Calibration of Machine Tools Using on Machine Probing of an Indigenous Artefact

Les centres d'usinage cinq axes avec deux axes rotatifs facilitent la production des pièces complexes grâce à la capacité de positionnement et d'orientation de l'outil par rapport à la pièce en cours d'usinage. Cependant, le centre d'usinage est vulnérable à de nombreuses sources d'erreurs. L'inspection périodique du centre d'usinage est un élément clé pour obtenir la pièce finie souhaitée dans les limites de tolérances. Les méthodes d'inspection existantes nécessitent un personnel qualifié, un montage spécial et un temps additionnel pour installer les équipements. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de surmonter ces contraintes et développer une nouvelle méthode pour estimer les erreurs paramétrique inter- et intra-axes par palpage d'un artefact indigène directement sur le centre d'usinage. Les palpeurs de déclenchement tactile sont utilisés pour mesurer des facettes de la table de la machine-outil. Un modèle mathématique a été développé pour modéliser les erreurs d'installation de la sonde et des artefacts afin d'enlever leurs effets lors du processus d'étalonnage. Le temps d'étalonnage est de 1 heure et 30 minutes. La validation de cet étalonnage est effectuée en comparant l'artefact du modèle estimé avec les mesures du même artefact obtenu par mesurage sur une Machine à Mesurer Tridimensionnelle (MMT). La capacité de prédiction des erreurs volumétriques du modèle est également validée en prédisant la position de la touche du stylet dans le repère de la pièce usinée pour d'autres facettes sondées pour fin de validation seulement, et les comparer avec les données mesurées par MMT. La distance résiduelle maximale entre l'artefact prédit par le modèle et l'artefact estimé par le MMT est 139.50 μm sans aucun paramètre estimé, et 6.92 μm avec 86 inter- et intra-axes paramètres estimés par le modèle. La technique de calibration proposée est appliquée au centre d'usinage intégré avec des tables de formes prismatique et sphérique (Mitsui Seiki HU40T et Huron KX8-five). Un schéma est proposé pour examiner les performances de la machine au cours d'une journée et entre les jours. La qualité du schéma est validée avec les incertitudes des paramètres calibrés venant de la covariance de l'ensemble des résultats de cycles de mesures effectuées pendant des jours consécutifs.

Abstract

Five-axis machine tools with two rotary axes facilitate the production of intricate parts due to the position and orientation capability of the tool with respect to the workpiece but this flexibility also renders the machine tool vulnerable to numerous sources of error. Periodic inspection is the key to obtain finished part within the prescribed tolerance limits. Existing machine tool inspection methods require trained personnel, special setups and additional time to setup the test equipments. Therefore, the aim of this thesis is to overcome these limitations and develop a new method to calibrate inter- and intra-axis error parameters by on-machine probing of an indigenous artefact. A touch trigger probe is used to measure facets on the existing machine tool table. A mathematical model is developed to model the probe and the artefact setup errors and remove their effects from the estimation process. The calibration time is 1 hour and 30 minutes. The validation of the calibration is done by comparing the model estimated artefact with the Coordinate Measuring Machine (CMM) measured artefact. The volumetric error prediction capability of the model is also validated by predicting the stylus tip positions in the last workpiece branch frame (rigidly connected to the machine table frame) for each facet probing and comparing them with the CMM measurements. The maximum residual distance between the model predicted artefact and CMM artefact is 139.50 μm with no parameters estimated and 6.92 μm with 86 inter- and intra-axis parameters estimated. The proposed calibration technique is applied to the machine tools integrated with prismatic and cylindrical shape tables (Mitsui Seiki HU40T & Huron KX8-five). A scheme is proposed to investigate the machine performance throughout a day and between days supported by the uncertainties of the calibrated parameters estimated from the pooled covariance of the repeated measurement cycles performed for consecutive days. The calibration performance is also evaluated by investigating the repeatability of the uncalibrated indigenous artefact probing against artefact probing strategy, rotary axes indexations, parameters' uncertainties and artefact dismount and remount cycle.