Méthodes de suivi de l'état des machines-outils par palpage d'artefacts.

Les machines-outils à cinq axes sont des éléments clés de fabrication qui offrent une réduction significative du nombre de montages requis en permettant non seulement le positionnement mais aussi l'orientation de l'outil par rapport à la pièce grâce à trois axes linéaires et deux axes rotatifs. Ceci permet une haute productivité pour l'usinage des pièces complexes comme celles trouvées dans l'industrie aérospatiale. Bien qu'il existe plusieurs méthodes pour la vérification de la performance des machines-outils à cinq axes, elles sont souvent au-delà de la capacité des ateliers d'usinage en termes de personnel spécialisé et de temps de mise en oeuvre. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle méthode de vérification de l'état volumétrique d'une machine-outil à cinq axes. La méthode proposée utilise la mesure d'un nouveau design d'artefact par le palpeur de contact présent sur la plupart des machines. L'artefact proposé est constitué de billes de références. Il est reconfigurable et non-étalonné et permet une flexibilité en termes du nombre et de la position des billes. Un modèle mathématique génère les erreurs volumétriques de la machine en identifiant et séparant les erreurs de montage de l'artefact et du palpeur des données de palpage. Les erreurs de membrure sont incluses dans le modèle mathématique afin d'empêcher les erreurs de montage d'absorber indûment une véritable source d'erreur de la machine. De plus, une analyse des erreurs volumétriques sépare les erreurs des axes linéaires et des axes rotatifs en effectuant un ajustement des moindres carrés entre les centres mesurés et prédits des billes. Une analyse d'incertitude sur la géométrie estimée de l'artefact est effectuée. La répétabilité de la routine de palpage, la stabilité de la géométrie de l'artefact et les erreurs de membrure de la machine sont incluses dans l'analyse. Les résultats montrent que la méthode proposée est capable d'exclure les erreurs de montage des données volumétriques du palpage. La géométrie estimée de l'artefact est validée sur une MMT avec une norme maximale d'erreur de 7.4 μm. La plus grande norme de la distorsion volumétrique restante est de 112.1 μm. Cette erreur se compose d'une norme maximale de distorsion locale de 7.50 μm résultant des axes linéaires et une norme maximale de relocalisation linéaire de 103.89 μm et angulaire de 54.14 μrad résultant des axes linéaires et rotatifs.

Abstract

Five-axis machine tools are key players in manufacturing which offer a significant reduction in the number of setups required by not only positioning but also orienting the cutting tool relative to the workpiece with three linear and two rotary axes. This allows high productivity for the machining of complex parts such as those found in the aerospace industry. Although, there are various methods to verify a five-axis machine tool's performance, they are mostly beyond the reach of the machine shops in terms of specialised personnel and implementation time. This thesis aims to develop a new verification method of the volumetric state of a five-axis machine. The proposed method is based on the measurement of a new artefact design by the touch probe found on most machines. The proposed artefact is formed of master balls. It is reconfigurable and uncalibrated and allows flexibility in number and positions of the balls. A mathematical model generates the volumetric errors of the machine by identifying and separating the artefact and the probe setup errors from the probing data. The link errors are included in the mathematical model in order to prevent the setup errors unduly absorb a genuine machine error source. Furthermore, a volumetric error analysis separates the errors originating from the linear and the rotary axes by performing a least square adjustment between the measured and the predicted ball centres. An uncertainty analysis on the estimated artefact geometry is performed. The probing repeatability, the stability of the artefact geometry and the link errors of the machine tool are included in the analysis. The results show that the proposed method is capable of excluding the setup errors from the volumetric probing data. The artefact's estimated geometry is validated on a CMM with a maximum error norm of 7.4 μm. The largest norm of the remaining volumetric distortion is 112.1 μm. This error is composed of a maximum local distortion norm of 7.50 μm resulting from the linear axes and a maximum norm of linear and angular relocalisation of 103.89 μm and 54.14 μrad, respectively, resulting from the linear and rotary axes.