Séparation des erreurs et identification géométrique d'axes de rotation des machines-outils : Conception d'un système de mesure et essais in situ instrumentés

Error separation and geometric identification of machine-tool rotary axes : Design of a measuring system and instrumented in situ tests

• Auteur / Autrice : Daniel Maldonado Pimiento
• Direction : Gérard Poulachon, Sylvain Lavernhe, Fabien Viprey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire) - Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire)
• Jury : Président / Présidente : Hichem Nouira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Poulachon, Sylvain Lavernhe, Fabien Viprey, Hichem Nouira, Hélène Chanal, René Mayer, Jean-Yves Dantan, Cédric Bonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Chanal, René Mayer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique -- Informatique

Mesure

Thèses et écrits académiques

Machines-outils

Mots clés libres

Machine-Outil

Identification

Conception

Erreurs geometriques

Separations d'erreurs

Modélisation

Machine-Tool

Design

Identification

Geometric errors

Errors separation

Modeling

Résumé

Les pièces mécaniques complexes présentant une grande exactitude géométrique et dimensionnelle nécessitent un usinage multi-axes avec de faibles erreurs volumétriques. Pour atteindre une exactitude micrométrique, les erreurs géométriques de la machine-outil doivent être correctement identifiées puis corrigées. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la métrologie des machines, en proposant un système de mesure in situ. Ce système est conçu et fabriqué pour assurer la mise en place de trois méthodologies différentes de séparation des erreurs : le retournement simple de Donalson, le multi-retournement ainsi que la méthode multi-capteurs. Une étude mathématique des méthodologies de séparation est réalisée et une optimisation de ces méthodologies est proposée. La comparaison de ces méthodes entre elles est menées et confrontée également avec une mesure sur une machine de cylindricité (Talyrond). Ces méthodologies séparent les erreurs inhérentes au système de mesure (i.e. défauts de forme de l'étalon cylindrique, erreurs d’alignement) de l’erreur volumétrique inhérente au erreurs géométriques de l’axe de rotation de ladite machine-outil. A la suite de la séparation des erreurs, une identification inverse des paramètres d'erreur de mouvement de l'axe C d’une machine 5 axes est menée. Cette identification est basée sur une modélisation géométrique ainsi qu’un comportement virtuel de l’axe étudié. Ces travaux de doctorat sont innovants suivant plusieurs aspects. D’une part, il permettront de doter l’industrie d’un instrument ne caractérisant pas seulement l’erreur de positionnement angulaire des axes comme ce qui est fait actuellement mais les 5 autres erreurs de liaison. De plus, cette caractérisation basée sur des principes métrologiques connus est faite dans un environnement non métrologique et à des fins d’accroissement des performances volumétriques des structures multi-axes usinantes.

Complex mechanical parts with high geometric and dimensional accuracy require multi-axis machining with low volumetric errors. To achieve micrometric accuracy, the machine tool's geometric errors must be correctly identified and corrected. This thesis addresses the issue of machine metrology by proposing an in situ measurement system. The system is designed and manufactured to implement three different error separation methodologies: simple Donalson reversal, multi-reversal and multi-sensor. A mathematical study of the separation methodologies is carried out and an optimization of these methodologies is proposed. These methods are compared with each other and with a measurement on a cylindricity machine (Talyrond). These methodologies separate the errors inherent in the measuring system (i.e. form errors of the cylindrical standard, alignment errors) from the volumetric error inherent in the geometric errors of the axis of rotation of said machine tool. Following error separation, an inverse identification of the motion error parameters of the C axis of a 5-axis machine is carried out. This identification is based on geometric modeling and virtual behavior of the axis under study. This PhD work is innovative in several respects. On the one hand, it will provide the industry with an instrument that characterizes not only the angular positioning error of the axes, as is currently the case, but also the 5 other linkage errors. In addition, this characterization, based on known metrological principles, is carried out in a non-metrological environment, with a view to enhancing the volumetric performance of multi-axis machining structures.