Métrologie au marbre

Métrologie au marbre

La métrologie au marbre s’effectue principalement avec des comparateurs et des accessoires de métrologie (vé, équerre, cales étalons, piges, etc.). La colonne de mesure remplace aujourd’hui de plus en plus ces moyens de base, mais le principe d’utilisation reste sensiblement le même.Il faut également utiliser des micromètres extérieur ou intérieur pour mesurer par exemple le diamètre d’arbre ou d’alésages [2]. De nombreux contrôles nécessitent de déplacer soit le comparateur, soit la pièce sur le marbre. Les comparateurs s’emploient donc généralement avec une direction de mesure perpendiculaire au marbre pour permette le balayage de la surface. Dans les autres cas, la mesure est ponctuelle ou nécessite des montages complexes [2]. Le marbre est un plan étalon en fonte ou en granit. Il a un très bon état de surface, sa planéité est presque parfaite. Il représente le plan de référence spécifié. Il est souvent préférable de déplacer le comparateur avec son support sur le marbre (bonne stabilité).

Le déplacement de la pièce est voilée, la pièce est possible, mais dès que la face d’appui de la pièce voilée, la pièce boite et la mesure est très incertaine. Il faut aussi  faire très attention aux déformations dues au bridage de la pièce [2]. Un comparateur mesure par une méthode différentielle (figure 1.1a) en comparant la pièce mesurée avec un étalon. Les comparateurs à levier sont utilisables dans les deux sens. Pour faire une mesure vers le haut, il faut également initialiser le comparateur vers le haut, par exemple en posant une cale sur la cale étalon (Figure 1.1b). L’incertitude de mesure sur le résultat comprend donc l’incertitude sur la mise à « 0 » et  l’incertitude de la mesure de la pièce .

Remarques sur les différentes tolérances proposées par la normalisation

Tolérances de forme Les tolérances de rectitude et de planéité sont respectivement des cas particuliers des tolérances de forme du profil d’une ligne et d’une surface. En conséquence, les lignes réputées rectilignes et les surfaces réputées planes devront toujours utiliser leurs symboles spécifiques de tolérance de forme de rectitude et de planéité. Par contre les tolérances de circularité et de cylindricité ne sont pas exactement des cas particuliers des tolérances de forme du profil d’une ligne et d’une surface.

En effet les deux cercles concentriques ou les deux cylindres coaxiaux délimitant la zone de tolérance, ont leurs diamètres variables dans les cas de la circularité ou de la cylindricité, et fixes dans le cas tolérances de forme du profil d’une ligne et d’une surface (le diamètre nominal de la zone dc tolérance doit être dans ce cas indiqué par une dimension encadrée). En conséquence, les lignes réputées circulaires et les surfaces réputées cylindriques, pourront utiliser aussi bien des tolérances de circularité, de cylindricité que des tolérances de forme du profil d’une ligne ou d’une surface [10]. Les tolérances de profil d’une surface, avec ou sans référence spécifiée, seront systématiquement utilisées pour spécifier des surfaces coniques.

Tolérance d’orientation Les tolérances de parallélisme et de perpendicularité sont des cas particuliers de la tolérance d’inclinaison. En conséquence dans les cas où l’angle d’inclinaison est implicitement de 0° ou de 90°, la tolérance d’orientation devra toujours utiliser le symbole spécifique de parallélisme ou de perpendicularité [10], [13].

Tolérance de position Les tolérances de concentricité, de coaxialité et de symétrie sont des cas particuliers de la tolérance de localisation où la distance entre les éléments de situation de la zone de tolérance et de la référence spécifiée est nulle. Dans ce cas, il sera alors nécessaire d’utiliser uniquement le symbole spécifique correspondant. La tolérance de localisation est réservée aux éléments de type plan, droit ou point [10], [13].

Tolérance de battement Les tolérances de battement peuvent, suivant les cas, être équivalentes à des tolérances d’orientation ou dc position .

Historique

La norme ISO 10360-2 : 1994 donne par définition “dispositif de mesure utilisé à poste fixe, conçu pour des mesurages à partir d’au moins trois déplacements linéaires ou angulaires générés par la machine. L’un au moins doit être une mesure linéaire“. La notion de machine à mesurer apparait dès le début du vingtième siècle, avec, par exemple, la « MUL » (machine à mesurer universelle linéaire) introduite par SIP en 1909 qui est donc une machine unidimensionnelle. Les premières machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) [14] apparaissent dans les années 1960. On peut probablement écrire que la première MMT moderne est l’UMM500 de ZEISS apparue en 1973, elle est dotée d’un palpeur mesurant. La même année, RENISHAW introduisait le TP1, premier palpeur à déclenchement. Dans les grandes lignes, la typologie et la conception des machines à mesurer tridimensionnelles ont été fixées dès le début des années 1980. Le type le plus courant à cette époque est la machine à portique (ISO10360-1) constituée d’éléments en granit guidés par des patins aérostatiques [17].

Machine à mesurer tridimensionnelle

Les machines à mesurer tridimensionnelles permettent de mesurer des pièces placées sur un marbre généralement avec un palpeur à contact. Pour cela, la machine possède trois axes X, Y et Z équipés de règles de mesure incrémentales de précision (figure 2.1). Une électronique,généralement intégrée dans un PC, permet de connaître à chaque instant la position de la tête de mesure dans le repère machine. Lorsque le palpeur touche la pièce la position de machine est enregistrée dans le logiciel de traitement [2], [15], [16]. Un repère mesure est ensuite défini avec les axes machines et une origine identifiée sur une sphère de calibrage posée sur le marbre. Tous les points palpés sur la pièce sont alors connus dans ce repère de mesure. Les coordonnées des points sont ensuite traitées par le logiciel de métrologie selon une gamme de mesure préparée par le métrologue [2], [15], [16].Le palpeur peut être déplacé à la main (machine manuelle) avec une manette (machine motorisée) ou par l’intermédiaire d’un programme de palpage (machine motorisée numérique).

Les machines courantes permettent de mesure des pièces rentrant dans un cube de 300 à 600 mm de côté. Certaines machines à portique ou à trusquin peuvent atteindre 10 à 20 m de long. Pour obtenir précision requise les machines à mesurer sont placées en salle de métrologie dans un local climatisé à 20° hygrométrie contrôlée. Les machines placées en atelier sont soumises à d’importantes perturbations. Elles sont moins précises [2]. Pour obtenir la précision. Les guidages sont réalisés directement sur des glissières un marbre avec des patins .à air qui offrent une très grande raideur avec un effort de glissement très faible. Les machines moins précises se contentent de glissières métalliques avec des guidages à rouleaux. Les règles de mesures sont généralement des règles incrémentales de haute résolution permettant une mesure avec une résolution 2,05um. La précision des machines est donnée suivant la norme VDI 2617 par des formules du type :
– Précision suivant un axe : 2,5 + (L/400) µm (L étant la longueur mesurée) ;
– Précision dans le volume : 3,0+ (L/350) µm. Ces valeurs, données par les constructeurs, sont généralement très optimistes. Pour garantir la précision et obtenir une certification des mesurés, il faut faire régulièrement une calibration de la machine [2].

Etat de l’art en métrologie tridimensionnelle

La métrologie tridimensionnelle industrielle dispose de divers capteurs et systèmes de contrôle de la production qui doivent être rapides, précis, fiables et faciles de mise en œuvre et automatiques. La figure.2.2 présente les capteurs généralement employés dans ce contexte sont de type mécanique, acoustique ou optique [17].La première catégorie renvoie aux capteurs mécaniques, les plus couramment utilisés dans l’industrie. Le capteur et l’objet à tester sont en contact, par exemple, en étant montés sur une machine mobile multiaxes. Le déplacement par rapport à l’origine permet d’estimer la position tridimensionnelle des points de la surface de l’objet avec une précision de 0.01mm. Malheureusement, de par sa conception, cette technique induit des  microdéformations lors de l’acquisition.

La classe des capteurs sans contact renvoie aux systèmes acoustiques et optiques. Dans ce contexte, les techniques de mesure optique sans contact sont généralement classées par les métrologues en actives et passives, et, absolues et relatives. Les systèmes acoustiques reposent sur la mesure du temps écoulé entre l’émission d’une onde et son écho sur l’objet à tester. La qualité de la mesure dépend fortement des paramètres physiques tels que le coefficient de réflexion sur la surface de l’échantillon, l’atténuation atmosphérique ou l’angle entre la normale à la surface et la direction de l’onde [8].

Différents types de machines à mesure tridimensionnelle

Il en existe de différents types qui sont fonction de la morphologie des pièces à mesurer, des précisions à atteindre, de la facilité d’utilisation etc. nous allons prend trois types : portique, pont mobile et col de cygne.

Machine de type portique C’est la configuration la plus répandue (90% des machines), elle a une grande capacité, accepte une charge importante et a l’avantage d’une grande facilité d’accès pour la mise en place des pièces. Utilisée pour le contrôle de pièces mécaniques demandant une grande précision (quelques micromètres) (figure 2.2) [8], [18].
Machine de type col de cygne C’est la configuration la plus ancienne voir la figure 2.3. La charge est limitée et les coures suivant les axes y et z restent faibles du fait des porte-à-faux [8].
Machine de type pont mobile La machine de type pont mobile a une configuration équivalente à un pont roulant. Elle a des capacités de plusieurs mètres (16m, 6,35m, 4,07m pour la machine Lambda de DEA), et elle accepte des charges importantes. Utilisée pour la vérification de pièces volumineuses et lourdes toujours dans des gammes de précisions élevées (figure 2.4) [8].

Palpeurs à contact (à déclenchement)

Les palpeurs à déclenchement sont les plus courants. Ils sont constitués d’un capteur associé à un stylet au bout duquel se situe une sphère (généralement une bille de rubis).Le palpage consiste à venir toucher la pièce avec la bille en maintenant une vitesse d’avance constante. Le contact entre la bille et la pièce provoque la lecture et l’enregistrement de la position des axes de la machine, ce qui permet d’en déduire les coordonnées du point mesuré… [20].Le palpeur à déclenchement est donc utilisé pour des mesures discrètes. Sa fiabilité repose sur la détection du moment précis où s’établit le contact entre la bille et la pièce. Pour cela, il existe trois technologies différentes. Le principe résistif est le plus courant et le plus simple. Un courant électrique circule à travers les points de contact de l’équipage mobile solidaire du stylet.Le déplacement du stylet lorsqu’il touche la pièce provoque une diminution de la surface de contact, et donc une atténuation du courant électrique. En le mesurant, on détecte alors le contact entre la pièce et le palpeur [20].

Caractéristiques métrologiques du palpeur à déclenchement Le palpeur [21], premier élément de la chaîne de mesure est la source déterminante du signal électrique que le reste de la chaîne doit traiter et exploiter. L’adaptation du palpeur et de la chaîne de mesure implique que celle-ci n’ajoute pas au signal initial des incertitudes ou limitations supérieures à celles apportées par le palpeur. C’est donc de la qualité du palpeur que dépendent en premier lieu d’une part, la plus ou moins bonne concordance entre valeur mesurée et valeur vraie du mesurande, et d’autre part, les limites de l’incertitude sur la valeur mesurée.

Système de palpage dynamique Le système de palpage se compose d’un stylet monté sur le palpeur à déclenchement dynamique illustrée par la figure 2.5 lui-même connecté à la MMT utilisant une tête manuelle [8].

Principe de fonctionnement Le composant principal des palpeurs à déclenchement par contact Renishaw est l’appui cinématique que montre la figure 2.6. Il s’agit d’un mécanisme qui après déflexion du stylet repositionne celui-ci avec une très grande précision (répétabilité). L’appui cinématique [22] est constitué d’un tripode (1) pivotant sur trois  points d’appui (2) par l’intermédiaire d’un ressort de compression hélicoïdal (3). Ces points d’appui sont composés de rouleaux et de billes. Pour détecter les déplacements du stylet on contrôle un courant électrique circulant entre les billes et les rouleaux. Un circuit électronique génère un signal de déclenchement qu’exploite la commande numérique de la MMT. Après déclenchement, le palpeur est dégagé de la pièce, la bille du stylet retrouve sa position initiale et un nouveau cycle de palpage est possible.

Présentation des palpeurs Le TP1 (S) : palpeur à fixation directe, ayant une grande sur course, tout particulièrement adapté aux machines à mesurer manuelles. Le TP2 –5W : palpeur compact pouvant s’introduire dans la pièce tout particulièrement adapté aux MMT motorisées CNC à commande numérique. Le TP6 : complète la série TP2, mais avec des stylets plus longs et plus lourds : adaptés aux applications générales. Le TP6A : ce palpeur a les mêmes caractéristiques que le palpeur TP6 avec en plus l’autojoint Renishaw (breveté) permettant de changer rapidement les palpeurs sans avoir besoin d’effectuer un nouvel étalonnage .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Métrologie au marbre
1.1 Introduction
1.2 Métrologie 
1.3 Métrologie au marbre 
1.4 Mesure des principales spécifications sur le plan
1.4.1 Localisation d’un plan
1.4.2 Parallélisme d’un plan
1.4.3 Perpendicularité d’un plan
1.4.4 Symétrie d’une rainure
1.4.5 Localisation d’un plan incliné
1.4.6 Orientation d’un plan incliné
1.4.7 Planéité d’un plan
1.5 Zones de tolérances
1.6 Classification des tolérances géométriques
1.6.1 Tolérances de forme
1.6.2 Tolérances d’orientation
1.6.3 Tolérances de position
1.6.4 Tolérances de battement
1.7 Remarques sur les différentes tolérances proposées par la normalisation 
1.7.1 Tolérances de forme
1.7.2 Tolérance d’orientation
1.7.3 Tolérance de position
1.7.4 Tolérance de battement
1.8 Différents types de contrôle
1.8.1 Contrôle de réception
1.8.2 Contrôle en cours de fabrication
1.8.3 Contrôle final
1.9 Conclusion
Chapitre 2 : Mesure sur machine à mesurer tridimensionnelle
2.1 Introduction
2.2. Historique
2.3 Machine à mesurer tridimensionnelle
2.4 Etat de l’art en métrologie tridimensionnelle
2.5 Différents types de machines à mesure tridimensionnelle
2.5.1 Machine de type portique
2.5.2 Machine de type col de cygne
2.5.3 Machine de type pont mobile
2.6 Différents types de palpeurs
2.6.1 Palpeurs à contact (à déclenchement)
2.6.1.1 Caractéristiques métrologiques du palpeur à déclenchement
2.6.1.2 Système de palpage dynamique
2.6.1.3 Principe de fonctionnement
2.6.1.4 Présentation des palpeurs
2.6.2 Palpeurs à contact (mesurant)
2.6.3 Palpeurs sans contact
2.7 Processus de mesure
2.7.1 Principe
2.7.2 Lecture du dessin
2.7.3 Choix du posage
2.7.4 Conception du palpeur
2.7.5 Le calibrage
2.7.6 Palpage et les constructions
2.7.7 Dépouillement
2.7.8 Mode opératoire
2.8 Conclusion
Chapitre 3 : Différents critères d’ajustements
3.1 Introduction
3.3 Critères normalisés
3.3.1 Critère des moindres carrés
3.3.1.1 Historique
3.3.1.2 Association par le critère des moindres carrés
3.3.1.3 Critère des moindres carrés « tangent »
3.3.1.4 Surface des moindres carrés décalée de la moitié du défaut de forme
3.3.2 Critère de Tchebychev (Minimax)
3.3.3 Critère Rmini et Rmaxi
3.4 Nombre de points nécessaire pour le critère des moindres carrés
3.5 Influence de la densité des points sur l’algorithme des moindres carrés
3.6 Identification le plan des moindres carrés
3.7 Etude comparative entre les critères
3.8 Commentaire du tableau
3.9 Conclusion
Chapitre 4 : Programmation et validation
4.1 Introduction
4.2 Programmation
4.3 Algorithmes et interfaces graphiques
4.3.1 Vérification du nombre de points palpés
4.3.2 Algorithme de calcul du défaut de planéité
4.3.3 Format des fichiers de points
4.3.4 Interface du programme
4.4 Ajustement par le critère des moindres carrés
4.4.1 Application à une pièce test
4.4.2 Application à la pièce de M. Mangouchi
4.4.3 Application à la pièce de M. Jalid
4.4.4 Application à des surfaces déformées numériquement
4.5 Ajustement par le critère de Tchebychev (Minimax)
4.5.1 Application à la face usinée de la pièce test
4.5.2 Application à la face sciée de la pièce test
4.6 Conclusion
Conclusion générale et perspective
Références Bibliographiques
Annexe A
Annexe B
Liste des normes

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