CH645292A5

CH645292A5 - Dispositif de positionnement de precision.

Info

Publication number: CH645292A5
Application number: CH824581A
Authority: CH
Inventors: Kazuhiko Nagayama; Masami Masuda; Yukio Maeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-12-27
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1984-09-28
Also published as: US4585379A

Description

La présente invention concerne un dispositif de positionnement de précision pour un appareil d'usinage. Le dispositif comprend un premier support pour une pièce à travailler, un second support pour un outil d'usinage et des moyens d'entraînement montés soit sur le premier, soit sur le second support pour positionner la pièce à travailler et l'outil relativement l'un à l'autre.

L'invention est applicable dans les machines-outils telles que les machines à meuler, les tours, etc.

Ces dernières années, des tentatives nombreuses ont été faites pour réaliser des développements dans le domaine de la production d'articles de hautes performances, de forme compacte, de faible poids et de bas prix dans les industries concernées avec les équipements périphériques d'ordinateurs, les semi-conducteurs, l'appareillage ménager, etc. Cette tendance a créé une demande pour positionner avec un haut degré de précision des composants de grandes dureté et fragilité tels que les têtes magnétiques, les plaquettes de silicium, etc.

Par exemple, une tête magnétique d'enregistreur à bande magnétique (VTR) est réalisée en ferrite sous la forme d'un parallélipipède rectangle d'une longueur de 2,3 mm, d'une largeur de 1,7 mm et d'une hauteur de 0,14 mm environ. Toutefois, en raison de l'augmentation de la densité d'enregistrement, la largeur de la piste déterminant la densité d'enregistrement a augmenté en précision de 60 ± 3 |xm à 28 ± 2 |xm, et la tendance actuelle est de réaliser d'autres diminutions de la largeur de la piste et des tolérances plus serrées. Les composants tels que les têtes magnétiques ont de très petites dimensions, comme indiqué ci-dessus, et des difficultés apparaissent lors de leur manutention. Ainsi, en production, il est de pratique habituelle de travailler un grand nombre de composants similaires dans une même opération sur une machine à meuler et de séparer ces composants après leur usinage. Il est donc nécessaire que, lors de l'usinage de têtes magnétiques, et dans le but d'obtenir une largeur de piste correcte, non seulement un seul pas mais aussi une suite de pas soient produits avec haute précision; dans une machine-outil, telle qu'une machine à meuler, il est essentiel de prévoir des moyens pour permettre d'effectuer un positionnement de précision d'un outil et d'une pièce à travailler.

Il a été proposé d'utiliser comme mécanisme pour effectuer un positionnement précis d'un outil et d'une pièce à travailler dans une machine-outil des moyens décrits ci-après pour découper la pièce à travailler ou pour former des gorges dans cette pièce à des intervalles de distance sélectionnés arbitrairement.

Lorsqu'une pièce à travailler est fixée à une table X-Y et qu'une telle table est déplacée dans une direction d'indexage de travail (en direction X par exemple) à l'aide d'une vis d'entraînement commandée par un moteur, la grandeur du déplacement est mesurée de manière précise au moyen d'un système de mesure à laser comprenant un oscillateur à laser, une interface d'entrée/sortie, un interféromè-tre, un réflecteur, un récepteur, etc., et les mesures sont envoyées à une commande du moteur pour effectuer un positionnement de précision.

Toutefois, certains désavantages sont associés à ce type de mécanisme de positionnement. Par exemple, dans un tel mécanisme de positionnement, il est possible de mesurer la distance couverte par le mouvement de la table X-Y dans la direction d'indexage de travail avec un haut degré de précision en utilisant un laser. Il est toutefois difficile de déterminer avec précision la distance entre une pièce à travailler et un outil d'usinage, cette distance déterminant la précision avec laquelle l'usinage est effectué ou la précision d'indexage, car des variations de la température ambiante apparaissant pendant l'opération d'usinage produisent des variations des dimensions d'un arbre rotatif sur lequel l'outil est fixé ou de la table X-Y sur laquelle la pièce est montée.

Il est donc difficile d'obtenir un haut degré de précision de positionnement par le mécanisme de précision mentionné ci-dessus, c'est-à-dire d'obtenir des limites meilleures que + 1,5 um et + 8 |xm, respectivement pour la précision d'un seul pas et pour la précision cumulative d'une suite de pas.

Il résulte de ce qui précède que, dans une étape d'un processus de travail pour produire une largeur de piste sur une tête magnétique, il est difficile d'améliorer la précision avec laquelle l'usinage est exécuté, et le taux de production ne dépasse pas 98%. En conséquence, l'impossibilité d'effectuer un positionnement précis est le facteur principal de réduction de la productivité.

Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de positionnement permettant d'effectuer avec un haut degré de précision le positionnement relatif d'une pièce à travailler et d'un outil d'usinage afin d'améliorer le rendement de la production.

Pour atteindre ce but, le dispositif selon l'invention est réalisé comme décrit dans la revendication 1.

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L'invention va être décrite ci-après à titre d'exemple et à l'aide du dessin dans lequel:

la fig. 1 est une vue schématique d'une machine à découper avec une première forme d'exécution du dispositif de positionnement selon l'invention;

la fig. 2 montre le mouvement de l'arbre rotatif et de la table X-Y lors de l'opération de correction de l'indexage;

la fig. 3 est une vue schématique d'une machine à découper avec une deuxième forme d'exécution du dispositif de positionnement selon l'invention;

la fig. 4 est une vue schématique d'une machine à découper avec une troisième forme d'exécution du dispositif de positionnement selon l'invention, et la fig. 5 est une vue de l'extrémité d'un arbre rotatif d'une quatrième forme d'exécution du dispositif de positionnement selon l'invention.

La fig. 1 est une vue schématique montrant une machine à découper avec un dispositif de positionnement selon une première forme d'exécution de l'invention. Une pièce à travailler 1 est supportée par une table X-Y 2 à l'aide de moyens adéquats, et une vis d'entraînement 8 est reliée à la table X-Y pour déplacer cette dernière dans une direction X (direction d'indexage de travail). Un moteur d'entraînement 71 est relié directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur à la vis 8. Le moteur est connecté à une unité arithmétique 9 par l'intermédiaire d'une commande de moteur 72. L'unité arithmétique 9, qui est de préférence un micro- ou un miniordinateur, comprend un programme pour la lecture des données d'une interface d'entrée/sortie 42 d'un système de mesure à laser, un programme pour effectuer une correction d'une valeur obtenue lors de l'opération d'indexage et une mémoire, et il permet la lecture des positions respectives de la table X-Y 2 et d'un outil d'usinage 34 et effectue le calcul d'une grandeur utilisée pour effectuer la correction nécessaire de la valeur obtenue afin que cette dernière représente la valeur désirée d'indexage. Le système de mesure à laser comprend un oscillateur à laser 41, un distributeur 43 pour diviser le rayon laser 44 issu de l'oscillateur 41 en deux rayons lasers 55a et 65a, des interféromètres 51 et 61 montés dans des positions adéquates de manière que les rayons lasers 55a et 65a du distributeur 43 et les rayons lasers 55c et 65c produits par la réflexion des rayons 55a et 65a respectivement sur des réflecteurs 52 et 62 viennent interférer avec les rayons incidents, des récepteurs 53 et 63 recevant les rayons lasers 55d et 65d issus respectivement des interféromètres 51 et 61 pour convertir les rayons reçus en impulsions électriques, des compteurs 54 et 64 pour effectuer l'addition et la soustraction des impulsions issues respectivement des récepteurs 53 et 63 et l'interface d'entrée/-sortie (I/O) 42 mentionnée plus haut connectant les compteurs 54 et 64 à l'unité arithmétique 9.

Un arbre rotatif 31,comprenant à l'une de ses extrémités un plateau 33 supportant un outil d'usinage 34, est monté dans un palier à fluide, d'air ou d'huile, délivré à une pression adéquate à travers un orifice d'entrée A du palier 32 dans un intervalle défini entre l'arbre 31 et le palier 32 pour permettre la rotation à un nombre prédéterminé de révolutions.

En cours de travail, la table X-Y 2 est déplacée comme indiqué en fig. 2 pour effectuer la correction d'une valeur obtenue dans l'opération d'indexage. Après l'usinage d'une gorge par l'outil 34 dans une position arbitrairement sélectionnée Xj de la pièce à usiner 1 montée sur la table X-Y 2, cette dernière est déplacée par la mise en marche du moteur d'entraînement 71 dans une direction adéquate pour positionner le centre de l'outil 34 dans la prochaine position d'usinage X2. La rotation du moteur d'entraînement 71 est arrêtée lorsque la distance couverte par le mouvement de la table X-Y 2, mesurée par le système de mesure à laser 51-54, devient égale au pas P désiré ou à la distance L de l'origine O à la position désirée X2, afin d'interrompre le mouvement de la table X-Y 2. En raison d'une variation de la température ambiante par exemple, il peut se produire que, alors que la table X-Y 2 est déplacée du pas P ou de la distance L, l'arbre rotatif 31 soit soumis à une variation de position et que l'outil 34 soit indexé dans une position X3, ce qui produit une erreur AP par rapport à la valeur désirée. Dans ce cas, l'erreur AP est mesurée par le système de mesure à laser 61-64 mesurant le changement de position de l'arbre rotatif 31, et l'unité arithmétique 9 donne des instructions au moteur d'entraînement 71 pour mettre celui-ci en rotation dans une direction adéquate en rapport avec l'erreur AP. Ainsi, le mouvement de la table X-Y 2 est contrôlé de manière à déplacer le centre de l'outil 34 dans la position désirée X2 par correction de l'erreur AP. L'unité arithmétique 9 comprend une mémoire pour stocker continuellement l'information de déplacement de la table X-Y 2 relativement à l'arbre rotatif 31 et aussi pour stocker l'information de déplacement de la table X-Y avant le mouvement d'indexage du pas P entre les gorges à usiner ou de la distance L. Ainsi, l'unité arithmétique 9 calcule l'erreur AP lors de l'opération d'indexage et délivre une valeur de sortie désirée pour la commande du moteur 71.

De ce qui précède, il est clair que, au cours de l'opération de positionnement d'un outil d'usinage relativement à une pièce à travailler, la distance couverte par le mouvement de la pièce à travailler est indexée par le mouvement de la table X-Y 2 et qu'une erreur d'indexage produite par la table X-Y 2 et par les grandeurs de dilatation ou de contraction de l'arbre rotatif 31 et de la table X-Y 2, dues à des changements de la température ambiante par exemple, sont mesurées par un système de mesure à laser de sorte que toute erreur susceptible d'apparaître dans la valeur obtenue lors de l'opération d'indexage peut être corrigée par des petits mouvements axiaux de l'arbre rotatif 31 de grandeur correspondant à l'erreur. Ainsi, un positionnement de précision efficace peut être effectué rapidement, ce qui conduit à une amélioration du rendement de la production.

La fig. 3 montre une deuxième forme d'exécution de l'invention dans une machine à découper. Dans la fig. 3, les éléments similaires à ceux de la fig. 1 sont désignés par les mêmes caractères de référence et leur description est omise.

Cette deuxième forme d'exécution est caractérisée par une plaque de pression 35 montée sur l'arbre rotatif 31, à la périphérie extérieure de celui-ci et située dans un plan perpendiculaire à l'axe de cet arbre, de sorte que la plaque de pression 35 et le palier 32 constituent un palier de pression. Le palier 32 comprend des entrées B et C pour l'amenée d'un fluide tel que de l'air ou de l'huile dans des intervalles axiaux situés entre la plaque de pression et le palier 32. Les entrées B et C sont reliées à un régulateur de pression 111 pour contrôler la pression du fluide, le régulateur 111 étant lui-même relié à l'unité arithmétique 9 par une commande de régulateur de pression 112.

Admettons alors que l'arbre rotatif tourne à un nombre prédéterminé de révolutions alors qu'un fluide tel que de l'air ou de l'huile porté à une pression adéquate par le régulateur de pression 111 est délivré continuellement dans les intervalles entre la plaque de pression 35 et le palier 32 à travers les entrées B et C. Lorsqu'une erreur d'indexage AP très faible se produit en raison d'un changement de température ambiante par exemple, et qu'une valeur obtenue lors de l'opération d'indexage est dans un domaine permis, l'unité arithmétique 9 donne, comme indiqué en rapport avec la fig. 2, des instructions au régulateur de pression 111 pour commander ce dernier de manière à produire un changement relatif, correspondant à l'erreur AP, des pressions du fluide délivré à travers les entrées B et C aux intervalles axiaux afin de mouvoir l'arbre 31 dans une direction adéquate. Le régulateur de pression 111 est rendu inopérant lorsque le déplacement mesuré par le système de mesure à laser 61-64 coïncide avec l'erreur AP, afin de maintenir l'arbre rotatif 31 dans la position finale d'indexage. Lorsque l'erreur AP excède le domaine permis, un réglage grossier est d'abord effectué en déplaçant la table X-Y 2 et le réglage fin est ensuite effectué comme expliqué ci-dessus.

Ce qui précède montre que, dans la forme d'exécution de la fig. 3, la précision avec laquelle l'indexage de l'outil d'usinage 34 par rapport à la pièce à travailler est effectuée peut être améliorée en réalisant les ajustements en deux étapes, d'abord par un ajustement grossier effectué par le moteur 71 pour entraîner la table X-Y 2 afin

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de tenter d'ajuster la distance relative entre la pièce à travailler 1 et l'outil d'usinage 34. L'ajustement fin est ensuite effectué en produisant un changement relatif des pressions du fluide délivré dans les intervalles axiaux entre la plaque de pression 35 et le palier 32 du palier à pression pour ajuster de manière fine la position de l'arbre rotatif 31 en déplaçant ce dernier par la pression différentielle. La plaque de pression 35 est de préférence située sur la périphérie extérieure de l'arbre rotatif 31, dans une position aussi proche que possible de celle de l'outil d'usinage 34.

Une troisième forme d'exécution du dispositif selon l'invention, incorporé dans une machine à découper, est décrite ci-après en rapport avec la fig. 4. Les éléments de la fig. 4 qui sont similaires à ceux des fig. 1 et 2 sont désignés par les mêmes caractères de référence et leur description est omise.

La troisième forme d'exécution est caractérisée en ce que l'arbre rotatif comprend une ouverture circulaire axiale d'un diamètre adéquat et qu'un réflecteur est disposé dans cette ouverture à un endroit situé immédiatement en dessous de l'outil d'usinage. Plus précisément, comme indiqué en fig. 4, l'arbre rotatif 31 comprend une ouverture circulaire axiale 70 d'un diamètre adéquat permettant le passage des rayons lasers 65b et 65c. Le réflecteur 62 pour mesurer le déplacement de l'arbre rotatif 31 est fixé à un élément de fixation de réflecteur 10 et logé dans l'ouverture axiale, immédiatement sous l'outil d'usinage 34. Cela offre l'avantage qu'une erreur qui pourrait apparaître lors d'une opération de mesure en raison des influences qui pourraient être exercées par l'outil 34 et son environnement, telles que des interruptions des rayons lasers 65b et 65c par des particules dispersées de liquide de meulage ou des copeaux ou des dépôts 5 sur le réflecteur 62, peut être corrigée, de sorte que la position de l'arbre rotatif 31 peut être mesurée effectivement et que le remlace-ment de l'outil 34 par un nouvel outil peut être fait immédiatement.

Une quatrième forme d'exécution du dispositif selon l'invention est indiquée en fig. 5. Cette figure montre l'extrémité de l'arbre rota-io tif 31 opposée à celle sur laquelle l'outil d'usinage 34 est fixé. Les éléments de la fig. 5 qui sont similaires à ceux indiqués en fig. 4 sont désignés par les mêmes caractères de référence et leur description est omise. En fig. 5, une plaque de verre transparente 76, avec un parallélisme précis des faces opposées, est fixée de manière étanche par 's collage à l'extrémité de l'arbre rotatif 31. L'ouverture axiale 70 est maintenue sous vide par une sortie d'évacuation 73 disposée dans une position adéquate de l'arbre rotatif 31 et scellée par une soupape de tête 72. En faisant passer les rayons lasers sous vide, il est possible d'éliminer une erreur qui pourrait apparaître lors de l'opération 20 de mesure entre le réflecteur 62 et l'interféromètre 61, due à une distribution irrêgulière de la densité de l'air dans l'ouverture axiale 70 produite par la grande vitesse de rotation de l'arbre rotatif 31. Cela permet d'obtenir des mesures correctes. Au lieu d'évacuer l'ouverture axiale 70, on peut aussi y introduire un gaz de faible densité tel 25 que l'hydrogène, l'hélium, etc., pour obtenir le même résultat.

R

4 feuilles dessins

Claims

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(1),

— des seconds moyens de support pour un arbre tournant (31) auquel un outil d'usinage (34) est rigidement fixé, ledit arbre rotatif (31) étant relié à des moyens de commande pour le mettre en rotation autour de son axe,

— des moyens d'entraînement (8, 71, 72) pour déplacer au moins l'un des premiers (2) et seconds moyens de support relativement à l'autre dans une direction parallèle audit axe,

— un premier appareil à laser (51-54) comportant un premier réflecteur (52) monté sur les premiers moyens de support (2) pour réfléchir un rayon laser permettant la lecture de la position de la pièce à usiner (1) le long de l'axe,

— un second appareil à laser (61-64) comportant un second réflecteur (62) monté sur l'axe de rotation de l'arbre rotatif (31) auquel l'outil d'usinage (34) est fixé pour réfléchir un rayon laser permettant la lecture de la position de l'outil d'usinage (34) le long de l'axe, et

— des moyens de calcul (4) pour calculer un déplacement relatif entre la pièce à usiner (1) et l'outil d'usinage (34) en fonction des mesures obtenues par le premier appareil à laser (51-54) et le second appareil à laser (61-64),

— les moyens d'entraînement (8, 71, 72) étant commandés selon le déplacement relatif calculé par les moyens de calcul (9).

1. Dispositif de positionnement de précision pour un appareil d'usinage, caractérisé en ce qu'il comprend:

— des premiers moyens de support (2) pour une pièce à usiner
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (8,71, 72) comprennent une table (2), une vis d'entraînement (8) et un moteur d'entraînement (71), la table étant reliée par la vis d'entraînement au moteur d'entraînement.

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REVENDICATIONS
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre rotatif (31) supporte à l'une de ses extrémités l'outil d'usinage (34) et est supporté lui-même dans un palier à fluide (32), l'arbre rotatif étant pourvu d'un palier de butée hydrostatique compris dans le palier à fluide, une plaque de butée (35) étant fixée à l'arbre rotatif perpendiculairement à l'axe dudit arbre et des moyens de contrôle de pression (111, B, C) étant prévus pour contrôler la différence de pression appliquée par un fluide dans des ouvertures axiales situées entre le palier et la plaque de butée (35) pour permettre un déplacement axial limité de l'arbre rotatif, le réglage grossier du déplacement relatif de l'outil d'usinage (34) et de la pièce à usiner (1) étant effectué par le moteur d'entraînement (71) déplaçant la table (2), et le réglage fin du déplacement relatif de l'outil et de la pièce à usiner étant effectué par le contrôle de la pression appliquée dans les ouvertures axiales en fonction du déplacement relatif calculé.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'arbre rotatif (31) supporte à l'une de ses extrémités l'outil d'usinage (34) et comprend une ouverture (70) s'étendant axialement audit outil et dans laquelle est monté le second réflecteur (62) pour le rayon laser.