En métrologie dimensionnelle de précision, la température est l'un des facteurs les plus fréquents, mais souvent négligés, qui affectent les résultats. Toutes les normes dimensionnelles sont définies à une température de référence de 20 °C, mais les environnements de production réels ne permettent généralement pas de maintenir cette température de manière constante, ce qui introduit des écarts de mesure non négligeables lors des contrôles de précision.
1. Différences de coefficient de dilatation thermique linéaire
Les variations de température affectent différemment les matériaux, notamment en raison de leurs coefficients de dilatation thermique linéaire qui varient considérablement. Voici les valeurs approximatives pour les matériaux courants : alliage d’aluminium : environ 23 × 10⁻⁶/°C ; acier : environ 11 × 10⁻⁶/°C ; alliage de cuivre : environ 17 × 10⁻⁶/°C. Le coefficient de dilatation de l’alliage d’aluminium étant environ deux fois supérieur à celui de l’acier, une pièce en aluminium subira une variation dimensionnelle deux fois plus importante qu’une pièce en acier, pour une même variation de température.
Prenons l'exemple d'une pièce en aluminium de 100 mm : lorsque la température ambiante de mesure s'écarte de 5 °C de la température standard de 20 °C, la variation dimensionnelle est d'environ : 100 mm × 23 × 10⁻⁶/°C × 5 °C = 0,0115 mm. Pour des pièces de précision avec des tolérances de l'ordre de ±0,01 mm, la variation dimensionnelle due à la seule température dépasse déjà la plage de tolérance. Si la température n'est pas contrôlée ou compensée pendant la mesure, les résultats perdent toute pertinence pour la détermination de la conformité.
2. Dérive thermique de l'instrument lui-même
Outre les variations dimensionnelles de la pièce, la machine de mesure vidéo elle-même présente une dérive thermique. Après la mise sous tension, la chaleur générée par la source lumineuse, les moteurs d'entraînement et les autres composants élève la température des éléments structurels, notamment la colonne de l'axe Z, l'échelle linéaire et le barillet de l'objectif, provoquant une déformation thermique. Plus précisément : la colonne de l'axe Z se dilate axialement sous l'effet de la chaleur, ce qui affecte directement la position du plan focal et la référence de mesure de l'axe Z ; la dilatation thermique de l'échelle linéaire modifie l'espacement de ses graduations, affectant la précision de la lecture des coordonnées ; et la déformation thermique du barillet de l'objectif peut entraîner de légères variations du grossissement et de la distance focale.
L'effet combiné de ces phénomènes de dérive thermique peut entraîner des résultats différents pour une même pièce, mesurés immédiatement après la mise sous tension ou après une période de fonctionnement. Il est donc nécessaire de laisser l'instrument se réchauffer suffisamment avant toute mesure afin que tous ses composants atteignent l'équilibre thermique. La durée de réchauffement requise dépend de la structure de l'instrument et des conditions environnementales ; une période de stabilisation d'au moins 30 minutes après la mise sous tension est généralement recommandée, sous réserve des exigences du manuel d'utilisation.
3. Équilibre thermique de la pièce
L'équilibrage de la température de la pièce avec celle de l'environnement est tout aussi crucial. Une pièce fraîchement usinée peut être plus chaude (en raison de la chaleur de coupe) ou plus froide (en raison des résidus de liquide de refroidissement) que la température ambiante. Si une telle pièce est placée directement sur la platine de mesure pour contrôle, elle continuera de subir des variations de température et de dimensions pendant la mesure, ce qui entraînera des résultats instables.
La méthode appropriée consiste à placer la pièce à contrôler dans l'environnement d'inspection pendant une durée suffisante avant la mesure, afin que sa température s'équilibre complètement avec la température ambiante. Pour les matériaux à coefficient de dilatation élevé, tels que les alliages d'aluminium, le temps d'équilibrage doit être prolongé en conséquence. On peut vérifier si l'équilibrage est suffisant en mesurant la différence entre la température de surface de la pièce et la température ambiante à l'aide d'un thermomètre à contact.
4. Contrôle de la température pour la mesure par lots
Pour la mesure d'un même lot de pièces, il est recommandé, dans la mesure du possible, d'effectuer les mesures dans les mêmes conditions de température ambiante. Si une partie du lot est mesurée le matin et l'autre l'après-midi, avec des températures ambiantes différentes entre les deux sessions, un écart de température systématique apparaît entre les deux séries de données, ce qui affecte la cohérence et la comparabilité des résultats au sein du lot.
Lorsque les conditions le permettent, la zone d'inspection doit être équipée d'un système de régulation de la température afin de maintenir la température ambiante aux alentours de 20 °C et de limiter ses fluctuations. Pour les mesures de haute précision, les fluctuations de la température ambiante doivent être maîtrisées à ±1 °C près. Certains instruments intègrent des fonctions de compensation de température, utilisant des capteurs pour collecter des données de température ambiante en temps réel et appliquant des corrections logicielles aux résultats de mesure. Cependant, la précision de cette compensation dépend de la représentativité des données de température collectées et de l'exhaustivité du modèle de compensation.
5. Propriétés thermiques des matériaux de structure
Le choix du matériau de la structure de base de l'instrument a un impact durable sur sa stabilité thermique. Le granit présente un coefficient de dilatation thermique linéaire faible et uniforme (environ 4–8 × 10⁻⁶/°C) et ne souffre pas des problèmes de relaxation des contraintes rencontrés dans les métaux, ce qui lui confère une stabilité dimensionnelle supérieure à long terme par rapport à la fonte. Le JATEN JTDIM-200 utilise une structure en granit pour sa base (décrite sur le site web officiel comme une « structure en granit stable »), associée à des échelles linéaires de précision, contribuant ainsi à réduire l'impact des déformations thermiques structurelles sur la précision des mesures dans les environnements d'inspection standard.
En résumé, la maîtrise de la température est essentielle pour garantir la précision des mesures d'images. Les pratiques courantes comprennent : le maintien d'une température ambiante stable, le réchauffement de l'instrument jusqu'à l'équilibre thermique après la mise sous tension, le maintien d'une température d'équilibrage suffisante de la pièce avant la mesure, la réalisation de mesures par lots dans des conditions identiques et l'activation de la compensation de température si nécessaire.
https://www.jatentech.com/product/jtdim-200-video-measuring-system