Avec les exigences de qualité aujourd’hui imposées dans la très grande majorité des fabrications, la mesure et le contrôle bénéficiant de progrès technologiques ne font que se développer. Malheureusement, des contraintes apparaissent régulièrement qui poussent les fabricants des machines et appareils à souvent se remettre en cause.

Quatre thèmes touchant directement les incidences de la grande précision exigée à pré-sent dans les fabrications vont faire l’objet de cet article dont l’incidence des ondes radio quant à la fiabilité de certains systèmes, la me-sure de précision par une technologie de scanning, la question de la précision virtuelle et réelle des machines de mesure tridimensionnelles et la simplification de la programmation des cycles de mesure sur machines-outils.

Maîtriser l’environnement des fabrications noyé sous les ondes radio
La technologie du “sans fil” s’est installée un peu partout, dans la vie industrielle comme dans celle privée. Depuis les téléphones portables à l’accès Internet Wi-Fi, les ondes hertziennes sont régulièrement plus chargées de signaux électroniques. Les ateliers de fabrication dans les industries mécaniques ont vu, par exemple, la technologie du “sans fil” s’installer autour et sur leurs machines. Et, au fur et à mesure de cet envahissement, l’intégrité des signaux porteurs individuels se trouve compro-mise par des fréquences concurrentielles entre les différents systèmes en place.

Fig. 1 - Le nouveau palpeur Renishaw se montant en broche de machine-outil qui envoie ses informations par radio transmission à spectre étalé de saut de fréquence est très compact. Son diamètre ne fait que 63 mm et sa longueur 79 mm, pouvant ainsi se monter sur une variété de machines, notamment celles dont l’axe Z est limité.

Perturber un appel sur un téléphone portable est une gêne. Mais, qu’un palpeur de mesure sur une machine ne réponde pas à un signal qui définit le positionnement d’une pièce peut être dangereux et coûter fort cher à l’atelier. C’est la raison ayant conduit le spécialiste RENISHAW à développer un nouveau système capable de surmonter les méfaits dûs aux interférences. Ce système porte le nom de transmission radio FHSS pour Frequency Hopping Spread Spectrum que l’on pourrait traduire par radio transmission à spectre étalé de saut de fréquence. Cette technologie s’applique aux palpeurs de mesure montés en broche de machine-outil. On s’en sert pour déterminer le positionnement et l’orientation des pièces, ainsi que pour vérifier la dimension et la position de détails critiques d’une pièce pour s’assurer de la bonne maîtrise du processus d’usinage. Dès l’instant où la touche du palpeur entre en contact avec la surface de la pièce, elle génère un signal qui doit être envoyé à la CNC de la machine afin qu’elle en enregistre la position. Mais, comme le palpeur se trouve dans la broche de cette machine, le signal doit être envoyé à la CNC au moyen d’un système de transmission à distance. Jusqu’à présent, ce type de signal passait par des radio fréquences reconnues de longueur bien déterminée. Seulement, sur des machines de grandes courses et des machines cinq axes où le palpeur ne se trouve plus en ligne avec le récepteur, ce signal devient vulnérable aux autres radio-fréquences et aux bruits électroniques envahissant l’atelier.

Fig. 2 - La transmission du palpeur FHSS saute dans une séquence de fréquences dans la bande de 2,4 GHz : 1) Lors de la première fréquence, le signal entre palpeur et récepteur est nette. 2) Après le premier saut, la fréquence bascule dans un canal d’une bande d’un système plus puissant et, dans ce cas, le signal du palpeur est recouvert et perdu. 3) Ici, la fréquence a basculé à un point de recouvrement avec un système DSSS (semblable à celui utilisé avec un réseau WiFi), transmettant dans une bande de haute fréquence mais avec une faible puissance. Le palpeur a néanmoins assez de puissance pour la franchir alors que le système DSSS dispose d’une large bande pour assurer la transmission. 4) La fréquence est nette, ce qui veut dire que la transmission est réussie. 5) La palpeur continue ses séquences qui visiteront au fur et à mesure tous les canaux disponibles

Les transmissions à spectre étalé sont conçues pour assurer des communications plus fiables entre le palpeur et le récepteur que des transmissions à bande de fréquence unique. Elles fonctionnent en distribuant leurs signaux à travers une bande de fréquence plus large. Ce système tire parti de “sauts de fréquence” pour transmettre un signal utilisant une distribution codée de fréquences différentes identifiées par le transmetteur et le récepteur. La variation du signal réduit les risques d’interférence du même signal entre le palpeur et la CNC de la machine, réduisant par là même le risque de perte d’une touche entre le palpeur et la pièce. Une fois accordés, le palpeur et le récepteur exploitent des sauts de fréquence qu’ils reconnaissent pour surmonter toute interférence présente dans l’atelier sans avoir à changer de fréquence ou de canal. La bande allouée à ce système est divisée en soixante dix-neuf canaux individuels de 1 MHz. Le système FHSS permet, ainsi, à des ensembles multi-palpeurs et autres équipements industriels de coexister avec une fiabilité suffisante pour réduire les risques d’in-terférence. Il apporte une grande souplesse pour placer et orienter le récepteur, notamment dans les cas où il est impossible d’utiliser des systèmes de transmission optique qui exigent une vision en ligne droite. Le récepteur est une combinaison d’antenne et d’interface n’exigeant pas de monter dans l’armoire de la CNC une enceinte séparée. Par ailleurs, les cheminements des câbles conducteurs sont extrêmement simplifiés, ce qui rend l’installation particulièrement rapide et permet de la prévoir facilement sur des machines déjà en service.

La poursuite du développement des équipements élec-troniques et de la technologie du sans fil qui parvient à présent à assurer un contact fiable entre l’émetteur d’un signal et son récepteur est à prendre très sérieusement en considération, notamment lorsque l’on a la responsabilité d’ateliers où l’on fait tourner les machines-outils sans surveillance ou avec un personnel très réduit.


Fig. 3 - Pouvoir ajuster la vitesse de scanning à des détails particuliers comme cet alésage d’un cylindre aboutit à ce que la mesure opérée soit nettement plus précise.





Mettre un turbo dans la métrologie du scanning
Procéder au scanning d’une pièce sur une machine de mesure tridimensionnelle est une opération plus rapide, du fait d’un échantillonage de points plus important, que d’utiliser la méthode des mesures point à point. A la différence des mesures point à point, la précision des données peut être compromise par les flexions dynamiques du système de mesure, incluant la machine elle-même et le palpeur, ce qui tend à s’amplifier avec toute augmentationde la vitesse de la mesure par scanning. Toutes choses étant égales, plus est faible la vitesse de scanning, plus précis sont les résultats. Toutefois, ce n’est guère une solution attrayante pour les entreprises utilisant une machine de mesure tridimensionnelle directement à proximité des machines-outils sur le sol même de l’atelier, ces entreprises ayant besoin de résultats de leurs mesures aussi vite que possible pour s’assurer que leurs machines ne sortent que des pièces bonnes.

Le scanning est une technologie en évolution constante et Carl ZEISS a lancé une troisième génération de son système de scanning appelé VAST Navigator qui répond à la demande pour des temps de mesure plus courts, une précision de contrôle de laboratoire et une répétabilité des résultats des mesures, en particulier dans les environnements industriels. Ce système incorpore et dépend de l’interaction de trois composantes, le palpeur VAST, une option VAST Navigator pour le logiciel de la machine de mesure tridimensionnelle Calypso de Zeiss qui génère automatiquement la stratégie de mesure d’une pièce et un “moteur de scanning” qui est l’unité de commande.

Chez Zeiss, on explique qu’en règle générale la vitesse est tributaire de la rigidité du stylet de palpage. Des stylets longs et fins peuvent être cause de perturbations et, lorsqu’un stylet est modifié, par exemple en y ajoutant une rallonge, la précision de la mesure peut être compromise. Pour s’assurer de la précision des résultats, les opérateurs de machines de mesure tridimensionnelle ont tendance à être conservateurs en ce qui concerne les vitesses de scanning. Toutefois, avec le VAST Navigator l’utilisateur n’a plus besoin de la vitesse de scan-ning qui convient pour une tâche particulière. Le système détermine automatiquement la vitesse optimale de scanning qui sera appliquée sur la machine de mesure tridimensionnelle, le stylet à utiliser et le détail à mesurer. L’utilisateur n’a plus qu’à spécifier les détails du test et la tolérance en jeu pour que le système détermine sa propre vitesse idéale.

Fig. 4 - Les palpeurs de grande longueur comme celui utilisé ici pour un carter de boîte de vitesse,  a tendance à provoquer des erreurs dues à une flexion  dynamique, ce qui exige le recours aux vitesses de mesure plus lentes, normales avec la technologie courante. La détermination automatique de la vitesse de scanning par le système Vast Navigator a permis de scanner cette pièce six fois plus vite qu’en scanning courant, sans aucune perte de précision.

Les mouvements du palpeur sont rationalisés pour obtenir plus rapidement les résultats de la mesure et réduire l’usure de la machine à mesurer. Par exemple, une approche tangentielle autorise une transition douce depuis le chemin suivi par le palpeur jusqu’au point de contact sans passer par la pause et le repositionnement qui caractérisent un déplacement conventionnel. L’arrondissement du chemin suivi par le palpeur évite les départs et les arrêts subits lorsqu’il se déplace dans une zone intermédiaire entre deux point, ce qui réduit l’usure mécanique de la machine de mesure. Un autre raffinement est le scanning en double hélice qui mesure un alésage sur toute sa longueur en un balayage ininterrompu. Le constructeur indique qu’en comparaison avec un scanning conventionnel son nouveau système réduit le temps de mesure de jusqu’à trente pour cent lors d’applications typiques comme pour l’alésage d’un cylindre, ceci tout en maintenant le même niveau de précision. A titre d’exemple, un très long stylet de 680 mm est nécessaire pour mesurer le carter de boîte de vitesse illustré figure 4, accroissant le risque de résultats inacceptables à grande vitesse de scanning. Avec les techniques de scanning courantes, il s’avérait nécessaire de limiter la vitesse de scanning à 20 mm/s pour être assuré de l’incertitude exigée se tenant dans le micron sur le diamètre et la forme des mesures. Le système Navigator a mesuré le carter à la vitesse de 120 mm/s sans aucune perte de précision. Le temps de mesure a diminué, de 50 s avec la méthode traditionnelle, à 12 s avec Navigator, soit une réduction de soixante-quinze pour cent.

De même, l’alésage de 6,3 mm d’un injecteur a été mesuré avec un stylet de 130 mm de long et 3 mm de diamètre. Les meilleurs résultats en scanning conventionnel on exigé une vitesse de 5 mm/s. Avec Navigator, cette vitesse est passée à 12 mm/s pour une précision absolument comparable, coupant carrément en deux le temps d’inspection.

En fait, Zeiss a travaillé sur cette troisième génération du système Navigator en déterminant les caractéristiques de flexion dynamique de ses systèmes de me-sure et en développant un outil logiciel en même temps qu’un système de commande capables de pousser à un maximum la performance possible. Pour l’opérateur ou le programmeur, ce système est si parfaitement intégré que sa technologie est totalement transparente.





Fig. 5 - Les machines de mesure tridimensionnelle mécaniquement précises sont construites avec des matériaux dimensionnellement stables et fabriquées selon des spécifications extrêmement précises.




Comprendre les avantages de la précision mécanique des machines de mesure tridimensionnelle
Traditionnellement, les ateliers d’usinage ont fait confiance aux qualités physiques des calibres et des machines de mesure, dont celles de mesure tridimensionnelle, pour maintenir leurs fabrications à des niveaux de précision satisfaisants. Pour les machines de mesure tridimensionnelle, les critères considérés les plus importants pour leur précision sont la rigidité et la stabilité des matériaux ayant servi à la construction de leurs composants et de leur structure. Plus récemment, cependant, avec l’utilisation très répandue de la cartographie d’erreur pour compenser les variations mécaniques, la focalisation a abandonné l’intérêt porté à ces paramètres physiques. Depuis le début des années quatre-vingts, le développement des machines de mesure tridimensionnelle incorporant une “précision virtuelle” a eu des ramifications significatives chez les utilisateurs. A l’origine, la cartographie d’erreur impliquait un logiciel servant d’aide au calibrage linéaire de la précision des axes de la machine. Avec cette méthode, les règles graduées logicielles de la machine de mesure sont ajustées par des raidisseurs des graduations. Et, comme on peut, ainsi, ajuster la précision en fonction de celle relevée au moyen d’un interféromètre laser, on améliore la précision de la machine de mesure sans rien changer à ses qualités mécaniques.

Peu de temps après l’arrivée de cette technologie, les constructeurs de machines de mesure tridimensionnelle ont commencé à se servir de la cartographie d’erreur pour compenser les imprécisions mécaniques les plus marquantes. Ces constructeurs ont, ainsi, pu réduire les coûts en développant des machines nettement moins précises que celles mécaniquement précises d’origine. La cartographie d’erreur nécessite aussi des interventions plus fréquentes des constructeurs ou de leurs agents pour maintenir la précision des cartes “verrouillées” qui sont inaccessibles aux utilisateurs des machines. Ceci peut créer des niveaux d’incertitude plus élevés et des inconvénients pour ces utilisateurs. D’autre part, la mise à jour des paramètres du relevé cartographique d’origine est plus long pour le procédé de calibrage car il fait fréquemment appel à des vérifications d’autres paramètres. Qui plus est, les calibrages précédents d’une machine de mesure peuvent ne pas être aussi complets que le supposent les utilisateurs. Le procédé de cartographie implique, en effet, un tel travail qu’il n’est pas exceptionnel de découvrir des fichiers cartographiques résiduels ne correspondant pas aux dates de calibrage, n’hésite pas à expliquer un spécialiste fermement attaché à la construction de machines de mesure tridimensionnelles sans au-cun compromis quant à leur précision mécanique. Dans certains cas, de ce fait, la mise à jour d’une machine de mesure dont la précision est basée sur sa cartographie d’erreur peut demander jusqu’au double de temps de celui nécessaire pour calibrer une machine qui est mécaniquement précise d’origine.

Fig. 6 - Les opérations de rodage plan  effectuées à l’aide d’un équipement de mesure de surface qui suit le travail permettent d’obtenir des guidages d’une précision extrêmement élevée.

Basé sur ces considérations, un constructeur bien connu de machines de mesure tridimensionnelles comme WENZEL applique une approche moderne du modèle traditionnel de qualité. Sa société a, en effet, introduit sur le marché une gamme de machines de mesure mettant en avant la haute précision de ses composants mécaniques à la place des systèmes de cartographie d’erreur. Au lieu d’algorithmes, ces machines font appel à des matériaux stables convenant idéalement pour des applications métrologiques. Et, pour obtenir de la haute précision, par exemple, les guidages sont rodés plan manuellement par des techniciens utilisant des autocollimateurs pour guider le travail réalisé. Associé à des portées elles-mêmes de haute précision, cette technique aboutit à sortir des machines d’une extrême précision.

Selon le constructeur, les matériaux couramment uti-lisé pour la fabrication des modèles de machines de mesure tridimensionnelle de précision basés sur la cartographie d’erreur peuvent être loin de l’idéal. Bien des guidages utilisent des combinaisons de matériaux dont l’aluminium prévaut souvent. Mais, si l’avantage de l’aluminium est évident lors de la fabrication, il est doux et se déforme facilement et n’est pas assez stable pour se justifier dans la construction de machines de métrologie. Et, outre le fait qu’il est moins stable, il a un coefficient de dilatation quatre fois supérieur à celui du granit. Un autre facteur défavorable, explique le constructeur, est que la cartographie d’erreur occulte les paramètres mécaniques d’une machine. Durant le relevé cartographique, on mesure l’imprécision globale mais elle n’est jamais indiquée à l’utilisateur. Et, comme il n’existe aucune norme sanctionnant la conception et la précision des cartes d’erreur, l’utilisateur est soumis à une vraie incertitude lorsqu’il est contraint à remplacer la carte d’origine.

Tous ces facteurs accroissent la nécessité d’en revenir à une approche plus conventionnelle de la mesure basée sur une conception et une construction méticuleuses du matériel au lieu de se fier exclusivement au logiciel. A cet égard, Wenzel souligne sa conviction selon laquelle une machine extrêmement précise est encore le meilleur moyen d’assurer des mesures de qualité. Une machine mécaniquement précise n’a rien à cacher et son utilisateur a le droit de savoir si elle n’a été soumise à aucune compensation ou si, au contraire, elle possède intrinsèquement une compensation d’imprécision se montant à dix, vingt ou trente fois les valeurs qui sont indiquées par le procès-verbal de son constructeur. En vérité, ces explications justifient bien des réflexions et les choix à retenir dépendent sérieusement de l’usage attendu des machines retenues dans un atelier.

Fig. 7 - Le système de mesure Visual Quick Code de Haas utilise un palpeur de broche à haute résolution et un palpeur à contact de réglage d’outil.




Simplification des opérations de mesure sur centre d’usinage vertical
Très peu de personnel engagé dans l’usina-ge des métaux conteste l’intérêt d’un palpage destiné à mesurer une pièce pour en accélérer son réglage, pour déterminer les décalages d’outils et assurer le contrôle des pièces en temps réel …  au moins en théorie. Dans la pratique, cependant, les systèmes de palpage se sont souvent avérés difficiles à utiliser et sont considérés trop chers. De ce fait, ils sont devenus souvent comme des outils utilisés essentiellement par des programmeurs expérimentés dans des environnement de grande production. Le système de palpage Visual Quick Code mis au point par HAAS AUTOMATION a été conçu pour que son usage soit efficace et mieux à la portée d’une large gamme d’utilisateurs. Ce système a été récemment développé en coopération avec Renishaw. Il est proposé en option sur les plus récents centres d’usinage à broche verticale. Il est constitué d’un palpeur installé dans la broche, d’un autre à contact pour le relevé de la position des outils (fig. 7) et d’un récepteur optique des données associé à un logiciel spécifique. Il est installé et calibré directement chez Haas à la sortie de la machine.

Ce système comporte un système de programmation utilisant une interface graphique et une routine de questions-réponses pour créer les programmes basés sur codes G. Il ne requiert aucune connaissance de la macro-programmation. Le mécanicien sur sa machine crée les routines pour la mesure d’outil et de pièce en entrant les informations de base par clavier. Par exemple, pour mesurer un angle extérieur d’une pièce et en établir le décalage correspondant, il suffit de sélectionner le gabarit graphique, d’avancer le palpeur de broche à 0,10 mm de l’angle sélectionné et d’entrer le décalage correspondant, par exemple G54, d’approcher la largeur X de la matière, son épaisseur Y et d’indiquer quel angle palper. Ceci fait, une boîte de dialogue demande d’indiquer à quoi appliquer le code G, à un nouveau programme, à un programme existant ou directement à une entrée manuelle des données. Une fois la destination sélectionnée, le code G est automatiquement généré pour la routine de palpage. Si ce code sert à une entrée directe de données, l’opérateur lance le départ du cycle de mesure de la pièce, ce qui entre automatiquement le décalage correct dans la commande. S’il choisit de créer un nouveau programme, celui-ci peut immédiatement être appelé pour démarrer la routine de mesure ou sauvegardé pour un usage ultérieur. Si le code G est inséré dans un programme pièce existant, il peut servir à mesurer chaque pièce et à mettre à jour les décalages avant usinage.

Fig. 8 - L’utilisateur sélectionne le gabarit qui représente l’opération de mesure qu’il  veut effectuer. Dans le cas présent, c’est le gabarit de mesure d’un angle extérieur qui a été sélectionné.

Ce système possède aussi des gabarits pour trouver le centre d’une pièce, palper un alésage ou une proéminence, palper des alésage-alésage ou alésage-proéminence, mesurer des entraxes entre alésages ou proéminences et palper des parois ou des cavités. Le constructeur indique que, malgré son prix attractif, ce système est très complet avec un palpeur à haute résolution capable de bien d’autres tâches qu’identifier le positionnement des outils et servir au pré-réglage des bruts. En utilisant les macros incluses et les méthodes avancées de programmation, il peut assurer le contrôle en cours de cycle d’usinage d’outil et de pièce, assurer automatiquement des compensations de dilatations thermiques et surveiller les usures et bris d’outils. Ces fonctions réduisent les risques de variations inhérentes à l’intervention d’un opérateur et renforcent la confiance dans les usinages sans présence humaine pour assurer la surveillance.