Les différents dispositifs mesurants

Ils permettent la localisation de points de la pièce dans l'espace machine. L’acquisition des points se fait grâce à un palpeur, en interaction avec la pièce. Celui-ci peut être à contact ou non, et de son choix dépend la précision de mesure. Il existe trois classes de palpeurs : le palpeur de forme, le palpeur à contact à bille et le palpeur sans contact.

5.2.1. Le palpeur de forme

Apparu en même temps que les MMT, ce palpeur est la matérialisation d’un élément parfait. Il fait office de gabarit, c'est-à-dire d’élément de référence vérifiant la conformité d’un élément réel. C’est le cas par exemple d’un tampon légèrement conique (le gabarit) introduit dans un alésage. Les inconvénients de ce palpeur sont [COO91] :

• la matérialisation de la surface sur les plus hautes aspérités (« extérieur matière ») ;

• la sensibilité à la géométrie de la pièce ;

• la nécessité d’avoir de nombreux palpeurs différents (en fonction du diamètre de l’alésage) ;

• la difficulté d’automatiser les opérations de palpage.

5.2.2. Le palpeur à bille

Comme son nom l’indique, ce type de palpeur est muni d’une bille à son extrémité, généralement en rubis. Le contact ponctuel bille-pièce permet de définir toutes surfaces par un ensemble de points discrets. Voyons à présent les deux sortes de palpeur à bille.

Le palpeur à bille dynamique

Ici, la bille s’approche de la pièce à vitesse constante et faible, et suivant une normale d’accostage. Le champ d’accélération étant alors nul, il n’y a aucune déformation liée aux forces d’inertie [COO91]. Le système doit donc déclencher au choc de la bille sur la pièce, le palpage est donc dynamique ou à déclenchement (Figure I - 32 a)).

Le palpeur dynamique utilise le principe de la mise en position isostatique d’un solide (Figure I - 32 b)), par l’intermédiaire d’une liaison de Boys (Figure I - 32 c)). Six points de contact permettent de fixer chacun des six degrés de liberté (3 translations et 3 rotations) de la partie mobile, une fois et une seule. Le palpeur fonctionne alors comme un interrupteur électrique. En effet, ces points de contact sont montés en série électriquement et traversés en permanence par un faible courant. Lorsque la bille vient au contact de la pièce, un des 6 appuis tend à se décoller. La résistance électrique du palpeur varie brutalement et une électronique de traitement active la lecture des règles de déplacement des axes de la machine.

Chapitre I: état de l’art sur l’identification et la qualification des déformations en traitement thermique 34 a) b) c)

bille

stylet

corps

points de contact

ressort tarable

Figure I - 32 : Palpeur dynamique : a) constitution, b) partie isostatique, c) liaison de Boys [COO91] En pratique, il est difficile de détecter le moment précis où la bille touche la pièce. Il existe en effet un retard au déclenchement provoqué par le ressort tarable plaquant l’étoile sur les points d’appui (Figure I - 32 b)). Ce ressort définit l’effort minimum de déclenchement pour garantir un contact franc entre la bille et la pièce. Ce retard au déclenchement provoque une flexion du stylet grossièrement proportionnelle au cube de sa longueur d’après la théorie des poutres. Cette flexion du stylet est partiellement corrigée dans la mesure par l’intégration du rayon effectif de la bille du palpeur. Cette mesure du rayon doit être réalisée avec les mêmes paramètres machines (vitesses, accélérations) utilisés pour la mesure de la pièce. Ce rayon effectif et les coordonnées du centre bille sont obtenus par mesurage d’une sphère étalon dont le diamètre est certifié.

Malgré cet étalonnage, il n’est pas possible de corriger la dissymétrie des forces de déclenchement dans le plan perpendiculaire au palpeur. Cette dissymétrie, nommée couramment « l’effet trilobe » (Figure I - 33), est due à la liaison de Boys. En effet, l’effort de déclenchement est plus grand pour décoller les points de contact dans la direction de la force maximale que dans celle de la force minimale (différence de bras de levier). La flexion due à force maximale est de l’ordre de 10 µm avec un palpeur TP2 [HEN07]. Pour accéder à toutes les surfaces de la pièce d’étude de ces travaux de thèse, un palpeur étoile, muni de plusieurs billes, sera utilisé. Il faudra donc les étalonner toutes en mesurant la même sphère de référence afin de déterminer les coordonnées du centre de chacune des billes dans le repère de la machine. Force maximale Force faible Palpeur dynamique Renishaw TP2 Echelle amplifiée 1000 fois

Lors du contact de la bille avec la surface réelle, les coordonnées lues sur les règles de contrôle permettent seulement de déterminer la position du centre de la bille du stylet. Aucune information issue de la mesure ne permet de connaître le point de contact avec la pièce. Pour connaître celles du point dit « mesuré » (Figure I - 34), un calcul est nécessaire. Celui-ci est réalisé par le logiciel de mesure de la MMT, à partir des coordonnées du centre bille, de la normale d’accostage programmée et du rayon effectif de la bille [BAU07].

Point théorique Surface réelle Normale d’accostage Point de contact Surface théorique Point mesuré Centre bille Point théorique Surface réelle Normale d’accostage Point de contact Surface théorique Point mesuré Centre bille

Figure I - 34 : Principe d’acquisition d’un point de mesure avec un palpeur dynamique Les avantages de ce palpeur sont [GON04] :

• la grande vitesse de palpage, le faible encombrement de la tête et le coût modéré ;

• la flexibilité proposée par les nombreuses configurations de stylets possibles. Cependant :

• le palpeur dynamique ne convient pas aux matériaux déformables ;

• suivant la configuration, la longueur du stylet entraîne une flexion non désirée ; • il ne permet pas le balayage continu (scanning) ;

• il donne des résultats moins précis que le palpeur statique. Le palpeur à bille statique

Dans ce cas, la bille est en contact avec la pièce et les axes de la MMT sont immobilisés. L’effort de contact est contrôlé tout en mesurant la position de la tête de palpage. Il existe deux solutions technologiques proposées par les constructeurs de palpeurs.

La première est basée sur un parallélogramme flexible (Figure I - 35) réalisant, pour de faibles déflexions, un guidage linéaire sans jeu et sans frottements. Un système de lecture de déplacement (transformateur différentiel ou petite règle) mesure le déplacement du guidage, tandis que la mesure de la composante de l’effort de contact parallèle à la direction du guidage est mesurée par un électroaimant ou un ressort [COO91].

0

F

Chapitre I: état de l’art sur l’identification et la qualification des déformations en traitement thermique 36

La seconde solution utilise un système métrologique optique haute résolution (0,02 µm), mesurant directement les déflexions du mécanisme entier. Un commutateur optique fait office de déclencheur et fonctionne sans contact, donc sans usure (Figure I - 36 a)). Des têtes de lecture fixées au corps du palpeur mesurent les déflexions du mécanisme entier et non pas d’un seul axe à la fois : cela élimine les erreurs inter-axes (xy, yz et xz) et les effets thermiques et dynamiques. Tête de lecture Grille de diffraction optique (résolution 0.02µm) a) b) BLUM TC50/TC52 Palpeur classique

Figure I - 36 : a) Palpeur à commutation optique (documentation Renishaw) et b) absence d’effet trilobe (Blum-Novotest)

Par rapport au palpeur dynamique, les principaux avantages du palpeur statique sont [BAU07] :

• la précision de mesure : il n’y a pas de déformations dues aux efforts d’inertie car la machine mesure à l’arrêt (sauf en mode continu) ;

• la non-sensibilité vis-à-vis de la longueur du stylet, de par la conception de son système de lecture de déclenchement ;

• la mesure ne comporte pas d’effet trilobe (Figure I - 36 b)) ;

• la possibilité de travailler en mode continu (scanning), pour les applications de contrôle de forme et de numérisation.

Cependant :

• l’ensemble est plus volumineux, plus lourd et plus coûteux ;

• le palpeur statique ne convient pas mieux aux matériaux déformables.

5.2.3. Le palpeur sans contact

Grâce à l’absence de contact, ce type de palpeur présente les avantages communs suivants :

• numérisation à grande vitesse de surfaces quelconques ;

• mesure dans des endroits inaccessibles aux palpeurs à contact ; • mesure sur des matériaux déformables ;

• observation en temps réel de l’évolution de la géométrie de la pièce. Mais :

• la précision est souvent limitée par rapport au palpeur à contact ; • il existe des zones « d’ombres » inaccessibles.

Le palpeur laser

Monté sur la tête motorisée de la MMT (Figure I - 37), ce palpeur envoie une nappe laser sur la pièce et récupère le rayon réfléchi sur une barrette photosensible : le déclenchement est donc optique. Par rapport à un palpeur à déclenchement mécanique, le principal avantage est la grande vitesse de balayage mais la précision est limitée [DALT98] : Renishaw annonce une précision en mesure 1D de Ë25 µm. En effet, celle-ci dépend de la qualité de la réponse optique qui varie suivant la couleur, l’état de la surface et l’existence de

zones d’ombre pour lesquelles la mesure est impossible.

Figure I - 37 : Palpeur optique [COO91] La caméra CCD

Elle est particulièrement bien adaptée aux pièces planes. Les points sont saisis grâce à des techniques de traitement d’images (recherche de contraste, etc.) [KRE05]. Ce système est intéressant pour observer l’évolution en direct de phénomènes (traitement thermique par exemple) pour lesquels aucun contact n’est possible [CAR01] [CLA02].

Le choix du dispositif mesurant a des répercutions sur l’incertitude de l’extraction de la géométrie de la pièce. Pour des emplois sur des pièces de mécanique générale, l’utilisation d’un palpeur dynamique est la plus répandue car il est plus robuste et moins cher qu’un palpeur statique ou qu’un palpeur sans contact. C’est le choix retenu pour procéder à la mesure des pièces étudiées dans ces travaux de thèse.