Limiter les variations de mesure grâce à la compensation de température

Des mesures précises, quel que soit l’environnement

Les variations de température représentent un défi majeur pour la précision des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT). En effet, toute déviation par rapport à la température de référence (20 °C) peut entraîner des erreurs de mesure. Ces écarts sont dus à plusieurs facteurs :

• les gradients thermiques, qu’ils soient temporels ou spatiaux,
• la chaleur résiduelle dans la pièce (provenant par exemple de l’usinage ou de la manipulation),
• ou encore les sources de chaleur internes de la MMT (moteurs, éclairages, etc.).

Les principales erreurs thermiques proviennent de la dilatation linéaire de la pièce et des éléments de mesure de la MMT lorsque la température augmente. D’autres déformations peuvent aussi survenir, comme la déformation de la structure de la machine ou la variation de longueur du stylet lors des mesures par contact, avec des effets rarement compensés.

Pour y remédier, une solution économique consiste à intégrer la mesure de la température et à corriger mathématiquement son influence sur la MMT. Cela évite d’avoir à aménager une salle de métrologie hautement contrôlée en température, tout en garantissant des résultats précis.

L’ampleur de ces erreurs dépend du coefficient de dilatation thermique du matériau mesuré. Une correction thermique des résultats n’est nécessaire que si la température de référence (20 °C) n’est pas maintenue de manière stable, que ce soit pour la MMT ou pour la pièce, tout au long du processus de mesure.

Variation de longueur liée à la température

L’écart de longueur induit par la température, noté ΔL, dépend directement du coefficient de dilatation thermique (α) du matériau, de la longueur initiale de la pièce (L₀) et de l’écart de température (ΔT) par rapport à la référence. La relation s’exprime ainsi : ΔL = α · L₀ · ΔT

Sans compensation thermique, une pièce en PVDC de 100 mm mesurée à 25 °C, combinée à un système de mesure en acier, peut générer une erreur d’environ 70 µm. En effet, lorsque la température augmente, la pièce se dilate, augmentant l’écart de mesure. Cependant, comme le système de mesure se dilate aussi, cet écart est partiellement atténué (voir figure 1). Dans cet exemple, la variation de longueur du système a été soustraite de celle de la pièce.

Si la pièce et le système de mesure sont en matériaux identiques et à la même température, les effets de dilatation s’annulent. Mais cette méthode a deux inconvénients majeurs :

1. En pratique, les températures du système et de la pièce diffèrent rarement parfaitement.
2. Elle ne fonctionne que pour des pièces ayant le même coefficient de dilatation thermique (α) que le système.

Certains systèmes utilisent des céramiques spéciales, dont le coefficient de dilatation est quasi nul, ce qui permet de ne corriger que la dilatation de la pièce. Cependant, cette approche ne compense pas totalement les erreurs thermiques.

Sans correction calculée, l’erreur due à la dilatation de la pièce s’aggrave si le système de mesure ne se dilate pas. Une compensation mathématique de l’influence thermique est donc indispensable dès que la température s’écarte des 20 °C de référence.

Exigences pour des conditions environnementales réélles

Chaque machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est livrée avec des spécifications précises concernant l’écart maximal de mesure admissible, définies pour des conditions environnementales données. Ces spécifications incluent notamment :

• Une plage de températures de fonctionnement, généralement autour de 20 °C ± 2 K (température de référence standard).
• Certains fabricants garantissent des performances accrues dans des environnements plus stables, par exemple avec des fluctuations limitées à ± 1 K, réduisant ainsi l’écart maximal de mesure autorisé.

Peu de fabricants proposent des spécifications adaptées aux environnements non climatisés, comme les mesures en cours de production. Dans ce cas, l’écart maximal admissible doit couvrir une plage de températures élargie, au minimum de 16 °C à 30 °C. Cependant, cette spécification ne s’applique généralement qu’à des pièces de référence à coefficient de dilatation thermique nul — une situation rare en pratique, car peu de pièces réelles présentent cette caractéristique.

Les MMT Werth intègrent des capteurs de température en série, permettant une correction mathématique automatique de la dilatation linéaire, en fonction du coefficient de dilatation thermique des systèmes de mesure.

Correction logicielle des erreurs de variation de température

Pour les instruments de haute et ultra-précision (HA/UA), on utilise des systèmes de mesure en céramique spéciale, conçus pour minimiser les écarts. Malgré cette technologie et la correction thermique calculée, ces appareils sont généralement installés dans des salles climatisées. En effet, une détermination précise du coefficient de dilatation thermique pourrait nécessiter un étalonnage complexe, et toute incertitude sur ce coefficient risquerait d’amplifier les erreurs de mesure en cas de variations thermiques importantes. La climatisation permet aussi d’éviter d’autres effets indésirables, comme les déformations structurelles.

En milieu industriel, les MMT peuvent enregistrer la température :

• Dans le volume de mesure (méthode standard),
• Directement sur la pièce (plus précise, mais plus complexe à mettre en œuvre).

Le coefficient de dilatation thermique des matériaux est généralement extrait de tables de référence ou déterminé par étalonnage. Une fois saisi dans le logiciel WinWerth, celui-ci calcule la dilatation de la pièce et ajuste automatiquement les valeurs mesurées.

Elle est indispensable dans :

• Les environnements de production ou les salles mal climatisées,
• Les cas de pièces à tolérances serrées ou de grandes dimensions, où les variations thermiques ont un impact significatif sur les mesures.

Grâce à cette compensation, les MMT Werth maintiennent leurs performances dans une plage de 16 °C à 30 °C. Par exemple, en combinant la correction thermique avec des fluctuations de ± 2 K dans la salle de mesure, les systèmes (capteurs d’image ou palpeurs) atteignent une précision équivalente à celle obtenue avec des écarts de seulement ± 1 K par rapport à la température de référence.

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