Systèmes de surveillance automatique en usinage : moyens et méthodes

Les exigences industrielles et économiques actuelles conduisent les entreprises manufacturières à surveiller, d’une manière fiable et précise, les conditions de réalisation et/ou de fabrication des produits et essentiellement celles liées à l’obtention des pièces par enlèvement de matière. Des systèmes de surveillance automatique d’usinage se révèlent indispensables au bon fonctionnement et à la sécurité du processus de fabrication. Ces derniers favorisent une meilleure qualité des pièces et une productivité optimale. Ce processus de surveillance (de monitoring) s’appuie sur le traitement d’un signal acquis en temps réel lors de la fabrication. Ce signal est basé sur des critères scientifiques qui garantissent une efficacité maximale des informations enregistrées. Dans ce contexte, la présente contribution se propose de présenter une revue des différents résultats issus des travaux expérimentaux portant sur ces systèmes de monitoring. Une première partie de cette communication aura pour objet la présentation des méthodes employées dans la surveillance automatique de la production par usinage des métaux. Plus spécifiquement, nous aborderons les différentes approches de diagnostic à la base des modèles développés par la communauté scientifique. Notre intérêt portera sur l’étude des diagnostics des systèmes industriels et sur les objectifs scientifiques et industriels traitant le système de surveillance afin de détecter précocement toute déviation de comportement de la machine ou de l’outil. Une deuxième partie de cette communication sera consacrée à la mise en situation d’un projet de recherche en cours. Ce projet que nous entreprenons vise la conception et la modélisation d’un système de diagnostic en temps réel de l’usure des outils de coupe en tournage. Ce système envisagé suite à un travail expérimental vise l’évaluation ainsi que la prévention de ces défaillances lors d’une opération de fabrication

La osmoregulación como factor potencial de la distribución diferencial de dos especies crípticas de góbido, Pomatoschistus microps y P. marmoratus, en las lagunas mediterráneas francesas

This study was aimed at the detection of potential differences in the osmoregulatory capacity of two cryptic species of gobies, Pomatoschistus microps (Krøyer, 1838) and P. marmoratus (Risso, 1810), that have different distributions in French Mediterranean lagoons characterised by different salinity regimes. Specimens of both species were experimentally exposed to different salinities, their salinity tolerance was evaluated and their blood osmolality was measured. Both species are strong osmoregulators over a wide range of salinities but P. microps showed higher performances of hyper-regulation at very low salinities (10 and 40 mosm/kg, i.e. freshwater 0.3 and 1.4) and of hypo-regulation at high salinities (1500 mosm/kg, 51). Only P. microps was able to tolerate freshwater exposure over 4 days. We conclude that the high osmoregulatory capacity found in P. microps is linked to its better survival at very low salinities and is a physiological requirement for living in areas such as the Mauguio lagoon where salinity is highly variable. In contrast, as osmoregulation of P. marmoratus is less efficient at extreme salinities, this species cannot colonise such environments and is restricted to habitats where salinity is more stable, such as the Thau lagoon.Este estudio tuvo por objeto la detección de diferencias potenciales en la capacidad osmorreguladora de dos especies crípticas de góbido, Pomatoschistus microps (Krøyer, 1838) y P. marmoratus (Risso, 1810), que presentan diferentes áreas de distribución en lagunas mediterráneas francesas caracterizadas por regímenes de salinidad distintos. Especímenes de ambas especies fueron expuestos experimentalmente a diferentes salinidades, evaluándose su tolerancia a la salinidad y midiéndose su osmolalidad sanguínea. Ambas especies tienen una amplia capacidad osmoreguladora en un amplio rango de salinidades. Sin embargo, en comparación con P. marmoratus, P. microps mostró mayores rendimientos hiper-regulatorios a salinidades muy bajas (10 y 40 mosm/kg, es decir agua dulce 0.3 y 1.4) e hipo-regulatorios a salinidades altas (1500 mosm/kg, 51). Sólo P. microps fue capaz de tolerar la exposición al agua dulce durante 4 días. Podemos concluir que la gran capacidad osmoreguladora encontrada en P. microps está ligada a su mayor supervivencia a salinidades muy bajas, siendo un requerimiento fisiológico para vivir en áreas tales como la laguna de Mauguio, donde la salinidad es muy variable. Por el contrario, puesto que la osmoregulación de P. marmoratus es menos eficiente en salinidades extremas, esta especie no puede colonizar tales ambientes y se ve restringida a hábitats donde la salinidad es más estable, como la laguna de Tha

Etude de l'usinage des matériaux performants et surveillance de l'usinage

A l'heure de la banalisation de l'usinage à grande vitesse et de la surenchère dans les systèmes de surveillance, cette thèse aborde le problème de la bande passante pour l'analyse de l'effort de coupe en fraisage, et développe une nouvelle approche pour l'observation et la surveillance du fraisage. Les dynamomètres à quartz piézoélectriques sont largement utilisés dans le cadre des laboratoires pour qualifier et observer l'usinage. En revanche, leur bande passante est limitée pour l'observation du fraisage, en particulier pour l'usinage à grande vitesse et l'usinage de finition. Le travail développé dans cette thèse démontre toutefois que la table dynamométrique délivre une information qualitative à haute fréquence, même après ses premiers modes de résonance, et permet de détecter des phénomènes fondamentaux dans la compréhension de l'usinage, tels que les fréquences de segmentation du copeau. Une analyse fine de la réponse fréquentielle du dynamomètre sert de base à une correction dans le domaine fréquentiel permettant de doubler la bande passante. Les équipes de recherche sur les machines tournantes ont développé dernièrement des techniques de surveillance de la vitesse angulaire instantanée pour détecter des défauts sur des dents d'engrenage. La transposition de ces méthodes dans le domaine de l'usinage, combinée avec une technique d'échantillonnage originale du signal du codeur de broche, a démontré un potentiel d'observation très prometteur. La vitesse angulaire instantanée de la broche s'est révélée être un très bon signal pour surveiller les opérations de fraisage. Les variations locales de cette vitesse générées par les passages des différentes dents de l'outil associées à un modèle dynamique de la broche en rotation ont permis de reconstruire une image très fidèle du couple d'usinage. De plus, l'évolution de ces variations de vitesse a été démontrée comme étant une excellente indication pour l'état de l'outil, débouchant sur le suivi de l'usure et la détection de la rupture des différentes dents de l'outil. Ce travail ouvre également de nombreuses perspectives pour l'observation et la surveillance de l'usinage, allant d'une meilleure intégration du codeur sur la broche à la détection des modes propres de la broche et la surveillance des vibrations auto-régénérées en usinage.Piezoelectric dynamometers are widely used in laboratory in order to observe and qualify cutting. The study developed in this thesis shows that dynamometer deliver qualitative information in high frequency domain, upper than the its natural modes. Fundamental phenomena can thus be detected, such as chip segmentation frequency. A precise analyse of frequential response of the dynamometer has been used in order to correct the measure in frequency domain. Bandwidth has been doubled. Recently, research groups on rotating machine have developed some monitoring techniques of instantaneous angular speed, in order to detect defect on gear teeth. Adaptation of these techniques in cutting domain, combined with special sampling method of rotary encoder signal, shows very interesting perspectives. Angular speed of the spindle was shown to be an excellent signal for monitoring encoder signal, shows very interesting perspectives. Angular speed of the spindle was shown to be an excellent signal for monitoring milling operations. Local variations of angular speed, due to successive passage of the teeth of the tool associated with dynamic model of the spindle were used for computing a cutting torque very close to real one. Moreover, the evolution of these variations of speed were shown to be a very effective indicator for tool condition monitoring such as wear evolution, or break detection for the different tool teeth.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Le Comportement du système usinant en tournage dur (application au cas d'un acier trempé usiné avec des plaquettes CBN (Nitrure de Bore Cubique))

L'évolution des performances des matériaux pour outils de coupe, et l'amélioration des machines et des systèmes de commande, ont permis de mettre en œuvre l'Usinage à Grande Vitesse (UGV). La diversité des paramètres qui déterminent le niveau de taux d'enlèvement de matière permet d'envisager plusieurs modalités de mise en œuvre de l'UGV, où les facteurs les plus contraignant sont : efforts, vibrations, rugosité, choix d'outils, puissance C'est dans ce contexte que nous avons développé des recherches pour caractériser et fixer le comportement d'outil de coupe en Nitrure de Bore Cubique (CBN). Nous avons relevé et observé expérimentalement le profil de l'usure pour différentes vitesses de coupe. L'analyse de ces profils permet d'apporter une contribution pour une maîtrise industrielle de l'usure des outils de tournage. En résumé, notre étude, essentiellement expérimentale, montre d'abord que la géométrie de la coupe évolue fortement dans le temps de durée de vie d'un outil [...]VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocCACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Le Suivi de la cotation des pièces fabriquées pour la conception coopérante en mécanique

Ce travail de recherche en Conception Mécanique Assistée par Ordinateur (CMAO) est une contribution aux développements en Conception Coopérante, orientée par un point de vue mécanique. Après avoir défini les bases et les concepts de la modélisation des objets mécaniques à base d'entités, une étude bibliographique des gammes automatiques en fabrication est proposée. Ces études permettent de justifier des choix de modèles et conduisent à centrer le travail sur la modélisation et le traitement des cotes de fabrication et de leurs tolérances. Un modèle de cotation des pièces de révolution est proposé. Il s'agit d'une extension 2D de la méthode uniaxiale des "Delta L" initialement proposée par P. Bourdet. Pour tester la validité de l'approche, tout en facilitant la manipulation des paramètres du modèle proposé, un développement logiciel a été réalisé. Une validation expérimentale est nesuite exposée. A partir d'une pièce test, les caractéristiques de dispersion d'usinage et de reprise d'un tour sont évaluées. Ces données sont ensuite exploitées pour prévoir les tolérances de fabrication sur une pièce d'application. Les valeurs ainsi obtenues sont comparées à celles que l'on mesure sur une série de pièces usinées. Les comparaisons entre les tolérances prévues et les dispersions obtenues sont bonnes. Elles permettent de conclure sur l'eeficacité du modèle proposé pour le suivi des cotes tolérancées des gammes de fabrication en Ingénierie Simultanée et en Conception Coopérante. Cette application sur un cas réel permet également de statuer sur la sensibilité du processus aux variations erratiques des éléments de la chaîne d'usinage. En particulier, les perspectives pour une exploitation du modèle pour le suivi dynamique, en temps réel, du comportement des machines outils à commande numérique sont proposées.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocCACHAN-IUT (940162201) / SudocSudocFranceF

Etude de l'usinage des matériaux performants et surveillance de l'usinage

A l'heure de la banalisation de l'usinage à grande vitesse et de la surenchère dans les systèmes de surveillance, cette thèse aborde le problème de la bande passante pour l'analyse de l'effort de coupe en fraisage, et développe une nouvelle approche pour l'observation et la surveillance du fraisage. Les dynamomètres à quartz piézoélectriques sont largement utilisés dans le cadre des laboratoires pour qualifier et observer l'usinage. En revanche, leur bande passante est limitée pour l'observation du fraisage, en particulier pour l'usinage à grande vitesse et l'usinage de finition. Le travail développé dans cette thèse démontre toutefois que la table dynamométrique délivre une information qualitative à haute fréquence, même après ses premiers modes de résonance, et permet de détecter des phénomènes fondamentaux dans la compréhension de l'usinage, tels que les fréquences de segmentation du copeau. Une analyse fine de la réponse fréquentielle du dynamomètre sert de base à une correction dans le domaine fréquentiel permettant de doubler la bande passante. Les équipes de recherche sur les machines tournantes ont développé dernièrement des techniques de surveillance de la vitesse angulaire instantanée pour détecter des défauts sur des dents d'engrenage. La transposition de ces méthodes dans le domaine de l'usinage, combinée avec une technique d'échantillonnage originale du signal du codeur de broche, a démontré un potentiel d'observation très prometteur. La vitesse angulaire instantanée de la broche s'est révélée être un très bon signal pour surveiller les opérations de fraisage. Les variations locales de cette vitesse générées par les passages des différentes dents de l'outil associées à un modèle dynamique de la broche en rotation ont permis de reconstruire une image très fidèle du couple d'usinage. De plus, l'évolution de ces variations de vitesse a été démontrée comme étant une excellente indication pour l'état de l'outil, débouchant sur le suivi de l'usure et la détection de la rupture des différentes dents de l'outil. Ce travail ouvre également de nombreuses perspectives pour l'observation et la surveillance de l'usinage, allant d'une meilleure intégration du codeur sur la broche à la détection des modes propres de la broche et la surveillance des vibrations auto-régénérées en usinage.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Méthodologie d'étude de la coupe (liaison entre Couple Outil Matière et Système Pièce Outil Machine)

La modélisation de l'usinage doit actuellement être réalisée en considérant des méthodologies permettant de lier le Couple Outil Matière (COM) et le système Pièce Outil Machine (POM). Ces méthodologies sont basées sur des modèles physiques, et sur des résultats expérimentaux. Dans ce contexte les paramètres limites du COM en tournage conventionnel, en tournage dur et aussi lors de la coupe aux chocs sont étudiés. Une méthodologie pour déterminer la plage de la vitesse de coupe est établie. L'étude de l'influence de la vitesse de coupe sur les paramètres du COM a montré l'importance du phénomène de fissuration du copeau. La durée de vie est importante pour déterminer des coûts d'usinage. Il est très difficile d'établir une loi robuste. Il est absolument nécessaire de passer par l'expérience. Néanmoins, des valeurs moyennes des exposants de la loi d'usure (Taylor) peuvent utilisés une première approximation basé sur ces études expérimentales, les données nécessaires au métier de l'usineur sont analysées pour établir une méthodologie globale de construction d'un modèle d'information. L'étude est divisée en deux niveaux : le niveau des données basé sur la norme STEP, et le niveau sémantique basé sur les ontologies et PSL. Les grands standards internationaux sont considérés pour proposer une démarche consensuelle.The Machining modelling must be at present realized by considering methodologies allowmg to lmk the Couple Workpiece Tool (CWT) and the Machine-Tool-Workpiece (MTW) system. These methodologies are based on physical models, and on experimental results. In this context the CWT limit parameters COM in conventional turning, in hard bad turnind and also during sbock cutting are studied. A methodology to determine the cutting speed range is established. The tudy of the influence of the cutting speed on the CWT parameters showed the importance of the cbip fissuring phenomenon. The tool life time is important for determining manufacturing cost. It is very difficult to establish a robust law. It iS absolutely necessary to realize some experiments. Nevertheless, mean values of the Taylor's wear law exponents can be used in first estimation. Based on these experimental studies, the data necessary for manufacturers are analyzed to estahlish a global methodology for the construction of an information model. The study is divided into two levels: the data level based on the STEP standard, and the semantic level based on ontologies and PSL. The international standards are considered to propose a consensual method.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocCACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Elaboration de concepts et méthodologies pour l'étude du fraisage de profil lors du passage d'échelles macro-micro

Aujourd hui, la méthode des éléments finis est suffisamment développée pour apporter aux ingénieurs, une aide indispensable lors des étapes de conception et d optimisation des produits manufacturés. Dans certains cas, cette aide dépasse la simple assistance technologique et permet de considérer des lois physiques dans l intimité d un milieu inaccessible aux expériences (fission et fusion nucléaire, propagation des fissures dans les matériaux, ). C est dans ce contexte à la fois scientifique et technologique que porte notre contribution sur la formation du copeau. D un point de vue applicatif et expérimental, notre étude est centrée sur l usinage de l alliage d Aluminium A2024-T351. Cette étude a été accomplie avec 4 étapes principales. La première étape porte sur la mise au point d un modèle numérique 2D, de coupe orthogonale en tournage. Ce travail permet de choisir des solutions de détails pour ce modèle numérique, aussi bien au niveau de la discrétisation et de la partition du maillage qu au niveau du comportement du matériau usiné sur les aspects cruciaux d endommagement et d énergie de rupture. Lors de la deuxième étape ce modèle a été adapté au cas du fraisage de profil en avalant avec un angle d hélice nul, où la matière susceptible d être enlevée a une forme en demi lune, constant sur sa largeur, présente une épaisseur continûment variable et tendant vers zéro. Ce travail et les résultats obtenus permettent de distinguer la zone de coupe macroscopique de la zone microscopique à partir de l épaisseur coupée. L effet de taille bien connu en micromécanique a ainsi été retrouvé lors de ce passage macro-micro à travers l influence de l écrouissage due à la vitesse de déformation du matériau. Le phénomène bien connu expérimentalement de l augmentation quasi exponentielle de l énergie spécifique de coupe avec la diminution de l épaisseur coupée a été étudié en relation avec les divers aspects de cet effet de taille. Pour faciliter l exploitation et proposer un outil de compréhension physique de l enlèvement de matière à la communauté scientifique et à l industrie, dans une troisième étape, le modèle de comportement de Johnson-Cook modifié par une approche basée sur le second gradient de déformation a été développé dans ABAQUS®/EXPLICIT sous la forme d un sous programme (ou sous-routine VUMAT). Finalement, au cours de la quatrième étape, l application a été complètement développée pour simuler le fraisage de profil en avalant, de l alliage d Aluminium A2024-T351. En plus de l effet de taille interne au copeau, les aspects dynamiques liés au comportement du système usinant ont été pris en compte à travers un modèle multi-échelle nommé modèle dynamique hybride de coupe (HDC-modèle) qui combine la rigidité équivalente d'une fraiseuse à grande vitesse (outil, porte-outil, broche, ) au niveau macroscopique avec la mécanique de formation de copeau au niveau mésoscopique. Cette application intégrant à la fois les effets d échelles a pour but de fournir des données numériques sur la surface usinée qui puissent être comparées à des résultats expérimentaux. Malgré les difficultés de modélisation nous avons tenu à élaborer ce modèle complet car c est bien la partie microscopique de la coupe en dynamique haute fréquence ou grande vitesse qui génère la surface usinée. Pour finir, des coupes expérimentales ont été exécutées en tournage et en fraisage pour valider les modèles proposés. Les résultats numériques sont ainsi comparés à ceux expérimentaux à chacune des étapes. De manière générale la concordance des résultats est bonne. Il faut cependant noter le grand nombre de paramètres des modèles numériques qui certains d entre eux peuvent être des paramètres de recalage expérimental. Il apparaît donc que le caractère prédictif du modèle est limité essentiellement par les caractéristiques physiques de la matière usinée. On se retrouve dans la situation purement expérimentale des années 1970-80 qui a vu naître la notion de couple outil-matière (COM). L approche d aujourd hui, à la fois expérimentale et numérique permet cependant de réduire fortement les coûts et de quantifier des phénomènes locaux très intéressants comme par exemple dans notre contribution : La propension à la segmentation et donc à la fragmentation dans certaines conditions de coupe, La longueur du contact copeau, face de coupe, l amplitude des défauts de la surface usinée due à la dynamique globale.Today, finite element method is a sufficiently developed technique, bringing an indispensable help to the engineers, during design and optimization stages of the engineering products. In certain cases, its role exceeds from the simple technological assistance and makes it possible to consider physical laws in the intimacy of the mediums inaccessible to the experimentation (nuclear fission and fusion, cracks propagation in the materials, ). In this context, the present contribution brings a scientific and technological comprehension of the chip formation process. The investigation of chip genesis is not an aim in itself, but it can inform what actually happens during the process. From experimental and application point of view, the work is focused on the machining of an aeronautic Aluminium alloy A2024-T351. This study has been accomplished with four principle stages. Initially, an orthogonal cutting model for the case of turning process has been established. The work makes it possible to emphasize equally on the discretization level leading to an optimised mesh generation to capture physical phenomenon, as well as on the material behaviour level considering crucial aspects of damage and fracture energy. Onward this model was adapted to the case of the down cut milling (with a null helix angle), where the removed material has a half crescent moon like form, presenting a continuously variable chip thickness tending towards zero (with a constant width). This model makes it possible to distinguish the macroscopic cutting zone from the microscopic one, based on the cut thickness. The well-known size effect phenomenon of micromechanics was thus found during macro to micro cutting passage increasing material strength, due to strain rate hardening characteristics of the material. This phenomenon in machining is well-known and corresponds to the quasi exponential increase in the specific cutting energy with the reduction of the cut thickness. To facilitate the exploitation and to propose a physical tool for better comprehension of the material removal (especially at micro cutting level) to the scientific community and industry, in the third stage modified Johnson-Cook material model (strain gradient-based approach) of the equivalent stress has been formulated in ABAQUS®/EXPLICIT via its user subroutine VUMAT. In spite of the modelling difficulties a complete cutting model integrating the size effect phenomenon has been presented. The aim is to provide a numerical data on the machined surface which can be compared with the experimental results. As it is the microscopic cutting part in high frequency and high speed dynamics domain which generates the machined surface. During the fourth stage, the model was completely developed to simulate the down cut milling of Aluminium alloy A2024-T351. In addition to the size effect relating to the chip, the dynamic aspects relating to the machining system were taken into account through the proposition of a multi level cutting model, named hybrid dynamic cutting model (HDC-model). The proposed model combines the rigidity of a high speed milling machine (tool, tool holder, rotor, ) at the macroscopic level with the mechanics of mesoscopic level chip formation. Finally, turning and milling cutting experiments were carried out to validate the suggested models. The numerical results were compared with experimental ones at each stage. In general the results are in good agreement. It is however necessary to note that a number of parameters can affect the numerical model results. The predictive character of the model is primarily limited to the physical characteristics of the machined material. Under these circumstances one finds itself in the purely experimental investigations of 1970-80s, when the concept of tool material coupling (TMC) was conceived for the very first time. Today s approach, which is both experimental and numerical, however makes it possible to strongly reduce the costs and to quantify very interesting local phenomena such as for example in this contribution.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Engrenage spiro-conique (modélisation sous charge appliquée au domaine aéronautique)

Dans les boîtes de transmission montées sur les hélicoptères, les performances d'un couple spiro-conique dépendent principalement de la définition précise des dentures pour assurer à la fois un rapport de transmission de mouvement satisfaisant et la résistance des dentures. Les problèmes de conception et de mise au point d'un couple spiro-conique sont très complexes et nécessitent la fabrication de plusieurs prototypes testés dans les conditions de fonctionnement. L'objectif de ce travail de recherche a été de réaliser un modèle de simulation d'engrènement d'engrenage spiro-conique sous charge. Le modèle développé s'est appuyé sur un logiciel " SPIRO " déjà existant et réalisé auparavant au sein du laboratoire. Ce logiciel permettait d'obtenir entre autres, la géométrie précise simulée à partir de la méthode de taillage Gleason et les variations de l'erreur de transmission à vide. L'objectif général du travail a été de mettre en place des modèles de simulation du comportement sous charge en fonctionnement quasi-statique, tenant compte de l'influence des voiles et des jantes, et compatibles avec les exigences du Bureau d'Etudes. Une validation expérimentale a été effectuée à partir d'une boîte de transmission arrière d'hélicoptère. A l'aide de codeurs magnétique et optique, l'erreur de transmission sous charge a été mesurée et comparée à la simulation numérique. Une analyse des paramètres de positionnement de l'engrenage, à partir de la méthode des plans d'expérience, a permis de mettre en évidence leurs influences non-négligeables sur le comportement mécanique du système.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

A normalized product structure model for the new technologies of material cutting

International audienceA normalized product structure model for the new technologies of material cuttin