Metrology of Machine Tool Compliance under Quasi-Static Condition

Les industries comme l'aérospatiale, l'automobile, etc. exigent une productivité élevée et une grande précision des pièces usinées, ce qui requiert une rigidité élevée des machines-outils. En outre, pour maintenir la machine dans l'état de performance souhaité, il est crucial de surveiller et de compenser la précision des machines. Cette thèse présente de nouveaux modèles, artefacts et méthodologies pour surveiller la précision d'une machine-outil en analysant à la fois sa compliance articulaire et sa compliance volumétrique. La compliance volumétrique de la machine est étudiée en fonction de la position, de l'orientation et de la charge. Le nouveau modèle de compliance des articulations est mis au point et est estimé indirectement à différents niveaux de charge volumétrique radiale et de données de déplacement obtenu au moyen du test de la barre à double bille chargée (LDBB). Une matrice jacobienne numérique du changement de la longueur de la LDBB en fonction des compliances articulaires et des forces appliquées est générée en utilisant le modèle cinématique et de compliance du mécanisme en série. Les simulations et l'étude de la matrice jacobienne numérique indiquent une dépendance entre les compliances des axes X et Y en raison de la nature de l'essai. Il est démontré que les compliances dominantes sont les compliances le long des articulations X et Y soit CXXX et CYYY. Le modèle permet de séparer la contribution de certains groupes de compliance pour guider les réparations et prévoir la déviation dans diverses conditions telles que lors de l'usinage. Étant donné que des erreurs géométriques peuvent aussi influencer les résultats de la LDBB, on introduit le modèle élasto-géométrique qui utilise le principe de superposition pour séparer les effets de la compliance des articulations et des erreurs géométriques sur la position radiale de l'outil par rapport à la pièce. Les paramètres du modèle élasto-géométrique sont ajustés avec les lectures LDBB pour différents niveaux de force en identifiant parmi les erreurs celles qui changent avec la force (effet de compliance) de celles qui ne changent pas (effets géométriques). Il a été démontré qu'au niveaux de force inférieur et supérieur, les erreurs géométriques et de compliance dominent, respectivement. La compliance étant supposée constante dans le premier modèle élaboré, cela peut être la cause du changement apparent des paramètres d'erreur géométrique à différents niveaux de force. Par conséquent, le modèle de compliance a été enrichi par une fonction linéaire de la force appliquée pour traiter toutes les données de niveau de force ensemble, de sorte que la géométrie estimée reste la même à tous les niveaux de force. Un nouvel appareil d'essai, le Ball-Roller Bearing Device (BRBD) est présenté. La rigidité volumétrique de la machine est examinée par ce dispositif. La force et l'engagement sont calculés à partir du courant du servomoteur et des lectures de l'encodeur disponible via la commande numérique de la machine, respectivement, ce qui en réduit le coût et augmente la robustesse. On observe que la rigidité de la machine augmente avec le niveau de force. En résumé, ces travaux contribuent au développement de modèle et de l'appareillage de mesure pour évaluer la précision d'une machine-outil du point de vue de la compliance. Le modèle et le dispositif développés peuvent quantifier la compliance de la machine et déterminer son origine dans la structure de la machine, information utile pour l'auto-étalonnage et l'auto-caractérisation de la machine-outil.

Abstract

Industries such as aerospace, automotive, etc. require high productivity and high accuracy of the machined part, which demand high stiffness of the machine tool. Furthermore, to keep the machine in the desired performance condition, it is crucial to monitor and compensate for the machine's compliance. This research presents modeling, novel artefact, and methodology developed to monitor the accuracy of the machine tool by analyzing both machine axes and volumetric compliance under loaded conditions. The machine's volumetric compliance can be studied as a function of position, orientation, and load. A joint compliance model is developed and indirectly estimated using different levels of volumetric radial load and displacement data obtained via the Loaded Double Ball Bar (LDBB) test. A numerical Jacobian of the change in the LDBB length as a function of the machine joint compliances and the applied forces is generated by using the kinematic and compliance model of the serial mechanism. Simulations and investigation of the numerical Jacobian matrix reveal confounding among the X- and Y-axis compliances due to the nature of the test. It is shown that dominant compliances were the on-axis compliances including