Remplacement des dispositifs de mesure multipoints et des gabarits par une technique multisensorielle de mesure des coordonnées

de R. Christoph, D. Ferger und U. Lunze

Introduction

De nombreuses procédures de fabrication sont surveillées à l'aide de gabarits et de dispositifs de mesure multipoints. Ces systèmes sont capables de résoudre avec fiabilité des tâches de mesures complexes, cependant avec l'inconvénient de coûts élevés de fabrication, d'entretien et un calibrage approprié..

Multi-sensor co-ordinates measuring technology, together with the most up-to-date software packages, has now developed into an important tool for the efficient replacement of the aforementioned methods. Modern sensing procedures for the recording of the component geometry such as mechanically touching or optically touch-free measuring together with the appropriate software for control, image processing and evaluation open up new applications to co-ordinates measuring technology. Examples of this are shape measurement by means of co-ordinates measuring devices and the measuring of size-, shape- and position deviations of complex component geometries that are assembled from several individual surfaces or contours. This latter becomes necessary for individual deviations on account of the growing functionality of mechanical components with rising tolerance requirements. The functional inter-relations between the individual characteristics must be taken into account during the determination of the size-, shape- and position deviations, so that the prescribed tolerance can be completely made use of in the inspection. Otherwise faulty ratings of components cannot be ruled out.

Calibrage physique

L'illustration 1 montre le disque d'entraînement de l'embrayage d'un véhicule. De telles pièces sont fabriquées en grande quantité avec différentes variantes. La fabrication est réalisée par découpage au moyen d'outils progressifs et de la procédure de trempe tout en remarquant que pendant le refroidissement, des déformations peuvent survenir.

La fonction du disque d'entraînement est influencée par le diamètre des perforations, la largeur des fenêtres et de leurs positions les unes par rapport aux autres. Par exemple, pour chacune des quatre petites perforations, la divergence de position autorisée dépend du diamètre. Sans influencer la fonction, il est possible avec un diamètre de la plus grande valeur autorisée que la divergence de position soit aussi plus importante que lors d'un diamètre plus petit (Principe du matériau maximum DIN EN ISO 2692)

C'est la raison pour laquelle on utilisa d'abord des gabarits physiques sous forme de gabarit à fiche. L'illustration 2 montre le gabarit à fiche du disque d'entraînement considéré. Les tiges du gabarit à fiche représentent la dimension et la position de l'élément correspondant de la pièce comparative géométriquement idéale.

La manipulation d'un tel gabarit à fiche est simple: la pièce à usiner doit s'adapter sur le gabarit sans faire usage d'une force supplémentaire (illustration 3). Donc, le critère de qualité reconnu est " convient " ou " ne convient pas ". Ce calibrage physique ne demande aucune formation supplémentaire des collaborateurs qui peuvent considérer ce contrôle comme un autocontrôle. Ce gabarit est robuste, ce qui est important si l'on prend en considération les procédures de fabrication de découpe et de trempe.

Dans ce cas, le calibrage physique présente des inconvénients décisifs. Pour chaque pièce de série à contrôler, le gabarit doit être fabriqué spécialement. La grande variété des pièces à contrôler rend indispensable de nombreux gabarits différents. Comme le contrôle doit avoir lieu après la découpe et la trempe, le nombre de gabarits est doublé. Outre les coûts de développement et de fabrication des gabarits, il y a d'autres frais pour leur stockage et leur surveillance régulière ainsi que pour les moyens de contrôles et auxiliaires nécessaires.

Die körperlichen Lehren ermöglichen nur eine Gut/Schlecht-Aussage. Ein reagieren zum Beispiel bei einer statistischen Prozessüberwachung ist damit erst möglich, wenn bereits fehlerhafte Teile entstanden sind. Damit sind sie nur bedingt geeignet zur Umsetzung einer Null-Fehler-Strategie.

L'énoncé d'un contrôle du gabarit n'est finalement pas libre à 100% d'influences de l'utilisateur (utilisation d'une force individuelle différente lors du calibrage).

Dispositifs multipoints de mesure

L'illustration 4 montre un élément d'une ferrure de meuble d'une grande complexité.

De telles pièces sont découpées et formées lors de multiples phases de traitement. Elles sont également produites en nombre important et dans de nombreuses variétés. Comme ces pièces ont déjà subi de nombreuses déformations, les dimensions de la chaîne de tolérance doivent être sans cesse contrôlées. Pour résoudre ce problème, on utilise souvent des dispositifs de mesure multipoints (illustration 5).

En alignant de nombreux palpeurs de mesure inductifs, il est possible de résoudre rapidement et avec fiabilité même les problèmes les plus complexes de mesure. Ces palpeurs de mesure s'enchaînent dans une construction complexe et l'évaluation est réalisée par informatique.

Le calibrage du système est réalisé avec les dénommées " pièces maîtresses " (illustration 6) qui doivent être conformément calibrées. Par la suite, les pièces sont posées dans le " dispositif de mesure " et mesurées pratiquement par rapport à la pièce maîtresse et les divergences sont évaluées en conséquence.

Ceci présente l'avantage d'obtenir un résultat qui est une valeur directe de divergence et non seulement une appréciation " convient " ou " ne convient pas ". En outre, les valeurs de mesure sont disponibles électroniquement pour diriger la procédure.

Les coûts d'un dispositif multipoints, y compris les moyens de contrôle indispensables, peuvent rapidement atteindre un ordre de grandeur de plusieurs dizaines de milliers d'euros. En raison de leur construction spéciale, ils ne sont pas universellement utilisables et, bien sûr, chaque dispositif de mesure multipoints nécessite une pièce maîtresse calibrée selon la tâche.

Technique des appareils

Pour augmenter la rentabilité de la procédure de contrôle, il faut donc rechercher des alternatives. Pour cela, les critères suivants étaient importants:

• évaluation simultanée de la dimension, de la forme et de la position.
• évaluation commune de tous les contours réels par rapport aux contours de référence
• déroulement automatique de la mesure
• évaluation automatique et estimation de la qualité des pièces
• Robustesse pendant le traitement en atelier (température, impuretés, oscillations, influence de l'utilisateur)
• une échelle de mesure pour les petites pièces mesurant quelques millimètres jusqu'aux pièces d'une longueur maximale de 1000 mm
• Utilisation universelle également pour d'autres tâches de mesure
• SPC

Dans les deux cas d'applications, les exigences sont remplies au mieux par l'utilisation d'un appareil multisensoriel de mesure des coordonnées avec une fonction de commande numérique par ordinateur, par exemple Scope-Check (illustration 7) ou Video-Check (illustration 8).

Les contours de la pièce à usiner sont saisis et numérisés au moyen d'une caméra à haute résolution dans les procédures de lumière transmise et de lumière réfléchie (ou par des capteurs, analogue à l'illustration 9). Les techniques numériques de filtrage assurent la robustesse nécessaire de la mesure pour que des particules d'impuretés et autres anomalies n'influencent pas le résultat de la mesure. Ces appareils peuvent être équipés avec d'autres capteurs de la technique de mesure des coordonnées (palpeurs mesurant mécaniquement et palpeurs de commutation, scanner au laser entre autres) et axes de mesure supplémentaires (axes rotatifs et oscillants).

Pour la programmation CNC du déroulement des mesures, trois possibilités sont disponibles (illustration 10):

• sur l'appareil, en mode apprentissage (Teach-in) à l'aide de la pièce à usiner
• asur l'appareil, dans le mode CAD-online à l'aide de la géométrie nominale qui a été transmise par le système CAD
• dans le mode CAD-offline au poste de travail CAD et transmission du programme de mesure par l'interface DMIS (DMIS-Dimensional Measuring Interface Specification)

Les résultats de la mesure peuvent être représentés graphiquement ou numériquement et enregistrés. Ils peuvent être mémorisés et comprimés pour d'autres évaluations (règlement statique de procédure).

 

Mesurer avec un appareil multisensoriel de mesure des coordonnées

Les appareils multisensoriels modernes de mesure des coordonnées couvrent une large gamme de différentes tâches complexes. La qualification de l'utilisateur de l'appareil va du collaborateur ayant peu de connaissances qui évalue sporadiquement des mesures jusqu'au spécialiste qui traite toutes les possibilités techniques et réalise des mesures compliquées. Les méthodes de travail très différentes sont assistées de manière optimale par la structure du logiciel d'utilisation de l'appareil. Ainsi, les appareils de mesure disposent, par exemple, de plusieurs niveaux d'accès correspondant aux différents niveaux de qualification de l'utilisateur. Le logiciel dispose d'une construction modulaire qui suffit aux exigences ergonomiques pour que chaque utilisateur ait à sa disposition exactement les fonctions et outils qu'il maîtrise et dont il a besoin. L' "intelligence" du logiciel se charge par exemple de la sélection des zones de l'objet nécessaires à l'évaluation (mise en place d'une fenêtre), de l'élément géométrique à mesurer (droite, cercle) ou des algorithmes de liaison nécessaires pour le calcul de distances et d'angles.

Grâce à cette philosophie avantageuse pour l'utilisateur, la prise de mesures devient aussi facile que la lecture d'un plan de construction.

L'appareil peut ensuite être également employé par des utilisateurs qui ne connaissent pas en détail la procédure de contrôle. Pour ces utilisateurs, le logiciel offre la possibilité de sélectionner exclusivement les numéros de pièces et de démarrer un déroulement automatique du programme. Ceci peut, en alternative, être réalisé par le scanning d'un code à barres sur la commande de fabrication.

En cliquant sur une caractéristique choisie, l'utilisateur peut contrôler sur quel élément géométrique cette caractéristique se base. En continuant à cliquer, on arrive par étapes jusqu'aux opérations individuelles de mesure et à leurs paramètres technologiques (technique sensorielle et éclairage). Parallèlement à l'arborescence, les caractéristiques correspondantes, les éléments géométriques et les résultats des mesures sont également visibles dans la représentation graphique du déroulement de la mesure et dans le protocole numérique de mesure. Les opérations de liaison peuvent être programmées soit dans l'arborescence ou dans une vue graphique.

ToleranceFit - calibrage avec l'appareil multisensoriel de mesure des coordonnées

Pour un contrôle de calibrage des pièces, une observation simultanée des contours actuels scannés, importants pour la fonction avec les contours de référence et les tolérances, est nécessaire. Celle-ci est réalisée au moyen du logiciel Tolerance-Fit (Illustration 14) En partant de la géométrie nominale, qui peut être mise à disposition par le système CAD, une détermination interactive des limites de tolérance est réalisée pour les contours individuels. La mesure des pièces est réalisée par le scanning des contours au moyen d'une caméra ou d'un système de palpation mécanique.

La poursuite de la mesure est désormais réalisée en deux étapes:

• cadrage approximatif
• adaptation dans la zone de tolérance (ToleranceFit)

Pour le cadrage approximatif, l'utilisateur dispose de deux autres possibilités outre la construction d'un système de coordonnées propre à la pièce usinée au moyen d'éléments de géométrie mesurés manuellement ou au moyen de butées:

1. de manière interactive sur l'écran en tirant le point réel avec la souris ou par l'entrée manuelle des valeurs de transformation
2. au moyen d'une option de logiciel, qui réalise le cadrage approximatif en adaptant les gaines convexes des contours réel et de référence.

Le type d'évaluation est aussi une innovation. L'adaptation n'est pas seulement réalisée sur le contour de référence, par exemple selon la méthode du plus petit carré ou de minimalisation de la plus grande divergence avec ensuite une comparaison de tolérance mais est adaptée directement dans la zone de tolérance. L'illustration 14 démontre cette différence de principe des stratégies d'adaptation..

Après une adaptation ToleranceFit, soit tous les points réels avec le plus grand écart possible se trouvent dans la zone de tolérance ou les dépassements inévitables de tolérance sont aussi petits que possibles.

Dans l'illustration 14 b) il est aisé de reconnaître comment les divergences de la zone zoomée deviennent moins importantes par l'adaptation à la bande de tolérance que dans le cas d'une adaptation sur le contour de référence illustration 14a). Dans la zone gauche (non zoomée) de la pièce, les divergences sont plus importantes en raison de l'adaptation de la bande de tolérance mais se trouvent dans le cadre des limites de tolérance

ToleranceFit ne remplace pas seulement le calibrage physique mais livre des informations supplémentaires: les points présentant les plus petites divergences avec les limites de tolérance ou avec des dépassements de tolérance sont exactement déterminés. Par rapport au côté ENTRE, ceci correspond aux points avec le moins de jeu, par exemple où le matériau d'un montage a été écarté. Ces écarts et leur situation peuvent servir de base pour le règlement statistique de la procédure. Ceci permet, au contraire du calibrage physique, des analyses de tendances et une intervention dans la procédure avant que des dépassements de tolérance ne se produisent. Un règlement statistique de la procédure peut aussi se baser sur le déport et la rotation entre les contours réel et de référence déterminés par ToleranceFit - à condition d'une stratégie similaire pour le cadrage approximatif.

En outre, diverses possibilités sont disponibles pour les applications pour visualiser le résultat des mesures et d'autres options, entres autres, pour éliminer des aberrations évidentes.

Mesure intégrée à la fabrication de ferrures de meubles

Die im Einsatz befindlichen Video-Check Portalgeräte sind fertigungsnah eingesetzt und nutzen Videosensorik, taktile 3D-Taster und Lasersensoren zur Lösung der spezifischen Messaufgaben. Zum Teil werden auch Spiegelvorsätze an den Optiken eingesetzt, um die Vorteile der schnellen opt. Messtechnik in anderen Ebenen nutzen zu können.

Les appareils Video-Check sont utilisés au plus près de la fabrication et emploient la technique sensorielle vidéo, des touches 3 D et des capteurs au laser pour résoudre les problèmes spécifiques des mesures. Des réflecteurs additionnels sont aussi placés sur l'optique pour pouvoir utiliser les avantages de la technique optique rapide de mesure à d'autres niveaux.

Le point fort réside dans les mesures optiques car elles permettent des économies de temps des mesures. Par exemple, aujourd'hui, environ 70 - 80 % des caractéristiques sont mesurées optiquement tout en considérant que le temps passé aux mesures tactiles est d'environ 50 % du temps total de contrôle, c'est-à-dire que 20 % des tâches prennent 50 % du temps en raison des procédures de palpation tactiles. Les machines à mesurer sont utilisées en trois phases. L'employé alimente l'installation avec les réceptions de pièces et les pièces appropriées et démarre seulement le programme de mesure. Pour écarter toute erreur de manipulation, l'ordre de fabrication est scanné par un lecteur de code à barres et ensuite le programme des pièces correspondant est démarré complètement automatiquement. Après la mesure, les données de mesures sont transmises automatiquement à un système SPC, évaluées et, si nécessaire, des mesures de correction sont automatiquement transmises aux centres de traitement.

Calibrage de pièces d'embrayage

L'appareil de mesure des coordonnées Video-Check IP, modèle d'établi, est installé près du service de fabrication et, également, muni d'un capot pour éviter ou pour empêcher les influences néfastes de la fabrication (température, impuretés entre autres). Le collaborateur responsable des différentes phases, contrôle de manière indépendante une pièce (ou un petit échantillon) avec le Video-Check en relation avec ToleranceFit dans des laps de temps déterminés. Pour le cadrage approximatif on se sert d'une équerre placée sur la table de mesure de l'appareil et le collaborateur démarre la phase de mesure concernée (illustration 18).

Les remarques et particularités nécessaires concernant les pièces comme, par exemple, le support de la pièce sont indiquées sur l'écran. La mesure et l'évaluation sont réalisées automatiquement et immédiatement. Le résultat de l'adaptation est représenté graphiquement et mémorisé centralement pour la documentation de la qualité de la procédure et pour d'autres analyses. Les tâches de la commande de l'appareil sont donc réduites à un minimum pour la personne chargée de la fabrication et correspondent à celles d'une manipulation correcte d'un gabarit physique. Dans les situations particulières (aberrations reconnaissables du contour scanné), les collaborateurs en charge de la garantie de qualité sont également consultés.

Tandis que les gabarits physiques se rapportant aux pièces doivent être disponibles, le contrôle est désormais réalisé avec un seul appareil de mesure. Bien que celui-ci se trouve dans le service fabrication, de longs trajets pour les employés de la fabrication peuvent être nécessaires entre le dispositif de fabrication et le lieu de contrôle. Cet inconvénient est cependant largement compensé par la moindre densité de contrôle rendue possible en raison du contenu nettement plus élevé des informations de mesure.

Comparaison des systèmes

(↑=avantage, →=Neutre, ↓=inconvénient)

	Mehrstellenmesseinrichtung / Lehre		Multisensor Koordinatenmessgerät
↑	Résultats rapides	→	Disponibilité moyenne du résultat
↑	Complexité / Manipulation	→	Komplexität der Anlagen konstant
↓	Flexibilité ou modifications des pièces faible	↑	Flexibilité ou modifications des pièces élevée
↓	Longs délais d'équipement	↑	Faibles délais d'équipement
↓	Coût du contrôle élevé pour chaque pièce	↑	Faible coût du contrôle pour chaque pièce car universel
↓	Fabrication de la pièce maîtresse et calibrage	↑	Pièces maîtresses superflues
↓	Asservissement compliqué	↑	Asservissement réalisé
↓	Coût de fabrication élevé de l'installation	↑	Coût de fabrication constant (appareils de série)
↓	Compatibilité informatique faible	↑	compatibilité informatique élevée

Les appareils de mesure multisensoriels des coordonnées permettent de mesurer même des pièces complexes en une seule phase car tous les capteurs travaillent dans un système de coordonnées identiques.

Les programmes de mesure existant peuvent être facilement adaptés aux situations de modifications correspondantes. Les délais d'équipement et les coûts de contrôle par pièce sont nettement diminués car, en principe, toutes les pièces sont contrôlées sur un seul et même appareil et que chaque pièce ne réclame pas un gabarit spécial de mesure ou calibrage. La fabrication de pièces de calibrage ou maîtresses est superflue. Donc, les coûts liés au calibrage et à l'entretien (gestion des moyens de contrôle) n'existent pas. La capacité d'asservissement des résultats des mesures aux normes des résultats de mesure existe implicitement. Ces montants d'investissements justifient en cas de grande variété de pièces, un emploi rapide de la technique des appareils multisensoriels correspondants.