PRÉSENTATION D`UN LOGICIEL DE MÉTROLOGIE

PRÉSENTATION D’UN LOGICIEL DE MÉTROLOGIE
TRIDIMENSIONNELLE PAR CALIBRE VIRTUEL
Eric PAIREL
Enseignant-chercheur
Lméca (Laboratoire de Mécanique Appliquée)
ESIA (École Supérieure d’Ingénieurs d’Annecy) - Université de Savoie
BP 806, 74016 ANNECY Cedex - FRANCE
[email protected]
Résumé
Grâce à un modèle conceptuel de «calibres
Ajustants», toute tolérance géométrique peut s’interpréter
sous la forme d’un calibre de contrôle virtuel
tridimensionnel devant pouvoir s’assembler avec la pièce à
contrôler.
A partir d’un fichier ASCII contenant les nuages de
points palpés à la surface de la pièce, le logiciel présenté
ici, permet de construire le calibre de contrôle virtuel
défini par la tolérance géométrique et de vérifier qu’il peut
être assemblé et ajusté, suivant un ordre précis, aux nuages
de points.
Le contrôle des tolérances géométriques est donc
strictement conforme à leur sens normalisé et il est
extrêmement simplifié.
Mots clés : Tolérance géométrique, GPS, MMT, Calibre
virtuel
Abstract
Thanks to the «Fitting gauges» conceptual model,
any geometric tolerance can be interpreted in the form of a
virtual three-dimensional gauge being able to be
assembled with the part to be inspected.
From a file containing the sampled points of the
part to inspect, the software presented here, makes it
possible to build the virtual gauge defined by the
geometric tolerance and to check that it can be assembled
and adjusted, according to a precise order, with clouds of
points representing the part.
The check of the geometric tolerances is thus
strictly in conformity with their standardized meaning and
it is extremely simplified.
Key words. Geometric tolerance, GPS, CMM, Virtual
gauge.
Introduction
Les logiciels de métrologie tridimensionnelle ont
peu évolué depuis leur création lors de l’avènement des
machines à mesurer tridimensionnelles dans les années 80.
Leur principe est permettre aux utilisateurs de
pouvoir mesurer des distances ou des angles entre des
éléments géométriques théoriques construits à partir de
points palpés sur la pièce.
Le défaut de cette approche est qu’elle ne concorde
pas avec la définition normalisée des tolérances
géométriques des produits.
En effet, les tolérances géométriques, telles qu’elles
sont définies par les normes de Spécification Géométrique
des Produits (GPS), s’apparentent davantage à des calibres
de contrôle virtuels qu’à des tolérances sur des distances
ou des angles à mesurer sur la pièce, comme nous le
montrerons au premier paragraphe de cette présentation.
Les logiciels existant ne permettent pas de
construire ou d’utiliser de tels calibres. L’utilisateur, ou
parfois le logiciel lui même, doit convertir ces contrôles en
mesurage de distances ou d’angles entre éléments
géométriques qui sont eux même à construire.
Outre le risque important d’erreur, cette façon
d’opérer a pour effet de dégrader plus ou moins fortement
le contrôle, c’est à dire qu’elle peut conduire à refuser des
pièces qui en tout rigueur respectent la tolérance
géométrique à contrôler. Ceci est dû aux degrés de liberté
qu’a naturellement un calibre lors de son assemblage avec
la pièce à contrôler et qui ne peuvent pas être reproduits
par les opérations de constructions d’éléments
géométriques et de mesurage de distances ou d’angles
entre eux.
Des travaux de recherche, menés au milieu des
années 90, nous ont permis de d’élaborer un modèle
conceptuel de calibres virtuels ainsi que les algorithmes
nécessaires à l’assemblage, de ces calibres avec les nuages
de points palpés sur la pièce [1], [2]. Depuis le modèle a
été complété pour permettre en particulier d’utiliser des
zones de tolérances dans les calibres virtuels et étendre
ainsi les possibilités de contrôle à l’ensemble des
tolérances géométriques normalisées [3].
Nous développons actuellement un nouveau
logiciel de contrôle par calibre virtuel avec une
visualisation tridimensionnelle des nuages de points palpés
sur la pièce et des calibres virtuels assemblés sur ces
nuages.
C’est ce nouveau logiciel qui est présenté ici au
travers de son utilisation pour le contrôle d’une tolérance
géométrique de localisation d’un groupe de trous.
Interprétation des tolérances
géométriques
Les tolérances géométriques, qui apparaissent sous
forme de cadre de tolérance sur les dessins technique (voir
figure 1), définissent des domaines de l’espace, appelés
zones de tolérance, que ne doivent pas franchir les
éléments géométriques tolérancés de la pièce réelle.
Ces zones sont souvent en position théorique par
rapport à des surfaces parfaites ajustées aux surfaces de la
pièce et qui servent de référence.
Pour illuster cette présentation générale, nous
allons préciser le sens de la tolérance de localisation
indiqué sur le dessin partiel ci-dessous. Cet exemple
servira également à la présentation de l’utilisation du
logiciel de contrôle par calibre virtuel.
Figure 1 : Exemple de tolérance géométrique
Cette tolérance limite le défaut de localisation des
deux trous tolérancés entre eux et par rapport aux surfaces
de mise en position principale de la pièce : Le plan d’appui
A et le centrage court B.
Le contrôle théorique de cette tolérance est illustré
sur la figure 2.
77
∅0,6
X
∅ 0,6
77
∅maxi
Z
Figure 2 : Illustration de la signification de la tolérance
géométrique indiquée sur le dessin
La référence primaire A est un plan parfait ajusté à
la face du dessous de la pièce (plan d’appui prépondérant).
La référence secondaire B est l’axe du plus grand
cylindre, perpendiculaire au plan A, inscrit dans le
centrage court.
Les zones de tolérances sont des «tubes» de
diamètre 0,6 mm dont les axes sont dans un plan passant
par l’axe B et à 77 mm de cet axe.
Les éléments tolérancés sont les axes «réels» des
deux trous.
Bien sûr, ces axes n’existe pas réellement sur la
pièce et il faudra les construire.
La pièce respecte la tolérance si et seulement si ces
axes peuvent être contenus à l’intérieur des deux zones.
Les «axes réels» des trous de la pièce peuvent être
construits suivant deux méthodes différentes :
• Soit on considère, pour chacun des trous, l’axe
d’un cylindre parfait ajusté au trou et limité à la hauteur du
trou,
• soit on considère l’ensemble des centres de
plusieurs sections palpés à l’intérieur du trou.
La première méthode est plus simple mais c’est la
seconde qui est normalisée. Notons que si le défaut de
cylindricité est faible au regard du défaut de localisation
(ce qui est normalement le cas), ces deux méthodes sont
équivalentes.
Il est à noter que le système des deux références
laisse à la pièce la possibilité de pivoter autour de l’axe B
pour permettre à ces axes d’entrer dans les zones.
Principe du contrôle par calibre virtuel
Vis-à-vis de la pièce, la géométrie constituée des
surfaces de référence et des zones de tolérance illustrée sur
la figure 2 est comparable à un calibre de contrôle virtuel
qu’il faudrait assembler, suivant un certain ordre, sur les
surfaces et les axes de la pièce.
Le principe du contrôle par calibre virtuel est le
suivant :
• Les surfaces de la pièce sont numérisées en
plusieurs points grâce à un équipement de mesure de
coordonnées tridimensionnelles. Si les éléments
géométriques à vérifier sont des axes ou d’autres éléments
non palpables, ils pourront être soit construits par
l’équipement de mesure tridimensionnel et utilisé
directement par le logiciel présenté, soit construits grâce à
un menu spécifique du logiciel de contrôle par calibre.
• L’utilisateur construit, grâce aux menus du
logiciel et par ajouts successifs de calibres élémentaires
aux formes simples, le calibre de contrôle qui correspond à
la tolérance à vérifier,
• Le logiciel calcule alors s’il est possible
d’assembler, suivant l’ordre défini par l’utilisateur, le
calibre virtuel aux nuages de points numérisés sur la pièce
contrôlée.
Présentation du logiciel
Le logiciel, et le modèle des «calibres ajustants»
sous-jacent, sont présentés au travers de leur utilisation
pour le contrôle de la tolérance choisie en exemple au
paragraphe précédent.
Les données d’entrée du logiciel sont les nuages de
points représentant la pièce et issus d’un équipement de
mesure tridimensionnel tel qu’une MMT (Machine à
Mesurer Tridimensionnel) et stocké dans un fichier ASCII.
Première opération : Ouverture et chargement des nuages de points palpés sur la pièce
A l’ouverture du fichier ASCII contenant les
nuages de points palpés, le logiciel place automatique les
surfaces palpées les unes après les autres dans une liste qui
constituera la gamme de contrôle de la pièce.
Le type de surface palpée (plan cylindre, etc.) étant
codifié dans le fichier, le logiciel ajuste automatiquement
un calibre élémentaire de même forme sur le nuage de
points et le place à la suite de la surface palpée dans la
gamme.
Pour les quatre surfaces, utiles au contrôle de la
tolérance présentée plus haut, on obtient l’affichage sous
forme d’arbre des huit objets créés automatiquement par le
logiciel :
Ce calibre sera constitué d’un plan et trois cylindre
comme l’illustre la figure 2.
La position de chaque calibre élémentaire est
donnée par l’utilisateur du logiciel par rapport à un repère
de construction unique qui constituera le repère du calibre
composé. Les calibres élémentaires sont eux-mêmes munis
d’un repère permettant de les situer. Pour le plan le repère
est tel que son origine est sur le plan et son axe Z est
normal au plan et orienté vers l’extérieur de la matière de
la pièce.
L’item «Composé» du menu «Calibre de contrôle»
ouvre la boite de dialogue ci-dessous qui permet de
construire le calibre composé :
Figure 3 : Affichage des objets créés lors de l’ouverture
d’un fichier de nuages de points
Le détail concernant chaque objet peut être affiché
en cliquant sur l’icone + .
On obtient ainsi :
• pour une surface palpée, les coordonnées de ses points,
sa position (centre des points) et son orientation
approximative.
• pour le calibre élémentaire ajusté, sa position, son diamètre si c’est un cylindre, et l’ensemble ordonné des
écarts entre les points palpés et la surface du calibre.
Dans la partie droite de l’écran, les points palpés et
les calibres ajustés sont représentés en trois dimensions ce
qui permet d’avoir un retour visuel de la forme de la pièce
et de pouvoir apprécier les écarts entre les points palpés et
les surfaces ajustées des calibres.
Deuxième opération : Création des axes des
trous
Les axes auraient pu être contenu dans le fichier
ASCII de points palpés. Ils auraient alors été placé dans la
gamme au moment de la lecture du fichier. Comme ce
n’est pas le cas ici, nous allons les construire à partir des
cylindres qui ont été associés aux trous palpés.
L’item «Axe» du menu «Construire» ouvre une
boite de dialogue qui demande le numéro dans la gamme
du calibre ajusté dont on veut construire l’axe.
La validation de la boite ajoute dans la gamme un
nouvel objet de type «Axe par points». L’axe est créé sous
la forme de deux points représentant les extrémités de
l’axe. Deux champs de saisie de la boite de dialogue
permettent de redéfinir la position des extrémités de l’axe.
Ces points sont affichés dans la fenêtre graphique.
Troisième opération : Construction du calibre
de contrôle
Il faut à présent construire le calibre de contrôle qui
correspond à la tolérance géométrique à vérifier.
Figure 4 : Boite de dialogue de construction d’un calibre
composé
Cette fenêtre affiche la liste, pour le moment vide,
des tous les calibres composants.
Pour ajouter un nouveau composant, il suffit de
cliquer sur le bouton «Nouveau».
Une nouvelle boite de dialogue s’ouvre pour définir
un composant :
Figure 5 : Boite de dialogue de définition d’un calibre
composant
Bien que l’on puisse entrer les calibres composants
dans n’importe quel ordre, il est plus logique de suivre
l’ordre dans lequel les calibres devront s’ajuster aux
surfaces palpées de la pièce.
On commence donc par le plan en indiquant dans le
premier champs de la boite de dialogue que le calibre
s’ajustera à la surface palpée n°1 dans la gamme, c’est à
dire le plan palpé.
On choisit ensuite le comportement AjustantPrimaire pour indiquer que ce calibre doit s’ajuster à sa
surface palpée avant tous les autres calibres.
Dans le repère de construction choisi sur la figure 2,
l’axe Z du plan est confondu avec l’axe Z du repère
général de construction : On laisse donc tous les champs de
«Position» et de «Orientation» aux valeurs nulles
proposées par défaut (voir figure 5). Les autres champs
sont eux aussi laissés aux valeurs proposées par la boite de
dialogue.
Le bouton «OK» permet d’ajouter ce premier
calibre dans la liste des calibres composant. Le type du
calibre qui apparaît dans la liste des composants, ici un
plan, est déterminé automatiquement par le type de la
surface palpée.
On répète cette opération pour chacun des autres
composants :
Pour le cylindre réalisant le centrage court, on
indique la surface palpée sur laquelle il doit s’ajuster : n°3
dans la gamme. Son comportement est AjustantSecondaire, ce qui signifie qu’il s’ajustera après le plan.
Son origine est placée à l’origine du repère de construction
(X0, Y0, Z0) et son orientation correspond à celle de l’axe
Z du repère de construction (Rx0; Ry0, Rz0) : Tous les
champs sont donc laissés aux valeurs proposées par défaut
par la boite de dialogue.
Le troisième et le quatrième calibre, qui
représenteront des zones de tolérances, devront
s’assembler avec, les «Axes par points», n°9 et n°10 dans
la gamme.
Dans le repère de construction et en choisissant
d’orienter son axe X vers l’un des axes, le premier cylindre
est à X77, Y0 et Z0 et le second à X-77, Y0, Z0.
Leur orientation correspond à celle de Z : On laisse
les champs «Orientation» à zéro.
Pour leur «Comportement», on peut soit leur
donner le comportement «Frontière» soit leur donner le
comportement «Ajustant».
Avec le comportement «Ajustant», ils adapteront
leurs diamètres pour être le mieux ajustés aux axes, ce qui
permettra, par comparaison à la valeur de la tolérance
(0,6 mm), de connaître la marge ou au contraire le manque
de précision de la pièce.
Avec le comportement «Frontière», les zones
cylindriques se comporteront comme de véritables calibres
de contrôle, de diamètre figés, qui pourront ou non
s’assembler avec les axes. Avec ce comportement, il faut
entrer la valeur du diamètre de la zone de tolérance dans le
champs «Diamètre» (ici 0,6 mm).
Le calibre composé ainsi construit est assemblé aux
nuages de points en cliquant sur le bouton «Assemble» de
la boite de dialogue représentée figure 4.
Le calibre composé est ajouté à la fin de la gamme
et est affiché dans la fenêtre graphique. On peut alors lire
la valeur des diamètres ajustés et conclure sur la
conformité de la pièce vis-à-vis de la tolérance contrôlée.
Conclusion
Les tolérances géométriques, notamment de
localisation, sont de plus en plus courantes sur les dessins
techniques industriels et correspondent à une amélioration
de la cotation fonctionnelle des produits.
Néanmoins leur inspection sur les produits est plus
difficile à réaliser car elles correspondent à un contrôle par
calibre virtuel.
En l’absence d’un logiciel capable de simuler ces
calibres virtuels, il faut «convertir» le contrôle en mesure
de distances ou d’angles en acceptant de dégrader plus ou
moins le contrôle théorique.
Le logiciel de métrologie tridimensionnelle que
nous développons permet d’effectuer ces contrôles en
stricte conformité avec la définition normalisée des
tolérances géométriques. Il est extrêmement simple à
utiliser car tout contrôle se fait par calibre virtuel.
Ainsi il devrait permettre aux fabricants de prouver
la conformité de leurs produits de façon beaucoup plus
certaine que ce qu’ils peuvent faire aujourd’hui.
Références bibliographiques
[1] E. Pairel, «Métrologie fonctionnelle par calibre virtuel
sur machine à mesurer tridimensionnelle», Thèse de
doctorat de l’Université de Savoie, LMéca, Déc.
1995.
[2] E. Pairel, «Métrologie par calibre virtuel sur machine
à mesurer tridimensionnelle», Actes du colloque
national PRIMECA 1997.
[3] E. Pairel, P. Hernandez, M. Giordano, «Virtual Gauges
Representation for Geometrical Tolerances in CADCAM Systems», Proceedings of the 9th International
CIRP Seminar on Computer-Aided Tolerancing,
Arozona State University, USA, June 2005.