Elaboration d'une mesure de cylindricité avec une incertitude nanométrique

par Saint-clair Toguem Tagne

Projet de thèse en Génie mécanique

Sous la direction de Nabil Anwer, Hichem Nouira et de Charyar Mehdi-souzani.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LURPA - Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (laboratoire) , Géométrie tridimensionnelle des pièces et des mécanismes (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 12-11-2018 .


  • Résumé

    Etat de l'art Dans la littérature, une machine ultra-performante (KOMPF) de mesure de forme et de diamètre avec une architecture parallèle a été développée au PTB en 1997. Cette machine applique le principe de la DMT (structure Métrologique Dissociée) qui permet de prévoir une structure métrologique séparée d'une structure porteuse. Le principe de la machine est basé sur la comparaison d'une pièce étalon à un cylindre de référence fabriqué en Zerodur. Les incertitudes annoncées pour cette machine (KOMPF) sont de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. L'objectif de cet équipement était de combiner la mesure de forme et des dimensions de cylindres et de sphères. [Sabuga et al, 2007] présente des mesures de diamètres effectués avec le KOMPF. Le diamètre d'un cylindre possédant un diamètre nominal de 35 mm est mesuré avec une incertitude de 30 nm à 3σ. Récemment, le LNE et GEOMNIA ont développé une nouvelle machine de mesure de cylindricité basée les mêmes principes. Cette machine permet de comparer un cylindre à mesurer à un cylindre de référence. L'étalonnage du cylindre de référence se fait en appliquant l'une des méthodes de séparation des défauts suivantes : retournement, multi-retournement, spirale, multi-capteurs. Objectif scientifique et technique Améliorer la caractérisation des équipements industriels L'évaluation de la qualité géométrique des équipements est réalisée en mesurant des étalons de très faible écart de forme tels une sphère ou un plan optique. Pour l'industriel c'est un mode d'évaluation rapide qui peut être mis en œuvre par les utilisateurs de l'équipement. Cependant, l'incertitude de mesure du LNE sur ce type d'étalon est équivalente voire supérieure aux performances spécifiées de l'équipement, (U = 0,05 µm, pour des défauts de rotation de broche de 0,02 à 0,03 µm). Le projet vise une incertitude élargie de l'ordre de 0,01 µm Améliorer la traçabilité des mesures La traçabilité est assurée au travers d'étalons d'amplification et d'étalons de défaut de forme connu correspondant à la plage d'utilisation du capteur. Pour ce type d'étalon le rapport entre les performances des capteurs et l'incertitude donnée par le LNE est encore plus défavorable que pour les étalons de forme. Une réduction importante de l'incertitude doit être envisagée (passer de 0,2 µm à moins que 0,05 µm) et en parallèle étudier d'autres techniques d'étalonnage. Evaluer les algorithmes de calcul Le traitement de données permet de mettre en évidence certaines caractéristiques de forme choisies selon la fonction du produit (filtrage passe haut/passe bas, mode d'extraction du défaut). La validation ou du moins l'évaluation des performances de la fonction d calcul est maintenant demandée par certains industriels. Egalement, le PTB assure un service de certification de logiciel en utilisant des algorithmes de référence, chose qui n'existe pas ni au LNE ni en France. Offrir et tester de nouvelles fonctions d'analyse De plus en plus d'équipements permettent de réaliser des analyses spectrales de signal afin de mesurer le niveau (amplitude) des défauts en fonction de leur période spatiale (nombre d'ondulation par tour). Ces analyses sont fréquemment réalisées dans l'industrie de roulement qui complète les spécifications géométriques de produits par des spectres d'amplitude de défaut. Des étalons dédiés à ce type d'analyse sont maintenant disponible sur le marché, et nous devons être capable de les mesurer. Etalonner les ensembles pistons-cylindres avec une incertitude nanométrique La détermination des sections effectives des ensembles pistons-cylindres sur les balances manométriques avec une incertitude nanométrique représente un défi conséquent à relever. Ce calcul de la section effectif dépend entre autres des défauts de forme du cylindre, des défauts de forme du piston, du jeu entre le piston et le cylindre et de la hauteur du cylindre. L'amélioration de l'incertitude de la connaissance de la topologie des ensembles cylindres-pitons au niveau nanométrique permettra une amélioration de l'incertitude relative de la mesure de pression à 10-7. Reférence: Sabuga, W., & Priruenrom, T. (2007). An approach to the evaluation of dimensional measurements on pressure-measuring piston- cylinder assemblies. In 1st International Conference Cultivating metrological knowledge. Mexico.

  • Titre traduit

    Elaboration of a measurement of cylindricity with a nanometric uncertainty


  • Résumé

    State of the art In the literature, a high-performance machine (KOMPF) measuring shape and diameter with a parallel architecture was developed at the PTB in 1997. This machine applies the principle of DMT (Dissociated Metrological Structure) which allows to predict a structure metrology separated from a supporting structure. The principle of the machine is based on the comparison of a standard part with a reference cylinder made in Zerodur. The uncertainties announced for this machine (KOMPF) are of the order of a few tens of nanometers. The purpose of this equipment was to combine shape measurement with dimensions of cylinders and spheres. [Sabuga et al, 2007] presents diameter measurements made with KOMPF. The diameter of a cylinder having a nominal diameter of 35 mm is measured with an uncertainty of 30 nm at 3σ. Recently, a new cylindricity measuring machine based on the same principles has been developed at LNE and GEOMNIA. This machine makes it possible to compare a cylinder to be measured with a reference cylinder. Calibration of the reference cylinder is done by applying one of the following fault separation methods: flipping, multi-flipping, spiral, multi-sensor. Scientific and technical objective Improve the characterization of industrial equipment The evaluation of the geometric quality of the equipment is carried out by measuring standards of very small shape deviation such as a sphere or an optical plane. For the industrialist it is a fast evaluation mode that can be implemented by the users of the equipment. However, the measurement uncertainty of the LNE on this type of standard is equivalent to or better than the specified performance of the equipment, (U = 0.05 μm, for spindle rotation defects of 0.02 to 0.03 .mu.m). The project aims at an expanded uncertainty of the order of 0.01 μm Improve the traceability of measurements A significant reduction in uncertainty should be considered (from 0.2 μm to less than 0.05 μm) and parallel to other calibration techniques. Evaluate calculation algorithms The data processing makes it possible to highlight certain shape characteristics chosen according to the function of the product (high pass / low pass filtering, fault extraction mode). Validation or at least evaluation of the performance of the calculation function is now required by some manufacturers. Also, the PTB provides a software certification service using reference algorithms, something that does not exist either at LNE or in France. Offer and test new analysis functions More and more equipment makes it possible to perform signal spectral analyzes in order to measure the level (amplitude) of the defects as a function of their spatial period (number of ripples per revolution). Stallions dedicated to this type of analysis are now available on the market, and we must be able to measure them. Calibrate cylinder-piston assemblies with nanoscale uncertainty The determination of the effective sections of the piston-cylinder assemblies on pressure balances with a nanometric uncertainty represents a significant challenge to be taken up. This calculation of the effective cross-section depends inter alia on cylinder shape defects, piston shape defects, piston-cylinder clearance and cylinder height. Improving the uncertainty of our knowledge of the topology of cylinder-piton assemblies at the nanometric level will allow an improvement in the relative uncertainty of the pressure measurement at 10-7. Reference: Sabuga, W., & Priruenrom, T. (2007). An approach to the evaluation of dimensional measurements on pressure-measuring piston-cylinder assemblies. In 1st International Conference Cultivating metrological knowledge. Mexico.