des 45°.
Perspectives
L’objectif principal de ce projet est aujourd’hui
atteint puisque nous disposons d’un moyen de contrôle
capable de mesurer les états de surface de pièce
directement sur un tour de précision. Pour améliorer la
précision et la répétabilité du système, l’influence de
certains paramètres comme la fréquence d’acquisition, le
pas d’acquisition et l’inclinaison du palpeur par rapport à
la normale doit être évaluée.
Enfin, une étude comparative entre les différents moyens
de mesures des états de surface du laboratoire a été lancée.
Ainsi, la topographie de différents étalons de rugosité et de
pièces tests a été mesurée par interférométrie à décalage de
phase. Les profils obtenus par cette méthode
particulièrement précise (1 nm) seront comparés à ceux
mesurés par palpage mécanique et optique. Cette étude
doit nous permettre d’évaluer les paramètres influents de
chaque méthode de contrôle, afin d’en préciser les limites
d’utilisation.