Compensation active des erreurs géométriques d'une machine-outil 5-axes via la modification des retours de position

Abstract

High-accuracy machining requires error compensation. Among various sources of error, such as thermal effects, cutting forces, tool wear and errors induced by actuators or sensors, kinematic errors due to geometric inaccuracies have a significant impact on the final accuracy of the machined part. Furthermore, the addition of rotary axes to linear axes in 5-axis CNC machines increases the complexity of performing accurate tool positioning. Both mechanical and software-based compensation techniques have been tested in the past. However, software-based methods often require specific post-processors, modifications to the NC code, or changes to the internal functions of the NC system. After establishing a geometric model of the structural loop based on fully rigid multibody assumption and performing an identification process by using in situ measurement, the thesis project aims to develop a real-time compensation methodology. The main objective is to enhance the accuracy of the machine tool across its entire workspace. This real-time solution is implemented within the position control feedback loop of each axis, where encoder signals, whether from rotary or linear encoders, are compensated before being sent to the controller. These compensation signals are generated based on the real-time position measurements of all axes and the previously identified geometric model. The embedded controlling system has to fit perfectly into the control command chain to avoid any interruption of the machining process.L’usinage de haute-exactitude nécessite généralement de compenser des erreurs résiduelles. Parmi les différentes sources d’erreurs telles que les effets thermiques, les efforts de coupe, l’usure de l’outil, ou les erreurs induites par les actionneurs ou les capteurs, ce sont les erreurs géométriques dues aux imprécisions de la structure qui ont le plus d’impact sur la précision finale des pièces usinées. De plus, la présence d’axe rotatifs et d’axes linéaires complexifie la précision de positionnement de l’outil. Des techniques de compensation mécaniques et logicielles ont été testées dans le passé. Cependant, les méthodes logicielles répertoriées dans la littérature nécessitent souvent un post-processeur spécifique, une CN ouverte, une modification du programme d’usinage ou des fonctions CN dédiées. Après établissement de modèles géométriques de la structure via une hypothèse des solides rigides, ainsi qu’un processus d’identification des erreurs à partir de mesures in situ, cette thèse vise à développer une méthodologie de compensation en temps-réel. L’objectif principal est d’améliorer la précision de la machine-outil dans l’ensemble de son espace de travail, en étant le plus indépendant possible de la CN et de la pièce à usiner. Cette solution de calcul en temps-réel est intégrée dans la boucle de rétroaction des asservissements en position de chaque axe, où les signaux des codeurs (qu’ils soient angulaires ou linéaires) sont compensés avant d’être envoyés à la CN. Ces signaux corrigés sont générés à partir de la mesure de position réelle des 5 axes et d’une modélisation de l’erreur volumétrique réalisée grâce à l’identification des erreurs faite au préalable. Le système de compensation doit notamment s’intégrer parfaitement dans la boucle de contrôle afin d’éviter toute interruption du processus d’usinage