WO2006077340A1 - Procede pour detecter un changement de matiere lors d’un usinage - Google Patents

Procede pour detecter un changement de matiere lors d’un usinage Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the technical sector means for measuring the current and / or the power absorbed by a drive motor of a tool, in particular a machine tool.
  • the absorbed current and / or the power absorbed by the drive motor of the tool may depend directly on the hardness of the thickness of the layer of material considered: a thickness and / or a high hardness generates a significant power consumption.
  • FIG. 1 represents the work of a tool (O), for example a drill bit, for drilling the various layers of material constituting the product, namely an aluminum layer (Al), a layer of carbon (C), a layer of titanium (Ti).
  • a tool for example a drill bit
  • Al aluminum layer
  • C carbon
  • Ti titanium
  • Pc the detection threshold between the aluminum layer and the carbon layer.
  • This solution can be regarded as satisfactory as long as the tool is new, as can be seen from the solid line curve of FIG. 2 representing machining with a new tool.
  • the detection threshold (Pc) is not crossed, so that the change of material is not detected.
  • the definition of the instant of measurement of the power in full material necessary for the calculation of the relative threshold is very delicate to establish. It is difficult to determine the instant (T 0 ) since the stability of the measurements is very short. As a result, the detection threshold is poorly defined, so that the detection of the material change is very random.
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages in a simple, safe, efficient and rational manner.
  • the technical problem to be solved by the invention is to be able to set the material change threshold, even with very thin machining thicknesses, to overcome the state of wear of the tool and to be able to to cross this threshold, even when the thicknesses of materials to be machined vary significantly.
  • the current or the power absorbed by a drive motor of the tool is measured and positioning detection thresholds are set to each change in current or power measurement.
  • the thresholds are positioned on the derivative of the current and / or the power absorbed.
  • the device comprises a module traversed by the three motor supply phases and integrating the components able to measure the active current and / or the active power absorbed by the motor, said module being connected to a differentiating module of the current and / or power signal, said signal being sent in a comparison module of its derivative with a reference threshold.
  • FIGS. 1, 2, 3 and 4 are graphs showing in particular the power curves as a function of time in the case of a product resulting from a stack of three layers of different materials, the different graphs showing the limits obtained according to the solutions of the prior art;
  • FIG. 5 shows, by a graph, the positioning of the thresholds on the derivative of the power or the current absorbed according to the invention in correspondence with machining curves, illustrated in FIG. 4, one of which represents the machining in a low thickness, while the other represents the same machining with a thickness for the first larger material.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the means for implementing the method according to the invention
  • FIG. 7 represents a machining curve in the context of an automatic drilling of an aluminum / carbon / titanium structure
  • FIG. 8 shows, in correspondence with FIG. 7, the positioning of the detection thresholds on the derivative of the power
  • FIG. 9 shows an operating diagram of an automatic drilling corresponding to the curve of FIG. 7.
  • FIG. 6 illustrates a motor (1) for driving a machine tool tool for example.
  • a module (2) integrating the components able to measure the active current and / or the active power absorbed by said motor (1).
  • the sensor is connected to a differentiation module of the current and / or power signal.
  • the signals of the module (3) are sent to a module (4) for comparing the current or the power absorbed with a reference threshold. It therefore appears that, according to the invention, the reference thresholds are positioned on the derivative of the power or the current absorbed (e).
  • FIG. 5 shows the positioning of the thresholds on the derivative of the power absorbed in correspondence with the machining curves illustrated in FIG. 4.
  • the device can operate with very thin machining thicknesses, since there is no power measurement to achieve to set the material change threshold.
  • the values of the material change thresholds are independent of the wear state of the tool, so that it is possible to display a complete life of the tool at material change detection thresholds. Settings can be made graphically, very easily.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the application of the method and the device according to the invention to the automatic drilling of a structure composed of an aluminum layer, a carbon layer and a layer of titanium.
  • Figure 7 shows the power curve absorbed at the aluminum layer (Al), the carbon layer (C) and the titanium layer (Ti).
  • (A) represents the forward speed change
  • (B) the change of material
  • (M) the stopping of advances
  • (D) the change of speed of the drive motor
  • (E) the speed reached by the drive motor
  • (F) feedrate the speed reached by the drive motor
  • (G) material change
  • (H) feed stop the motor speed change
  • J speed reached engine
  • K advance work.
  • (S1) corresponds to a coin-contact contact detection
  • (S2) corresponds to the carbon aluminum detection threshold
  • (S3) corresponds to the titanium carbon detection threshold
  • (S4) to the material-out detection threshold.
  • Figure 9 which shows the operating flow diagram of the automatic drilling of the aluminum structure, carbon, titanium, according to the graphs of Figures 7 and 8.
  • the method finds an advantageous application for milling operations.
  • the principle is independent of the wear of the tool and is also independent of machining thickness variations in the case of milling operations. Whatever the variations in thickness and machining differences, the material changes considered at the level of the derivatives are always identical.
  • the method finds an application for detecting the piece tool contact, as well as for detecting the output of the material.
  • the derivative of the power can also be calculated numerically.

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Abstract

Le procédé s'applique pour détecter un changement de matière lors d'une opération d'usinage par un outil selon lequel on mesure le courant et/ou la puissance absorbée par un moteur d'entraînement (1) de l'outil et on positionne des seuils pour détecter chaque changement de mesure de courant et/ou de puissance. Selon ce procédé, on positionne les seuils sur la dérivée du courant et/ou de la puissance absorbée.

Description

PROCEDE POUR DETECTER UN CHANGEMENT DE MATIERE LORS D1UN USINAGE
L'invention se rattache au secteur technique des moyens de mesure du courant et/ou de la puissance absorbée par un moteur d'entraînement d'un outil, notamment d'une machine-outil.
Il est connu de réaliser des produits divers en plusieurs matériaux ayant des épaisseurs et des duretés différentes. Par exemple trois matériaux de structures différentes peuvent être superposés en effectuant un empilage, sans pour autant connaître l'épaisseur des différentes couches. Or, il s'avère important, lors d'une opération d'usinage telle qu'un perçage, de pouvoir détecter les changements et transitions de matières afin de pouvoir adapter les conditions d'usinage aux caractéristiques spécifiques du matériau concerné. Par exemple, il est important de pouvoir moduler l'avance et la vitesse de rotation de l'outil, c'est-à-dire d'un moteur d'entraînement.
Bien évidemment, le courant absorbé et/ou la puissance absorbée par le moteur d'entraînement de l'outil, peut dépendre directement de la dureté de l'épaisseur de la couche de matériau considéré : une épaisseur et/ou une dureté importante engendre une puissance absorbée importante.
On renvoie au graphe de la figure 1 qui représente le travail d'un outil (O), par exemple un foret, pour le perçage des différentes couches de matières constituant le produit, à savoir une couche d'aluminium (Al), une couche de carbone (C), une couche de titane (Ti). Sur ce graphe est représentée, en ordonnée, la puissance absorbée par l'outil, tandis qu'en abscisse est porté le temps. A partir de ce graphe, une solution peut consister à placer des seuils pour détecter chaque changement de niveau de puissance, soit (Pc) le seuil de détection entre la couche d'aluminium et la couche de carbone. Cette solution peut être considérée comme satisfaisante tant que l'outil est neuf, comme il ressort de la courbe en traits pleins de la figure 2 représentant l'usinage avec un outil neuf. Par contre, en cas d'usure de l'outil comme montré en traits mixtes sur la figure 2, le seuil de détection (Pc) n'est pas franchi, de sorte que le changement de matière n'est pas détecté.
Pour tenter de remédier à ces inconvénients, on peut tenter d'utiliser le seuil relatif, la puissance absorbée étant mesurée à un instant donné lorsque l'outil usine en pleine matière. Le seuil de détection est alors fixé en relatif par rapport à la mesure effectuée en pleine matière à l'instant (T0). On renvoie au graphe de la figure 3. Cette solution présente toutefois certains inconvénients, compte tenu d'un nombre important de contraintes.
Lorsque les épaisseurs à usiner sont très minces, la définition de l'instant de mesure de la puissance en pleine matière nécessaire au calcul du seuil relatif, est très délicate à établir. Il est difficile de déterminer l'instant (T0) étant donné que la stabilité des mesures est très brève. Il en résulte que le seuil de détection est mal défini, de sorte que la détection du changement matière est très aléatoire.
On observe également que la représentation graphique des seuils relatifs est très délicate étant donné que les seuils sont différents pour chaque usinage. Il est impossible de représenter toute la durée de vie d'un outil avec le seuil de changement matière. Les seuils de réglage relatifs nécessitent une mise au point très longue. Enfin, on a pu observer que pour des usinages dans les matériaux où l'épaisseur varie dans de grande proportion (de 1 à 5 par exemple), le réglage des seuils relatifs ne fonctionne pas toujours. En effet, la mesure de puissance d'usinage et le calcul du seuil de détection de changement matière, doivent être compatibles avec l'épaisseur la plus faible à usiner. Il en résulte que si la puissance ne reste pas constante, en fonction de la profondeur de l'usinage, le seuil relatif ne peut plus détecter le changement de matière.
On renvoie à la figure 4 où la courbe en trait plein représente l'usinage dans une faible épaisseur, tandis que la courbe en traits mixtes représente le même usinage avec une épaisseur, pour le premier matériau, plus importante. A partir d'une certaine épaisseur de perçage, la puissance absorbée augmente régulièrement. La détection avec le seuil relatif ne fonctionne plus.
L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients, d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle.
Le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir fixer le seuil de changement de matière, même avec des épaisseurs d'usinage très minces, de s'affranchir de l'état d'usure de l'outil et de pouvoir franchir ce seuil, même lorsque les épaisseurs de matériaux à usiner varient d'une manière importante.
Pour résoudre un tel problème, il a été conçu et mis au point un procédé selon lequel on mesure le courant ou la puissance absorbée par un moteur d'entraînement de l'outil et on positionne des seuils de détection à chaque changement de mesure de courant ou de puissance. Selon ce procédé, on positionne les seuils sur la dérivée du courant et/ou de la puissance absorbée.
Pour la mise en œuvre du procédé, le dispositif comprend un module traversé par les trois phases d'alimentation du moteur et intégrant les composants aptes à mesurer le courant actif et/ou la puissance active absorbé(e) par le moteur, ledit module étant relié à un module de différentiation du signal de courant et/ou de puissance, ledit signal étant envoyé dans un module de comparaison de sa dérivée avec un seuil de référence.
L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : - les figures 1, 2, 3 et 4 sont des graphes montrant notamment les courbes de puissance en fonction du temps dans le cas d'un produit résultant d'un empilage de trois couches de matériaux différents, les différents graphes montrant les limites obtenues selon les solutions de l'état antérieur de la technique ; - la figure 5 montre par un graphe le positionnement des seuils sur la dérivée de la puissance ou du courant absorbé selon l'invention en correspondance avec des courbes d'usinage, illustrées figure 4, dont l'une représente l'usinage dans une faible épaisseur, tandis que l'autre représente le même usinage avec une épaisseur pour le premier matériau plus importante.
- la figure 6 est un schéma de principe des moyens de mise en œuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 7 représente une courbe d'usinage dans le cadre d'un perçage automatique d'une structure aluminium/carbone/titane ;
- la figure 8 montre, en correspondance avec la figure 7, le positionnement des seuils de détection sur la dérivée de la puissance ;
- la figure 9 montre un organigramme de fonctionnement d'un perçage automatique correspondant à la courbe de la figure 7.
On a illustré figure 6, un moteur (1) d'entraînement d'un outil de machine outil par exemple. Sur les trois phases d'alimentation (a), (b), (c) du moteur (1), un module (2) intégrant les composants aptes à mesurer le courant actif et/ou la puissance active absorbée par ledit moteur (1). Le capteur est relié à un module de différenciation du signal de courant et/ou de puissance. Les signaux du module (3) sont envoyés dans un module (4) de comparaison du courant ou de la puissance absorbée avec un seuil de référence. Il apparaît donc que, selon l'invention, les seuils de référence sont positionnés sur la dérivée de la puissance ou du courant absorbé (e).
On renvoie au graphe de la figure 5 qui montre le positionnement des seuils sur la dérivée de la puissance absorbée en correspondance avec les courbes d'usinage illustrées figure 4.
Les avantages du procédé selon l'invention sont exposés ci-après.
- Le dispositif peut fonctionner avec des épaisseurs d'usinage très minces, étant donné qu'il n'y a aucune mesure de puissance à réaliser pour fixer le seuil de changement matière.
- Les valeurs des seuils de changement matière sont indépendantes de l'état de l'usure de l'outil, de sorte qu'il est possible d'afficher une vie complète de l'outil à des seuils de détection de changement matière. Les réglages peuvent être réalisés graphiquement, très facilement.
- Le seuil de changement de matière détecté est franchi y compris lorsque les épaisseurs de matériaux à usiner varient d'une manière importante.
On a illustré aux figures 7 et 8, l'application du procédé et du dispositif selon l'invention au perçage en automatique d'une structure composée d'une couche d'aluminium, d'une couche de carbone et d'une couche de titane.
La figure 7 montre la courbe de puissance absorbée au niveau de la couche d'aluminium (Al), de la couche de carbone (C) et la couche de titane (Ti). Sur cette courbe, (A) représente le changement de vitesse d'avance, (B) le changement de matière, (M) l'arrêt des avances, (D) le changement de vitesse du moteur d'entraînement, (E) la vitesse atteinte du moteur d'entraînement, (F) l'avance de travail, (G) le changement de matière, (H) l'arrêt des avances, (I) le changement de vitesse du moteur, (J) la vitesse atteinte du moteur, et (K) l'avance travail.
Sur la figure 8, sont représentés le positionnement des seuils de détection sur la dérivée de la puissance absorbée correspondant aux différents changements de matière, et aux différentes vitesses d'entraînement du moteur. Ainsi, (Sl) correspond à une détection contact outil pièce, (S2) correspond au seuil de détection aluminium carbone, (S3) au seuil de détection carbone titane, puis (S4) au seuil de détection sortie matière. On renvoie à la figure 9 qui montre l'organigramme de fonctionnement du perçage automatique de la structure aluminium, carbone, titane, selon les graphes des figures 7 et 8.
Sans pour cela sortir du cadre de l'invention, le procédé trouve une application avantageuse pour les opérations de fraisage. Comme indiqué, le principe est indépendant de l'usure de l'outil et est également indépendant des variations d'épaisseur d'usinage dans le cas d'opérations de fraisage. Quelles que soient les variations d'épaisseur et des différences d'usinage, les changements de matières considérées aux niveaux des dérivés, sont toujours identiques.
On observe également que le procédé trouve une application pour détecter le contact outil pièce, ainsi que pour la détection de la sortie de la matière.
Sans pour cela sortir du cadre de l'invention, la dérivée de la puissance peut aussi être calculée numériquement. Dans ce cas, pour amplifier les variations de matière par rapport au mode d'usinage, il peut être avantageux de calculer la dérivée à l'instant (tn), comme de la différence entre deux échantillons de puissance non consécutifs. Cette pseudo-dérivée trouve avantage lorsque les différences entre les duretés de matière sont faibles.
Les avantages ressortent bien de la description.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
-1- Procédé pour détecter un changement de matière lors d'une opération d'usinage par un outil selon lequel on mesure le courant et/ou la puissance absorbée par un moteur d'entraînement (1) de l'outil et on positionne des seuils pour détecter chaque changement de mesure de courant et/ou de puissance, caractérisé en ce qu'on positionne les seuils sur la dérivée du courant et/ou de la puissance absorbée.
-2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calcule la dérivée numériquement.
-3- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calcule la dérivée selon un intervalle de temps important.
-4- Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un module (2) traversé par les trois phases d'alimentation (a), (b), (c) du moteur (1) et intégrant les composants aptes à mesurer le courant actif et/ou la puissance active absorbé(e) par le moteur, ledit module (2) étant relié à un module de différentiation (3) du signal de courant et/ou de puissance, ledit signal étant envoyé dans un module (4) de comparaison de sa dérivée avec un seuil de référence.
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