FR2583329A1 - Detecteur acoustique de bris et d'effleurements d'outil et procede d'optimisation de ce detecteur - Google Patents
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Abstract
UN CONTROLEUR 24 DE MACHINE-OUTIL DETECTE LE BRIS IMPORTANT D'UN OUTIL DE COUPE ET LE PREMIER CONTACT D'UN OUTIL AVEC UNE PIECE DANS SON MOUVEMENT D'AVANCE, EN CONTROLANT DES SIGNAUX DES VIBRATIONS DUES A L'USINAGE DES PIECES ET EN INTERPRETANT LES PROFILSDE CES SIGNAUX. L'INFORMATION PROVENANT D'UN PROGRAMME 34 PERMET D'AMELIORER LES PERFORMANCES DU DETECTEUR ET DE L'OPTIMISER POUR LES CONDITIONS DE COUPE IMPOSEES PAR LA COMMANDE 20 DE LA MACHINE-OUTIL. LE GAIN DU CANAL ANALOGIQUE 25 DU CONTROLEUR EST AJUSTE ET LES PARAMETRES COMMANDANT LA LOGIQUE NUMERIQUE 32 DE RECONNAISSANCE DE PROFIL SONT CHOISIS A PARTIR DE L'INFORMATION DU PROGRAMME CONCERNANT LES PARAMETRES D'USINAGE. LE MODE DE DETECTION DES BRIS D'OUTIL OU DES EFFLEUREMENTS D'OUTIL EST CHOISI PAR LE PROGRAMME. APPLICATION AUX MACHINES-OUTILS.
Description
La présente invention concerne un dispositif et un
procédé pour optimiser automatiquement un détecteur acous-
tique de bris d'outil et d'effleurement d'outil afin de faire varier les conditions de coupe sur la base d'informations que contient la commande d'une machine-outil. Le "contrôleur de machine-outil" est un dispositif qui procède au contrôle des signaux de vibration produits par l'usinage de pièces métalliques et interprète les profils de ces signaux afin de détecter des événements jouant un rôle important dans la commande du processus d'usinage. Il présente deux modes de fonctionnement. Dans le mode de détection de bris d'outil, il détecte les bris du grain de l'outil de coupe; dans le mode dedétection d'effleurements d'outil! il détecte le tout premier contact entre une pièce
tournante à usiner et l'outil pendant son mouvement d'avance.
L'un des problèmes les plus importants rencontrés dans la mise au point d'un contrôleur réside dans l'étendue des variations des caractéristiques des signaux sur les bris d'outils et des signaux de bruit de fond. Le niveau des signaux auquel un contrôleur acoustique de machine-outil doit fonctionner varie dans une vaste plage. Même après
montage d'un détecteur acoustique spécifique dans un emplace-
ment spécifique d'une machine-outil donnée, le signal peut -2 - encore varier dans une certaine plage, de l'ordre de 60 dB, à cause des variations des conditions de coupe. Cette plage de variation est suffisante pour soulever des problèmes tels que la contamination par le bruit électrique des signaux de faible niveau, la saturation des circuits électroniques lors des signaux de niveau élevé, et les difficultés que créent les seuils fixes utilisés par les algorithmes de contrôle des outils. Cependant, l'expérience a montré que dans une coupe, le niveau du signal en fonction du temps varie généralement lors de la répétition de cette coupe suivant un facteur de de moins de 2 à 1. Pour quelques coupes la plage sera large, allant d'un niveau de signal maximum à un niveau minimum pendant la coupe, mais tel n'est pas généralement le cas. Il est souhaitable, pour obtenir les performances les meilleures possibles dans la détection du bris d'un outil, d'ajuster le gain du canal de signal de façon que le niveau normal maximum du signal de coupe pendant la coupe soit d'environ 20 à 30 % du niveau de saturation du canal. Cela laisse suffisamment de place pour détecter les signaux anormalement élevés dus aux bris, et évite des niveaux extrêmement bas des signaux lors des parties de la coupe correspondant à des signaux de faible
valeur. Il est souhaitable de pouvoir effectuer les ajuste-
ments du gain d'une coupe à l'autre sans avoir à établir des réglages corrects du gain en procédant préalablement à des tests de chaque coupe. De plus, le signal de vibration produit dans le mode de détection de l'effleurement de l'outil est plus petit que dans le mode de détection du bris
de l'outil et un gain plus grand est nécessaire.
Il existe d'autes paramètres du système de contrôle d'outil dont la valeur optimum peut changer d'une coupe à l'autre. Il est utile d'éviter les alarmes pour bris d'outil lors des perturbations des signaux périodiques liées au nombre de tours/minute de la broche. Les paramètres destinés à cette fonction peuvent nécessiter un ajustement pour les variations d'une coupe à l'autre du nombre de tours/minute - 3 -
minimum de la broche.
Des types différents de bris d'outil peuvent se produire dans les opérations d'usinage, et chaque type donne une signature acoustique caractéristique. Bien qu'un ensemble donné de conditions d'usinage puisse produire l'un des types de bris d'outil, il y a une corrélation considérable entre les conditions d'usinage et le type prédominant de bris d'outil en résultant. Ainsi, la connaissance qu'on a des conditions d'usinage pour une coupe donnée permet d'optimiser les paramètres de détection des bris d'outil, et même le choix d'un algorithme optimum pour la détection des bris, avant le commencement de la coupe. Il est souhaitable d'utiliser l'information présente dans la commande de la
machine-outil pour obtenir cette optimisation.
Les demandes de brevet en attente suivantes sont citées ici à titre de référence: n 645 203 du 29 août 1984 pour la détection de l'effleurement d'un outii; n 664 188 du 24 octobre 1984, n 664 189 du 24 octobre 1984 et n 685 005 du 21 décembre 1984 pour la détection du bris d'un
outil.
La présente invention a pour objet d'utiliser l'infor-
mation relative à chaque coupe que contient un programme
afin d'optimiser les paramètres du contrôleur de machine-
outil pour les conditions d'usinage attendues de chaque
coupe individuelle.
La présente invention a pour autre objet d'utiliser l'information du programme afin de déterminer le gain du détecteur, choisir et instaurer les paramètres commandant
la logique de détection du bris d'un outil et de les opti-
miser pour les conditions de coupe spécifiées par la commande
de la machine-outil.
La présente invention a encore pour objet le choix automatique du mode de détection, à savoir de bris d'outil
ou d'effleurement d'outil, au moyen de l'information prove-
nant de la commande numérique de la machine-outil.
-4 - Le contrôleur perfectionné comprend un détecteur de vibration pour produire un signal correspondant à des vibrations présentes à l'interface outil de coupe/pièce, et un canal analogique de traitement de signal ayant une commande de gain et un moyen pour filtrer le signal de vibration afin d'atténuer le bruit basse fréquence de la machine et détecter l'énergie des signaux dans une bande limitée de fréquences acoustiques inférieure à 100 KHz. Un sous-système numérique comprend un moyen pour échantillonner et convertir les échantillons analogiques de la sortie du canal analogique en valeurs numériques, et une logique de reconnaissance de profil de signal pour tester les signatures
principales caractéristiques des bris d'outil et des l'ef-
fleurements d'outil et produire des signaux d'alarme qui peuvent être envoyés à la commande de la machine-outil. Des moyens sont prévus pour ajuster la commande de gain du canal analogique afin d'optimiser le fonctionnement du contrôleur pour des conditions variables d'usinage sur la base de l'information donnée par la commande de la machine outil, laquelle est transmise au contrôleur. Dans un mode de
réalisation, cette information concerne des paramètres d'usi-
nage tels que la vitesse de surface, la profondeur de coupe,
la vitesse de l'avance, et la description de la pièce et de
l'outil. Des valeurs de gain sont calculées à partir de ces paramètres d'usinage et utilisées afin d'ajuster la commande de gain. Dans un autre mode de réalisation, l'information sur la commande de la machine-outilqui est transférée au contrôleur concerne des valeurs pré-calculées pour le gain, qui sont déterminées à partir de ces paramètres d'usinage et acheminées jusqu'à la commande de gain. Un signal de sélection du mode de marche à effleurement/bris en provenance de la commande de la machineoutil détermine le mode de fonctionnement. Une autre caractéristique du dispositif et du procédé
perfectionnés de détection des bris d'outil est que l'in-
- 5 - formation du programme relative aux paramètres d'usinage, tels que le nombre de tours/minute de la broche, le type de
coupe (coupe de fini/dégrossissage), et la description de
l'outil, sert à sélectionner et instaurer les paramètres commandant la logique de détection des bris d'outil, optimi- sant le contrôleur pour les conditions de coupe demandées par la commande numérique. En variante, des paramètres logiques
sont transmis au contrôleur par la commande de la machine-
outil et acheminés jusqu'à la logique de reconnaissance de
profil.
La description qui va suivre se réfère aux figures
annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue schématique en perspective d'un tour révolver horizontal équipé d'un contrôleur de machine-outil afin de détecter la rupture d'un outil et l'effleurement d'une pièe par un outil; figure 2, un diagramme permettant d'optimiser les paramètres du contrôleur de machine-outil sur la base d'une information contenue d'un programme; figure 3, un graphique du niveau du signal de coupe en fonction de la profondeur de coupe et de la vitesse en surface;
figure 4, une signature des vibrations pour l'effleu-
rement d'un outil et une pointe de bruit qui est rejetée;
figures 5-7, trois types courants de signatures acous-
tiques pour bris d'outil; figure 8, un signal de vibrations normales dues à une coupe intermittente d'une surface rugueuse qui ne provoque pas le déclenchement d'une alarme pour bris d'outil; figure 9, un diagramme d'un autre mode de réalisation de l'invention dans le but d'optimiser les paramètres du
contrôleur de machine-outil.
Les fonctions du contrôleur de machine outil, dans le but de détecter un bris important d'outil pouvant endommager la pièce ou l'outil et de détecter un léger contact par 6- frottement avec une pièce tournante d'un outil pendant son mouvement d'avance, peuvent être effectuées sans qu'il y ait
aucune communication avec la commande de la machine-outil.
Cependant, une telle communication peut améliorer les perfor-
mances du contrôleur de la machine-outil et entre dans la
gamme des applications pour lesquelles il peut être utilisé.
Tout d'abord, l'information provenant de la commande de la machine-outil peut automatiquement sélectionner le mode de fonctionnement avec bris d'outil ou effleurement d'outil de façon que, même dans le cas o les opérations se sont pas surveillées, chaque coupe du programme des coupes devant être effectuées sur une pièce puisse être surveillée quant aux bris d'outil, et que la détection de l'effleurement de l'outil puisse servir au calibrage des pièces ou à celui d'outils nouveaux entre coupes. En second lieu, le contrôleur de machine-outil peut fournir une information sur l'apparition d'un bris d'outil ou d'un effleurement d'outil directement à
la commande de la machine-outil, laquelle peut être program-
mée pour donner la réponse appropriée à l'événement détecté sans qu'il y ait intervention humaine. En troisième lieu, l'information provenant du programme de la commande de la machine-outil peut servir à optimiser les paramètres du contrôleur de machine-outil pour les conditions d'usinage
attendues de chaque coupe individuelle.
La figure 1 représente un tour révolver horizontal sur
lequel est monté un contrôleur perfectionné de machine-outil.
Le contrôleur trouve une application dans les tours verticaux à tourelle et autres types de machines-outils telles que les fraiseuses, les centres d'usinage, et les perceuses. Les composants illustrés du tour sont constitués du bâti 10 de la machine, de la coulisse longitudinale 11, de la poupée 12. du mandrin 13, de la pièce 14, et du chariot 15. Une tourelle rotative 16 comporte plusieurs blocs-outils 17 (seul un bloc est représené), supportant chacun un porte-outil 18 et un grain de coupe 19. La commande 20 de la machine-outil est - 7 - également appelée commande numérique ou commande numérique informatisée. Les composants principaux du contrôleur de la machine sont les suivants: un détecteur de vibration 21 tel qu'un accéléromètre à large bande qui est monté sur la tourelle du tour ou sur la base de la tourelle en un endroit présentant un bon couplage avec les vibrations produites à l'interface outil/pièce; un préprocesseur analogique 22 situé de préférence sur le tour à proximité de la tourelle afin de minimiser le captage électronique du bruit; et un
processeur numérique 23 situé à distance.
Le contrôleur de la machine-outil utilise un détecteur unique robuste et de petite dimension qui peut être monté à une distance raisonnable de l'interface outil/pièce. Un détecteur de vibration approprié est l'accéléromètre dit Vibramétric VM1000 (de la Société dite Vibra-Metrics, Inc.,
Hamden, CT), utilisé dans une place ayant une réponse rela-
tivement plate au-dessous de sa fréquence de résonance.
On le place généralement sur la tourelle rotative et une bague collectrice miniature et un fil coaxial le relient au pré-processeur analogique. Un autre emplacement possible, qui dépend de la conception du tour, se trouve à l'extérieur
de la tourelle là o aucun coupleur tournant n'est néces-
saire. On a établi dans les demandes de brevet citées précé-
demment que le détecteur d'effleurement d'outil et de bris d'outil utilise les vibrations acoustiques dans la plage -100 Khz; il reste la nécessité d'atténuer les bruits de haute amplitude de la machine, qui ont tendance à être
concentrés aux fréquences basses, et les vibrations supé-
rieures à 100 Khz sont fortement atténuées si le détecteur
ne se trouve pas sur le porte-outil.
Un mode de réalisation de la présente invention fait l'objet de la figure 2, à gauche de laquelle se trouve un contrôleur 24 de machine-outil, la commande numérique de la machine-outil (par exemple la commande dite MC2000 de la société dite General Electric) étant placée à droite, - 8- et ces deux dispositifs étant reliés par des lignes de communication. Le contrôleur de machine-outil comporte un canal analogique de signal 25 et un sous-système numérique 26. Le canal 25 traite le signal de vibration brut sortant du détecteur de vibration et produit une forme d'onde de l'amplitude du signal de sortie en fonction du temps qui est proportionnelle à l'énergie dans une bande limitée du signal de vibrations brut. De manière à fournir un moyen permettant de maintenir le niveau du signal de vibration dans la plage de fonctionnement préférée, le canal analogique comporte une commande de gain qui est capable de modifier le gain du canal dans une vaste plage sous la commande du sous- système numérique. Comme représenté dans la figure, au détecteur est associé un gain fixe 27. Le signal amplifié du détecteur est appliqué à un atténuateur réglable ou commande de gain 28 de manière à maintenir les signaux à l'intérieur de la plage dynamique du dispositif. Ensuite, le signal analogique est transmis à un circuit 29 de filtrage et de détection d'énergie (un gain fixe est associé au filtrage). Si l'accéléromètre VM1000 constitue le détecteur, le canal analogique de traitement de signal peut comprendre un filtre passe-bande de manière à limiter le signal dans la zone 35 Khz-60 Khz, et le détecteur d'énergie comprend un redresseur biphasé et un filtre passe-bas anti-formation d'ambiguïtés de 500 Hz afin de produire la forme d'onde
analogique de l'énergie du signal en fonction du temps.
D'autres accéléromètres et agencements analogiques de trai-
tement de signal sont décrits dans les demandes citées
en référence.
Le sous-système numérique 26 comporte un échantil-
lonneur 30 et un convertisseur analogique/numérique 31 de manière à échantillonner la sortie analogique du canal
et transformer les échantillons analogiques en forme numéri-
que. Il comporte une logique 32 de reconnaissance de profil numérique afin de détecter les profils de signaux associés -9- aux cas de rupture d'outil lors du fonctionnement dans
le mode avec détection du bris d'outil ou les profils asso-
ciés aux cas d'effleurement d'outil lors du fonctionnement
dans le mode avec détection des effleurements d'outil.
Il procède au test des signatures acoustiques caractéris- tiques qui sont associées à ces cas. Dans cette fonction, il y a par inhérence la réfection des autres profils de signal qui ne sont pas associés aux cas devant être détectés,
même si de tels motifs peuvent partager certaines caracté-
ristiques communes avec ceux associés à des cas devant
être détectés. Ainsi, on a à affronter le problème fondamen-
tal consistant à obtenir une sensibilité convenable aux
profils associés à des cas devant être détectés, sans pro-
duire trop de fausses alarmes lors des autres profils simi-
laires des signaux.
Un autre problème fondamental soulevé par les systèmes de contrôle des vibrations est la grande plage dynamique des amplitudes possibles des signaux que de tels systèmes doivent traiter, et des limites de la plage dynamique des
systèmes électroniques. Dans le cas du contrôleur de ma-
chine-outil, il y a le facteur supplémentaire que les perfor-
mances de la logique de détection des bris d'outil, en termes de probabilité de détection et de probabilité de fausses alarmes, sont les meilleures si le niveau moyen des signaux de vibration dans les conditions de coupe des
métaux avant la rupture de l'outil est environ 20 dB au-
dessous de la limite supérieure de la plage dynamique du système électronique. Les performances ont tendance à se dégrader soit pour des niveaux beaucoup plus élevés des signaux, soit pour des niveaux beaucoup plus bas. C'est ainsi que pour maintenir le niveau des signaux de vibration dans la fourchette de fonctionnement préférée, le canal
analogique 25 a une commande de gain, constituée de l'atté-
nuateur réglable 28 et d'une commande d'atténuateur 33, capable de modifier le gain du canal dans la plage de 60 -10 -
dB au-dessous de la commande du sous-système numérique 26.
Une commande spécifique de gain est constituée d'un conver-
tisseur numérique/ analogique multiplicateur et d'un compteur le mot de commande de gain est lu dans le compteur en parallèle et détermine l'atténuation du convertisseur N/A multiplicateur. Le niveau des signaux en provenance du détecteur de vibration 21, et par conséquent le réglage optimum du gain du canal analogique, dépendent de la combinaison de facteurs dont la sensibilité du détecteur, la perte de propagation entre la source de vibration (à proximité de l'interface d'outil/pièce) et le détecteur, le type d'outil, le matériau de la pièce, la vitesse en surface de la piece ou de l'outil, la profondeur de coupe, et la vitesse d'avance de l'outil. Même avec un détecteur spécifique monté dans un emplacement spécifique par rapport à la source des signaux de vibration, les autres facteurs peuvent provoquer la variation du signal dans une plage supérieure à 40 dB dans des opérations classiques d'usinage. Par conséquent, il
peut s'avérer nécessaire d'ajuster le gain du canal analo-
gique lorsqu'il se produit des variations importantes de l'un quelconque des autres facteurs indiqués concernant
les opérations d'usinage.
En figure 2, le programme est indiqué en 34 et on a représenté les informations du programme résidant dans
la commande de la machine-outil. Le programme est un program-
me de logiciel qui dirige l'ordinateur dans la commande de la machineoutil, laquelle, à son tour, contrôle les commandes de broche et d'avance de l'outil de manière à obtenir les valeurs désirées pour la profondeur de coupe (b), la vitesse en surface (a) et la vitesse d'avance (c), et contrôle le
choix de l'outil (e) avec lequel l'usinage est effectué.
Le programme commande également le calibrage des pièces et les cycles de mesure du décalage de l'outil en plus des opérations de coupe. Par conséquent, l'information
- il -
qui détermine le réglage le meilleur du gain du canal ana-
logique 25 peut résider (et sa plus grande partie doit y résider) dans le programme 34 de la commande 20 de la machine-outil. L'information sur le paramètre d'usinage est transmise au contrôleur 24 de la machine-outil, qui l'utilise pour calculer le réglage le meilleur du gain
du canal analogique.
Les effets quantitatifs des divers paramètres d'usinage sur le niveau des signaux de vibration sont le résultat
d'expériences poussées en laboratoire qui ont permis d'obte-
nir des données telles que celles représentées en figure 3. L'effet de la profondeur de coupe et de la vitesse en surface sur le niveau du signal de coupe est décrit pour une combinaison du type de l'outil, du matériau de la pièce et de la vitesse d'avance. Des expériences ont montré qu'une telle information permet de calculer le gain optimum du canal analogique 25 à quelques dB près avant le commencement de chaque coupe du program Le sous-système numérique 26, en figure 2, selon le présent mode de réalisation comporte un moyen 35 de
calcul du réglage du gain auquel sont transférés les para-
mètres d'usinage suivants à partir du programme 34: vitesse en surface (a) , profondeur de coupe (b), vitesse d'avance
(c), et description de la pièce (d) et de l'outil (e).
La valeur calculée du gain pour chaque coupe, déterminée soit par une procédure de consultation de table, soit par la solution d'une formule mathématique simple, est envoyée à la commande de gain. Un signal de sélection est présenté à la commande d'atténuateur 33 qui, à son tour, détermine le réglage de l'atténuateur réglable 28. Le circuit numérique dans le processeur numérique a typiquement la forme d'un
ordinateur programmable à usage général.
Dans le mode avec détection des effleurements d'outil, le signal de vibration est produit par un léger contact
par frottement de l'outil avec la pièce alors qu'il y a rota-
- 12 -
tion de l'un ou de l'autre. Cela est en contraste avec l'opération de coupe dans le mode o il y a détection des
bris d'outil. Par conséquent, le niveau du signal de vibra-
tion détecté dans le mode à détection des effleurements d'outil est plus petit que dans le mode à détection des bris d'outil, et il faut un gain plus grand pour le canal analogique. Ainsi, la sélection par le programme de commande de la machine-outil du mode de fonctionnement du contrôleur de machine-outil a également un effet sur le choix du gain
du canal analogique. Un signal de sélection de mode effleu-
rement/bris (f) est transféré du programme 34 au moyen
de calcul du réglage de gain et à la logique 32 de recon-
naissance de profil.
La figure 4 illustre le signal unipolaire à la sortie du pré-processeur analogique 22 et un procédé de détection des effleurements d'outil par la technique de déclenchement et de confirmation. Le faible signal de bruit 36 pour une translation continue est produit en l'absence de contact
entre l'outil et la pièce alors que l'outil s'avance lente-
ment dans la direction de la pièce. Une pointe de bruit 37 d'amplitude importante s'élève au-dessus d'un seuil d'amplitude 38 mais est de courte durée et est écartée
comme fausse alarme. Certains tours et certaines machines-
outils présentent des signaux de vibration pour pré-effleu-
rement qui ne présentent pas de telles pointes de bruit.
Un signal valable 39 croissant progressivement pour effleure-
ment d'outil passe par le seuil 38 de détection d'amplitude et-provoque le déclenchement du détecteur. Pendant le période
de confirmation, la logique de reconnaissance vérifie conti-
nuellement les échantillons de signaux situés au-dessus du seuil d'amplitude, et une alarme pour effleurement d'outil est produite lorsqu'il y a comptage d'un nombre pré-établi d'échantillons au-dessus du seuil avant que se termine la période de confirmation. En variante, on peut utiliser les échantillons situés au-dessous du seuil et inverser
- 13 -
la logique de détection. La logique numérique 32 de recon-
naissance de profil, en figure 2, a un trajet double et le signal de sélection de mode choisit la logique concernant
l'effleurement d'outil.
La logique de reconnaissance de profil du contrôleur de machine-outil peut être réglée en choisissant des jeux de paramètres, désignés ci-après par paramètres logiques, de manière à optimiser les performances dans le cas de conditions d'usinage variables. La logique de détection des bris d'outil peut être optimisée pour des conditions de coupe différente en choisissant des valeurs pour, par exemple, 24 paramètres. Des essais poussés ont montré qu'on
peut détecter des bris d'outil importants capables d'endom-
mager la pièce ou l'outil, ou de nécessiter une nouvelle
coupe, et ignorer les bruits normaux d'une coupe, en procé-
dant à un choix approprié des paramètres qui déterminent: les taux admissibles des variations du niveau du signal; les variations en pourcentage admissibles du niveau du
signal par rapport à un niveau de signal moyen avant-inci-
dent; et les temps de persistance de ces variations de
niveau avant que se produise une alarme pour bris d'outil.
En outre, il y a des paramètres concernant la fenêtre de temps dans la logique de détection des bris d'outil
dont les valeurs optimum sont liées à la durée d'une révo-
lution de la broche de la machine-outil. Cela est dû au fait qu'il peut s'avérer nécessaire d'examiner le profil de signal pendant une révolution complète de manière à faire une distinction entre les profils de signal pour rupture isolée de l'outil et les profils de signal pour coupe normale qui se répètent une ou plusieurs fois par
révolution. Ce problème se produira des plus vraisemblable-
ment lorsque la surface de la pièce est rugueuse ou contient un trou ou une fente usinée antérieurement. Par conséquent, comme on peut le voir en figure 2, le programme 34 envoie
également au contrôleur 24 de la machine-outil une infor-
- 14 -
mation sur la surface de la pièce, c'est-à-dire une infor-
mation sur l'état fini/rugueux (g) et sur la vitesse de
la broche de la machine-outil (h).
Dans la plupart des conditions d'usinage, des ruptures importantes d'outil se traduisent par des décalages impor-
tants, brutaux, soutenus du niveau du signal de vibration.
Les figures 5 et 6 illustrent deux types courants de signa-
tures acoustiques de bris d'outil, présentant respectivement une augmentation et une diminution brutales, importantes, persistantes du niveau. La détection de ces décalages de
niveau constitue la fonction de base de la logique de détec-
tion des bris d'outil qui forme l'autre partie de la logique 32 de reconnaissance de profil, figure 2. L'analyse des échantillons numérisés de signaux se produit dans deux phases de base. Chaque nouvel échantillon de signal est comparé à un niveau de signal moyen courant. Dans la première
phase, il y a détection d'une augmentation ou d'une diminu-
tion transitoire brutale, de valeur élevée du niveau de signal de vibration, et la seconde phase est un test de la persistance de la moyenne pour une période de confirmation donnée à l'extérieur des limites du seuil qui peuvent être choisies par l'utilisateur. La présence d'une augmentation ou d'une diminution brutale et persistante du signal de vibration peut être l'indication d'une variation brutale du bruit de la coupe due à un changement des conditions de coupe, et peut avoir sa source dans un bris important
de l'outil.
Cependant, dans certaines conditions d'usinage, le décalage important du niveau du signal peut se produire d'une manière plus progressive, produisant une signature acoustique du bruit de l'outil plus difficile à distinguer
des actions o le signal du bruit de coupe est normal.
En liaison avec la figure 7, le niveau du signal de vibration analogiquetraité 40 chute brutalement à (1), (2) et (3),
chaque chute étant associée à un petit bris de l'outil.
- 15 -
Chaque changement du niveau du signal est trop faible pour satisfaire le critère de détection d'un bris par changement brutal du signal, mais l'effet total est important. Lorsque la valeur moyenne du niveau du signal tombe au-dessous d'un seuil inférieur de détection de bris pré- réglé 41,
le détecteur des bris d'outil commence à compter les échan-
tillons de signal. Si le niveau moyen du signal reste au-
dessous du seuil pendant une période minimum de confirmation, il y a production d'une alarme pour bris d'outil. La logique de détection des bris d'outil peut être ajustée de manière à détecter ces profils moins courants du signal en cas de bris d'outil, mais ou coût d'une certaine augmentation des fausses alarmes. La probabilité d'apparition de ces profils de bris d'outil par variation progressive du niveau est plus grande dans certaines> conditions d'usinage que dans d'autres. Ce type de profil a tendance à être associé
à certains types d'outil et d'état des pièces. Par conse-
quent, comme on peut le voir en figure 2, le programme 34 fournit une information sur ces facteurs à la logique numérique 32 de reconnaissance de profil, qui l'utilise pour ajuster ses paramètres logiques afin soit de détecter soit d'ignorer ces profils en fonction de la probabilité de leur apparition. D'autres types de signature de bris d'outil font l'objet d'une discussion dans les demandes
de brevet en attente.
Une représentation d'un signal courant de coupe normale que la logique de détection de bris ignore est donnée en fLigure 8. Ce signal est produit lors de la coupe d'une surface rugueuse, caractérisée par l'alternance d'une coupe
dans le métal et d'une coupe dans l'air. Le test d'un déca-
lage abrupt et important du niveau est satisfait, mais le test de la période de confirmation du décalage moyen persistant ne l'est pas car les durées des changements du niveau (entre les flèches) sont plus courtes qu'une révolution de la pièce. Les décalages du niveau de signal
- 16 -
sont rejetés qui ne durent pas au mcins une révolution complète. Un autre profil de signal pour coupe normale qui ne provoque pas le déclenchement d'une alarme pour bris d'outil est le transitoire de commencement de coupe car le taux d'augmentation du signal est trop lent. Un troisième est le bruit dû à la dynamique des copeaux qui se traduit par une série de pointes de bruit à amplitude élevée (comme en figure 4) car il n'y a aucun maintien du décalage important du niveau du signal. Ces signaux analogiques de vibration ne passent pas les tests pré-établis concernant les signatures acoustiques caractéristiques
des bris d'outil.
La figure 2 montre également que le contrôleur 24 de machine-outil fournit au programme 34 de commande de la machine les signaux d'alarme pour bris d'outil (i) et pour affleurement d'outil (j) au moment de l'apparition
de ces événements. La commande numérique 20 de la machine-
outil utilise ces alarmes pour initialiser les séquences spéciales de commande de la position de l'outil qui sont appropriées aux événements détectés. Avec certaines commandes
de machines-outils, la réponse de la commande à un effleu-
rement d'outil n'est pas suffisamment rapide pour éviter
l'endommagement de la pièce par l'arête coupante de l'outil.
Dans ce cas, il est nécessaire, comme cela est indiqué dans la figure, de communiquer l'alarme pour effleurement d'outil directement à la commande de la position de l'axe
d'avance de l'outil ainsi qu'au programme.
Une variante d'agencement de communication qui utilise les mêmes idées de base est représentée en figure 9. Dans cet agencement, tous les paramètres du détecteur de bris
d'outil et d'effleurement d'outil sont envoyés par le pro-
gramme 34 au contrôleur 24 de machine-outil par le même jeu de lignes de commnication. Cela comprend le mot de commande du gain ou les valeurs du gain numérique pré-calculé du canal analogique, qui sont déterminés dans la commande - 17- de la machine-outil (par exemple par un macro-programme dit "Outils Programmés Automatiquement) plutôt que dans
le contrôleur 24 de machine-outil. Les paramètres du contrô-
leur de machine-outil sont transférés du programme 34 à une logique 42 d'identification et d'acheminement de para- mètres du sous-système numérique 26. Le mot de commande du gain est acheminé jusqu'à la commande d'atténuateur 33 et détermine le facteur d'atténuation de signal que l'atténuateur réglable 28 applique au canal de signal, et instaure ainsi le gain total du canal. Les paramètres
logiques sont acheminés jusqu'à la logique 32 de reconnais-
sance de profil; ces paramètres sont, par exemple, l'infor-
mation sur le type de coupe (coupe de dégrossissage), le
gain et la vitesse de rotation de la broche de la machine-
outil, à partir desquels la logique de reconnaissance de profil procédera aux réglages appropriés des paramrètrs internes. La figure 9 représente des lignes de communication supplémentaires qui sont utilisées pour l'établissement des liaisons permettant de vérifier que les signaux émis sont réellement reçus. Il s'agit des signaux de validation du mode de marche en rupture (Il) et de validation du mode de marche en effleurement (m), d'accusés de réception de la validation du mode en accusé de réception (n) et de réception des données d'accusé de réception (p). Comme précédemment, les signaux d'alarme en cas de bris (i) et en cas d'effleurement (j) sont fournis à la commande 20 de la machine-outil, et ce dernier signal à la commande de position de l'axe d'avance de l'outil (k) de manière
à accélérer le retrait de l'outil.
En conclusion, l'utilisation de l'information du programme concernant les paramètres d'usinage pour procéder au calcul et au réglage du gain du détecteur de bris d'outil et d'effleurements d'outil permet de l'optimiser pour les
conditions de coupe imposées par la commande de la machine-
- 18 -
outil. En outre, l'information sur les paramètres d'usinage sert à choisir et instaurer des paramètres commandant la logique de détection des bris d'outil, l'optimisant pour les conditions de coupe imposées par la commande de la machine-outil. Le mode de fonctionnement désiré, la détection des bris d'outil ou la détection des effleurements d'outil,
sont choisis par la commande de la machine-outil.
- 19 -
Claims (16)
1. Contrôleur perfectionné destiné à être utilisé avec une machine-outil et une commande de machine-outil caractérisé en ce qu'il comprend: un détecteur de vibration (21) pour produire un signal correspondant à des vibrations se produisant à l'interface outil de coupe/pièce et autres bruits de la machine-outil; un canal analogique de signal (25) ayant une commande de gain et un moyen (29) pour filtrer le signal de vibration afin d'atténuer le bruit basse fréquence de la machine et détecter l'énergie du signal dans une bande limitée de fréquences acoustiques; un sous-système numérique (26) constitué d'un moyen (30) pour échantillonner et convertir des échantillons de la sortie du canal analogique en forme numérique, et une logique de reconnaissance de profil (32) pour procéder à un test des signatures acoustiques caractéristiques des bris d'outil et des l'effleurements d'outil et produire des alarmes; et un moyen (28, 33) pour ajuster la commande du gain du canal analogique afin d'optimiser le fonctionnement du contrôleur pour des conditions variables de coupe basées
sur l'information donnée par la commande (20) de la machine-
outil.
2. Contrôleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information donnée par la commande (20) de la machine-outil comporte des paramètres d'usinage tels que la vitesse de surface, la profondeur de coupe, la vitesse
d'avance, et la description de la pièce et de l'outil,
et un signal de sélection du mode effleurement/bris.
3. Contrôleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de règlage de la commande de gain comprend un moyen (35) dans le contrôleur pour calculer le gain
à partir des paramètres d'usinage.
4. Contrôleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information donnée par la commande (20) de
- 20 -
la machine-outil comporte des valeurs de gain pré-calculées qui sont déterminées à partir des paramètres d'usinage,
et un moyen pour les acheminer jusqu'à la commande de gain.
5. Contr8leur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen (42) pour choisir
et instaurer les paramètres commandant la logique de recon-
naissance de profil (32) utilisant une autre information
donnée par la commande de la machine-outil.
6.ContrÈleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'information citée en dernier qui est donnée par la commande de la machine-outil comprend des paramètres
d'usinage tels que la description de l'outil, le nombre
de tours/minute de la broche et la description du type
de coupe (coupe de fini/dégrossissage).
7.Contrôleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'information pour la machine-outil citée en dernier comprend des paramètres logiques, et un moyen pour
l'acheminer jusqu'à la logique de reconnaissance de profil.
8. Détecteur perfectionné de bris d'outil destiné à être utilisé avec une machine-outil commandée par une commande numérique de machine-outil qui comporte un programme et comprend:
un accéléromètre (21) pour produire un signal corres-
pondant à des vibrations se produisant à l'interface outil de coupe/pièce; un canal analogique de signal (25) ayant un atténuateur réglable (28) et un moyen pour filtrer en barde passante (29) le signal de vibration et détecter l'énergie dans une bande allant de 30 kHz à 100 kHz; un soussystème numérique (26) constitué d'un moyen (30; 31) d'échantillonnage de la sortie du canal analogique
et de conversion d'échantillons analogiques en forme numéri-
que, et une logique (32) de reconnaissance de profil de bris d'outil afin de détecter un bris d'outil important et produire une alarme; et
- 21 -
un moyen pour utiliser l'information du programme, qui est transmise au détecteur (21) afin de déterminer le gain du canal analogique et choisir et instaurer des pramètres commandant la logique de reconnaissance de bris d'outil et ainsi optimiser le détecteur pour les conditions
de coupe imposées par la commande. numérique (20).
9. Détecteur de bris d'outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'information du programme comporte des paramètres d'usinage dont la vitesse en surface de la pièce, la vitesse d'avance, la profondeur de coupe,
la description de la pièce et de l'outil, le nombre de
tours/minute de la broche, et la description du type de
coupe (coupe de fini/dégrossissage), et le moyen cité en dernier est constitué d'un moyen de calcul du règlage du gain (35) qui reçoit les paramètres d'usinage choisis et envoie les valeurs calculées du gain à l'atténuateur (28)
du canal analogique.
10. Détecteur de bris d'outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'information du programme comporte des valeurs pré-calculées du gain du canal analogique et des paramètres logiques de reconnaissance de profil qui
sont déterminés à partir de paramètres d'usinage connus.
11. Procédé d'optimisation des performances d'un contrôleur monté sur une machine-outil qui est commandée
par une commande (20) de machine-outil comportant un program-
me, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant a: détecter les vibrations résultant de l'interaction d'un outil de coupe et d'une pièce et provenant des autres sources de bruit de la machine et produire un signal de vibration; prétraiter le signal dans un canal analogique qui comporte un gain réglable, atténue le bruit basse fréquence
de la machine, et produit une forme d'onde analogique repré-
sentative de l'amplitude des vibrations dans une bande
- 22 -
choisie au-dessous de 100 kHz; analyser des échantillons de la forme d'onde analogique dans un processeur numérique afin de détecter, au moyen d'une logique de reconnaissance de profil de signal, des signatures acoustiques caractéristiques d'une rupture d'outil importante et d'un léger contact par frottement de l'outil avec une pièce, et à produire des alarmes pour rupture d'outil et effleurement d'outil qui sont envoyées à la commande de la machine-outil; et ajuster le gain du canal analogique en utilisant une information du programme sur les paramètres d'usinage, afin d'optimiser le fonctionnement du contrôleur pour les
conditions de coupe imposées par la commande de la machine-
outil.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape consistant à utiliser l'information du programme sur les paramètres d'usinage afin de déterminer d'autres paramètres de commande de la logique de détection de bris qui constitue une partie de
la logique de reconnaissance de profil.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape consistant à choisir le mode de fonctionnement du contrôleur en bris d'outil ou en effleurement d'outil à partir de l'information donnée
par le programme.
14. Procédé d'optimisation d'un contrôleur afin de détecter le bris d'un outil sur une machine-outil qui est
commandée par une commande numérique de machine-outil com-
portant un programme, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: détecter les vibrations résultant de l'interaction d'un outil de coupe et d'une pièce et produire un signal électrique; prétraiter le signal dans un canal analogique en réglant le gain du canal dans un étage d'ajustage de gain,
- 23 -
en procédant à un filtrage en bande passante, et en détectant l'énergie du signal dans une bande choisie s'étalant entre kHz et 100 kHz;
analyser les échantillons dans un sous-système numéri-
que afin de détecter, en utilisant une logique de reconnais-
sance de profil de signal, les signatures acoustiques carac-
téristiques d'une rupture importante de l'outil capable d'endommager l'outil de coupe ou la pièce, et produire une alarme pour bris d'outil qui est envoyée à la commande numérique; transférer au contrôleur une information provenant du programme et, ajuster le gain du canal analogique et choisir et instaurer des paramètres logiques commandant la logique de reconnaissance de profil en utilisant l'information du programme, afin d'optimiser ainsi les performances du contrôleur pour les conditions de coupe imposées par la
commande numérique.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'information du programme qui est transférée au contrôleur comporte des paramètres d'usinage choisis, et l'étape supplémentaire consistant à calculer des valeurs de gain dans le sous-système numérique qui sont envoyées à l'étage de réglage du gain du canal analogique, et à acheminer d'autres paramètres d'usinage jusqu'à la logique
de reconnaissance de profil.
16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'information du programme qui,est transférée au contrôleur comporte des valeurs pré-calculées de gain qui sont acheminées jusqu'à l'étage de réglage de gain du canal analogique et des paramètres logiques prédéterminés
qui sont envoyés à la logique de reconnaissance de profil.
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