Modèle géométrique SATT

Introduction

   L’obtention d’un produit mécanique de qualité nécessite que les composants soient dimensionnellement et géométriquement inspectés afin de s’assurer qu’ils correspondent aux caractéristiques de conception ainsi qu’à leurs fonctionnalités. Les résultats de l’inspection, par ailleurs, permettent de contrôler le processus de fabrication et ainsi d’ajuster différents paramètres pour obtenir les résultats désirés. Les étapes de ce processus peuvent se résumer ainsi: lors de la conception d’un produit mécanique, nous spécifions les caractéristiques dimensionnelles et géométriques (géométrie nominale) d’une pièce mécanique. Pendant la fabrication, la pièce réelle est créée, soit par usinage ou par d’autres procédés de fabrication. L’inspection nous permet ensuite de mesurer la géométrie réelle qui peut alors être comparée avec la géométrie désirée. Ainsi, nous pouvons vérifier que les choix faits lors de la conception et lors du processus de fabrication sont valables pour fabriquer les pièces désirées.En fait, l’inspection peut être faite en cours de fabrication ou après la fabrication. L’inspection en cours de fabrication ne nécessite habituellement que quelques outils, par exemple des gabarits go-nogo, tandis que l’inspection complète de la pièce effectuée après sa fabrication implique fréquemment une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) et donc une gamme d’inspection. Cependant, de plus en plus, les machines outil à commande numérique (MOCN) incorporent des MMT et peuvent donc faire à la fois de la fabrication et de l’inspection. Notre objectif est d’enrichir un modèle d’information déjà existant pour les dossiers de fabrication de pièces mécaniques en développant la partie reliée à l’inspection dimensionnelle et géométrique. Le traitement de la géométrie nominale, en plus de la géométrie réelle, permettra d’aboutir à un modèle d’information plus complet pour la description de dossiers de fabrication et d’inspection.

Modèle géométrique SATT

Introduction Le sigle SA TT correspond à « Surface Associée Technologiquement et Topologiquement». Ce modèle géométrique a commencé à prendre forme à la fin des années 80. Le lecteur qui souhaite des informations plus détaillées pourra se référer aux travaux dirigés par M. André Clément tels que les thèses de doctorat suivantes : Rivière, Cubeles-Valade [5] et Marchand [2] ainsi que les publications suivantes: Clément et al [6], Clément et al [7]. Ce modèle a pour but de proposer une représentation mathématique rigoureuse fondée sur la théorie des groupes des déplacements de solides. n a été développé pour la description du tolérancement et du dimensionnement de pièces mécaniques. Ce modèle constitue un langage déclaratif de description pour la position relative des éléments géométriques.
Description des classes des surfaces Les classes des surfaces sont au nombre de sept. Elles sont de type sphérique, cylindrique, plane, hélicoïdale, de révolution, prismatique et quelconque [7] (voir annexe 2). Chaque classe de surface est caractérisée par son ou ses EGRM « Éléments Géométriques de Référence Minimum » qui sont des éléments de la géométrie euclidienne du type point, droite et plan. Ces éléments géométriques sont :
– Invariants, par exemple, pour une surface cylindrique, son axe représente l’élément invariant;
– Définis pour chacune des sept classes de surface;
– Systématiquement utilisés pour déclarer n’importe quelle construction. Selon Clément et al [7], une surface géométrique est définie explicitement par son type géométrique (cylindrique, sphérique, etc.), la liste de ses paramètres intrinsèques (diamètre, paramètre de forme, etc.) et son EGRM qui supportera ses paramètr~s géométriques positionnels. Le modèle SATT est particulièrement bien adapté pour la conception et la fabrication, mais surtout pour l’inspection. Dans notre modèle, la description des positions relatives des surfaces de référence ou des surfaces à inspecter est faite à l’aide du modèle SATT.
Discussion Pour que le modèle d’information pour l’inspection dimensionnelle et géométrique de pièces mécaniques soit déclaratif, nous avons choisi de modéliser les surfaces de référence et les zones de tolérance, avec le modèle géométrique SATT (voir figure 4). Quant à la description des surfaces à inspecter, elle se fait soit directement en comparant la position relative de nuages des points réels (cas de tolérance dimensionnelle) par rapport à la zone de tolérance théorique soit par la comparaison de la position relative de son EGRM par rapport aux surfaces de référence (SATT) (cas de tolérance géométrique).

Sept classes des éléments de surface: les SATT

   Selon Clément [7], le groupe de déplacements des solides dans l’espace euclidien tridimensionnel est subdivisé en onze sous-groupes qui vérifient la propriété suivante : lorsqu’un déplacement quelconque est appliqué à une surface, ce déplacement peut toujours se décomposer en deux parties:
• Une partie qui déplace effectivement la surface et qui est appelée le déplacement significatif;
• Une autre qui laisse la surface invariante en la faisant simplement glisser sur ellemême.

Les entités du modèle SATT, Marchand 

   L’entité « modèle_SATT_définition » représente le dessin de définition de la pièce à fabriquer, c’est-à-dire, le produit final. On y trouve les informations habituellement indiquées sur un dessin de définition traditionnel, à savoir : la géométrie de la pièce, les exigences des concepteurs exprimées à 1 ‘aide de nombreuses cotes dimensionnées et tolérancées et les tolérances de forme. Entre autres, le modèle « modèle_ SATT _définition » est un modèle géométrique tridimensionnel de la pièce, qui permet de représenter la pièce selon différentes vues ou projections bidimensionnelles. Le« SATT_sous-pb.ase » englobe toutes les surfaces actives de la sous-phase. Il permet de passer des repères de programmation, définis en fonction des surfaces devant être usinées ou contrôlées dans les séquences incluses dans la sous-phase, au repère-pièce défini pour chaque sous-phase. Ce SATT est dimensionné mais non tolérancé.L’inspection est légèrement présente dans le modèle  d’information existant de Marchand (2], tout d’abord dans la définition des entités, particulièrement celles reliées aux «ac ti vi tés». Notons que, lorsque la définition de la gamme est plus avancée, l’ordonnancement des séquences est assuré par la numérotation des« activités» séquences. Après que les projets de gammes soient définis, le gammiste procède à 1’ étape de simulation et d’optimisation pour retenir les gammes les plus intéressantes. De ce calcul, on obtient les (Cr) «cotes à fabriquer», que l’on observe sur ce que l’on appelle habituellement en langage métier, les contrats de phase. Il s’agit en effet d’un «contrat» que l’opérateur s’engage à respecter. Chaque contrôle métrologique qui suit 1 ‘usinage permet de s’assurer que le contrat a été effectivement respecté. Chaque cote à fabriquer, Cf, qui implique des surfaces actives de la sous-phase, doit être vérifiée. L’entité qui regroupe les surfaces ou les associations des surfaces, c’est à dire des SATT, impliqués dans ces cotes, est représentée par l’entité « SATT_à_contrôler_sous-pb.ase ». Il existe également une entité semblable définie au niveau de la séquence, 1 ‘entité «SATT à contrôler_séquence». Après la validation de la gamme d’usinage et d’inspection, le gammiste procède habituellement à 1 ‘écriture des programmes pour la MOCN et la MMT. Or, les machinesoutils sont programmées en cotes moyennes. Ainsi il faut calculer ces cotes, qui doivent être exprimées en fonction de repères de programmation. Cette étape implique de nombreux transferts de cotes. Le résultat des calculs est conservé dans 1’ entité «SATT_d’usinage_moyen_séquence». Il s’agit donc de dimensions auxquelles ne sont affectées aucun tolérancement. Lors de l’inspection, le métrologue obtient des nuages de points palpés; il s’agit évidemment des points réels. Ces points sont définis par les entités «SATT_réel_de_palpage_séquence». Cependant, avant le palpage, le métrologue ou le gammiste a dû décider de la position des points à palper. Cette information est de type géométrie nominale. Elle est donc représentée par l’entité Le « SATT_à_contrôler_séquence »: représente des surfaces ou des associations de surfaces à inspecter. Cette entité contient en fait uniquement la cotation de fabrication de la pièce. La cotation de fabrication définit les spécifications dimensionnelles et géométriques dans chacune des sous-phases de la pièce fabriquée.

  Certaines surfaces peuvent être déjà usinées alors que leurs références pour le modèle BE ne l’ont pas encore été. Ceci nécessite souvent une étape de transfert de cotes. Ce transfert est nécessaire pour instancier le tolérancement des « SATT_à_contrôler » à partir des SATT de l’entité «modèle_SATT_définitiom>, il peut donc s’agir de cotes dites transférées. Dans une perspective ISO 9000, l’inspection est effectuée de préférence après chaque séquence, parfois même, après chaque opération. Cette entité est une donnée de sortie de la simulation d’usinage et de l’optimisation de la gamme. Elle intervient comme donnée d’entrée, lors d’inspection de la pièce. Cette entité hérite des attributs des entités SATT, en particulier le dimensionnement et le tolérancement puisqu’il s’agit de la cotation de fabrication. Pour le « SATT_à_contrôler_sous-pb.ase »: tout ce qui a été dit précédemment pour l’entité « SATT_à_contrôler_sequence » s’applique également à cette l’entité « SATT_à_contrôler_sous-phase ». Cette entité répond à une approche de qualité ISO 9000. Elle est évidemment en relation avec l’entité «sous-phase» qu’elle définit. Rappelons que la sous-phase 00 devrait toujours comporter la cotation du brut. Ainsi, la gamme est plus complète. De plus, ces surfaces servent pour la définition de la mise en position de la sous-phase suivante. Le « SATT_à_palper_sous-pb.ase »: les « SATT_à_contrôler » sont les données d’entrée pour la gamme d’inspection, donc pour l’activité «contrôler» et pour l’entité «SATT _à _palper_ sous-phase». Les surfaces impliquées en métrologie sont les mêmes que celles impliquées dans les entités «SATT_à_contrôler_ … ». Cependant, les associations entre ces surfaces pour les entités « SATT _à _palper_ … » seront très probablement différentes de celles pour les entités « SATT à contrôler … ». Ces nouvelles associations de surfaces destinées expressément à la réalisation d’inspection sont donc conservées dans l’entité « SATT_à_palper_sous-phase». Cette entité hérite de tous les attributs de l’entité SATT. Le« SATT_nominal_de_palpage_séquence »: est une entité sur-type qui comporte un seul élément, un SATT décrivant toute la géométrie nominale nécessaire lors d’une activité d’inspection, à savoir un palpage ou des calculs. Celle-ci représente la géométrie nécessaire pour définir les coordonnées des points de palpage, utilisée pour la programmation de la MMT. Il s’agit évidement de géométrie nominale. Le« SATT_réel_de_palpage_séquence »: a comme sous-type un SATT, qui regroupe toute la géométrie réelle obtenue lors du palpage proprement dit et utilisée comme donnée d’entrée par les programmes d’inspection, c’est-à-dire le nuage de points réels. Cette entité reprend exactement la même structure que 1′ entité « SATT_nominal_de_palpage_sequence »mais n’est instanciée qu’après le palpage d’une pièce mécanique.

Table des matières

ABSTRACT
AVANT -PROPOS
REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES SIGLES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION ET PRÉSENTATION DU PROBLÈME
1.1 Introduction
1.2 Problématique
1.3 Méthodologie 
1.4 Présentation des principaux concepts
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 REVUE DE LA DOCUMENTATION
2.1 Introduction
2.2 Modèle d’information existant
2.2.1 Structure du modèle
2.2.2 Structure de la gamme de fabrication
2.2.3 Discussion
2.3 Modèle géométrique SATT
2.3.1 Introduction 3
2.3.2 Description des classes des surfaces
2.3.3 Discussion
2.4 Présentation des normes d’échange d’information 
2.4.1 Introduction
2.4.2 Norme STEP
2.4.2.1 Introduction
2.4.2.2 Protocole d’application AP-213
2.4.2.3 Protocole d’application AP-219
2.4.2.4 Présentation du langage de modélisation EXPRESS
2.4.3 Norme DMIS
2.4.4 Discussion
2.5 Importance de l’intégration de données
2.5.1 Publications scientifiques
2.5.2 Modèle d’activités
2.5.3 Discussion
2.6 Concepts métrologiques
2.6.1 Architecture de 1 ‘inspection
2.6.2 Importance de la géométrie réelle
2.6.3 Algorithmes d’association
2.6.4 Discussion
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÈLE D’INFORMATION POUR L’INSPECTION
3.1 Introduction
3.2 Objectifs du modèle
3.3 Processus d’inspection
3.4 Présentation globale du modèle
3.5 Modèle pour l’inspection
3.5.1 Premier diagramme : géométries nominale et réelle
3.5.1.1 Entités de la géométrie nominale
3.5.1.2 Entités de la géométrie réelle
3.5.2 Deuxième diagramme : description des éléments à inspecter et des activités d’inspection
3.5.3 Troisième diagramme : calculs métrologiques
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 APPLICATION DU MODÈLE POUR L’INSPECTION
4.1 Introduction
4.2 Application du modèle
4.2.1 Etapes lors de 1 ‘essai expérimental
4.2.2 Présentation de la pièce et des contraintes géométriques inspectées
4.2.3 Résultats de l’inspection
4.2.4 Modèle EXPRESS-G
4.3 Application du modèle à des tolérances dimensionnelles
4.4  Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
PERSPECTNES
ANNEXES 
1 : Modèle d’information de dossiers de fabrication : Fichier EXPRESS G  
2 : Sept classes des éléments de surface : les SATT 
3 : Architecture de la norme STEP 
4 : Exemple de modélisation en EXPRESS 
5 : Introduction au langage EXPRESS 
6: Architecture de la norme DMIS 
7: Les entités du modèle SATT 
8 : Différents types de tolérancement
9 : Validation du modèle, tolérance dimensionnelle 
BIBLIOGRAPHIE

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