Spindle instrumentation for tool condition monitoring of complex workpiece manufacturing in milling
Surveillance d'usinage en fraisage de pièces complexes par un suivi de la broche
Résumé
In order to ensure manufacturing process safety, workpiece quality and full productivity, Tool Condition Monitoring (TCM) systems are needed. Whereas solutions are proposed for mass production, there is a lack of efficient and reliable solutions for flexible manufacturing in milling (the latter producing notably high added value and complex parts). The purpose of this work is to propose a reliable TCM solution for flexible manufacturing in milling.
Firstly, indicators retrieved from literature are implemented with industrial trajectories and cutting conditions. The analysis of their behaviour reveals their limits. Then, a new Versatile In-process tool condition Monitoring (VIM) system is suggested. To tackle the problem of reliability, monitoring is stopped during cutting transients. Tool state is estimated from cutting forces and plotted in a control chart.
In order to increase precision, robustness and field of application of our method, improvements are proposed. For example, in-process estimations of tool state are refined thanks to off-line numerical simulations. Experiments have validated the VIM approach, by reliable detections of the state of a 5 inserts tool (damaged or not), under a wide range of cutting conditions.
Lastly, we have shown that the method allows detecting cutter breakages such as very small chipping, occurring during workpiece machining. It is also proposed that the VIM system is coupled with an off-line Tool Inspection system (forming the VIMTI system), to confirm detections. The method is unaffected by tool wear. Since dynamometer table is incompatible with industrial productions, alternative sensor was search. It is shown that the VIM system applied to inductive sensors allows detecting very small cutter breakage during flexible manufacturing in milling and in industrial conditions.
Firstly, indicators retrieved from literature are implemented with industrial trajectories and cutting conditions. The analysis of their behaviour reveals their limits. Then, a new Versatile In-process tool condition Monitoring (VIM) system is suggested. To tackle the problem of reliability, monitoring is stopped during cutting transients. Tool state is estimated from cutting forces and plotted in a control chart.
In order to increase precision, robustness and field of application of our method, improvements are proposed. For example, in-process estimations of tool state are refined thanks to off-line numerical simulations. Experiments have validated the VIM approach, by reliable detections of the state of a 5 inserts tool (damaged or not), under a wide range of cutting conditions.
Lastly, we have shown that the method allows detecting cutter breakages such as very small chipping, occurring during workpiece machining. It is also proposed that the VIM system is coupled with an off-line Tool Inspection system (forming the VIMTI system), to confirm detections. The method is unaffected by tool wear. Since dynamometer table is incompatible with industrial productions, alternative sensor was search. It is shown that the VIM system applied to inductive sensors allows detecting very small cutter breakage during flexible manufacturing in milling and in industrial conditions.
Pour sécuriser le processus de fabrication, garantir la qualité des pièces et atteindre une pleine productivité, des Systèmes de Surveillance Automatiques de l'Usinage (SSAU) sont nécessaires. Cependant, si des solutions sont proposées pour la production de grandes séries, il n'existe pas actuellement de SSAU pour les systèmes de production flexible en fraisage (ces derniers fabriquant notamment les pièces complexes à forte valeur ajoutée). L'objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit, est donc de répondre à ce besoin industriel en proposant une solution efficace et fiable de Surveillance Automatique de l'Usinage pour la production flexible par fraisage.
Tout d'abord, plusieurs critères issus de la bibliographie et susceptibles de résoudre notre problématique, ont été testés dans des conditions de coupe et de trajectoires industrielles, ce qui n'avait pas été fait auparavant. L'analyse de leur comportement a permis de mettre en évidence leurs faiblesses et de faire évoluer notre réflexion, avant de proposer une nouvelle méthode : la Surveillance d'Usinage Intermittente. L'état de l'outil est estimé à partir des efforts de coupe, puis reporté sur une carte de contrôle. Pour plus de fiabilité, seules les zones où la coupe est stable sont surveillées.
Afin d'augmenter la précision, la robustesse et le domaine de validité de la méthode, des améliorations ont ensuite été apportées, quant au conditionnement et à l'analyse des signaux d'efforts. Par ailleurs, les estimations de l'état de l'outil sont affinées pendant l'usinage, grâce à des simulations numériques effectuées au préalable. Des expérimentations ont validé l'approche, par des détections fiables de l'état d'un outil possédant 5 dents (dont une endommagée ou non).
Enfin, nous avons montré que notre méthode permet de détecter de très faibles endommagements de l'outil, survenant au cours de l'usinage d'une pièce. Nous proposons également de coupler notre SSAU à un système d'inspection des outils hors-usinage pour confirmer les détections. Nous avons ensuite montré que notre méthode n'est pas perturbée par l'usure des outils. Une table dynamométrique n'étant pas viable industriellement, nous avons cherché des alternatives. Nous avons finalement montré que la mesure d'efforts peut être réalisée en instrumentant la broche par des capteurs inductifs. L'application de notre méthode permet alors, dans un cadre industriel, de détecter de très faibles endommagements de l'outil, lors de production flexible en fraisage.
Tout d'abord, plusieurs critères issus de la bibliographie et susceptibles de résoudre notre problématique, ont été testés dans des conditions de coupe et de trajectoires industrielles, ce qui n'avait pas été fait auparavant. L'analyse de leur comportement a permis de mettre en évidence leurs faiblesses et de faire évoluer notre réflexion, avant de proposer une nouvelle méthode : la Surveillance d'Usinage Intermittente. L'état de l'outil est estimé à partir des efforts de coupe, puis reporté sur une carte de contrôle. Pour plus de fiabilité, seules les zones où la coupe est stable sont surveillées.
Afin d'augmenter la précision, la robustesse et le domaine de validité de la méthode, des améliorations ont ensuite été apportées, quant au conditionnement et à l'analyse des signaux d'efforts. Par ailleurs, les estimations de l'état de l'outil sont affinées pendant l'usinage, grâce à des simulations numériques effectuées au préalable. Des expérimentations ont validé l'approche, par des détections fiables de l'état d'un outil possédant 5 dents (dont une endommagée ou non).
Enfin, nous avons montré que notre méthode permet de détecter de très faibles endommagements de l'outil, survenant au cours de l'usinage d'une pièce. Nous proposons également de coupler notre SSAU à un système d'inspection des outils hors-usinage pour confirmer les détections. Nous avons ensuite montré que notre méthode n'est pas perturbée par l'usure des outils. Une table dynamométrique n'étant pas viable industriellement, nous avons cherché des alternatives. Nous avons finalement montré que la mesure d'efforts peut être réalisée en instrumentant la broche par des capteurs inductifs. L'application de notre méthode permet alors, dans un cadre industriel, de détecter de très faibles endommagements de l'outil, lors de production flexible en fraisage.
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