Procédé de centrage d'une pièce sur une machine-outil
et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé de centrage d'une pièce sur une machine-outil et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que dans le cas d'un contour circulaire parfait, la détermination du centre réel, c'est-à-dire du point équidistant de chaque point du contour, ne présente pas de difficultés ; on se sert d'un comparateur mécanique que l'on fixe au centre supposé et que l'on déplace jusqu'à ce que les différents rayons soient égaux.
Toutefois, dans le cas général où le contour n'est pas parfaitement circulaire, l'opérateur est obligé de procéder à une opération mentale en vue de chercher le centre d'un cercle parfait s'écartant le moins possible du contour examiné. La précision obtenue dépendra essentiellement de l'adresse de l'opérateur et l'opération de centrage peut tre longue s'il s'agit de déterminer le centre à quelques microns près. En plus, du fait que la mesure du rayon est basée essentiellement sur le contact du comparateur mécanique avec le contour en question, toute irrégularité de ce dernier, pouvant résulter d'un mauvais état de surface ou d'un encrassement de la surface, provoque des erreurs.
Un des buts de la présente invention est la réalisation d'un centrage sans contact, permettant d'évi- ter ces inconvénients.
Un autre aspect important du problème consi déré, consiste en ce que le travail en vue duquel on fait le centrage s'effectue avec rotation soit d'un outil, soit de la pièce elle-mme. Dans ces conditions, le centre de rotation ne coïncide pas forcément avec le centre déterminé au repos. L'expérience montre d'ailleurs que le centre de la partie tournante se déplace, notamment par suite d'un échauffement qui provoque des dilatations dissymétriques des paliers de roulement. La rotation tend, d'autre part, à modifier la position de l'axe de la partie tournante.
Ces déplacements sont de l'ordre de quelques microns pour les machines de haute qualité (pointeuses-aléseuses par exemple), de l'ordre de quelques dizaines de microns pour les machines courantes-de bonne qualité.
Un autre but de l'invention est par conséquent la réalisation d'un centrage dynamique, ce qui est impossible avec la technique du comparateur mécanique usuel.
Le centrage mécanique étant lent et exigeant l'intervention d'une personne qualifiée, l'invention vise à fournir un procédé de centrage susceptible d'tre mis en oeuvre de façon rapide et précise et utilisant un appareillage relativement simple et pouvant se prter aisément à un fonctionnement automatique.
Le procédé suivant l'invention, qui est un procédé de centrage d'une pièce sur une machine-outil, est caractérisé en ce qu'on dispose sur un organe tournant, en regard du contour de la pièce à centrer , un transducteur agencé de façon à délivrer un signal variant en fonction de la distance audit contour et en ce qu'on modifie la position relative de l'organe et de la pièce de manière à annuler la valeur moyenne des variations dudit signal sur un tour au moins.
Le dispositif selon l'invention, qui est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, est caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un équipement émetteur de télémesure incorporé dans un manchon destiné à tre disposé en bout d'un arbre de la machine-outil, cet équipement comprenant un transducteur destiné à tre disposé en regard dudit contour et sensible à la distance de celui-ci, ledit équipement comprenant des moyens d'émission d'un signal asservi à la valeur du signal fourni par ledit transducteur et, d'autre part, un équipement fixe de détection agencé pour capter le signal asservi et pour délivrer une indication proportionnelle à ce signal.
L'indication ainsi obtenue peut facilement servir de base, ainsi qu'on le verra ci-après, à un centrage, soit manuel, soit automatique. Ce centrage sans contact, de très grande précision, pouvant tre assuré dynamiquement, c'est-à-dire pendant la rotation de la machine ou de la pièce, semble devoir rendre des services appréciables à l'industrie.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et se rapporte à un exemple de mise en oeuvre de ce procédé ainsi qu'à des variantes de cet exemple :
la fig. 1 est un schéma de principe relatif au centrage d'un alésage ;
la fig. 2 est un schéma similaire relatif au centrage d'un cylindre ;
la fig. 3 est un schéma-bloc de ladite forme d'exé- cution ;
la fig. 4 est une vue en coupe partielle d'un manchon de centrage que comprend ladite forme d'exé- cution ;
la fig. 5 est un schéma de l'équipement électronique de ce manchon ;
la fig. 6 est un schéma simplifié d'un générateur produisant un signal de référence.
Sur ces diverses figures, les mmes chiffres de référence désignent des éléments identiques ou équivalents.
Le schéma de principe de la fig. 1 est relatif au centrage d'un alésage 2 d'une pièce 3 par rapport à un arbre tournant 1 de machine ; dans ce cas, on a disposé en bout dudit arbre 1 un manchon conique 4 qui est équipé d'un palpeur (ou sonde) 5 constitué par une palette métallique portée en bout d'un bras radial 6 en regard de la surface 2. Cette palette en tournant, voit sa capacité varier par rapport à la masse (les pièces étant en effet toujours réunies à la masse) selon le rythme des variations du rayon
R de la surface 2 par rapport à l'axe géométrique
AA de l'arbre tournant 1. Le centrage est réalisé lorsque la variation de capacité intégrée sur un tour est nulle.
Il suffit de transformer cette variation de capacité en variation d'inclinaison d'un appareil de mesure ou en un signal de commande des moteurs de la table de la machine pour pouvoir effectuer un centrage parfait.
La fig. 2 est relative au centrage du contour extérieur 2'd'une pièce 3'par rapport à l'axe AA de la machine précédente, ce centrage se faisant au moyen d'une sonde 5'maintenue par un bras radial 6'du manchon 4 en regard et à proximité dudit contour 2'.
On va décrire maintenant en regard de la fig. 3 une installation de centrage, sur cette figure, on a représenté schématiquement en 1 l'arbre tournant de la machine dont il est question ci-dessus et en 15 la capacité variable de la sonde capacitive (5 ou 5') équipant le manchon conique 4 disposé en bout de cet arbre.
L'équipement électronique de ce manchon de centrage comporte un circuit oscillant 11 aux bornes duquel est branchée la capacité 15 et qui fait partie d'un oscillateur à transistor 12 débitant sur une antenne d'émission 13. L'oscillateur 12 comporte une alimentation autonome constituée par une pile qui est incorporée dans le manchon de mme que l'antenne d'émission 13.
On a constitué ainsi un petit émetteur radioélectrique à modulation de fréquence, la fréquence émise variant avec la capacité 15, c'est-à-dire avec l'entrefer de la sonde. Celle-ci constitue, en d'autres termes, un transducteur de mesure à capacité qui présente l'avantage d'opérer indifféremment avec tous les métaux, magnétiques ou non, et de pouvoir mme tre utilisé avec des matériaux non conducteurs présentant un revtement conducteur facile à réaliser par l'emploi d'une peinture conductrice par exemple. La sonde se réalise très facilement sous la forme d'une simple palette coulissante s'adaptant à tous les diamètres possibles, la distance de cette palette au contour n'ayant aucune influence sur le centrage ; seule la sensibilité change avec cette distance.
En pratique cette distance sera de l'ordre du milli- mètre.
On peut aussi envisager l'emploi d'une sonde capacitive pour le centrage d'alésages de pièces en matière isolante sans qu'il soit nécessaire de rendre celles-ci conductrices : une telle sonde pourra tre constituée par exemple par une armature métallique affleurant à la surface cylindrique d'un support isolant, cette armature étant entourée d'une enveloppe métallique disposée sur ladite surface et formant une contre-électrode mise à la masse ; la variation de la capacité aura lieu par l'influence plus ou moins grande du diélectrique de la pièce.
L'installation que l'on est en train de décrire comporte, d'autre part, un équipement de détection fixe destiné à tre placé dans le local de la machine, à quelques mètres de celle-ci. Cet équipement comporte une petite antenne de réception 21, du type fouet par exemple, un récepteur haute fréquence à large bande 22, un limiteur d'amplitude 23, un discriminateur de fréquence 24 et un amplificateur basse fréquence 25. Le signal délivré en 25 est proportionnel à la variation de capacité, donc proportionnel au rayon R (fig. 1) et sa fréquence dépend de la vitesse de l'arbre 1. La variation du gain de l'amplificateur 25 permet de modifier à volonté la sensibilité.
Au cas où l'on voudrait procéder à un centrage en faisant tourner l'arbre 1 très lentement, à la main par exemple, il suffirait de disposer à la sortie de l'amplificateur 25 un instrument indicateur 26 à zéro central et d'observer les déviations de l'aiguille de cet instrument en fonction de la position angulaire de l'arbre 1, un réglage de la fréquence d'accord du discriminateur 24 permettant de cadrer les déviations observées de part et d'autre du zéro. Le cadrage une fois effectué, l'observation des déviations permettrait un centrage par recherche d'un centre-moyen comme avec un comparateur mécanique, sans toutefois les inconvénients inhérents aux palpeurs mécaniques.
En faisant tourner l'arbre relativement rapidement, la position apparente de l'aiguille de l'ins- trument se stabiliserait à une position correspondant à la valeur moyenne du signal détecté et théoriquement il suffirait de modifier la position de la machine jusqu'à annulation de cette valeur moyenne.
Dans la pratique cependant, une telle opération pourrait conduire à des tâtonnements assez longs ; aussi décompose-t-on de préférence, le signal produit en deux indications orientées respectivement suivant les deux directions orthogonales (droitegauche et avant-arrière) de réglage mécanique de la machine.
Sur l'arbre tournant 1 de la machine (par exemple sur le bout libre) est branchée en permanence une machine électromagnétique 30 délivrant sur un fil 31x une tension alternative, par exemple sinusoi- dale, en phase avec les passages de la sonde en regard de la direction de réglage droite-gauche, soit x, de la machine, et sur un fil 31y une autre tension alternative similaire, mais synchronisée avec les passages de la sonde en regard de la direction de réglage avant-arrière, soit y, de la machine. Ce générateur peut tre par exemple un alternateur biphasé, un résolver, etc.
Ces deux signaux de référence sont appliqués, en mme temps que le signal de sortie de l'amplificateur 25, aux entrées correspondantes d'un double démodulateur synchrone 32 qui délivre, de manière bien connue en soi, sur deux sorties, deux signaux redressés proportionnels aux écarts de centrage suivant chacun des deux axes x et y. Ces deux signaux sont affichés respectivement sur deux appareils à
mesure 33x et 33y à zéro central ; il suffit alors d'agir dans le sens correct sur la manivelle de déplacement de la table correspondant à l'aiguille observée et d'annuler ainsi la déviation de cette dernière.
Cette action peut aussi s'effectuer automatiquement :
les signaux de sortie du démodulateur synchrone
sont alors amplifiés à cet effet en 34 et utilisés pour commander des servo-moteurs correspondants 35
montés sous la table de la machine et déplaçant cette dernière suivant les deux axes. Les arbres 37 de ces
moteurs pourront avantageusement, et de manière bien connue, comporter des dynamos tachymétriques 38 pour la stabilisation de l'asservissement.
Les moteurs 35 peuvent tre hydrauliques ou pneumatiques et tre commandés par des électrovalves. Ils peuvent, bien entendu, servir également à la commande volontaire de déplacements de la table et éventuellement mme à l'obtention d'un mouvement de va-et-vient automatique à vitesse réglable (fraisage plan).
Pour la commande manuelle, les deux servomoteurs 35x et 35y peuvent tre commutés, à l'aide d'un inverseur 39, de la sortie des amplificateurs 34 sur des organes de commande manuelle 40x 40y par exemple à leviers : un levier droite-gauche (x) et un levier avant-arrière (y). Ces leviers peuvent avantageusement tre placés à proximité des indicateurs correspondants 33 et leurs plans de déplacement disposés parallèlement à la direction du déplacement correspondant.
Ils peuvent, d'autre part, avantageusement capter, par exemple par l'intermé- diaire de rhéostats, ou potentiomètres, des tensions d'un sens ou l'autre et d'amplitudes croissantes avec celle de leurs déplacements à l'encontre de ressorts de rappel ; les vitesses de déplacement de la table peuvent tre rendues ainsi proportionnelles aux couples exercés sur les leviers et l'opérateur a l'impression de déplacer la table par les efforts qu'il exerce sur les leviers. Ceci permet une manoeuvre très aisée et progressive.
Une variante évidente consisterait à remplacer les leviers par des boutons-poussoirs à pression proportionnelle par exemple. La commande comportera, en outre, bien entendu, un système classique de sécu- rité par butées de fin de course. Dans le cas de la commande automatique, le mécanisme sera également à sécurité positive : l'arbre se déplacera toujours, par rapport à la pièce montée sur la table, dans un sens qui l'écarte de l'obstacle.
Suivant la forme des signaux de référence, on peut faire un centrage ponctuel correspondant à la mesure du comparateur mécanique en deux points seulement suivant les deux axes perpendiculaires, ou un centrage avec intégration comme décrit plus haut.
On peut envisager un centrage d'où résulte le moins de matériau à enlever pour aboutir à un cylindre, dans le cas de surfaces abîmées par exemple.
On peut également envisager une présentation visuelle des résultats, c'est-à-dire des signaux appliqués aux entrées des indicateurs 33x et 33y. On représentera alors par exemple le contour exploré sur l'écran d'un oscilloscope et on prévoira une grande amplification des écarts détectés par la sonde capacitive. On peut centrer ainsi visuellement avec facilité et une très grande précision ; une telle présentation montre en effet tous les défauts de surface, ovalisation, etc.
Les fig. 4 et 5 montrent une réalisation pratique du manchon à sonde capacitive des fig. 1 et 2.
La sonde 5 est branchée en parallèle avec le condensateur 41 d'un circuit oscillant dont l'élément inductif est constitué par l'inductance de l'antenne d'émission 13 elle-mme, inductance formée par un bobinage réalisé sur un bâtonnet de ferrite. Ce circuit est connecté entre la masse et le collecteur d'un transistor 42 lequel est connecté, d'autre part, par l'intermédiaire d'une self de choc 43 et d'une résistance 44 à une pile d'alimentation 45 de 3 volts par exemple. Le reste du montage de l'oscillateur-émetteur est classique et n'appelle pas d'autres commentaires du point de vue électronique.
L'ensemble est réalisé en pièces détachées miniature tenant dans un volume de la grandeur d'une boîte d'allumettes, à l'intérieur d'un boîtier de protection 50 en matière plastique dans la base 51 duquel coulisse la tige 6 de support de la palette de sonde ; ce boîtier se prolonge par un compartiment 52 de logement de la pile 45. Ce boîtier est maintenu en bout du cône 4 par une gaine métallique vissée 54, pourvue de volets de fermeture 55 en matière plastique disposés en regard de l'antenne 13 et percée au passage de la tige 6. Un bouchon vissé 56 permet un accès immédiat au compartiment 52 de la pile d'alimentation.
Un tel cône de mesure est très robuste et ne demande aucun entretien. On ne prévoit, en effet, pas d'interruption de fonctionnement de l'émetteur, lequel, malgré cela, fonctionne plusieurs mois avec la mme pile.
La fig. 6 montre le schéma de principe d'un gé- nérateur de signaux de référence qui peut remplacer le générateur électromagnétique 30 (fig. 3) : ce dernier est, rappelons-le, constitué par une machine tournante dont l'installation sur l'arbre tournant de la machine peut tre indésirable dans certains cas.
On a vu que l'émetteur de télémesure incorporé dans le manchon 4 comporte une antenne 13 à noyau magnétique placé en sens diamétral. Le générateur de la fig. 6 comprendra essentiellement deux antennes réceptrices identiques 61,62, également du type à noyau magnétique et placées dans le plan de l'antenne d'émission 13, parallèlement aux deux axes de référence x et y. Le champ rayonné par l'antenne d'émission tournante 13 étant directif et les deux antennes 61 et 62 étant sensibles à la composante magnétique seulement, les signaux captés permettront, après amplification dans un récepteur 63, de reconstituer les signaux de référence nécessaires pour les deux axes.
L'incertitude d'angle de 180 est réso- lue à l'aide d'une antenne non directive 64 du type fouet par exemple, par un système classique de levier de doute ménagé dans le récepteur 63.
L'expérience montre que l'indicateur de centrage décrit constitue un accessoire de mesure utile et d'un emploi agréable, que l'on peut disposer à volonté sur l'une ou l'autre machine d'un atelier. Ainsi, sur une semi-pointeuse de qualité, le centrage a pu tre fait par commande manuelle en quelques secondes.
La sensibilité était telle que la seule difficulté consistait à régler les manivelles de commande qui n'étaient pas assez démultipliées pour un réglage de micron en micron. On remarquait en outre l'avance saccadée de la table par bonds de 2 à 5 microns. La position de centrage a pu tre reproduite à plus ou moins 2 microns (erreur de lecture du mme ordre).
Un centrage au comparateur mécanique a été fait avant et après le centrage dynamique. La position mesurée ainsi après centrage dynamique coïncidait à deux microns près ; il y avait cependant un écart de huit microns avec la mesure à froid. On pouvait en conclure que l'axe se déplaçait de six microns environ quand les paliers étaient chauds ; aucun déséquilibre dû à une position différente en régime stable n'était décelable.
L'équipement décrit peut s'adapter immédiatement à l'automation ; on peut citer comme exemple d'utilisation la mise en place automatique (ou semiautomatique) d'une pièce sur une machine de transfert, la mise en opération de la machine pouvant tre asservie à la stabilisation des servo-moteurs de centrage (35, fig. 3) ou à l'annulation manuelle des écarts affichés (33x-33y).
On notera pour terminer que le transducteur jouant le rôle de détecteur de distance pourrait tre d'un autre type, par exemple un détecteur magnéti- que (avec variation de self-inductance ou d'amortissement) ou un détecteur à radiations nucléaires.