FR2644717A1

FR2644717A1 - Procede et dispositif de detection de plusieurs niveaux de rupture d'outil utilisant differents types de capteurs

Info

Publication number: FR2644717A1
Application number: FR9003270A
Authority: FR
Inventors: Charles Edmund Thomas; Steven Robert Hayashi; Douglas Glenn Wildes
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1990-09-28
Also published as: GB2231662A; JP2567124B2; DE4008697A1; IT9019837A1; AU614221B2; GB9006720D0; US4918427A; GB2231662B; JPH02274455A; FR2644717B1; DE4008697C2; IT1239419B; AU5071090A; IT9019837A0

Abstract

Procédé et système de surveillance des opérations effectuées par une machine-outil fournissant une alerte de rupture d'outil de plusieurs niveaux. Des techniques de traitement du signal 58, 65 et de reconnaissance de forme 57 sont appliquées au signal de vibration haute fréquence pour détecter les ruptures d'outil majeures qui nécessitent un arrêt immédiat de la passe. Une détection de ruptures d'outil mineures, pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'arrêter immédiatement le processus de coupe, s'obtient à partir d'informations provenant d'un capteur de signal de vibration basse fréquence, d'un capteur de courant d'entraînement d'axe, ou d'un capteur de vitesse d'axe. Une alerte de rupture d'outil mineure est générée quand les phénomènes transitoires des signaux haute et basse fréquences sont quasi simultanés 68, une alerte de rupture d'outil majeure est générée quand le phénomène transitoire du signal haute fréquence est suivi d'une modification du signal de vibration moyen qui persiste 60.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DE

PLUSIEURS NIVEAUX DE RUPTURE D'OUTIL

UTILISANT DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS

La présente invention concerne un système et un procédé et un système de surveillance des opérations effectuées par une machine-outil afin de détecter différentes catégories de ruptures d'outil rendant nécessaire ou non l'interruption du processus de coupe. Le phénomène de rupture d'outil de coupe constitue un obstacle majeur à l'automatisation des procédés d'usinage. Dans la plupart des procédés d'usinage qui ne comportent pas de système automatique de détection de rupture d'outil, il est nécessaire d'avoir un opérateur pour chaque machine-outil afin de détecter rapidemment les ruptures d'outil et d'agir pour les empêcher de causer un sérieux dommage à la pièce à usiner ou a la machine-outil, ou pour les empêcher de mettre une machine à commande numérique à calculateur dans une situation aboutissant a des ruptures d'outil répétées causées par une profondeur de passe excessive. Une automatisation du procédé d'usinage, avec peu de surveillance humaine de chaque machine-outil, nécessite une automatisation des fonctions de réponse à la rupture d'outil. Un système de surveillance de machine-outil a été développé pour l'automatisation de ces fonctions; ce système est largement divulgué. Ce système capte des vibrations haute fréquence générées par le processus de coupe, et met en oeuvre un traitement de signal et des techniques logiques de reconnaissance de forme afin de détecter les ruptures d'outil majeures qui entraînent une modification immédiate et significative des conditions de coupe, ce changement des conditions de coupe se traduisant par un décalage majeur du niveau moyen de vibration. Afin d'éviter, au niveau du signal de vibration, des problèmes de fausse alerte lors d'usinages effectués dans des conditions de coupe normales, le système de- surveillance ignore délibéremment les autres ruptures d'outil qui n'affectent pas immédiatement et de façon significative les conditions de coupe. Le système de surveillance de machine-outil a été développé initialement pour des applications utilisant des outils en céramique durs mais fragiles pour la coupe de matériaux résistants dans le domaine aérospacial et, pour cela, il fallait que chaque opération de coupe soit effectuée avec une nouvelle arête tranchante. Dans ces conditions, il n'est plus seulement envisageable, mais maintenant préférable, de disposer d'un système de détection automatique de rupture d'outil qui ignore les ruptures d'outil qui n'affectent pas immédiatement et de façon significative les conditions de coupe. Cependant, dans la plupart des applications d'usinage, des arêtes tranchantes sont utilisées pour plusieurs passes successives avant qu'un changement d'outil ne soit effectué. Ce changement des conditions opératoires modifie le mode de fonctionnement souhaité du

système de détection automatique de rupture d'outil.

Actuellement, quand une rupture d'outil survient et ne modifie pas immédiatement et de façon significative les conditions de coupe, il est habituellement souhaitable de remplacer l'outil au moins avant le début de la prochaine

passe planifiée.

Deux situations différentes de ce type ont été rencontrées. Les outils en céramique, y compris les outils en céramique renforcée de fibres, supportent occasionnellement des écaillages qui n'ont pas beaucoup d'incidence sur les conditions de coupe. Cependant, ces écaillages affaiblissent l'outil et font que la rupture interviendra avec une probabilité plus grande lors de la passe suivante. Les outils en céramique et en carbure subissent tous deux parfois des cassures majeures, mais les fragments sont maintenus ensemble par les efforts de coupe pendant un certain temps après la cassure, ce qui a une incidence mineure sur les conditions de coupe. Quand les efforts de coupe se réduisent en fin de passe, ou quand ils subissent des changements au début de la passe suivante, les différents fragments de l'outil cassé se séparent et l'un ou plusieurs d'entre eux peuvent faire défaut. Ainsi, les conditions de coupe peuvent être radicalement changées par la rupture d'outil, mais ce changement ne peut pas survenir longtemps après la cassure initiale de l'outil. Le système de surveillance de rupture d'outil tend à ignorer dans ce cas la cassure initiale de l'outil, et ne donnera généralement pas de signal d'alerte avant le changement des conditions de coupe. Si ce changement intervient au début de la passe planifiée à la suite, le système de surveillance de rupture de l'outil peut avoir quelque difficulté pour détecter ce changement parce qu'il n'y a pas de phase de coupe normale dans la passe, le système de surveillance recherchant classiquement les changements intervenus entre les conditions de coupe d'avant rupture et d'après rupture. Pour la plupart des procédés d'usinage automatiques, o des outils sont utilisés pour plusieurs passes successives avant d'être changés, il est nécessaire d'avoir un système de détection automatique de rupture d'outil permettant de détecter non seulement les ruptures d'outil qui entraînent un changement important et immédiat des conditions de coupe, mais aussi les ruptures d'outil qui n'entraînent pas un tel changement, mais qui néanmoins devraient nécessiterle changement de l'outil avant le début de la passe suivante. Le système de surveillance de machine-outil est très flexible, et peut être réglé afin de détecter un grand nombre des ruptures d'outil qui ne provoquent pas un changement important et immédiat des conditions de coupe. Quelques unes de ces ruptures d'outil seulement, pour lesquelles des phénomènes transitoires de cassure d'outil sont occultés par le bruit normal de la coupe, ne peuvent pas être détectées. Le principal problème avec cette solution est que, pour faire en sorte que le système de surveillance donne l'alerte suite à des phénomènes transitoires de cassure d'outil non suivis par des indications de signal de vibration révélant un changement important des conditions de coupe, il est nécessaire d'augmenter de façon significative la probabilité des fausses alertes provoquées par des anomalies du signal de

vibration enregistré d'une coupe normale.

On a déjà proposé des systèmes qui utilisent l'information d'un signal de vibration et d'un autre signal captant une autre grandeur physique permettant d'identifier une rupture d'outil et de détecter une usure. On connait par exemple un système qui utilise un signal représentatif de la puissance ou de l'effort dans la broche pour détecter l'usure d'un outil ainsi qu'un type particulier de rupture d'outil, à savoir les ruptures par effritement des outils en céramique. Ce système utilise aussi des signaux de vibration haute et basse fréquences dans les mêmes buts. Dans chacun de ces signaux, des phénomènes transitoires rapides ne sont pas pris en compte, et le système ne détecte pas les cassures d'outil brutales. Le brevet de Grande.Bretagne. 2 140 951 A montre que trois paramètres d'usinage, une émission d'ultrasons par le processus de coupe, la puissance d'entraînement de la broche et la puissance d'entraînement de l'avance permettent de faire une nette différenciation entre les irrégularités du processus et les ruptures d'outil. Une variation brutale et simultanée des valeurs mesurées de ces trois paramètres révèle une rupture d'outil, et une variation simultanée de deux de ces trois paramètres pendant une période prédéterminée

révèle une irrégularité du processus.

Un objet de l'invention est d'identifier automatiquement et de manière fiable, avec un faible taux de fausses alertes, toutes les ruptures d'outils de coupe y compris celles qui génèrent et celles qui ne génèrent pas des modifications importantes et immédiates des conditions de coupe. Un autre objet de l'invention est de permettre l'utilisation d'une machine-outil à commande numérique comportant la possibilité de spécifier des réponses différentes de la part de la machine-outil et du système de changement d'outil en fonction des diverses catégories de ruptures d'outil, ceci afin de répondre aux besoins de

n'importe quelle application.

Un autre objet de l'invention est de présenter un appareil et un procédé perfectionnés de détection d'une rupture majeure d'outil de coupe qui nécessite une action immédiate pour arrêter la passe en cours, cet appareil et ce procédé permettant à un moindre degré de détecter une rupture d'outil mineure pour laquelle une réponse optimale de la part de l'organe de contrôle de la machine-outil n'est pas nécessairement un arrêt immédiat

du processus de coupe.

Le système de détection de rupture d'outil selon l'invention comporte des moyens de détection des vibrations générées par interaction entre un outil de coupe et une pièce à usiner, le signal de vibration qui en découle étant un signal haute fréquence de l'ordre de KHz à 100 KHz, et des moyens de détection d'un ou de plusieurs paramètres qui sont sensibles à l'effort appliqué à l'outil de coupe pendant le processus de coupe et qui produisent un signal basse fréquence compris entre O et moins de 1 KHz. Le premier capteur est typiquement un capteur de vibrations large bande, et le second est typiquement un capteur de vibrations basse fréquence, un capteur du courant de déplacement d'axe de la machine-outil, ou un capteur de vitesse d'axe de la machine-outil. Alternativement, les deux signaux sont extraits de la sortie d'un unique capteur de vibration large bande. Des moyens sont prévus pour le traitement préalable, l'échantillonnage et la numérisation de chacun de ces signaux sont fournis, et pour l'analyse numérique d'un premier et d'un second moyens de traçage à partir d'un nombre donné d'échantillonnages antérieurs. Le système comprend en plus un dispositif logique de reconnaissance de forme dans chaque voie pour détecter les signaux-relatifs à des phénomènes transitoires qui peuvent être causés par une rupture d'outil. Des moyens d'alerte déterminent si des phénomènes transitoires dans les premier et second signaux moyens se produisent presque simultanément et surviennent dans une fenêtre temporelle déterminée, et génèrent une alerte de rupture

d'outil mineure.

Le système se caractérise en outre en ce que le dispositif logique de reconnaissance de forme situé dans la voie haute fréquence a la possibilité de contrôler que le signal relatif au phénomène transitoire détecté dans le premier signal de vibration moyen est suivi d'un important et persistant décalage du niveau moyen dû à une grande modification des conditions de coupe. Une alerte de rupture d'outil majeure nécessitant un arrêt immédiat du processus de coupe est alors générée. La fenêtre temporelle pour détecter la quasi-simultanéité entre des phénomènes transitoires suspects dans les premier et second signaux moyens est, par exemple, le- temps correspondant à un tour d'une pièce à usiner, et le décalage persistant du niveau du premier signal moyen pour déclencher une alerte de rupture d'outil majeure dure plus longtemps que le temps correspondant à un tour

de pièce à usiner.

L'invention se caractérise aussi par un procédé perfectionné de détection des différentes catégories de ruptures d'outil. On capte des vibrations générées à l'interface entre l'outil de coupe et la pièce à usiner et au moins un paramètre relatif aux forces appliquées sur l'outil, et on dérive un signal haute fréquence représentatif de l'amplitude des vibrations dans une bande de haute fréquence déterminée et un signal basse fréquence. Ces signaux sont échantillonnés et les échantillonnages sont convertis en valeurs numériques, et des moyennes de tracés sont analysées numériquement. On détecte un phénomène transitoire dans le signal moyen haute fréquence qui permet de soupçonner une rupture d'outil, et un autre phénomène transitoire dans le signal basse fréquence qui peut être une confirmation de la rupture d'outil. Dans le cas o il y a quasi-simultanéité des phénomènes transitoires détectés dans les deux signaux, une alerte de rupture d'outil mineure est générée, et sinon, le dispositif est remis à zéro pour chercher un autre phénomène transitoire suspect. Le signal moyen haute fréquence est ensuite traité afin de détecter le phénomène transitoire suspect en recherchant un brusque, important et persistant changement dans le niveau moyen de vibration du à une importante modification des conditions de coupe, et en générant une alerte de rupture d'outil majeure; dans le cas contraire, le dispositif est remis à zéro pour rechercher

un phénomène transitoire plus conséquent.

L'utilisateur est libre d'effectuer des actions de contrôle différentes pour les deux catégories différentes d'alerte. Dans le cas d'une rupture d'outil mineure, le programme peut spécifier de continuer jusqu'à la fin de la passe en cours, ou jusqu'à ce qu'une alerte de rupture majeure survienne, et l'outil est changé avant le début d'une nouvelle passe. Une alerte de rupture d'outil majeure nécessite habituellement l'arrêt immédiat de la passe. D'autres réponses étudiées pour répondre à

une situation particulière peuvent être faites.

Les figures 1 et 2 concernent des ruptures d'outil qui causent des changements importants et immédiats des conditions de coupe; le graphique situé en haut, dans les deux figures, représente un signal de vibration haute fréquence avec des changements brusques du niveau moyen du signal, le graphique situé au centre, dans les deux figures, montre un signal d'accéléromètre basse fréquence, et le graphique situé en bas représente pour la figure 1 le courant de déplacement d'axe, et pour la figure 2, la vitesse draxe. Les figures 3 et 4 concernent des ruptures d'outil qui n'entraînent pas une modification immédiate des conditions de coupe; le graphique situé en haut, dans les deux figures, représente un signal de vibration haute fréquence qui ne présente pas de changement important du niveau moyen du signal, le graphique situé au centre, dans les deux figures, montre un signal d'accéléromètre basse fréquence, et le graphique situé en bas présente, pour la figure 1, un signal d'accéléromètre orthogonal basse fréquence, et pour la

figure 2, le courant de déplacement d'axe.

Les figures 5 et 6 concernent des ruptures d'outil qui produisent des phénomènes transitoires quasi-simultanés dans les signaux de vibration haute et basse fréquences; le graphique situé en haut, dans les deux figures, représente un signal de vibration haute fréquence, et les graphiques situés au centre et en bas présentent pour les deux figures un signal

d'accéléromètre orthogonal basse fréquence.

La figure 7 est une vue partielle en élévation d'un tour horizontal présentant des localisations d'accéléromètre large bande et basse fréquence; le courant de déplacement d'axe et la vitesse d'axe sont mesurés dans le dispositif de commande de moteur de

machine-outil.

La figure 8 représente un schéma qui illustre la dérivée du signal de vibration haute fréquence et du signal d'accéléromètre basse fréquence à partir d'un seul

accéléromètre large bande.

La figure 9 représente un schéma et un-

organigramme du système de contrôle de machine-outil perfectionné comportant une alerte de rupture d'outil à

plusieurs niveaux et à plusieurs capteurs.

Les graphiques situés en haut des figures 1 et 2 présentent deux exemples de signaux de vibration haute fréquence concernant des ruptures d'outil qui engendrent des modifications importantes et immédiates des conditions de coupe, ce qui provoque des changements importants et brutaux du niveau de vibration moyen. La figure i représente le signal de vibration d'une rupture d'outil majeure d'un outil en céramique renforcé de fibres et utilisé dans des opérations de tournage. Une amplitude élevée relative & un phénomène transitoire à croissance rapide 10 est suivie d'un niveau de signal de vibration nettement plus faible 11 qui perdure pendant une période plus longue qu'une période de confirmation déterminée, habituellement plus longue que la durée d'un tour de pièce à usiner. Le graphique situé en haut de la figure 2 représente un signal de vibration d'une rupture majeure d'un outil en carbure diamenté, utilisé également dans des opérations de tournage. Ce signal caractéristique de rupture d'outil présente un phénomène transitoire 12 de forte amplitude qui est immédiatement suivi d'une augmentation persistante et importante du niveau du signal avec de nombreux pics, comme indiqué en 13. Ce signal de vibration de rupture d'outil ainsi que plusieurs autres types de signaux de rupture d'outil, qui présentent des modifications brutales du niveau moyen du signal de vibration ont été observés lors de la rupture de cet outil, ainsi que lors de la rupture d'autres types d'outil. D'autre part, les graphiques situés en haut des figures 3 et 4 représentent des signaux de vibration de rupture d'outil de tour qui ne présentent pas d'importants changements du niveau moyen. La figure 3 a été obtenue à partir d'un écaillage d'un outil en céramique renforcé de fibres. Le niveau de vibration avant et après l'important phénomène transitoire 14 est sensiblement le même parce qu'il n'y a pas de modification significative des conditions de coupe dues à la rupture d'outil. Le graphique situé en haut de la figure 4 a été obtenu à partir d'une cassure majeure d'un outil en carbure diamenté qui n'entraîne pas une modification immédiate des conditions de coupe parce que les fragments d'outil issus de la cassure ont été maintenus ensemble par des efforts de coupe. Le niveau du signal avant et après le phénomène transitoire de forte amplitude 15 est approximativement le même. Tous les tracés de ces figures, tout comme ceux des figures 5 et 6, sont l'image brute de ce que l'on obtient à la sortie du capteur avant tout traitement et tout filtrage du signal. Les graphiques situés au centre et en bas des figures 1 à 4 présentent les signaux obtenus en sortie de divers autres capteurs dans des régions correspondant à des ruptures d'outil. Dans chaque cas, on a choisi pour les figures des signaux produits par des capteurs et représentant des phénomènes transitoires quasi-simultanés avec la rupture d'outil. Toutes les ruptures d'outil qui ont été étudiées ont présenté des perturbations transitoires dans une direction (direction X) ou dans deux directions (directions X et Y) de tracés du signal d'accéléromètre basse fréquence au moment de la rupture d'outil. Dans tous les cas excepté ceux qui concernent des écaillages relativement faibles d'outil en céramique, des phénomènes transitoires ont été relevés également dans d'autres signaux des capteurs de courants de

déplacement et des vitesses d'axes de machine-outil.

Ainsi, dans la figure 1 sont représentés des phénomènes transitoires 16 et 17 dans le signal de vibration basse fréquence et dans le courant de déplacement d'axe X, ces phénomènes transitoires se produisant en quasisimultanéité avec le phénomène transitoire 10 dans le signal de vibration haute fréquence. La figure 2 représente des phénomènes transitoires 18 et 19 dans le signal d'accéléromètre basse fréquence et dans des signaux de vitesse d'axe Z. Dans la figure 3, des phénomènes transitoires 20 et 21 obtenus en sortie des capteurs de vibration basse fréquence montés de manière orthogonale se produisent pendant une courte période. La figure 4 illustre clairement la simultanéité des phénomènes transitoires 15, 22 et 23 dans le signal de vibration haute fréquence, dans le signal d'accéléromètre basse fréquence et dans le courant de déplacement d'axe Z. Les autres capteurs qui ont été cités partagent une caractéristique commune, à savoir que tous les paramètres de mesure sont sensibles aux efforts appliqués à l'outil de coupe ou génèrent des signaux qui sont en rapport avec les efforts s'exerçant sur l'outil de coupe. Un autre point commun est que tous travaillent à une même gamme de

basse fréquence, qui s'étend de 0 KHz à moins de 1 KHz.

Comme ces figures le montrent, des phénomènes transitoires de signal de vibration haute fréquence sont des indicateurs sensibles aux ruptures d'outil, y compris à la plupart des ruptures qui ne provoquent pas d'importantes et d'immédiates modifications des conditions de coupe. Bien qu'il y ait de rares cas o de telles ruptures d'outil peuvent ne pas produire de phénomènes transitoires du signal de vibration haute fréquence décelables, le principal problème lorsque l'on essaye de détecter toutes les ruptures d'outil en analysant en temps réel le signal de vibration haute fréquence est le recouvrement entre les caractéristiques des phénomènes transitoires d'un signal d'usinage normal et les caractéristiques des ruptures d'outil qui n'entraînent pas de modifications immédiates et importantes des conditions de coupe. Ce recouvrement peut donner lieu à de fausses alertes. Un problème similaire existe lorsque l'on utilise n'importe quel capteur unique

comme seul indicateur de ruptures d'outil.

Cette invention résoud ce problème fondamental en divisant les ruptures d'outil en deux catégories: celles qui entraînent et celles qui n'entraînent pas de modifications immédiates, importantes et décelables des conditions de coupe. Les ruptures d'outil qui n'entraînent pas de modifications immédiates, importantes et décelables des conditions de coupe sont identifSées essentiellement par le système de détection de rupture d'outil existant (surveillance de machine-outil) qui analyse des signaux de vibration haute fréquence. Ce système distingue les phénomènes transitoires du signal causés par des ruptures d'outil des anomalies du signal correspondant à une coupe normale en exigeant, pour déclencher une alerte de rupture d'outil, que le phénomène transitoire suspect soit suivi d'une modification du niveau moyen de vibration qui corresponde à des critères prédéterminés de variation d'amplitude, de persistance et de délai maximum après le phénomène transitoire suspect. Par conséquent,il rejette non seulement les anomalies du signal correspondant à une coupe normale, mais aussi les ruptures d'outil qui n'entraînent pas de modifications immédiates et importantes des conditions de coupe. Les brevets des Etats Unis 4 636 779 et 4 636 780 sont en rapport avec le

domaine général de l'invention.

Afin de réaliser également la détection de ruptures d'outil qui n'entraînent pas des modifications immédiates et importantes des conditions de coupe, cette invention fournit des moyens techniques autres permettant de confirmer ou de rejeter des phénomènes transitoires suspects relevés dans le signal de vibration haute fréquence soumis au système de détection de rupture d'outil. Une voie d'analyse parallèle surveille un signal de vibration basse fréquence délivré par un capteur, ou des signaux de vibration basse fréquence délivrés par deux capteurs montés othogonalement, et détecte les

phénomènes transitoires de ce signal ou de ces signaux.

Une alerte de rupture d'outil est déclenchée quand des phénomènes transitoires suspects sont détectés à la fois et simultanément dans le signal de vibration haute

fréquence et dans le signal de vibration basse fréquence.

Les signaux délivrés par un capteur de courant de déplacement d'axe ou par un capteur de vitesse d'axe

peuvent aussi faire l'objet d'une surveillance.

L'étude des tracés d'un signal délivré par un capteur, tels que ceux présentés dans les figures 1 à 4, montre que les ruptures qui produisent des phénomènes transitoires simultanés dans les deux voies sont beaucoup moins suceptibles de déclencher des fausses alertes que o10 les ruptures qui produisent des phénomènes transitoires dans une voie sans en produire simultanément dans l'autre voie. La figure 5 représente un exemple de rupture d'outil de tour en carbure diamenté. Le signal de vibration haute fréquence situé en haut de la figure présente un phénomène transitoire brutal 24 au moment de la rupture d'outil, soit approximativement à 20 secondes sur l'échelle des temps, mais présente aussi des phénomènes transitoires d'amplitude assez forte à la fois avant et après. Les signaux d'accéléromêtre basse fréquence de direction X et de direction Y, soit respectivement les graphiques situés au centre et au bas de la figure, présentent des phénomènes transitoires 25 et 26 uniquement au moment de la rupture d'outil. Une autre rupture d'outil de tour en carbure diamenté a produit les signaux de la figure 6. Dans cet exemple, le signal de vibration haute fréquence représenté dans le graphique situé en haut de la figure présente de nombreux phénomènes transitoires, dont un phénomène transitoire 27 au moment de la rupture d'outil, à 19 secondes et quelques sur l'échelle des temps. Les signaux d'accéléromètre basse fréquence de direction X et de direction Y, montrés sur les deux graphiques inférieurs, présentent des phénomènes transitoires importants 28 et 29 au moment de la rupture d'outil. Ils présentent aussi de faibles phénomènes transitoires à caractère répétitif, à raison d'un par tour de rotation de la broche, avant la rupture d'outil, mais il serait facile de concevoir un

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capteur qui détecte les phénomènes transitoires de rupture d'outil importants et qui ignore ces phénomènes

transitoires plus faibles se produisant pendant la passe.

Dans cet exemple, seuls les phénomènes transitoires importants du signal d'accéléromètre basse fréquence seraient retenus pour confirmer l'indication de rupture d'outil obtenue dans le signal de vibration haute fréquence. L'alerte correspondant à une rupture d'outil mineure ainsi produite peut être distinguée de l'alerte correspondant à une rupture majeure produite par le signal de vibration haute fréquence ou par une partie du système complet de détection de rupture d'outil, ce qui permet à l'utilisateur d'être libre d'exercer différentes actions de commande du système de changement d'outil- de la machine-outil en fonction des deux catégories d'alerte de rupture d'outil. En accord avec la classification des catégories de rupture d'outil décrite précédemment, il est possible de faire le choix suivant. D'abord, si le signal de vibration haute fréquence ou une partie du système de détection génère une alerte correspondant à une rupture majeure, il convient d'arrêter immédiatement la passe, de faire marche arrière et de changer l'outil, de relever les dimensions exactes du nouvel outil, de répéter la passe incomplète, et de procéder à la passe planifiée à la suite. En second lieu, si le détecteur de phénomènes transitoires des voies haute et basse fréquences génère une alerte correspondant à une rupture d'outil mineure, il faut ne rien faire jusqu'à la fin de la passe en cours ou jusqu'à ce qu'une alerte majeure survienne ultérieurement, quelle qu'elle soit. Avant de commencer la nouvelle passe, il faut changer l'outil, relever ses dimensions exactes et procéder à la passe planifiée à la suite. D'autres actions, susceptibles de mieux convenir aux besoins d'applications particulières, sont possibles et peuvent être mises en oeuvre par l'utilisateur par l'intermédiaire d'un programme spécifique et d'un logiciel de commande numérique appropriés. Par exemple, dans le cas o une alerte correspondant à une rupture d'outil mineure est générée, l'utilisateur peut choisir d'examiner l'outil suspect avant de décider s'il doit être réellement remplacé. Une procédure d'examen d'outil a été décrite dans le document "Automatic tool touch andbreakage detection in turning", S.R Hayashi et suivants, Sensors '85, 5-7 novembre 1985,

Detroit (une publication SME) et dans divers brevets.

La figure 7 représente un schéma simplifié d'un tour horizontal; le système perfectionné de détection de rupture d'outil peut s'appliquer à d'autres machines-outils tels que des tours verticaux, des fraiseuses, et des perceuses. On distingue un bâti de machine 30, une broche 31, un mandrin 32, un dispositif de fixation 33 pour tenir la pièce à usiner 34, un poste de contrôle à commande numérique 35, et une commande de moteurs 36 relative aux moteurs de l'axe X, de l'axe Z et de la broche. Une tourelle tournante 37 possède plusieurs postes d'outil 38 pour supporter l'outil et sa pastille 39. La tourelle 37 est supportée par un chariot 40 qui se

déplace selon deux glissières transversales 41.

Un accéléromètre large bande 42 est monté directement sur une face de la tourelle tournante 37, et un petit bloc de métal 43 lié à une autre face de la tourelle supporte des accéléromètres basse fréquence 44 et 45 pour détecter des vibrations selon les directions X et Y. L'accéléromètre 45 peut mesurer des fréquences allant de O à 200 Hz, et on utilise deux accéléromètres car des signaux de vibration basse fréquence sont par nature directionnels. Cependant, dans certains cas, un seul accéléromètre basse fréquence suffit. Un seul jeu de deux ou trois capteurs permet de surveiller n'importe quelle position du porte-outil sélectionnée par l'opérateur pour l'opération de coupe. On utilise un coupleur électrique rotatif 46 pour transmettre les signaux électriques obtenus en sortie des capteurs aux dispositifs électroniques fixes. D'autres capteurs, tels que des capteurs de courant de déplacement selon un axe ou des capteurs de vitesse selon un axe, peuvent se substituer ou s'ajouter au capteur évoqué ci-dessus. Le courant de déplacement selon l'axe X est le courant d'alimentation des moteurs pour le déplacement selon l'axe X, et la vitesse selon l'axe Z est la vitesse linéaire de la tourelle 40 selon l'axe de la broche Z, et est égale à la vitesse linéaire de l'outil de coupe suivant la direction Z. De tels signaux de capteur sont directement disponibles dans le système de commande de moteur 36. Les autres capteurs détectent un paramètre en relation avec les forces agissant sur l'outil de coupe et tous ont en commun une gamme de fréquence allant de 0 & 1 KHz. Typiquement, on utilise différents types de capteurs, mais on peut dans certains cas exceptionnels produire à partir d'un unique signal d'accéléromètre large bande à la fois le signal de vibration haute fréquence et un signal d'accéleromètre basse fréquence, comme le montre la figure 8. Sur cette figure, le signal généré par un accéléromètre 47 large bande de 0 à 70 KHz passe à travers un filtre passe-bande 48 pour fournir un signal de vibration haute fréquence de 30 à 70 KHz, ainsi qu'à travers un filtre passe-bas 49 pour fournir un

signal de vibration basse fréquence de 0 à 200 Hz.

La figure 9 représente un diagramme et un organigramme du système de détection de rupture d'outil décrit par la présente invention, et permettant de détecter une rupture d'outil qui cause ou ne cause pas une modification immédiate des conditions de coupe. Ce système comporte un accéléromètre large bande 50 ainsi qu'un accéléromètre basse fréquence 51. Dans la voie haute fréquence, le signal produit directement par le capteur passe au travers d'un filtre passe-bande 52 qui atténue le bruit de la machine-outil, bruit qui se

3 concentre naturellement au niveau des basses fréquences.

L'énergie du signal de vibration de 30 à 70 KHz est détectée par la combinaison d'un redresseur pleine onde 53 et d'un filtre passe-bas 54. La fréquence de coupure du filtre passe-bas est typiquement de 500 Hz ou moins afin d'éviter une confusion avec l'échantillonnage tant que la fréquence d'échantillonnage est nettement supérieure à la fréquence de Nyquist de i KHz. Le signal obtenu en sortie du préprocesseur analogique est un signal de haute fréquence unipolaire qui indique l'amplitude des vibrations dans la bande haute fréquence choisie. La première partie du processeur numérique est un circuit échantillonneur-bloqueur 55 qui échantillonne le signal analogique à 2 KHz et un convertisseur analogiquenumérique 56 qui convertit les échantillons en valeurs numériques. L'amplitude des échantillons est analysée en temps réel par le système de surveillance ou par un dispositif logique de reconnaissance de forme 57

de haute fréquence.

Au niveau du bloc 58, une moyenne est calculée en prenant la moyenne des N échantillons relevés antérieurement, N pouvant être égal a 16, et chaque nouvel échantillon est comparé à la moyenne calculée pour rechercher un phénomène transitoire de plus forte amplitude dans le signal moyen haute fréquence, ce phénomène transitoire pouvant laisser suspecter une rupture d'outil. Si un phénomène transitoire suspect est détecté au niveau du bloc 59, le signal moyen est ensuite traité afin de détecter un décalage brutal et important du niveau moyen du signal, qu'il s'agisse d'une augmentation ou d'une diminution de ce niveau moyen, qui perdure pendant une période de confirmation définie antérieurement, plus longue qu'un tour de la pièce à usiner. Une confirmation du soupçon et un décalage persistant du niveau de vibration moyen dû à une modification importante des conditions de coupe génère une alerte de rupture d'outil majeure de type 1 qui est

envoyée au système de contrôle de la machine-outil.

L'alerte de type 1 nécessite un arrêt immédiat du processus de coupe et le retrait de l'outil de coupe afin d'éviter de causer des dommages à la pièce à usiner ainsi

qu'à la machine-outil.

Dans la voie basse fréquence, le signal de 0 à Hz généré pa:r un accéléromètre basse fréquence 51 est traité au minimum. Le signal unipolaire issu du redresseur pleine onde 61 est fourni au circuit échantillonneur-bloqueur 62 et les échantillons sont convertis en valeurs numériques par un convertisseur analogique-numérique 63. Le dispositif logique de reconnaissance de forme 64 pour l'accéléromètre basse fréquence réalise, en 65, le calcul d'une moyenne à partir d'un nombre donné d'échantillons relevés antérieurement, par exemple 16, et compare le nouvel échantillon à la moyenne calculée. Au niveau des blocs 66 à 68, afin de détecter un phénomène transitoire suspect dans le signal moyen numérisé basse fréquence, ce phénomène transitoire pouvant provenir d'une rupture d'outil, on définit une fenêtre temporelle sur laquelle on recherche si les phénomènes transitoires canaux basse et haute fréquences détectés sont quasi-simultanés et

s'ils surviennent dans la fenêtre définie précédemment.

De préférence, cette fenêtre temporelle n'est pas plus grande qu'une petite fraction du temps de tour de la pièce à usiner. Le début de la fenêtre temporelle peut être donné par un phénomène transitoire suspect obtenu dans la voie haute fréquence, ou par un phénomène transitoire suspect obtenu dans l'autre voie. Quand des phénomènes transitoires émanant des deux voies sont quasi-simultanés et se produisent dans la fenêtre temporelle, une alerte de rupture d'outil mineure de type 2 est générée et envoyée au système de commande de la machine-outil. Le système est remis à zéro au niveau du bloc 66 pour continuer la recherche, échantillon par échantillon, d'un phénomène transitoire suspect dans le signal moyen basse fréquence, tant qu'aucun n'a été détecté. De plus, au niveau du bloc 68, le soupon d'une rupture d'outil est écarté et la recherche recommence si le phénomène transitoire suspect de la voie haute fréquence n'est pas confirmé par la détection d'un phénomène transitoire suspect quelque peu simultané dans

la voie basse fréquence.

Une plus grande fiabilité dans la détection des ruptures d'outil mineures qui ne provoquent pas de modification immédiate des conditions de coupe est obtenue en mettant en parallèle deux voies basse fréquence ou plus, chacune d'entre elles produisant une alerte de rupture d'outil mineure lorsque le phénomène transitoire suspect dans le signal de vibration haute fréquence se produit approximativement en coincidence avec un phénomène transitoire détecté dans le signal basse fréquence. Six combinaisons possibles de capteurs sont présentées dans les schémas; celle-ci et d'autres

sont dans le champ d'application de cette invention.

Comme il a été dit, des actions de contrôle variées peuvent être conduites suivant l'alerte de rupture d'outil mineure de type 2, excepté qu'une telle alerte ne peut jamais avoir plus d'importance qu'une alerte de rupture d'outil majeure de type 1. Souvent, aucune action n'est décidée avant la fin de la passe, mais pour un travail délicat, une rupture mineure pourrait constituer

un risque et un arrêt immédiat de la passe est conseillé.

C'est en particulier le cas pour la fin de l'usinage

d'une pièce coûteuse.

Bien que l'invention ait été en particulier présentée et décrite en se référant aux deux modes de réalisation cités ci-dessus, il est entendu par l'homme du métier que des changements de forme et de détail peuvent être faits sans s'éloigner de l'esprit et du

champ d'application de l'invention.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Système de surveillance d'une machine-outil permettant de détecter des ruptures d'outils de coupe qui entraînent ou n'entraînent pas une modification immédiate et importante des conditions de coupe, caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen permettant de capter les vibrations générées par l'interaction d'un outil de coupe et d'une pièce à usiner et de dériver un signal de vibration haute fréquence dont la fréquence est comprise entre 30 KHz et 100 KHz; - un moyen permettant de capter au moins un paramètre relatif aux efforts agissant sur l'outil pendant la coupe et fournissant un signal basse fréquence ayant une fréquence inférieure à i KHz; - un moyen permettant de traiter par préprocesseur, d'échantillonner et de numériser chacun des dits signaux et de calculer respectivement les premier et second signaux moyens obtenus à partir d'un nombre donné d'échantillonnages antérieurs;

- un moyen de reconnaissance de forme-

permettant de détecter les phénomènes transitoires de ces signaux susceptibles de provoquer une rupture d'outil; et - un moyen d'alerte permettant de déterminer si les phénomènes transitoires repérés dans ces premier et second signaux moyens sont quasi-simultanés et s'ils surviennent dans une fenêtre temporelle prédéterminée,

afin de générer une alerte de rupture d'outil mineure.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de reconnaissance de forme comportent en outre un dispositif logique permettant de déterminer si le signal transitoire du premier signal moyen dérivé du signal de vibration haute fréquence est suivi d'un important et persistant décalage du niveau moyen dû à une modification importante des conditions de coupe, ainsi que des moyens d'alerte comprenant des moyens pour générer une alerte de rupture d'outil majeure nécessitant un arrêt immédiat du

processus de coupe.

3. Système selon la revendication 2, - caractérisé en ce que la fenêtre temporelle, dans laquelle on détecte une quasi-simultanéité entre les phénomènes transitoires et les premier et second signaux moyens, représente une petite fraction d'un tour de pièce à usiner, et en ce que le décalage de niveau persistant du premier signal moyen qui déclenche l'alerte de second

type dure plus longtemps qu'un tour de pièce.

4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour capter les vibrations sont constitués par un capteur de vibration large bande, et en ce que les moyens pour capter au moins un paramètre en relation avec les forces agissant sur l'outil sont constitués par un capteur de vibration basse fréquence.

5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour capter les vibrations sont constitués par un capteur de vibration large bande, et en ce que les moyens pour capter au moins un paramètre en relation avec les forces agissant sur l'outil comprennent deux capteurs de vibration basse

fréquence montés orthogonalement.

6. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour capter les vibrations sont constitués par un capteur de vibration large bande, et en ce que les moyens pour capter au moins un paramètre en relation avec les forces agissant sur l'outil sont constitués par un capteur de courant

d'entraînement d'axe de machine-outil.

7. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour capter les vibrations sont constitués par un capteur de vibration large bande, et en ce que le moyens pour capter au moins un paramètre en relation avec les forces agissant sur l'outil sont constitués par un capteur de vitesse d'axe

de machine-outil.

8. Système de surveillance de machine-outil pour détecter les ruptures d'outil de coupe qui entraînent ou n'entraînent pas une modification immédiate et importante des conditions de coupe, caractérisé en ce qu'il comprend: - un capteur de vibration large bande pour capter les vibrations générées par l'interaction d'un outil de coupe et d'une pièce à usiner et pour produire un signal électrique de fréquence inférieure à 1KHz, et un moyen pour en extraire des signaux de vibration haute et basse fréquences et pour leur faire subir un traitement préliminaire; - un moyen permettant d'échantillonner et de numériser chaque signal de vibration, et de calculer respectivement les premier et second signaux de vibration moyennés à partir d'un nombre défini d'échantillonnages antérieurs; - un moyen de reconnaissance de forme permettant de détecter les phénomènes transitoires susceptibles d'être engendrés par une rupture d'outil et - un moyen d'alerte permettant de déterminer si les phénomènes transitoires détectés dans les premier et second signaux de vibration moyens sont en quasi-simultanéité et s'ils surviennent dans une fenêtre temporelle donnée, afin de générer une alerte de rupture d'outil.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de reconnaissance de forme comprennent en outre un dispositif logique permettant de déterminer si le phénomène transitoire du premier signal moyen dérivé du signal de vibration haute fréquence est suivi d'un décalage important et persistant du niveau moyen dû à une modification importante des conditions de coupe, et en ce que les moyens d'alerte comprennent des moyens permettant de générer une alerte de rupture d'outil importante nécessitant un arrêt

immédiat du processus de coupe.

10. Procédé de détection des différentes catégories de ruptures d'outil caractérisé en ce qu'il consiste: - à capter les vibrations générées entre un outil de coupe et une pièce à usiner sur une machine-outil pendant une opération de coupe et à générer un signal électrique, à partir duquel on dérive un signal haute fréquence qui indique l'amplitude des vibrations dans une bande haute fréquence choisie; - à capter au moins un paramètre relatif aux forces agissant sur l'outil de coupe et produisant un signal basse fréquence; - à échantillonner et à numériser chaque signal, et à calculer respectivement les signaux moyens basse et haute fréquences à partir d'un nombre donné d'échantillonnages antérieurs; - à détecter un phénomène transitoire, dans le signal moyen haute fréquence qui permette de suspecter une rupture d'outil, ainsi qu'un autre phénomène transitoire, dans le signal moyen basse fréquence qui permette de confirmer la rupture d'outil; et - à déterminer si les premier et second phénomènes transitoires sont quasi-simultanés, et à

générer une alerte de rupture d'outil mineure.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement numérique du signal moyen haute fréquence & la suite de la détection du phénomène transitoire suspect afin de rechercher un décalage brutal et important du niveau moyen du signal qui persiste pendant une période prédéterminée, et qui est du à une modification importante des conditions de coupe, et en ce qu'il comprend la génération d'une alerte de rupture d'outil majeure.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la détection d'au moins un des paramètres en relation avec les forces agissant sur l'outil de coupe comprend la détection de vibrations basse fréquence générées entre l'outil et la pièce à usiner et la génération d'un second signal électrique à

partir duquel le signal basse fréquence est dérivé.

13. Procédé selon la revendication il, caractérisé en ce que la détection d'au moins un des paramètres en relation avec les forces agissant sur l'outil de coupe comprend la détection d'un courant d'entraînement d'axe de machine-outil à partir duquel un signal basse fréquence est dérivé

14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la détection d'au moins un des paramètres en relation avec les forces agissant sur l'outil de coupe comprend la détection d'une vitesse d'axe de machine- outil à partir delaquelle un signal

basse fréquence est dérivé.

15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la détection d'au moins un des paramètres en relation avec les forces agissant sur l'outil de coupe comprend l'utilisation d'un accéléromètre large bande permettant de capter les vibrations et de filtrer le signal électrique pour extraire un signal basse fréquence à partir duquel un

signal basse fréquence est dérivé.

16. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la bande haute fréquence choisie est supérieure a 30 KHz et inférieure à 100 KHz, et en ce que le signal basse fréquence est dérivé à partir d'un

signal de O a 1 KHz.