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S.I.I. CI 1 : Relation Produits-Procédés-Matériaux Fiche de TD Page 1 sur 20 Métrologie et MMT.docx}Notions de métrologie et MMT

I. Introduction à la métrologie

A. Définitions

1- Métrologie : C'est le domaine des connaissances relatives au mesurage. Il englobe tous les aspects aussi bien

théoriques que pratiques quel que soit la nature de la science et de la technologie développée.

2- Mesurage : C'est l'ensemble des opérations permettant d'attribuer une valeur à la grandeur mesurée.

3- Grandeur mesurable : C'est une caractéristique d'un phénomène, d'un corps ou d'une substance, qui est susceptible

d'être distinguée qualitativement par un nom (en métrologie dimensionnelle : Distance, Angle..) et déterminée

qualitativement par une valeur (nombre exprimé dans l'unité choisie).

4- Méthode de mesure : C'est une succession logique d'opérations décrites d'une manière succincte permettant la mise

en oeuvre du mesurage.

4.1- Méthode directe : C'est le relevé d'une dimension à partir d'une référence.

La précision et la grandeur de la dimension influent sur le choix de la référence.

4.2- Méthode indirecte

: C'est le relevé à l'aide d'un capteur de l'écart entre une pièce à mesurer et un étalon (pièce de

référence).

5- Dimension : C'est la distance la plus courte entre deux points réels ou fictifs (Exp. : Un diamètre, un entraxe).

6- Mesurande : C'est la grandeur particulière soumise au mesurage (Exp. : Température, Pression, Dimension...)

7- Résultat de mesurage : C'est la valeur attribuée à la grandeur (au mesurande) obtenue par mesurage. Une expression

complète doit contenir la valeur et une information sur l'incertitude.

8- Contrôle dimensionnel : C'est l'ensemble des opérations permettant de déterminer si la valeur d'une grandeur se

trouve bien entre les limites de tolérance qui lui sont imposées. On distingue deux types de contrôle :

8-1. le contrôle par attribut: Il est limité à une simple vérification de conformité

(réponse par oui ou non, pas de mesurage). Applications : calibres fixes, montages de contrôle, plaquettes visio-tactiles.

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8-2. le contrôle par mesurage: Où l'on procède d'abord à un ou plusieurs mesurages pour quantifier les grandeurs et

ensuite à une comparaison des valeurs mesurées avec les spécifications demandées. Pour palier à ce problème, la norme

ISO 14253-1 préconise de déduire de la spécification l'incertitude de mesure.

B. Classification des instruments de mesure

1. Vérificateurs à dimensions variables

Il y a les instruments de mesure directe.

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On trouve aussi des éléments de mesure indirecte comme les comparateurs.

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2. Vérificateurs à dimensions fixes

II. Vérification de spécifications par métrologie conventionnelle

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III. Utilisation de Machines à Mesurer Tridimensionnelles (MMT)

A. Aperçue historique

Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) sont nées au début des années soixante et se sont vraiment

développées après l'invention du palpeur à déclenchement en 1970. Les principaux concepts qui régissent la mise en

oeuvre et l'exploitation de ces machines sont en place depuis le début des années quatre-vingt.

B. Principe général

Une MMT est une machine à saisir et traiter de l'information. Un palpeur se déplace (manuellement, de manière motorisée ou automatiquement sur les MMT à commande numérique) grâce à trois glissières (parfaites... pas de jeu, pas de frottements) de directions orthogonales et vient au contact des surfaces réelles. Lors de chaque accostage, le calculateur mémorise les coordonnées X, Y et Y du centre de la sphère de palpage (dans le cas fréquent où le palpeur se termine par une petite sphère). Les points palpés permettent de déterminer une image de la surface réelle. A partir des coordonnées saisies, le logiciel de traitement des données va effectuer des opérations mathématiques visant à rechercher les valeurs des dimensions ou des spécifications que l'on cherche à connaître ou à contrôler. Ce traitement mathématique tend à se rapprocher de plus en plus des exigences des normes sans toujours les respecter totalement 1 Une MMT est constituée de 4 sous-ensembles distincts :

La structure de déplacement,

Le système de palpage,

Le système électronique,

Le système informatique et le pupitre de commande. 1

La norme parle de plan tangent extérieur matière minimisant les écarts maximum et les mathématiques permettent actuellement de

faire des plans associés avec des critères de type moindres carrés...

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C. Architecture des Machines à Mesurer Tridimensionnelles Les architectures les plus fréquemment utilisés sont :

La structure potence : assez bien adaptée aux grands volumes. Elle permet d'accéder à toutes les faces de la pièce

mais la flexion du bras lui donne une précision limitée.

La structure cantilever : Particulièrement adaptée aux petites capacités de mesure, elle permet un bon accès à la

pièce.

La structure portique : c'est de loin la plus répandue. Elle permet de traiter de grands volumes et d'accéder

aisément aux surfaces.

D. Mode de fonctionnement d'une MMT

chaque point palpé, on recueille les coordonnées du centre du palpeur : L: T&E; U&E< V&

La pièce à mesurer est ensuite modélisée à l'aide des éléments géométriques définis par le préparateur (points, droites,

plans, cercles, cylindres, cônes et sphères). A partir du nuage de points palpés, un traitement suivant la règle des moindres

carrés permet de définir quantitativement les éléments géométriques.

Pour définir un élément géométrique sur une MMT, le logiciel demande de palper le nombre de points minimum+1, soit

par exemple 4 points à palper pour définir un plan. Si l'on s'en tenait au nombre minimum de points (3), le calcul

d'optimisation suivant la méthode des moindres carrés, ainsi que le calcul du défaut de forme serait impossible.

E. Dispositif de palpage

Le dispositif de palpage le plus utilisé dans les MMT est le système de palpeur Renishaw, c'est un palpeur dynamique à déclenchement. Il est construit sur le principe de la liaison isostatique de Boys.

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On parle de tête de palpage dynamique : au moment du contact entre le palpeur et la surface palpée, se produit dans la

tête une rupture de contact électrique qui déclenche l'ordre de lecture de la position de la sphère située à l'extrémité du

palpeur (en coordonnées X, Y, Z). Les 6 points de contact sont montés en série électriquement et traversés en permanence par un courant faible. Lorsque la bille vient au contact de la pièce, le solide touche+tripode passe d'une situation isostatique à une situation hyperstatique. Un des

6 points tend à décoller et la résistance électrique du palpeur

varie alors fortement. A partir de cette variation importante et brutale de la résistance, une électronique de traitement génère un signal de commutation qui permettra d'actionner la lecture des règles de mesure des axes X,Y et Z. Pour assurer un bon contact sur les points d'appuis et pour éviter que le palpeur ne déclenche sous l'effet des accélérations nécessaires pour déplacer la MMT, un ressort tarable exerce un effort réglable au centre de l'étoile. Le ressort va provoquer un retard au déclenchement qui varie avec la géométrie des touches et le tarage. Néanmoins la remise en position de l'étoile après un mouvement est meilleure que 0,1 micron. Les têtes de palpage peuvent être plus ou moins complexes et motorisées, tout cela dans l'intérêt évident d'atteindre le maximum de surfaces sur la pièce à vérifier à partir d'un unique posage.

F. Étalonnage des palpeurs

Si la mesure complète d'une pièce nécessite l'utilisation de plusieurs stylets pour accéder à toutes les surfaces, il faut être

capable de corriger le rayon de la bille de chaque palpeur.

L'étalonnage a donc pour but de connaître le diamètre de la bille pour chacun des palpeurs et dans les différentes

orientations des stylets. Pour être capable d'exprimer des relations géométriques entre les surfaces mesurées avec différents palpeurs, ces surfaces doivent être exprimées dans le même repère, celui de la sphère étalon. Il existe donc un repère machine, associé à la position des capteurs utilisés pour les POM à la mise sous tension de la machine, un repère sphère étalon dont l'origine est le centre de la sphère étalon (obtenu après étalonnage) et un repère pièce qui sera défini dans la gamme de mesurage 2 Pour diminuer l'influence de la flexion du stylet et du retard au déclenchement du palpeur, on détermine le diamètre fictif de la bille fb du stylet en mesurant en 5 points une sphère étalon dont le diamètre De est connu par rattachement à la chaine d'étalonnage. Le diamètre mesuré en 5 points passant par les 5 centres bille vaut Dm. A cause du retard au déclenchement, le système calcule un diamètre fictif de la bille fb = f( De, Dm, ) étant l'angle du stylet par rapport à la verticale. 2

Analogie totale avec la programmation sur MOCN, la méthode est la même, les capteurs sont identiques, seule la finalité change...

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G. Principe de la mesure en coordonnées

1. Principe de base

Afin d'associer un élément à l'élément géométrique réel, on peut utiliser plusieurs méthodes :

La méthode de l'enveloppe, c'est celle qui est développé dans les Normes associées au concept GPS, difficile à

mettre en oeuvre mathématiquement (pas d'algorithme simple permettant d'associer cet élément au réel),

La méthode des moindres carrés, c'est celle qui est utilisée par la plupart des MMT, elle nécessite le palpage de N

points +1, avec N le nombre de points minimum pour définir l'élément géométrique parfait (2 pour une droite),

elle n'est pas en accord avec le concept GPS.

2. Calcul des points mesurés

Le point de contact stylet-pièce étant inconnu au moment de la mesure d'un point, on lui substitue le relevé de trois

informations : les coordonnées du centre de la bille du stylet (point saisi), le sens d'accostage et le rayon du palpeur. Ces

informations permettent d'estimer par calcul le point de contact stylet-pièce. Pour cela on fait l'hypothèse que le point de

contact recherché est à l'intersection de la sphère du stylet et de la normale à la surface passant par le point saisi.

Les coordonnées des points saisis sont exprimées dans un même repère défini par l'opération détalonnage.

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La nature de la surface nominale étant connue le calcul du point mesuré peut-être le suivant :

1. association d'une surface nominale passant au mieux des points saisis (suivant le critère des moindres carrés),

2. calcul de la normale ݊

et orientée vers l'extérieur de la matière (sens d'accostage),

3. calcul des coordonnées du point mesuré Mi (ou point de contact estimé) données par la relation vectorielle :

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