FR2760082A1 - Mesurage de pistons de moteurs thermiques : procede et systeme pour controle en ligne de fabrication - Google Patents

Abstract

Système de mesurage sans contact, notamment par moyen capacitif, des pistons de toutes tailles. Ce système précis et rapide mesure les alésages de bielle (diamètres de plusieurs sections, coaxialité des axes des alésages de bielle, distances de ces axes à la tête du piston) , grâce à un cylindre de référence (30) immobile par rapport au piston auquel sont rapportées les mesures effectuées par un capteur double mesurant simultanément l'alésage et le cylindre de référence. Les mesures des distances selon la direction des axes des alésages de bielle sont prises par le capteur (85) de la translation (84) du capteur double. Les diamètres extérieurs de la jupe du piston et les gorges des segments du piston sont mesurés par les capteurs (91) , (95) , (93) , (94) et (22) . La version préférée de ce système utilise 32 capteurs capacitifs pour permettre que le mesurage complet d'un piston ne dure qu'une dizaine de secondes.

Description

MESURAGE DES PISTONS DE MOTEURS THERMiQUES:
PROCEDE ET SYSTEME POUR CONTROLE EN LIGNE DE FABRICATION
DESCRIPTiON
La figure 1 montre les cotes importantes d'un piston de moteur thermique: ce sont celles des alésages de tête de bielle, c'est-à-dire le diamètre 6(x) des parties cylindriques à plusieurs positions x selon l'axe de ces alésages, les deux distances hl et h2 des axes A i et A2 de ces alésages à la face supérieure du piston, et la coaxialité des axes Ai et A2 ,le diamètre D de la jupe du piston doit aussi être mesuré, sur 6 niveaux et dans trois plans, à savoir le plan perpendiculaire à Ai ou A2, et aussi dans les deux plans contenant l'axe du piston et situés à 45 degrés des axes Ai et A2 , ce sont enfin les gorges des segments ; beaucoup de ces cotes doivent être mesurées avec une incertitude, toutes erreurs confondues, moindre que 1 micromètre.

De plus, si le temps de cycle de production d'un piston est 11 secondes, il faut que toutes ces mesures soient effectuées en moins de ces 11 secondes, temps de manipulation du piston compris.

Enfin, la machine de mesurage des pistons doit être capable de mesurer tous les types de pistons, c'est-à-dire ceux dont les diamètres D et 8 sont respectivement compris entre 50 et 150 mm pour D et entre 15 et 55 mm pour 6, ces valeurs étant ici données à titre d'exemples indicatifs.

Le but du procédé ou du système de contrôle des pistons selon l'invention est de fournir toutes les mesures ci-dessus mentionnées, avec la précision requise, dans le temps requis et pour tous les types de pistons.

Les mesures sont ici prises sans contact entre les capteurs et les pistons, grâce au moyen capacitif.

L'état de l'art est vite décrit : aucun système, à notre connaissance, n'est aujourd'hui capable d'effectuer les mesures ci-dessus mentionnées, avec la précision exigée, dans le temps total de l'ordre de la dizaine de secondes. Le seul système, aujourd'hui capable d'effectuer sans contact les mesures ci-dessus mentionnées, met en oeuvre des capteurs pneumatiques, mais ces capteurs accumulent plusieurs défauts; d'abord, ils sont incapables d'effectuer des mesures assez ponctuelles, puisque la surface d'intégration de ces mesures pneumatiques est au moins 1 mm2; les capteurs pneumatiques souffrent en outre de deux autres défauts rédhibitoires qui sont la très faible valeur de leur borne supérieure de bande passante, au moins cent fois plus petite que celle des capteurs capacitifs, et leur très faible étendue de mesure, elle aussi couramment cent fois plus petite que celle des capteurs capacitifs.

Ces défauts de performance des capteurs pneumatiques se traduisent par l'incapacité de réaliser une machine qui puisse mesurer tous les pistons. Même pour un piston particulier, aucun système à base de capteurs pneumatiques n'est, à notre connaissance, aujourd'hui capable d'effectuer les mesures ci-dessus mentionnées, avec la précision exigée, dans le temps total de l'ordre de la dizaine de secondes.

L'état de l'art consiste en des mesures avec contact par des machines transposées des machines à mesurer traditionnelles, c'est-à-dire avec des mouvements qui doivent présenter une qualité au moins égale à la précision souhaitée des mesures; visant l'obtention de mesures dont l'incertitude, toutes erreurs confondues, soit moindre que 1 micromètre, les mouvements de ces machines sont nécessairement lents et fragiles, et donc peu compatibles avec la mesure en ligne de fabrication.

Aucune de ces machines n'est par ailleurs capable d'effectuer les mesures d'un piston dans le temps du cycle de fabrication de ces pistons.

La Description sera limitée à l'architecture générale de ce système selon l'invention et à la métrologie des alésages de bielles: mesures de 6 (x), détermination des axes
Ai et A2, et mesures des valeurs de hl et de h2. Les mesures de D et celles des gorges de segments sont classiques: on se contentera de décrire les deux types de capteurs utilisés pour mesurer la jupe et les gorges dans la description de la version préférée du système selon l'invention.

Description.

Les figures 1-9 illustrent la description , la figure 1 montre les cotes à mesurer sur un piston, moins les gorges des segments non représentées ; la figure 2 montre le statif du système et surtout le plateau sur lequel sont posés le piston et les objets.

étalons encadrant le piston qui sont détaillés sur la figure 2bis; les figures 3 et 4 représentent les aides au centrage, par caméra vidéo et par moyen capacitif; la figure 5 montre le capteur double (71) et (74) qui mesurent simultanément l'alésage et le cylindre de référence ; la figure 6 est la façon usuelle de coter un cone ; la figure 7 est le schéma général du système selon l'invention ; la figure 8 détaille le capteur double (70), qui dans la version préférée du système est devenu triple par ajout du capteur (76), destiné à permettre le centrage automatique du piston sur l'axe de mesure , enfin, la figure 9 détaille le capteur multiple (90), les capteurs (91) et (95) permettnt la mesure des diamètres extérieurs du piston ou celui des fonds de gorges, tandis que les capteurs (93) et (94), associés au capteur (22) mesurent les hauteurs de gorges des segments.

On s'intéresse à une machine qui puisse mesurer tous les pistons, c'est-à-dire tous ceux dont les diamètres D et 6 sont compris entre 50 et 150 mm pour D et entre 15 et 55 mm pour 6. Le piston (10) à mesurer, manipulé par un robot, est posé sur sa tête au centre du plateau (20) dont la surface (21) est rectifiée plane et rodée pour pouvoir vérifier sa planéité par le moyen classique des franges d'interférences en lumière monochromatique entre le plan (21) et un étalon plan de silice. Le plateau (20) possède deux mouvements par rapport au statif de la machine: un mouvement de rotation (Oz) autour de son axe Z, normal au plan (21), et un mouvement de translation selon l'axe Z, avec une amplitude de plusieurs centimètres, mesuré par le capteur (22) (fig.2), qui est de préférence un capteur capacitif à emboitement.

Le robot de positionnement place le piston en respectant l'orientation angulaire de sorte que l'axe A du piston et l'axe X puissent être approximativement confondus;
I'axe X appartient au statif ( 11) du système considéré ici, et sera décrit ultérieurement, pages 8 et 9 , pour atteindre ce but, encore faut-il une petite translation selon la direction Y pour tenir compte du décentrement e, compris entre 0 et 1 mm, qui existe entre l'axe du piston et l'axe A, et surtout tenir compte des différences de hauteur h (voir page 1, premier paragraphe), différences qui doivent être absorbées par la translation selon l'axe Z du plateau (20). Sauf si le robot de positionnement du piston est suffisamment précis, le mouvement de rotation (Oz) permet de corriger la position angulaire du piston tandis que la petite translation selon la direction Y, pour tenir compte du décentrement e, peut être effectuée notamment par des poussoirs permettant de corriger le centrage du piston (10) sur (21 ; un exemple de ceci sera fourni dans la description de la version préférée du système. Ces poussoirs pourraient aussi être intégrés dans le plateau (20), à la façon d'un mandrin qui aurait aussi la fonction de maintien du piston sur (21). Le piston peut aussi être plaqué sur (21) par aspiration d'air (25) depuis le centre de (21).

Ces trois déplacements de rotation (ûz) et de translations (y) et (z) peuvent être pilotés par une caméra vidéo dont l'axe optique est centré sur l'axe X: I'analyse de l'image fournie par ce dispositif optique (figure 3) peut guider ces deux déplacements, outre l'alignement de l'axe A sur l'axe X, le diamètre 6 de l'alésage et la hauteur h ont été estimés, à 100 ou 200 microns près, pendant cette opération.

Alternativement, ces trois déplacements (ou), (y) et (z), peuvent être pilotés, en boucle fermée, sur les mesures fournies par un capteur capacitif coaxial à l'axe X, ce deuxième moyen est sensiblement plus économique, malgré la nécessité d'une translation de ce capteur capacitif sur l'axe X: ce capteur capacitif, préalablement reculé, éloigné de l'axe Z, est avancé vers le piston ce capteur capacitif est en fait un multi-capteur réalisé sur une tige cylindrique (4) de diamètre inférieur à la plus petite valeur de 6, par exemple 12 mm; il est constitué d'une électrode (5) placée en bout de la tige (4) et d'une couronne de 4 électrodes (6,7,8,9), deux à deux diamétralement opposées sur les axes Z et Y, comme le détaille la figure 4. La description de la version préférée du système introduit une variante de cette opération de centrage par moyen capacitif.

Après cette opération d'alignement, le piston a donc ses deux axes de tête de bielle presque confondus avec l'axe X de la machine à mesurer selon le procédé, et les opérations de mesurage proprement dites peuvent commencer.

L'état de l'art consisterait à équiper la machine à mesurer les pistons avec un palpeur (à contact) qui explorerait la surface de l'alésage: la qualité de ces mesures est la somme des qualités du palpeur et de la mécanique assurant les déplacements de ce palpeur.

La particularité du procédé ou du système selon l'invention est de permettre la très grande précision de mesures, malgré la rusticité de la mécanique de translation ou de rotation des capteurs; cette rusticité est d'ailleurs le gage de deux avantages, d'une part un relativement faible coût de fabrication du système de mesures des pistons et d'autre part, la bonne longévité de cet équipement. Cette particularité du procédé ou du système selon l'invention résulte de ce que la précision des mesures n'est que très peu dépendante de la qualité des déplacements des capteurs.

Le procédé ici détaillé est innovant en ce qu'il tourne complétement le dos à l'état de l'art et au recours à des mécaniques précises (par exemple, une translation (Tl) parallèle à l'axe de l'alésage, une translation radiale (T2) et une rotation (R1) autour de l'axe de l'alésage), en faisant appel à un objet solide, fixe et dont la qualité majeure doit être la stabilité dimensionnelle, et en effectuant toutes les mesures par référence à cet objet-référence qui est ici une barre cylindrique, rectifiée et identifiée par un laboratoire de métrologie agréé pour pouvoir certifier la cylindrométrie de la barre de référence, ainsi sont remplacés les déplacements précis: les génératrices du cylindre remplacent la translation (Tl), chaque section circulaire remplace la rotation (Ri) ; un ensemble de barres de divers diamètres remplace la translation (T2), non pas de façon continue mais de façon discrète par incréments définis par les différences de rayons de chacune des barres cylindriques, dont le système de mesurage des pistons est équipé , ce système n'utilise qu'une seule barre à la fois, comme détaillé par la formule (2), page 8.

Les mesures de hl ou de h2 sont obtenues aussi par l'intermédiaire de cales-étalons, comme détaillé ultérieurement.

Le matériau constituant cette barre de référence peut être un acier semblable à celui dont on fait les cales ou les bagues étalons un choix encore meilleur est le carbure de silicium, ou tout autre carbure, parce que ces matériaux céramiques ne présentent aucune plasticité, soumis à une contrainte, ces matériaux se déforment élastiquement et retrouvent exactement leur forme initiale dès que la contrainte appliquée revient à zéro, pourvu que cette contrainte n'ait pas excédé la limite élastique, qui est aussi la charge de rupture pour ces céramiques, tous les petits chocs que l'objet peut subir pendant son utilisation ne provoquent strictement aucune déformation plastique chez un objet en carbure, ce qui n'est pas vrai pour un objet en métal, quel que soit ce métal. D'autre part, ces carbures présentent une légère conductibilité électrique, qui est largement suffisante pour servir de cible parfaite pour les capteurs capacitifs. Enfin, ces carbures s'usinent très bien par une pointe diamant ou par rectification.. Toutes ces qualités réunies font de ces barres de carbure rectifiées des références parfaites.

Pour mesurer un alésage, une barre cylindrique de référence sera placée à l'intérieur de l'alésage ; cette barre de référence et l'objet à mesurer présentant cet alésage sont fixes, ou du moins immobiles l'un par rapport à l'autre ; un capteur capacitif double mesure simultanément les deux portions des surfaces de la barre de référence et de l'alésage situées en vis à vis. La figure 5 montre la disposition de l'ensemble des deux surfaces (50) et (60) et du capteur capacitif double (70), avec ses deux électrodes mesurantes (71) et (74) visant respectivement (50) et (60), leurs pistes de liaison à l'électronique de mesure capacitive (72) et (75) et enfin leur garde (73), représentée ici comme commune aux deux capteurs, bien que ce ne soit obligatoirement pas le cas.

Les deux capteurs (71) et (74) sont avantageusement dissymétriques, (74) vise une portion de cylindre bien identifiée et a donc tout bénéfice à être le plus grand possible, par exemple de forme circulaire, ou mieux de forme carrée, deux des côtés du carré étant parallèles à l'axe de la barre de référence (60), voire encore de forme rectangulaire allongée dans le sens de l'axe de (60) et dont le diamètre ou la longueur du côté du carré ou du petit côté du rectangle peut atteindre la moitié de diamètre de (60). Ainsi, la grande surface d'intégration masque, en les moyennant, les effets des griffes ou autres petits défauts de la référence. Le capteur (71) en revanche doit être le plus petit possible, pour mesurer correctement les parties coniques de l'axe de tête de bielle et aussi pour bien mesurer les parties cylindriques qui comportent des évidements de graissage, qu'il faur mesurer aussi. En effet, le diamètre B (avec sa tolérance T) d'une portion conique (13) est généralement coté à une distance spécifiée, A, d'un plan normal (15) à l'axe du cone (16) (figure 6), le capteur idéal serait un capteur ponctuel pratiquement, le capteur réel le meilleur est celui dont la surface d'intégration est optimisée entre les deux tendances contradictoires, I'une qui recherche la meilleure ponctualité et l'autre qui voudrait la meilleure sensibilité (donc la plus grande surface d'intégration) ; le résultat de ce compromis peut être formulé un peu différemment: puisqu'il n'est pas question de sacrifier la qualité des mesures, on demande aux capteurs capacitifs de fournir des mesures avec des écarts de répétabilité plus petits que i 0,1 llm (c'est-à-dire la qualité de mesures minimale pour pouvoir garantir le résultat des mesures du piston avec une incertitude toutes erreurs confondues de + 1 clam ), mais cette exigence de résultats se traduit par une distance maximale de travail au-delà de laquelle les capteurs, selon leur taille d'électrode, ne peuvent plus assurer la précision de mesure demandée. Ces étendues de mesure, Ri, calculées pour des électrodes de forme carrée ou circulaire, sont 30 ,um, 90 clam, 150 clam, 300 llm pour les électrodes carrées, dont les côtés ont respectivement les dimensions 0,1 mm, 0,3 mm, 0,5 mm, 1 mm ,les électrodes de forme circulaire ont des étendues de mesure 12% inférieures. Ces étendues de mesure sont si petites que la seule façon d'utiliser ces capteurs est d'asservir leurs positions par rapport à leur cible pour maintenir ces capteurs à une distance quelconque comprise entre une valeur minimale d'une trentaine de llm et la borne supérieure calculée ci-dessus ; plus l'intervalle d'asservissement est large, moins cet asservissement est contraignant, et donc, plus il peut être rapide. Ce capteur (71) travaille bien sûr sans contact, mais se comporte comme s'il touchait le piston: ce serait exactement vrai si (71) travaillait en méthode de zéro , avec la capacité mesurée par (71) exactement égale à une valeur définie par une capacité de référence, cette méthode de zéro est longue parce que l'asservissement de position de (71), qui doit dans ce cas être très précis, prend relativement beaucoup de temps ; préférentiellement, (71) travaille en méthode d'élongation: sa mesure est prise en compte dans la mesure globale de la distance entre la portion visée du piston et la barre cylindrique de référence (60), mais la majeure partie des fluctuations de cette distance est mesurée par le capteur (74), solidaire de (71). Si le capteur (74) a été calculé pour que son étendue de mesure,
R2, soit 1 mm, par exemple, et si (71) a une électrode carrée de 0,5 mm, le capteur (70) qui combine les deux capteurs (71) et (74) a une étendue de mesure globale de 1,1 mm , si l'alésage (50) et la barre de référence (60) étaient parfaitement coaxiaux, cette barre particulière (60) pourrait mesurer des alésages dont les diamètres pourraient fluctuer de 2,2 mm. Il convient de remarquer que le groupe de capteurs (70) est par construction translatable radialement par rapport à la barre de référence (60): cette translation ((81) et (82), figure 7) maintient (70) centré sur le rayon de (60) perpendiculaire au plan des capteurs constituant (70), c'est-à-dire (71) et (74), seuls les défauts de réalisation mécanique ou de réglage au montage de la machine rendent possible un éventuel décentrement entre (74) et (60); en principe, la perpendiculaire au plan de (74) passant par le centre de ce capteur doit aussi passer par le centre C de la section droite de (60) dont le plan passe par le centre de (74); soit néanmoins El (exprimé en mm) ce décentrement possible par suite d'erreur mécanique en revanche, il existe normalement un décentrement E 2 (mm) entre (50) et (60), simplement parce que, voulant être très rapide et mesurer toutes les cotes utiles du piston en quelques secondes, il est important de ne pas perdre trop de ce temps au centrage de (60) par rapport à (50) ,l'alésage cible (50) ayant un diamètre (p, la différence maximale des diamètres de (50) mesurable avec une barre de référence particulière (dont le diamètre est O), pour le capteur (70) pris en exemple, n'atteint que:
## < 2.(R1 + R2- (#1 + #2)) {1}, expression dans laquelle R1, R2, #1, #2, ## sont exprimés en mm ,E1 et E2 Ont respectivement les valeurs typiques de 0,03 mm (parce que la mécanique est voulue robuste, mais peu précise pour rester fort économique) et 0,1 mm (pour ne pas perdre un temps précieux ni pour centrer le piston ni surtout pour asservir précisement la position du capteur relativement à sa cible). Pour mesurer tous les diamètres d'alésages (p compris entre 18 et 55 mm, la barre de référence utilisée est choisie parmi l'ensemble des barres de référence de la machine pour que la valeur de son diamètre Q, vérifie les inégalités:
( < p - k - 2.(R1 + R2 -(El + E2))) < < ((p -k-0,3) toutes les cotes étant exprimées en (mm) ,k est l'épaisseur du capteur (70), c'est-àdire la distance entre les deux capteurs (71) et (74).

L'analyse des données des capteurs (70) permet de mesurer la circularité de chaque section ou la cylindricité de ces alésages, la géométrie des réserves de graissage , elle permet, par exemple par méthode de Fourier, d'identifier les positions des axes Ai et
A2 de l'alésage de bielle, et donc la coaxialité des axes Ai et 52.

La figure 2 montre le plateau (20) sa surface (21) parfaitement plane reçoit, outre la tête du piston, les deux objets-étalons (51-a) et (51-b), placés de chaque côté du piston et alignés sur l'axe A de l'alésage de bielle. Ces objets (51) sont détaillés sur la figure 2bis: (51) est la combinaison d'une bague étalon (5 ibis) dont le diamètre w est voisin de 6, diamètre de l'alésage de bielle, et d'une cale étalon (51ter) de hauteur voisine de (h - 8/2); il est indifférent que (51) soit un objet unique ou soit constitué de l'ensemble des deux objets (5 ibis) et (site) réunis; I'important est que (51) ou (site) soient bien plaqués sur (21) et que (51) ou (S ibis) soient assez correctement coaxiaux à l'axe A de l'alésage de bielle du piston et que leurs dimensions (diamètres Y et hauteurs H) soient parfaitement identifiés. Une fonction des deux objets (51) est la recalibration des capteurs (70) quand ils mesurent le diamètre identifié, '}'l de (51-a) et T2 de (51-b), par rapport au diamètre (P, lui aussi identifié, de (30) , une autre fonction de (51-a) et de (51-b) est la mesure précise de hl et de lu, respectivement, par le capteur (70) placé par (83) dans le plan vertical vers le bas, face aux minima des cylindres de (51-a) et de (51-b), ou face aux cales (S 1 ter-a) et (5lter-b) , ces mesures fournissent, avec grande précision, les distances entre le plan (21) et l'axe X de (30) aux points d'appui des objets (51-a) et (51-b).

On en déduit les distances hl et lu parce que l'analyse des données des capteurs (70) permet d'identifier les positions des axes Ai et 52 de l'alésage de bielle.

Estimons maintenant le temps de mesure des deux alésages de tête de bielle, en fonction de la dimension de l'électrode de mesure de (71) et en supposant que le capteur (70), unique, est doté de la rotation (Rl) autour de l'axe X' du mandrin (83), de la translation (Tl) parallèle à l'axe X" de la table (84) portant (83), et de la translation radiale (T2), normale à X' dans le plan passant par X' et le centre de (70). Les axes X' et X" sont par construction très voisins de l'axe X qui est défini comme étant l'axe de révolution de la barre de référence utilisée , tous ces axes sont confondus à quelques centièmes de mm et à typiquement 1 mrad près, comme attendu dans une mécanique rustique rappelons que ces axes X, X' et X" sont aussi confondus, à 0,1 mm et lmrad près, avec l'axe A de l'alésage après avoir dégauchi le piston. Nous supposerons que les déplacements du capteur (70) sont assez rapides pour permettre une mesure à chaque dixième de seconde, ce qui est très facilement réalisable avec un asservissement de position radiale de (70) à + 50 microns près (ce que nous avons calculé pour une électrode mesurante de (71) de 0,5 mm de côté), la bande passante des mesures capacitives étant fixée à (0 - 100 Hz) , nous ferons encore l'hypothèse que chacun des deux alésages de tête de bielle est mesuré selon 5 sections dans la partie cylindrique et 10 sections dans la partie conique, soit 15 sections en tout si chacune de ces sections est mesurée tous les 10 degrés, soit 36 mesures par section, soit un total de 540 mesures pour chacun des deux alésages de tête de bielle, on arrive à 1080 mesures, qui prendront 108 secondes en tout. Pour rester en deçà de 10 secondes, il faut augmenter un peu la cadence des mesures, par exemple effectuer 20 mesures par seconde, et surtout il faut multiplier le nombre de capteurs (70): au moins 4 capteurs doubles, voire 6, travaillant en parallèle, ce qui descendrait le temps de mesure des deux alésages à environ 9 secondes. D'où la description de la version préférée du système selon l'invention qui va maintenant être détaillée.

Version préférée du système selon l'invention.

Rappelons que l'axe X, qui est l'axe du cylindre de référence utilisé pour la mesure d'un piston, est solidaire du statif de la machine selon l'invention: en effet, comme le montre la figure 7, l'axe X est défini comme étant l'axe du cylindre de référence (30) qui a été choisi, conformément à {2}, pour le piston en cours de mesurage:
I'axe X est l'axe virtuel auquel sont rapportés toutes les mesures concernant les alésages de tête de bielle. Ce cylindre de référence choisi (30) est monté en mandrin à 3 mors (31), lui-même solidaire d'une translation (32), le mandrin (31) et sa table de translation (32) ayant leurs axes confondus avec l'axe X , de préférence, l'autre extrémité du cylindre (30) présente une pointe de centre qui est placée dans la contrepointe (33) , (32) et (33) sont fixés sur le statif du système, ainsi le cylindre de référence choisi (30) est solidaire du statif de la machine.

Le système selon l'invention possède toute une série de série de cylindres de référence (30), de hauteurs égales (environ 300 mm) et dont les diamètres sont étagés, par exemple tous les mm ,chacun de ces cylindres (30) a été identifié par un laboratoire agréé: leur cylindricité a été mesurée (rectitude des génératrices, plusieurs sections de ces cylindres ont été mesurées par rapport à une génératrice origine marquée sur l'extrémité de (30) , selon le piston à mesurer, et plus spécifiquement selon le diamètre Ô de alésage de tête de bielle, le cylindre de référence (30) qui satisfait les relations {2} est sélectionné dans le magasin des divers cylindres de référence (30) et chargé automatiquement dans le mandrin (31) en respectant la position, toujours la même par rapport à la machine de mesure, de cette génératrice origine marquée sur l'extrémité de (30).

On a choisi d'équiper la machine selon l'invention de quatre capteurs doubles semblables à (70) décrit précédemment, d'épaisseur k voisine de 5 mm; en réalité, ces capteurs doubles (70) sont ici devenus devenus triples, avec l'addition d'un troisième capteur (76) placé à l'extrémité de (70), comme l'esquisse la figure 8 : ce capteur supplémentaire (76) a la fonction anti-collision pour faciliter l'opération de l'alignement de l'axe d sur X, comme détaillé ultérieurement.

Ces quatre capteurs triples sont tenus, chacun, par l'intermédiaire d'une tige (80) et d'un actuateur (81), à un mors du mandrin à quatre mors (82), chaque mors étant doté de la translation assurant la fonction (T2), avec une course de 25 mm environ pour couvrir l'ensemble des diamètres d'alésages à mesurer, voire dégager radialement les 4 capteurs (70) pour effectuer le changement de barre de référence (30), ou au contraire rapprocher les quatre capteurs (70) pour faciliter l'opération de l'alignement de l'axe A sur X. Les quatre tiges (80) ont une longueur typique de 180 mm, au moins égale au diamètre du plus gros piston (ici, 150 mm) plus, comme détaillé ci-après, l'épaisseur des deux bagues-étalons particulières, voire de la bague étalon ordinaire de diamètre voisin de 6 et de deux cales-étalons de hauteurs voisines de h ; le rôle de ces bagues-étalons et/ou cales-étalons est double: assurer le réétalonnage global des capteurs (71) et (74) avant et après la mesure de chaque piston, laquelle mesure n'est validée que si les mesures effectuées sur la bagueétalon avant et après celles du piston présentent des écarts inférieurs à la spécification d'incertitude des mesures du piston. Les déplacements radiaux des quatre actuateurs (81) et ceux des mors du mandrin (82) doivent être assez précisement coplanaires, dans un plan perpendiculaire à l'axe X, et les longueurs des tiges (80) être égales de sorte que les quatre capteurs (71) soient toujours situés, avec une incertitude de position idoine, dans un plan normal à X.

Le mandrin (82) est lui-même monté sur un dispositif(83), assurant la fonction (Ri), capable de le faire tourner les 4 capteurs (70) autour de l'axe X, à raison de i 50 degrés environ pour que les 4 capteurs (70) puissent explorer toute une section de l'alésage à mesurer. L'ensemble (83) est enfin translatable par la table (84), dans la direction X et avec une amplitude de déplacement d'environ 250 mm l'amplitude de cette translation, assurant la fonction (tel), est en effet au moins égale au diamètre du plus gros piston (ici, 150 mm) plus, comme détaillé précédemment et figure 2bis, l'épaisseur des deux bagues particulières (51), voire de la bague étalon ordinaire (S ibis) de diamètre voisin de 6 et de deux cales-étalons (5 lter) de hauteurs voisines de h, plus enco dans les deux cas, il faut une position origine, créée par une butée fixe. La version préférée du système ne choisit pas l'une de ces deux solutions , c'est un capteur capacitif à emboitement, (85), installé dans la translation (84) qui mesure la position
X des capteurs (70); la valeur Co de la capacité de ce capteur (85) est mesurée pour la position des capteurs (70) centrée dans le plan YZ, c'est-à-dire le plan normal à X passant par l'axe du piston: l'avantage du capteur (85) sur un interféromètre ou une règle optique réside dans le fait qu'un capteur capacitif à emboitement est un capteur absolu, la valeur Co de la capacité de ce capteur étant une excellente référence d'origine, dont la qualité est bien supérieure à celle donnée par une butée. Le même argument vaut pour le capteur (22).

Un robot positionne le piston à mesurer sur le système selon l'invention, comme décrit dans le préambule, page 3, ligne 6.à ligne 31. En principe, ce système mesure un grand nombre de pistons de la même série, et les cotes à mesurer sont connues avec une faible incertitude, notamment la distance h entre la tête de piston et l'axe A, alors le plateau (20) est préréglé à l'altitude z correcte, c'est-à-dire que les axes A et
X sont situés pratiquement dans le même plan horizontal en outre, le cylindre de référence (30) qu'il faut utiliser est connu d'avance , simplement, ce cylindre de référence choisi (30) a été nécessairement escamoté pendant le stade de mise en place du piston, ne serait-ce que pour introduire le piston sur son support le retrait de (30) est effectué sans démonter (30) de son support (31), grâce à la table de translation (32) qui déplace (30) selon son axe X , cette version préférée du système selon l'invention utilise une translation (32) dont l'amplitude est 400 mm, de sorte que le cylindre de référence choisi (30) puisse être commodément mis en place dans le (ou retiré du) système de mesure. La translation (32) est réalisée par un vérin pneumatique rapide, avec simplement deux positions, avant et arrière, la butée avant étant la contre-pointe (33) , l'accostage sur (33), comme sur la butée AR, est freiné, puis une légère pression est maintenue pour assurer le bon centrage de (30) sur (33).

Le robot de chargement/déchargement du piston n'est ici pas assez précis pour assurer d'entrée l'alignement correct des axes A et X , I'opération suivante consiste à corriger la position du piston pour amener l'axe A de alésage de tête de bielle à être presque confondu avec l'axe X; cet alignement est obtenu en profitant de ce que le cylindre de référence (30) a été nécessairement escamoté à ce stade de mise en place du piston, ne serait-ce que pour introduire le piston sur son support , les capteurs (70) ont été rapprochés de l'axe X' du mandrin (82), qui est par construction coaxial à l'axe du mandrin (31) et de la contre-pointe (33), c'est-à-dire très peu différent de ce que sera l'axe X du cylindre de référence quand celui-ci aura été mis en place pour le mesurage du piston. Le rôle des capteurs (76), prévenir toute collision avec le piston, apparaît maintenant: ces capteurs (76), rapprochés de l'axe X' du mandrin (82), sont par la translation (84) approchés du piston , si l'axe A du piston n'est pas assez coaxial à X, I'un au moins des 4 capteurs (76) verra sa capacité atteindre la borne supérieure prédéterminée, ce qui provoquera immédiatement l'arrêt de l'approche par (84) , le plateau (20) sera alors entrainé en rotation 0(z) dans le sens induisant une diminution de la capacité du capteur (76) ayant franchi son seuil prédéterminé ; par approximations successives, le plateau (20) sera amené aux positions angulaire et verticale qui permettent l'introduction des 4 capteurs (70) dans l'alésage de tête de bielle, puis la position du piston sera affinée grâce aux mouvements 0(z), z et aux poussoirs solidaires des capteurs (90) de mesure du diamètre extérieur de piston, capteurs qui sont décrits dans le paragraphe suivant ,ces mouvements sont effectués sous le contrôle des capteurs (71) qui ont pris le relais des capteurs (76) , le cylindre de référence (30) est alors introduit et les mesures des alésages peuvent commencer.

Les mesures des diamètres de jupe (en général, 18 diamètres (page I, lignes 10 à 13)) sont effectuées sans contact par une (ou trois) paire(s) de capteurs capacitifs fixés sur le statif du système dans la direction Y (et i45 degrés de Y) ; ces capteurs (90) sont translatables radialement, leurs déplacements étant mesurés par des capteurs (95) dont les mesures ont des incertitudes inférieures à 0,5 zm (I'idéal étant encore une fois des capteurs capacitifs à emboitement). Les axes des capteurs (90) convergent, non pas vers l'axe de centre du piston, mais vers la parallèle à cet axe passant par le point Q de l'axe A situé dans le plan YZ ,la figure 9 montre ce point Q, communément distant de e = 0,5 mm du centre O de la section du piston ; la convergence des capteurs (90) vers Q n'induit aucune erreur sur la mesure de D perpendiculairement à A mais, dans les deux directions diagonales, induiraient une erreur si les capteurs (90) étaient ponctuels: cette erreur est calculée pour divers exemples: erreur de mesure de D par un capteur ponctuel estimée à 0,8 ,um pour un piston de D = 100 mm et e = 0,5 mm, ou erreur de 3,5 zm si le gros piston de diamètre D = 140 mm et un décentrement e = 1 mm ; l'erreur calculée est négligeable pour le premier exemple, elle ne l'est pas pour le second. Pour parer cette difficulté, les capteurs (90) ont leur électrode mesurante (91) rectangulaire avec une longueur de 5 mm dans la direction horizontale normale à Z, et seulement 0,3 mm dans la direction Z, ce qui présente les deux avantages de la relative ponctualité de la mesure selon la direction Z et une parfaite immunité de la mesure visàvis du potentiel décentrement e. En outre, ces mêmes capteurs (90) étant comme le montre la figure 9, portés par une carcasse (92) remplissant la fonction de garde, celle-ci peut entrer dans les gorges du piston, grâce à son épaisseur dans la direction
Z inférieure à 1 mm, c'est-à-dire plus fine que la plus petite largeur de gorge , ainsi, les électrodes (93) et (94), logées respectivement sur les faces supérieure et inférieure de (90) peuvent effectuer, sans contact, la mesure de la largeur des gorges. Le mouvement vertical, z, du plateau (20) support du piston, mesuré par le capteur (22), est utilisé pour les mesures de D à différents niveaux comme pour les mesures de largeur des gorges. Les diamètres de fond de gorges sont mesurés par addition des données des capteurs (91) et (95).

Si la machine à mesurer les pistons n'est pas utilisée pour le contrôle intégral de la production sur la chaîne de fabrication, la très sévère contrainte du temps total alloué à l'ensemble des mesures peut être relachée , alors, un seul pont de mesures capacitives peut être multipléxé sur les 20 capteurs de la configuration minimale, voire 38 capteurs si le système comporte 6 capteurs (90) tous équipés des capteurs (93) et (94), avec l'avantage évident du coût réduit pour la réalisation de ce système
outre le temps de mesure inévitablement plus long, la précision des mesures devient tributaire des instabilités dimensionnelles de l'ensemble du système : les incertitudes de mesure ne pourront rester à l'intérieur du budget spécifié que dans une salle de métrologie, très bien stabilisée en température, et si le système est bien isolé des vibrations, en raison de la durée des mesures.

Si au contraire le temps total de mesurage doit être limité à une dizaine de secondes, tous les 9 capteurs mesurant l'alésage doivent travailler en parallèle (ou en séquence très rapide) et avoir chacun leur pont capacitif; les 13 capteurs (6 (91), 6 (95), (22)) doivent aussi avoir chacun leur pont, même si, dans la configuration décrite, ils ne peuvent travailler en même temps que les 9 capteurs de l'alésage; enfin, les capteurs (93) et (94), au nombre de 2 ou de 12 selon qu'un seul ensemble (90) est équipé ou que les 6 (90) le Sont, demandent eux aussi leur voie spécifique de mesure. Chacune de ces voies de mesure, électronique de mesure capacitive et chaîne d'acquisition des tensions de sortie qui est commune à toutes les voies, peut toujours être contrôlée individuellement grâce à la commutation de l'électronique sur une ou mieux deux capacités étalons, à intervalles réguliers et surtout pendant les temps de repos puisque tous les capteurs ne travaillent pas simultanément.

La version préférée du système comporte 30 capteurs capacitifs, à savoir les 13 capteurs capacitifs de mesure des alésages: 4 (71), 4 (74), 4 (76), et (8 5); les 12 capteurs capacitifs de mesure de D que sont les 6 capteurs ((91) + (95)); les 7 capteurs capacitifs de mesure des largeurs de gorges et des diamètres de fond de gorges que sont le capteur (22) + les 2 capteurs (93) + (94) installés sur deux des six capteurs (90). Enfin, deux capacités-étalons pour la vérification permanente du zéro et du gain sur 2 voies de mesure capacitive affectées à ces contrôles et aussi en réserve sur la machine.

La version préférée du système, qui compte un total de 32 voies de mesure capacitive, utilise deux produits standard de la société Fogale-nanotech, à savoir deux électroniques modulaires MCM160, à 16 voies multiplexées, pilotées par un microprocesseur -DAS 16 > > qui acquiert les mesures sur 16 bits et s'interface directement, via RS232 ou RS485, avec un ordinateur ou un automate programmable. Les 16 voies multiplexées de chaque MCM 160 ne sont pas parallèles, mais en série avec un temps de commutation de 0,2 milliseconde, soit 13,3 millisecondes pour la mesure des 4 rayons de l'alésage pour une position axiale et angulaire donnée des capteurs (70), avec une résolution de 12 bits, ou encore 17,7 millisecondes pour la mesure des 4 rayons de l'alésage pour une position axiale et angulaire donnée des capteurs (70), avec une résolution de 16 bits , le temps de mesure d'une section de l'alésage, avec 36 points / tour et 16 bits de résolution, est 0,16 seconde + le temps pris par les 9 rotations de 10 degrés.

Un robot de positionnement précis ne devrait pas mettre plus de 1 seconde pour prendre un piston, le placer correctement centré sur l'axe X puis après mesures, le remettre dans le panier de classement,, la mise en place du cylindre de référence, déjà monté sur son mandrin (31), peut prendre une demi-seconde ; la mesure complète de l'alésage (14 sections mesurées) dure 2,3 secondes, plus le temps pris par les 14 fois 9 incréments de position, qui prend facilement autant de temps , le retrait du cylindre de référence et des capteurs (70) peut prendre 0,5 s. ,les 18 mesures de D peuvent être prises en 1 seconde, celles des 3 gorges, 2 secondes supplémentaires l'ensemble de ces opérations a duré presque 10 secondes. Le traitement des données est effectué pendant que le robot décharge le piston et prépare la mise en place du piston suivant l'impression des résultats par jet d'encre du code identifiant ce piston est effectuée quand les mesures d'alésage du piston suivant vont commencer le traitement des données ne consomme donc rien du budget de temps alloué, de même que le retour du plateau (20) à sa position initiale pendant le déchargement du piston.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.On peut concevoir d'autres variantes de réalisation du système de mesure des alésages , l'architecture du système peut être modifiée, les électrodes des capteurs capacitifs peuvent présenter des formes et structures quelconques. Par ailleurs, les capteurs peuvent ne pas être capacitifs: tout ce qui a été décrit précédemment peut être transposé à d'autres types de capteurs sans contact, notamment inductifs (capteurs à courants de Foucault ou à réluctance variable) ou encore capteurs optiques (fibres optiques, télémètre autodyne à microlaser, . .

Les électroniques de mesure capacitives ou celles pour les autres technologies peuvent être choisies sans autre limitation que les considérations habituelles de précision et de coût.

Claims (5)

REVENDICATIONS Banc de mesures des caractéristiques géométriques d'alésages de divers diamètres d'une pièce caractérisé en ce qu'un cylindre de référence (30) dont la surface extérieure a été identifiée (circularité de plusieurs sections, diamètre moyen de ces sections, rectitudes des génératrices) est placé dans l'alésage à mesurer 6, en position approximativement coaxiale à cet alésage et fixe par rapport à la pièce qui comporte cet alésage, en ce que les surfaces en vis à vis de l'alésage et du cylindre de référence (30) sont mesurées respectivement par au moins un capteur double (70), formé par 2 capteurs (71) et (74) placés coaxialement dos à dos, et en ce que les positions angulaires et axiales de ce ou ces capteur(s) double(s) (70) sont mesurées respectivement par le capteur angulaire d'un plateau tournant (83) qui porte le capteur double (70) et par le capteur axial (85) d'une platine de translation (84) portant le plateau tournant (83).
1. 2 Banc de mesures, selon la revendication 1, caractérisé par la présence de 2 objets-étalons(51) , constitués chacun d'un objet unique ou d'un ensemble comprenant une bague étalon (51 bis) et une cale étalon (51 ter), dont les diamètres 1, 2 et les hauteurs H1, H2 diffèrent peu des dimensions 6 et h de l'objet à mesurer (1), en ce que ces 2 objets-étalons sont placés, approximativement coaxiaux au cylindre de référence (30) et à l'alésage à mesurer, de part et d'autre de la pièce à mesurer, et en ce que la face de référence de la pièce à mesurer et les objets-étalons sont plaqués sur une surface plane (21) d'un plateau (20).
2. 3 Banc de mesures selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que tout ou partie des capteurs sans contact utilisent le moyen capacitif 4 Procédé de mesure des caractéristiques géométriques d'alésages de divers diamètres de pièces, utilisant le banc de mesures de l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par l'emploi d'un cylindre de référence (30) dont la surface extérieure a été identifiée, ce cylindre étant choisi parmi un ensemble de cylindres identifiés de sorte que son diamètre extérieur respecte les inégalités 2 (2), et ce cylindre (30) servant de cible à au moins un capteur (74), tandis qu'un capteur (71) placé au dos du capteur (74) et coaxial à celui-ci vise la surface de l'alésage (6) à mesurer, les capteurs (71) et (74) faisant partie d'un capteur double (70), et en ce que le ou les capteur(s) double(s) (70) sont déplacés, mais d'une manière qui peut être peu précise, en rotation autour du cylindre (30) et en translation parallèlement aux génératrices du cylindre (30).
3. 5 Procédé de mesures selon la revendication 4, caractérisé par l'emploi de capteurs doubles formés d'un capteur (71) de petites dimensions par rapport à celles du capteur (74).
4. 6 Procédé de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur double (70) est porté par un bras (80) capable d'un asservissement de position approximative par un actuateur (81), piezoélectrique ou autre.
5. 7 Application du banc de mesures selon l'une des revendications 1 à 3 et/ou du procédé selon l'une des revendications 4 à 6 au mesurage des pistons de moteurs thermiques et plus spécifiquement aux alésages de tête de bielle du piston.