FR2970199A1 - Device for measuring thickness of part to be machined on e.g. vertical lathe, has nozzle arranged immediate proximity to part to be machined and delivering coupling fluid, so as to assure coupling between ultrasound transducer and part - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE MESURE D'EPAISSEUR POUR MACHINE-OUTIL THICK MEASURING DEVICE FOR MACHINE TOOL
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. The present invention relates to a device for measuring the thickness of parts on a numerically controlled machine tool. The invention also covers the thickness measuring installation including this device. In order to produce machined parts, the machine tools have sophisticated machining means. Nevertheless, it is necessary to add to these numerically controlled machines peripherals to make them even more efficient, to allow them to work faster, so as to limit rework. Indeed, the machining time is one thing but the implementation is highly labor intensive. To limit the loss of time, it appears necessary to perform as many operations directly on the machine tool without removing the part being machined. In particular, a constraint is indeed the measurement of the dimensions of the parts on the machine tool, this automatically during machining, without interrupting the machining cycle. The operator can then adjust the parameters and make the necessary corrections. An important parameter is the thickness measurement, in non-destructive control. In the prior art, the measurement is carried out in a known manner by ultrasound, using a dedicated probe. On the other hand, this measurement is carried out manually, on the part, in machine, but machining cycle stopped.
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. The goal is to measure continuously and the machining cycle can continue. There are laser control means that constitute a non-destructive control of shape measurements, especially for curved profiles.
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. Such an arrangement makes it possible to define a map of a part, including large dimensions, with a very high precision, including the thickness, more particularly for composite parts. Such a device is extremely expensive and complex to implement. Moreover, it is a posteriori measure, rather for manufacturing control or qualification of parts. The important advantage is the total absence of contact, eliminating the use of any couplant surface, avoiding any risk of pollution of the room, eliminating the need for cleaning said room after control. There are also electromagnetic methods of non-destructive testing. Indeed, it is possible to measure by magnetic induction, for example, thicknesses of non-magnetic coatings on ferromagnetic parts, the measurement being based on the variations of magnetic permeability. Eddy currents are used for coating thickness measurement this time based on electrical conductivity variations. In these applications, contact with the workpiece or close proximity is required. The problem which arises is also related to the fact that the machine tools require in some cases, for their machining phase, cutting fluid in order to cool the tools and to facilitate the cutting without modifying the characteristics of the machined material. could cause a strong rise in temperature. So it must be able to work in non-destructive testing in the presence of cutting fluid, continuously.
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. It is therefore necessary to provide a device that ensures the measurement in the presence or absence of cutting fluid. This is the purpose of the thickness measuring device according to the present invention. The device according to the present invention is also adapted to integrate directly on the machine concerned, more particularly to integrate on the spindle of the machine tool. The device is now described in detail with a variant for a dry-machining machine tool and a variant for a machine tool machining with cutting fluid.
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. This description is established with reference to the accompanying drawings, drawings in which the different figures represent: FIG. 1: a view of a measuring chain according to the invention incorporating the thickness measuring device according to the present invention, FIG. FIG. 3 is a diagrammatic view of the thickness measuring device according to the present invention in the case of machining with a cutting fluid; FIG. 3 is a schematic view of the thickness measuring device according to the present invention in the case of dry machining. The measuring chain incorporating the thickness measuring device according to the invention comprises a device 10 for ultrasound thickness measurement.
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. The thickness measuring device 10 is connected to an onboard electronics 12 for processing the measured signals. This onboard electronics has the following functions: - control of the inputs and outputs, - communication with the numerical control, - signal processing, - validation of measurements, - transmission of measurements, - maintenance interface.
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. The information thus transformed and collected is transmitted to computer processing means 14 for example through a link 16 RS 232 type, standardized, insensitive to environmental disturbances. This link 16 makes it possible to transmit the measured and transformed data in complete safety. The computer processing means 14 provide the interface between the measured signals and the numerically controlled machine tool 18 by means of integrated software, the communication being established by a link 20 of the Ethernet bus type, for example.
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. The software first makes it possible to carry out calibration cycles according to variables previously entered in the program by the operator, from a repository. The software is involved in the measurement cycle. Thus it is possible to enter the coordinates of the desired points of thickness measurement.
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. The result of this measurement is then transmitted to the numerically controlled machine tool 18 in the form of variables directly usable by said machine which has a program relating to the part being machined. The software also intervenes for the control and validates the machining by comparing a theoretical value and a measured value, of the GO / NO GO type. If the measurement is correct considering the tolerances, then the following operation is started. The data is programmable by the operator, both measures and tolerances. The device 10 for measuring the thickness of a workpiece in place on a CNC machine board according to the present invention is shown in FIG. 1 and comprises an ultrasonic transducer 22 operating at a frequency of between 4 and 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. According to the first embodiment, this transducer 22 is disposed in a nozzle 24, integral with the tool-holder spindle, not shown, of the numerically controlled machine working with cutting fluid. This nozzle 24 comprises a body 26 mounted peripherally to the transducer, leaving a passage at the periphery of said transducer. This body 26 comprises at its end an opening 28. This opening 28 is centered on the transducer so as to let the ultrasound beam emitted by said transducer pass. The nozzle 24 is connected to the cutting fluid supply 30 of the machining spindle which also acts as a coupling fluid in this case for the transducer. Indeed, in the case of machining with cutting fluid, a large amount of fluid is poured on the tool on the one hand to cool the tool and the material of the workpiece to the right of machining by the tool and on the other hand to lubricate the tool so that it ensures a better quality cut with less wear.
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. This cutting fluid also has a cleaning function of the cutting zone with removal of chips removed from the workpiece as the tool advances. The fluid is therefore loaded with particles of machined material and is recycled with settling, successive filtrations before being returned to the spindle. Part of this fluid being diverted to feed the nozzle 24, this fluid fraction is advantageously further filtered to remove the machining particles. Given the low consumption, the cutting fluids being aqueous emulsions, it is also possible to supply the nozzle with clear water. The fluid is thus used as a coupling between the workpiece P in which it is desired to measure the thickness and the transducer. Indeed ultrasound propagate appropriately in a fluid medium.
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. The end of the nozzle 24, more exactly the opening 28 is positioned at a distance of between 20 and 25 mm. The couplant flows through said opening 28 on the part and taking into account the proximity between the opening and the part, a continuous cone 32 is formed by capillarity. The ultrasonic wave beam propagates from the transducer into the room and, in a known manner, when the beam encounters a change of medium, the two faces of the piece, a first echo is produced directly reflected on the first surface of the piece and a second echo generated at the exit of the beam from the second face of the part. Knowing the speed propagation of the ultrasonic waves in the medium, it is enough to measure the time difference between the two reflections to determine the thickness D of the piece P, by the simple relation D = VxT with V the speed of propagation and T the duration separating the two echoes.
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. In this case, with the selected probe, the measured thicknesses are between 1 and 20 mm with an accuracy of +/- 50 μm. According to the second embodiment, the transducer 22 is disposed in a nozzle 24 integral with the tool-holder spindle, not shown, of the numerically controlled machine working dry, without cutting fluid.
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. This nozzle 24 is identical to the nozzle 24 of the first variant in its general arrangement and carries an identical transducer 22. The references of identical parts between the two versions are referenced with the same numbers. By cons, the end of the nozzle 24 is equipped with a skirt 34 confinement. This skirt 34 of confinement is for example made of an elastomeric material. This skirt is in a cylinder shape.
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. This skirt is secured to the outer wall of the body of the nozzle to be peripheral and coaxial with the opening 28. Advantageously, the skirt is largely peripheral, so as to constitute a sufficient volume. Indeed, the height of the skirt is substantially that of the working distance of the nozzle, itself related to the working distance of the transducer. The free end of the confinement skirt is intended to come into contact with the part, sealing with said part. Thus when the nozzle is operational, the skirt defines a determined volume of coupling fluid, sufficient to allow the passage of the ultrasound beam. This volume of coupling fluid is delivered and confined. Given the extremely limited quantities required, the coupling fluid can be subject to a specific supply and be of a composition also adapted to the nature of the workpiece not to pollute it. Indeed, there is no constraint to use the cutting fluid of the machine tool since this machine works dry. In the same way as in the first variant, the ultrasound beam propagates and meets the two surfaces of the room, the two medium changes causing a signal with a measurable time offset. It is noted that the skirt can not in any case disturb the ultrasonic signal emitted or received. At the end of the measurement operation, there are two options. The first option is to lift the nozzle and clean the room either by wiping or by evaporation if the chemical nature of the fluid allows, the amount being negligible, especially if the parts involved are large. The second option is to suck the coupling fluid which had flowed by gravity and which was confined in the nozzle and in the skirt before lifting the nozzle and away from the room until a new measurement in order not to leave no trace of product. To give an idea of the dimensions, the nozzle has a diameter of 25 mm, the transducer has a diameter of 10 mm. The volume defined by the containment skirt is 2000 mm 3. The applications of such a device are vertical lathes, milling machines and robots for example.
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