Close-to-process compensation of geometric deviations on implants based on optical measurement data

The production of implants is challenging due to their complex shapes, the filigree structures and the great regulatory effort. Therefore, a manufacturing cell with an integrated optical measurement was realized. The measurement system is used to determine the geometric deviations and to fulfill the documentation obligation. The measurement data are used to create a matrix containing the nominal coordinates and the error vector for compensation points at the relevant shapes. Based on this, the corresponding tool-path segments are isolated in the G-Code and compensated in order to reduce the geometric deviations. With this method, the deviation could be reduced by 85 %. However, it is pointed out, that the result of the compensation strongly depends on the quality of the optical measurement data

Méthodes de compensation des erreurs d'usinage utilisant la mesure sur machines-outils

"RÉSUMÉ:" Cette thèse vise à développer des modèles mathématiques qui utilisent les données d'inspection en semi-finitions pour formuler la compensation de la passe de finition afin d’améliorer la précision d’usinage. Pour la rentabilité industrielle, les tâches de mesure et de compensation doivent être effectuées sous la condition de l’usinage à porte fermée sans interventions humaines. La mesure sur machines-outils est utilisée pour inspecter la pièce immédiatement après la coupe toute en gardant le même montage. Elle détecte les défauts de fabrication vus par la machine-outils. Le fléchissement du système machine-outil-pièce et l'imprécision des dimensions de l’outil de coupe sont les sources les plus importantes de ces défauts. La pièce usinée peut ainsi être inspectée en semi-finitions pour prédire les déviations systématiques qui pourraient survenir plus tard à la passe de finition. Donc, afin de produire une pièce avec une précision acceptable, des actions de correction peuvent être dérivées pour anticiper l'erreur attendue. L’erreur est modélisée comme étant la somme de deux composantes. Une composante indépendante de la profondeur de coupe et liée à la dimension de l'outil tel que l'usure. L'autre dépend de la profondeur de coupe telle que le fléchissement. Un modèle général est présenté, qui relie seulement les résultats d’inspection sur machine-outils pour compenser la passe finale. Le coefficient variable de la compliance de coupe relie, en mode multi-passe, le fléchissement total à la profondeur de coupe. Il est utilisé pour estimer la compensation de la trajectoire. Le modèle est capable de prendre en compte l'effet de la variation de la profondeur de coupe et de l'enlèvement de la matière dans l'estimation de la compensation. Afin de générer la trajectoire compensée sous forme continue à partir de mesures discrètes, une technique de déformation de B-Spline est adoptée pour les données disponibles et appliquées pour calculer la trajectoire compensée à partir d’un nombre limité de vecteurs de compensation discrètes. Les résultats montrent que les erreurs mesurées sur machine-outils peuvent être réduites significativement en utilisant le modèle de compensation proposé. La machine à mesurer tridimensionnelle est utilisée pour vérifier la mesure sur machine de bague étalon. Pour une plaque mince, une erreur de 78 μm est réduite à moins de ± 3 μm. Pour une paroi circulaire avec une raideur variable l'erreur est réduite de -60 à ± 6 μm. Pour une plaque mince de forme libre semblable à un profil aérodynamique, représenté par B-Spline, l'amélioration est de 140 μm à ± 20 μm.----------"ABSTRACT:" On-machine measurement process is used to inspect the part immediately after the cut without part removal and additional setups. It detects the machining defects visible to the machine tool. The system machine-tool-part deflection and the cutting tool dimension inaccuracy are the most important sources of these defects. The machined part can be inspected, at the semi-finishing cut level to identify systematic defects that may occur later at the finishing cut. Therefore, corrective actions can be derived to anticipate the expected error in order to produce a part with acceptable accuracy. For industrial profitability, the measurement and the compensation tasks must be done under the closed door machining requirement without human interventions. This thesis aims to develop mathematical models that use the data inspection of previous cuts to formulate the compensation of the finishing-cut. The goal of the compensation is to anticipate the expected error which is identified under two components. One is independent on the depth of cut and is related to the cutting tool dimension such as the wear. The other is dependent on the cutting depth such as the deflection. A general model is presented which relies solely on-machine probing data from semi-finishing cuts to compensate the final cut. A variable cutting compliance coefficient relates the total system deflection to the depth of cut in multi-cut process. It is used to estimate the compensation of the tool path. The model is able to take into account the effect of the cutting depth variation and the material removal in the estimation of the error at the finishing-cut. In order to generate the continuous compensated tool path from discrete measurements, a B-Spline deformation technique is adapted to the available data and applied to compute the compensated tool path according to a restricted number of discrete compensation vectors. The results show that the on-machine probed errors can be significantly reduced using the proposed compensation model. The coordinate measurement machine is used to verify the on machine measurement of a ring gauge. For a simple straight thin wall, an error of 78 μm is reduced to less than ± 3 μm. For a circular wall with variable stiffness using a multi-cut process, the error is reduced from -60 μm to ±6 μm. For a free form thin wall similar to airfoil profile represented with the B-Spline, the improvement is from +140 μm to ±20 μm