Organisation d un laboratoire d étalonnage

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1 Organisation d un laboratoire d étalonnage SPRUYT G. 1 / 35 I.S.I.P.H

2 Table des matières 1. Contexte normatif Normes ISO 9000 relatives aux systèmes qualité Objectif et rôle de la fonction métrologique dans une entreprise Procédés de mesure Facteurs de qualité des mesures. Textes normatifs Gestion des moyens de mesure Acquisition des équipements de mesure Besoins techniques Conditions économiques et commerciales Évaluation des moyens de mesure Réception et mise en service des moyens de mesure Conformité à la commande Identification du moyen de mesure Inscription sur l inventaire Dossier technique de l instrument Documentation technique Opérations d étalonnage et de vérification L étalonnage La vérification Comment choisir entre un étalonnage seul ou un étalonnage complété par une vérification? Programme d étalonnage et de vérification Intervalles d étalonnage ou de vérification Mise en place d une structure métrologique au sein de l entreprise Analyse des besoins métrologiques et mise en place d étalons Raccordement aux étalons de référence de l entreprise Raccordement des étalons de référence de l entreprise aux étalons nationaux Le laboratoire d étalonnage en métrologie dimensionnelle Réalisation du local Équipements de mesure Principes généraux SPRUYT G. 2 / 35 I.S.I.P.H

3 Contrôle par calibres à limites, vérificateurs, rapporteurs (principe de Taylor) Contrôle par mesures Classification des instruments de mesure Procédures d étalonnage Redaction des certificats d étalonnages Méthodes de surveillance des procédés d étalonnage Maîtrise statistique des procédés de mesure Contrôle de la cohérence des résultats Difficultés spécifiques des processus de mesure intégrant des logiciels Exemples de laboratoire en métrologie dimensionnelle Premier exemple Type de fabrication. Tolérances Moyens de fabrication Moyens de contrôle Deuxième exemple La maîtrise Le local Les équipements Gestion des appareils de mesure Formation du responsable du service SPRUYT G. 3 / 35 I.S.I.P.H

4 Le souci d améliorer la qualité des produits industriels est un impératif économique et social aujourd hui de plus en plus partagé. Pour l entreprise, la détection des défauts, la diminution des rebuts, le perfectionnement des procédés de fabrication nécessitent une amélioration constante des méthodes de mesure et de contrôle. La surveillance périodique des instruments de mesure et de contrôle est devenue une nécessité. En effet, l utilisation d instruments dont les indications sont erronées fait courir à l entreprise des risques importants, tels que litiges avec les donneurs d ordre, retouches, rebuts, etc. L usage d instruments régulièrement entretenus, vérifiés et étalonnés, permet de garantir la validité des mesures et des contrôles ; c est un facteur de qualité essentiel. Il permet d accroître la productivité et donc d améliorer la compétitivité de l entreprise. Il est nécessaire, pour chaque entreprise, d assurer une fonction métrologique. Elle ne conduit pas obligatoirement à la création d un laboratoire avec des matériels coûteux ; elle se résout souvent grâce à l acquisition de quelques références (boîte de cales étalons, bagues lisses, etc.), ces références étant ensuite utilisées pour contrôler les moyens de mesure (pieds à coulisse, micromètres à vis, mesureurs d alésage). Dans les pages qui suivent, nous avons tenté de fournir les renseignements essentiels nécessaires à la mise en place d une structure métrologique. Il est bien évident que chacun des éléments présenté devra être adapté à l entreprise. La mise en place d une structure métrologique ne peut pas se concevoir sans une analyse objective des besoins de l entreprise: l absence de cette phase initiale conduirait immanquablement à la réalisation d un laboratoire mal adapté et d un coût excessif. 1. Contexte normatif 1.1. Normes ISO 9000 relatives aux systèmes qualité Les relations entre les entreprises se trouvent de plus en plus souvent codifiées par un ensemble de normes définissant un modèle type d assurance de la qualité dans les relations clients-fournisseurs. Deux normes sont particulièrement utilisées comme référence : ISO , Systèmes qualité Modèle pour l assurance de la qualité en production, installation et prestations associées ; ISO , Systèmes qualité Modèle pour l assurance de la qualité en conception/développement, production, installation et prestations associées. SPRUYT G. 4 / 35 I.S.I.P.H

5 La norme ISO 9003 a maintenant un intérêt moindre, car elle se limite à l assurance de la qualité en contrôle et essais finals. Elle répond cependant aux besoins de très nombreuses PME. Les normes ISO 9001 et 9002 formulent un ensemble d exigences relatives aux mesures effectuées par l entreprise. L analyse de ces exigences conduit les entreprises à entreprendre les actions suivantes : moyens et personnels pour les vérifications : o identifier puis analyser les besoins internes en matière de vérification ; o définir et mettre en place les moyens; o définir les compétences et les niveaux requis ; o désigner les responsabilités de chacun ; o éventuellement organiser des actions de formation pour les activités de vérification. maîtrise des procédés : o disposer de moyens de mesure permettant la maîtrise et le pilotage des procédés. contrôles et essais en cours de fabrication : o établir la conformité des produits aux spécifications en mettant en œuvre des méthodes de contrôle et de pilotage des opérations de fabrication. maîtrise des équipements de contrôle de mesure et d essai: o organiser la fonction métrologique dans l entreprise ; o estimer les incertitudes de mesure et examiner si elles sont compatibles avec les valeurs des spécifications à vérifier ; o évaluer, choisir les instruments ; o réaliser un inventaire des équipements; o définir les étalons de référence de l entreprise; o assurer la traçabilité aux étalons nationaux ; o établir puis améliorer les intervalles entre étalonnages ; o actualiser les procédures écrites d étalonnage ; o avoir des critères d acceptation pour procéder aux vérifications des instruments de mesure ; o procéder aux vérifications des instruments de mesure ; o surveiller justesse et fidélité ; o indiquer l état de vérification ou d étalonnage des instruments (étiquettes) ; o mettre en place des dossiers individuels d instruments de mesure ; o valider des résultats antérieurs obtenus avec un instrument, si ce dernier se trouve être hors de ses spécifications lors d une vérification ; SPRUYT G. 5 / 35 I.S.I.P.H

6 o réaliser un environnement convenable; o protéger les instruments contre les dégradations; o empêcher les déréglages ; o valider et qualifier les bancs d essais; o justifier la conception des mesurages. 2. Objectif et rôle de la fonction métrologique dans une entreprise On peut généralement considérer que le résultat d une mesure est une information technique que l on communique à un utilisateur. Ce dernier, au vu de cette information, sera chargé de prendre une décision : acceptation d un produit (lors de la mesure de caractéristiques ou de performances pour l établissement d une conformité à une spécification) ; validation d un procédé; réglage d un paramètre dans le cadre du contrôle d un procédé de fabrication (asservissement) ; validation d une hypothèse dans le cadre d un développement ; protection de l environnement ; définition des conditions de sécurité d un produit ou d un système. L ensemble de ces décisions concourent à la qualité du produit ou du service. La validité des décisions prises dépend donc directement de la qualité des informations communiquées et, par conséquent, des résultats de mesure. Il apparaît nécessaire, pour une entreprise qui veut progresser dans le domaine de la qualité, de mettre en place une fonction métrologique. Le rôle de cette fonction consiste à maîtriser l aptitude à l emploi de tous les moyens de mesure utilisés dans l entreprise et à en donner l assurance. 3. Procédés de mesure Lorsque l on s intéresse aux mesures et aux équipements de contrôle, de mesure et d essais, on a généralement tendance à porter tous ses efforts sur l instrument de mesure, et à limiter son attention à celui-ci. Il faut cependant considérer que l instrument de mesure n est qu un maillon dans le processus d obtention d un résultat de mesure. Il nous semble donc préférable de parler de procédé de mesure et ainsi d avoir une vision plus globale des moyens et des ressources qu il est nécessaire de mettre en œuvre pour l obtention d un résultat de mesure. SPRUYT G. 6 / 35 I.S.I.P.H

7 Le procédé de mesure peut se définir comme l ensemble constitué par (figure 1) : un principe de mesure; une méthode de mesure; un mode opératoire ; une instrumentation; des étalons ; un environnement (température, pression, humidité, vibrations mécaniques, environnement électromagnétique); un opérateur. Le procédé de mesure, comme de nombreux procédés, permet d obtenir un produit qui, dans ce cas particulier, est un résultat de mesure. Dans ce cadre, le rôle du laboratoire d étalonnage est de s assurer de la gestion des instruments de mesure dans l entreprise ; il ne faudra cependant pas oublier que de nombreux autres facteurs concourent à la qualité des mesures. Figure 1 : le procédé de mesure 4. Facteurs de qualité des mesures. Textes normatifs Si l on tente de caractériser la qualité d un résultat de mesure, on peut définir ce que nous appellerons une qualité intrinsèque et une qualité extrinsèque. La qualité intrinsèque correspond à la validité physique de notre résultat de mesure et elle pourrait se caractériser par l incertitude. En effet, l incertitude est un indicateur, une mesure de la qualité de notre résultat. La qualité extrinsèque du résultat de mesure correspondrait à l adéquation entre le résultat de mesure et l objectif de la mesure, c est-à-dire sa pertinence (a-t-on mesuré la grandeur vraiment utile à l utilisateur, l incertitude du résultat est-elle adaptée à l objectif : ni trop performante, ni insuffisante). Il faut se souvenir que l incertitude est généralement directement liée au coût du procédé de mesure, d où la nécessité d optimiser ce paramètre. SPRUYT G. 7 / 35 I.S.I.P.H

8 Ayant défini les caractéristiques de la qualité d un résultat de mesure, nous pouvons examiner quelles sont les actions à entreprendre pour établir puis maintenir cette qualité. Si l on dresse une liste des différents facteurs intervenant dans la qualité d un résultat de mesure, on peut essayer de rattacher ces facteurs à des exigences ou des conseils apparaissant dans des textes normatifs (tableau 1). 5. Gestion des moyens de mesure La gestion du parc d instruments de mesure a pour objectif de constituer et d entretenir un parc d instruments de mesure qui réponde aux besoins de l entreprise. Tout au long de la vie de l instrument, le laboratoire d étalonnage aura à intervenir sur l équipement. On identifie généralement trois phases : 1. l acquisition des instruments; 2. la réception, la mise en service et le suivi des moyens; 3. l étalonnage ou la vérification des instruments de mesure. SPRUYT G. 8 / 35 I.S.I.P.H

9 5.1. Acquisition des équipements de mesure Suivant les entreprises, le choix des moyens de mesure peut soit être laissé à l initiative des utilisateurs, soit au contraire être centralisé. Le rôle du laboratoire d étalonnage peut, suivant les situations, être très varié. Ses compétences étant essentiellement techniques, on pourra être amené à le consulter notamment pour savoir si l instrument que l on envisage d acheter est étalonnable par l entreprise ou pas. Le choix d un moyen de mesure résulte de la prise en considération des besoins techniques, des conditions économiques et commerciales et des évaluations qui ont pu être faites par ailleurs de ce moyen Besoins techniques Adéquation des performances métrologiques Il importe tout d abord de réaliser l adéquation des performances et de la classe de précision ou de l exactitude des moyens de mesure avec les exigences technologiques de l entreprise, en tenant compte des contraintes de mise en œuvre et d utilisation (grandeurs d influence, manutention, maintenance, etc.) de ces moyens. Pour nous guider dans ce choix, nous pouvons utiliser les concepts développés dans la norme (encadré 1). SPRUYT G. 9 / 35 I.S.I.P.H

10 Il sera nécessaire de toujours partir des spécifications du produit. Dans le domaine de la métrologie dimensionnelle, les spécifications seront soit des dimensions, soit des spécifications géométriques. Le raisonnement sera toujours du même type : on partira des spécifications des produits à contrôler, on définira les instruments de mesure, puis les étalons nécessaires à l étalonnage ou à la vérification de ces instruments de mesure. Si ce raisonnement n est pas respecté, on aboutit à choisir des matériels mal adaptés (soit trop performants et donc trop coûteux, soit dont les performances ne permettent pas de répondre au problème posé). Homogénéité du parc d instruments Au moment du choix, l homogénéité du parc des instruments de mesure de l entreprise peut être un critère déterminant, pour des considérations d utilisation (interchangeabilité) ou de maintenance par exemple. Analyse prospective Il est judicieux d effectuer une analyse prospective et rétroactive de l utilisation et des possibilités d évolution du moyen de mesure, afin de limiter les risques d obsolescence et surtout d ouvrir pour l entreprise de nouvelles possibilités pour ce qui est prévisible. Dans le domaine de la métrologie dimensionnelle, les investissements sont particulièrement lourds et la durée de vie des matériels très longue ; ces deux facteurs rendent d autant plus difficiles les choix. En plus des problèmes de «performances métrologiques», l entreprise devra également examiner les aspects opérationnels de l instrument et le degré d automatisation souhaité. Définition d un cahier des charges Pour un moyen de mesure spécifique ou complexe, il est recommandé d établir un cahier des charges définissant en particulier : les caractéristiques demandées du moyen de mesure ; les conditions d utilisation, d environnement et de maintenance ; les exigences particulières relatives à l étalonnage et à la vérification ; les conditions de réception. Le temps passé à la rédaction d un cahier des charges n est jamais inutile, car il est bien souvent l occasion de mieux préciser son besoin et de bien définir avec le fournisseur le contenu exact de la fourniture, ainsi que les conditions de réception. SPRUYT G. 10 / 35 I.S.I.P.H

11 Conditions économiques et commerciales Bien que ces questions soit importantes, nous ne les citerons que pour mémoire Évaluation des moyens de mesure Le choix des moyens de mesure peut être aussi déterminé à partir d évaluations résultant de l expérience acquise dans d autres entreprises ou réalisées par des laboratoires de métrologie. Il est ainsi souhaitable de se procurer toute information ou documentation susceptible d étayer le choix de l entreprise. En Europe, trois associations d utilisateurs d équipements de mesure font réaliser, dans des laboratoires de métrologie et d essais, des évaluations d instruments (France : EXERA, Grande-Bretagne : SIREP, Pays-Bas : WIB) 5.2. Réception et mise en service des moyens de mesure Dès l arrivée d un nouveau moyen de mesure, le laboratoire d étalonnage s assure de la réalisation des opérations suivantes Conformité à la commande Vérification de la conformité à la commande et aux spécifications du constructeur ou à des prescriptions particulières, contrôle des documents techniques fournis. Un essai de bon fonctionnement est nécessaire mais il n est pas toujours suffisant ; a-t-on vérifié les possibilités d interfaçage de l instrument? Cette vérification n est bien souvent faite que dans un deuxième temps Identification du moyen de mesure Il s agit d affecter à chaque matériel un numéro d identification. Le choix du type de codification peut s appuyer sur une logique de classification permettant de regrouper par famille, par type d utilisation. Ce numéro sera apposé sur le moyen de mesure par un procédé garantissant son indélébilité. À défaut, ce numéro sera apposé sur le coffret de l instrument, lorsque des raisons techniques le justifient. Le numéro d identification, lorsque le constructeur en prévoit un, peut également être utilisé Inscription sur l inventaire L identification permet d élaborer un inventaire permanent et quantitatif du parc des moyens de mesure. Cet inventaire sert à suivre techniquement l évolution des moyens de mesure et leur situation vis-à-vis des interventions d étalonnage, de vérification ou de remise en état, ou tout autre événement qui concerne le moyen. SPRUYT G. 11 / 35 I.S.I.P.H

12 Selon les possibilités de chaque entreprise, cet inventaire peut être constitué par un ensemble de fiches individuelles dites fiches de vie. Deux types de fiches de vie peuvent être conçus: une fiche de vie de type universel ; une fiche de vie de type spécifique à une même famille d instruments. La fiche de vie de type spécifique présente l avantage de permettre un suivi technique du moyen sans faire appel à d autres documents, puisqu elle sert de support aux relevés de chaque intervention. La fiche de vie de type universel permet de renvoyer à d autres documents relatant l historique des interventions (certificat d étalonnage et rapport de maintenance...). Différents fournisseurs proposent sur le marché des logiciels de gestion de parc d instruments de mesure. Actuellement, peu de logiciels incluent des possibilités de réelle gestion technique des instruments. Il serait particulièrement important d inclure dans ces logiciels des dispositifs permettant l archivage de données d étalonnage ou de résultats d opérations de surveillance permettant ensuite une exploitation graphique de ces données (cartes de contrôle). D une manière générale, les informations suivantes font l objet d un enregistrement sur la fiche de vie : nom de l instrument (nom générique); nom ou marque du fournisseur, du fabricant ; type de l instrument ; numéro de série ; numéro d identification interne (éventuellement); date de réception et/ou de mise en service ; référence éventuelle aux procédures de maintenance ; référence aux procédures d étalonnage ou de vérification; affectation de l instrument ; intervalle d étalonnage ou de vérification (exprimé soit en unité de temps, soit en fonction du nombre de pièces contrôlées, soit en une autre unité). Un tableau est ensuite prévu et comporte les informations suivantes : date de l intervention (réception, mise en service, étalonnage,...) ; nature de l intervention; résultats de l intervention ou renvoi à un autre document (rapport de maintenance, certificat d étalonnage...); visa de contrôle. La norme précise ces différents éléments. On trouvera un exemple de fiche de vie en figure 2. SPRUYT G. 12 / 35 I.S.I.P.H

13 Figure 2 : exemple de fiche de vie (cf. norme NF E ) Dossier technique de l instrument À la réception d un nouvel instrument, il peut, dans certains cas (matériel important), s avérer nécessaire d ouvrir un dossier dans lequel seront classés tous les documents concernant cet instrument (cahier des charges, commande, procès verbal de recette, notice, certificats d étalonnage, constats de vérification, rapport de maintenance...) Documentation technique À la mise en service d un nouvel instrument, on s assurera que tous les opérateurs ont les informations nécessaires à son utilisation correcte : copie des notices, rédaction de procédures... SPRUYT G. 13 / 35 I.S.I.P.H

14 5.3. Opérations d étalonnage et de vérification Les opérations d étalonnage et de vérification sont toutes deux fondées sur la comparaison à un étalon et n incluent aucune intervention sur le moyen de mesure concerné, autre que les opérations préliminaires (ou les réglages laissés à la disposition de l utilisateur). Ce sont des opérations indispensables, qui rendent significatives les indications fournies par les moyens de mesure L étalonnage Le résultat d un étalonnage est considéré comme étant l ensemble des valeurs issues de la comparaison des résultats de mesure de l instrument par rapport à l étalon. Le Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie (VIM) précise la définition du terme étalonnage dans son paragraphe : «Ensemble des opérations établissant, dans des conditions spécifiées, la relation entre les valeurs de la grandeur indiquées par un appareil de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par une mesure matérialisée ou par un matériau de référence, et les valeurs correspondantes de la grandeur réalisées par des étalons. «Notes : «1. Le résultat d un étalonnage permet soit d attribuer aux indications les valeurs correspondantes du mesurantes, soit de déterminer les corrections à appliquer aux indications. «2. Un étalonnage peut aussi déterminer d autres propriétés métrologiques telles que les effets de grandeurs d influence. «3. Le résultat d un étalonnage peut être consigné dans un document parfois appelé certificat d étalonnage ou rapport d étalonnage. «4. Le résultat d un étalonnage est parfois exprimé sous la forme d un facteur d étalonnage ou d une série de facteurs d étalonnage sous la forme d une courbe d étalonnage.» Il se traduit par un document d étalonnage dont l exploitation permet de diminuer l incertitude des mesures réalisées à l aide de l instrument (par application de corrections compensant des erreurs systématiques présumées) La vérification «Vérification : Confirmation par examen et établissement des preuves que les exigences spécifiées ont été satisfaites. «Note : Dans le cas de la gestion d un parc d instruments de mesure, la vérification permet de s assurer que les écarts entre les valeurs indiquées par un appareil de mesure et les valeurs connues correspondantes d une grandeur mesurée sont tous inférieurs aux erreurs maximales tolérées, définies par une norme, par une réglementation ou une prescription propre au gestionnaire du parc d instruments de mesure. «Le résultat d une vérification se traduit par une décision de remise en service, d ajustage, de réparation, de déclassement ou de réforme. Dans tous les cas, une trace écrite de la SPRUYT G. 14 / 35 I.S.I.P.H

15 vérification effectuée doit être conservée dans le dossier individuel de l appareil de mesure (Définition tirée du Guide ISO/CEI 25).» Le résultat d une vérification permet d affirmer que le moyen de mesure satisfait ou non à des prescriptions préalablement fixées (généralement sous forme de limites d erreurs tolérées qui autorisent sa mise ou sa remise en service). Une vérification peut donc être effectuée : soit en comparant les résultats d une opération d étalonnage aux limites d erreurs tolérées ; soit directement à l aide d un étalon matérialisant les indications limites tolérées de l instrument de mesure auquel il est comparé. Cette méthode ne nécessite pas l obtention de résultats chiffrés. Il résulte des indications précédentes qu une vérification n implique pas nécessairement la conservation des valeurs établissant la correspondance entre les indications des appareils comparés. Il y a néanmoins nécessité de garder trace de l acte. Si cet instrument se révèle défectueux lors d une vérification, il peut être exigé de conserver les résultats des mesures effectuées dans le cas où il serait nécessaire de mener une action corrective concernant les mesures effectuées antérieurement avec l instrument. L étalonnage entraîne un résultat chiffré. La vérification implique une notion de jugement aboutissant à une décision. Le terme vérification est utilisé quelquefois à tort pour désigner la surveillance des instruments en service Comment choisir entre un étalonnage seul ou un étalonnage complété par une vérification? Si, pour utiliser l instrument de mesure, il est suffisant de savoir que les erreurs d indication ou les erreurs de justesse sont inférieures aux erreurs maximales tolérées (spécifiées dans un document interne à l entreprise, une norme ou la spécification du constructeur...), il suffit alors d utiliser le constat de vérification. Par contre, s il est nécessaire d appliquer des corrections aux indications de l instrument pour corriger des erreurs systématiques présumées et diminuer les incertitudes de mesure, il faudra alors disposer d un document d étalonnage Programme d étalonnage et de vérification Le programme d étalonnage et de vérification est un document qui permet de définir l ensemble des opérations d étalonnage ou de vérification à effectuer sur la totalité du parc d instruments de mesure. C est, pour l entreprise, un outil de gestion essentiel. Il pourra SPRUYT G. 15 / 35 I.S.I.P.H

16 prendre la forme d un planning sur papier ; si le parc est important, les logiciels de gestion facilitent l appel des instruments à étalonner. Son établissement doit se faire en fonction de l intervalle d étalonnage ou de vérification établi pour chaque moyen de mesure, des périodes favorables à la disponibilité des matériels et du plan de charge de travail correspondant aux travaux à effectuer Intervalles d étalonnage ou de vérification La détermination des intervalles de réétalonnage d un instrument de mesure est une question difficile. Ces intervalles dépendent uniquement de l incertitude de mesure recherchée par l utilisateur (incertitude de mesure nécessaire et suffisante pour effectuer le contrôle d un produit ou surveiller un processus de fabrication). Lorsque l une des caractéristiques d un produit est spécifiée sous la forme d une zone de tolérance, on s assurera que le rapport entre cette tolérance et l incertitude est correct (encadré 1). L incertitude de mesure est une expression de la part inconnue des erreurs commises. L incertitude de mesure effectuée avec un instrument se dégrade en fonction du temps ou de l usage de l instrument. En effet, certaines composantes de l incertitude évoluent avec le temps, par exemple la justesse. L étalonnage à intervalles déterminés permet de quantifier la variation de justesse de l instrument et d apporter les corrections nécessaires à la diminution des erreurs systématiques. Ces variations des composantes de l incertitude dépendent de facteurs tels que : taux et types d utilisation; usure et nature de l équipement, et s expriment par les dérives attendues, compte tenu de l expérience acquise. Actuellement, peu de méthodes techniques sont employées pour approcher ce problème. Les solutions retenues se fondent davantage sur l expérience des utilisateurs qui, au vu des résultats d étalonnage successifs, déterminent un intervalle. Nota : néanmoins, des travaux sont en cours aux États-Unis (National Conference of Standard Laboratories). Ils ont pour but de recenser les différentes méthodes envisageables. Une recommandation sur ce sujet a été publiée par l Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) (document international no 10) ; enfin, le Bureau de Normalisation de l Aéronautique et de l Espace (BNAE) a réuni un groupe de travail pour essayer de traiter ce problème. De manière concrète, pour régler actuellement cette question, la méthode la plus simple consiste à définir un intervalle a priori (en tenant compte de toutes les informations disponibles, expérience sur des équipements de technologie voisine, expérience des collègues...), puis à modifier cet intervalle après examen des écarts constatés aux cours des SPRUYT G. 16 / 35 I.S.I.P.H

17 étalonnages successifs. Les méthodes de surveillance des procédés de mesure utilisant les cartes de contrôle de Shewhart sont certainement à encourager car elles permettent de maîtriser ces intervalles d étalonnage ou de vérification. Remarques : à l intérieur de la période fixée, il n est pas exclu de procéder à des contrôles ponctuels, de façon à déceler toutes anomalies de fonctionnement aux points de mesure couramment utilisés. En aucun cas, ces contrôles ne peuvent se substituer aux opérations d étalonnage et de vérification prévues; toute intervention susceptible de modifier les caractéristiques métrologiques nécessite d examiner l intervalle préalablement établi ; certains moyens de mesure ne sont utilisés qu épisodiquement ; il convient de ne pas leur appliquer les règles strictes de périodicité. À cet effet, des consignes écrites doivent être données pour que ces appareils subissent des opérations de comparaison avant leur emploi si la durée de validité de la précédente comparaison est expirée ; certains moyens de mesure ne sont utilisés exclusivement que sur une ou quelquesunes de leurs fonctions ; il peut être convenu de ne les étalonner (ou vérifier) que pour la ou les fonctions utilisées. Dans ce cas, ils devront être identifiés de façon à éviter tout risque d erreur en cas d emploi occasionnel sur une fonction non étalonnée (ou vérifiée). 6. Mise en place d une structure métrologique au sein de l entreprise 6.1. Analyse des besoins métrologiques et mise en place d étalons L examen de l inventaire du parc d instruments de mesure permettra de regrouper les instruments suivant les 3 critères ci-après: grandeur physique mesurée ; domaine de mesure; justesse et fidélité. L analyse de ces regroupements fera apparaître 4 cas typiques: Cas de l appareil unique L acquisition d étalons de référence permettant d étalonner ce type d appareil ne sera généralement pas envisagée. La solution la plus efficace et la plus simple consistera à confier l étalonnage de cet instrument à un laboratoire d étalonnage accrédité. SPRUYT G. 17 / 35 I.S.I.P.H

18 Cas des instruments dont l usage est largement répandu dans l entreprise En utilisant l inventaire du parc d instruments de mesure, il sera possible de définir, en tenant compte des gammes de mesure et des incertitudes, les étalons nécessaires à l étalonnage et à la vérification de ces équipements de mesure. Exemple : à titre d illustration, examinons un cas particulier : la vérification des pieds à coulisse. Lorsque dans une entreprise, il existe un nombre important de pieds à coulisse, il est peut-être préférable d assurer la vérification de ces instruments à l aide de cales étalons. La norme précise que l on doit contrôler l erreur de justesse et l erreur de fidélité. Cette vérification s effectue à l aide de cales étalons, dont la classe, ou dont l incertitude sur la connaissance de la valeur conventionnellement vraie, est déterminée en fonction des erreurs maximales tolérées sur l instrument. Dans le cas présent, l incertitude sur la connaissance de la longueur de la cale doit être au plus égale à l erreur maximale tolérée. Plusieurs avantages découlent de ce type d organisation : moindre coût, délais d immobilisation plus courts, possibilité d utiliser une référence locale en cas de doute sur une mesure. Cas des instruments de mesure et d essais dont le raccordement à des grandeurs physiques pose des problèmes techniques Il s agit du cas de mesures fondées sur l application de méthodes conventionnelles (par exemple, essais d éclatement des papiers). Dans ce cas, deux types d approches sont envisageables : utilisation de matériaux de référence ou campagne d essais inter laboratoires. Le guide ISO précise au paragraphe 9.3 : «Lorsque la traçabilité des mesures à des étalons nationaux ou internationaux n est pas réalisable, le laboratoire doit démontrer la corrélation des résultats d essais, par exemple, en participant à une campagne appropriée de comparaisons inter laboratoires ou essais d aptitude.» Cas des instruments de mesure ne pouvant pas être raccordés à un centre d étalonnage agréé. Dans un premier temps, on recherchera une certaine crédibilité des mesures par le biais de comparaisons, de recoupements entre laboratoires. Des contacts pourront être pris, éventuellement on fera appel à des laboratoires étrangers pour effectuer l étalonnage. SPRUYT G. 18 / 35 I.S.I.P.H

19 6.2. Raccordement aux étalons de référence de l entreprise Le paragraphe précédent nous a permis de définir les instruments susceptibles d être étalonnés ou vérifiés par le laboratoire d étalonnage de l entreprise. Le raccordement aux étalons de référence du laboratoire détermine l aptitude d un résultat de mesure à être relié à des étalons appropriés par l intermédiaire d une chaîne ininterrompue. Le raccordement des moyens de mesure à l étalon de référence du laboratoire de l entreprise peut être direct ou s effectuer par l intermédiaire d un étalon de travail. Pour illustrer ce cas, reprenons l exemple des pieds à coulisse. L analyse des erreurs maximales tolérées sur l erreur de justesse montre que l on n a pas besoin d employer des cales dont la longueur est connue avec la plus faible incertitude. Il se pourra que l entreprise dispose d un jeu de cales étalonnées par un centre d étalonnage agréé par une méthode interférométrique avec une incertitude de ± 0,012 µm + 0,1 10E 6L et que par une méthode de comparaison mécanique elle étalonne elle-même des cales «étalons de travail» avec une incertitude de mesure adaptée à la vérification des instruments de mesure usuels. Il faut toujours avoir à l esprit que le nombre d étalons intermédiaires doit être choisi de sorte que la dégradation des incertitudes, due à l utilisation des étalons successifs, soit compatible avec l incertitude recherchée pour l instrument de mesure : un choix judicieux doit permettre la réalisation d une chaîne d étalons bien adaptée à l application envisagée quant à leurs incertitudes, leurs stabilités et leurs domaines d utilisation Raccordement des étalons de référence de l entreprise aux étalons nationaux Le raccordement des références du laboratoire aux étalons nationaux comporte les opérations suivantes : les étalonnages externes (dans un centre d étalonnage ou un service de métrologie habilité) des étalons de référence de l entreprise qui garantissent leur rattachement aux étalons nationaux ; les étalonnages internes (effectués par le laboratoire d étalonnage de l entreprise) des étalons de travail. Pour chacune de ces deux opérations, un programme de raccordement fixe la liste des instruments concernés, l intervalle des étalonnages, les points à étalonner (programme d étalonnage) ainsi que les conditions particulières éventuelles. La mise au point de ce programme peut se faire avec l assistance d un centre d étalonnage agréé. Nota : il n y a pas d obligation pour une entreprise de faire étalonner ses instruments dans un laboratoire accrédité par le service national d accréditation (le FRETAC pour la France), mais SPRUYT G. 19 / 35 I.S.I.P.H

20 il est évident que le certificat d étalonnage émis par un laboratoire accrédité par un tel service constitue la preuve la plus sûre et la plus simple du raccordement aux étalons nationaux. De plus, au niveau européen, dans le cadre du WECC (Western European Calibration Coopération), le COFRAC est l organisme signataire du «Multilateral Agreement» (MLA) concernant la reconnaissance des certificats d étalonnage ; seuls les certificats d étalonnage émis dans le cadre des accréditations du COFRAC bénéficient de cet accord de reconnaissance. Si le laboratoire d étalonnage n est pas accrédité par le service national d étalonnage (COFRAC), le donneur d ordres doit, lui-même, évaluer son sous-traitant. Le laboratoire délivre alors un certificat d étalonnage sous sa propre responsabilité. Le donneur d ordres prend en compte ou effectue lui-même des évaluations analogues à celles que fait le COFRAC, en vue de s assurer que les prestations techniques que fournit le laboratoire d étalonnage sont correctement exécutées suivant des méthodes permettant d atteindre le but recherché, et que l organisation du laboratoire répond aux exigences du GUIDE ISO/CEI 25 (ou de la norme EN 45001), même si le système qualité du laboratoire a été certifié. Le donneur d ordres devra également obtenir, de son fournisseur, la preuve de sa traçabilité et la justification de ses incertitudes d étalonnage. WECC et WELAC ont maintenant fusionné pour former EAL (European cooperation for Accreditation of Laboratories). 7. Le laboratoire d étalonnage en métrologie dimensionnelle 7.1. Réalisation du local Les indications des instruments sont très souvent fonction des conditions d environnement et de l effet de grandeurs d influence telles que température, hygrométrie... Il y a donc lieu de définir des conditions de référence dans lesquelles est pratiqué l étalonnage. Ces conditions de référence sont précisées dans des textes normatifs ou font l objet de conventions. La stabilité des conditions d environnement et des grandeurs d influence est essentielle pendant l étalonnage. Les fluctuations admissibles sont déterminées en fonction de l incertitude d étalonnage recherchée. L utilisation de l instrument dans des conditions d environnement différentes des conditions de référence conduit l utilisateur à appliquer lorsqu il en connaît les lois de variation et si cela est nécessaire pour l incertitude recherchée des corrections, dites corrections d environnement. SPRUYT G. 20 / 35 I.S.I.P.H

21 7.2. Équipements de mesure Principes généraux Les équipements de mesure utilisés dans les laboratoires de métrologie dimensionnelle dépendent des types de fabrication, mais aussi des méthodes de contrôle adoptées par le laboratoire ou l entreprise. En fabrication mécanique, surtout de série, une cascade de mesures ou de contrôles est indispensable (voir système ISO de tolérances). On peut schématiquement la représenter comme suit: Avec cette cascade de mesures, si l on appliquait la règle communément admise dans le passé en métrologie (rapport 1/10 entre l exactitude de l instrument de mesure et la tolérance de l objet à contrôler), on arrive à un rapport de tolérances étalon/produit de 10E 3. En pratique, il faut presque toujours déroger à cette règle et adopter un compromis. Il est souhaitable de déterminer avec rigueur les incertitudes de mesures et de ramener le rapport précédent entre 1/2 et 1/4, alors que le rapport 1/10 impose un coefficient de sécurité arbitraire (cf. encadré 1). Pour la mécanique de haute précision, l emploi de vérificateurs devient impossible. Il faut procéder par mesures directes suivant la filière raccourcie : Produit Instrument de mesure Étalon Les méthodes de mesure correspondant à ces principes sont les suivantes Contrôle par calibres à limites, vérificateurs, rapporteurs (principe de Taylor) C est une méthode par tout ou rien (le calibre entre ou n entre pas), simple, rapide, peu onéreuse, utilisant des matériels souvent simples et indéréglables, nécessitant une faible qualification de la main-d œuvre, mais donnant peu de renseignements ; elle convient au contrôle des fabrications de série. Par contre, elle est mal adaptée au réglage des machines et à la surveillance de leur dérive. SPRUYT G. 21 / 35 I.S.I.P.H

22 Contrôle par mesures C est une véritable méthode métrologique : elle permet une analyse détaillée du produit ; elle peut être très riche en renseignements, sous réserve d une interprétation soignée des résultats, et permet d atteindre une grande précision. Elle est plus longue, plus difficile que la méthode précédente ; elle exige une main-d œuvre qualifiée et souvent des instruments d un prix élevé. Couramment employée en fabrication unitaire, elle est seule utilisable pour le réglage et la surveillance des machines d usinage ainsi que pour les fabrications de précision. Les différents procédés de mesurage sont la mesure par déplacement et la mesure par comparaison. Mesure par déplacement Procédé consistant à déterminer des dimensions de produits par lecture directe ou indirecte sur instruments. Méthode directe : les extrémités de la dimension à mesurer sont mises en contact ou en alignement avec les deux touches ou les deux repères de l instrument (exemples : réglet gradué, pied à coulisse, micromètre à main, etc.). Méthode indirecte : la grandeur à mesurer est déterminée grâce à deux repérages ou deux lectures ou à la mesure d autres grandeurs (exemple : mesurage d un angle par détermination de deux longueurs). Mesure par comparaison La dimension à mesurer est comparée à une dimension équivalente matérialisée par un étalon approprié et d exactitude suffisante. L étalon utilisé peut avoir même dimension que le produit : le comparateur est alors un simple indicateur de zéro. Si l étalon utilisé a une valeur approchée de la dimension du produit, le comparateur indique l écart entre les deux dimensions. La méthode par comparaison est la plus employée ; aussi précise que la précédente, elle est plus rapide. On procède par : o permutation de la pièce et de l étalon (méthode de Gauss) : emploi exceptionnel en métrologie géométrique ; o substitution de la pièce à l étalon (méthode de Borda) : presque exclusivement employée. SPRUYT G. 22 / 35 I.S.I.P.H

23 La mesure par comparaison est utilisée aussi souvent que possible : elle met en œuvre un matériel simple, la manipulation est souvent facile et rapide, elle élimine ou minimise certaines causes d erreurs Classification des instruments de mesure Deux critères ont été retenus pour établir cette classification : le principe de mesurage : A : les mesures matérialisées, B : les appareils mesureurs ; la fonction principale de l instrument: o étalonnage, o vérification de longueurs, o vérification d angles, o vérification de formes, d orientations et de positions, o vérification d états de surface, o vérification de filetage, o vérification d engrenages, o vérification de cannelures. Les tableaux 2 et 3 présentent cette classification. SPRUYT G. 23 / 35 I.S.I.P.H

24 SPRUYT G. 24 / 35 I.S.I.P.H

25 SPRUYT G. 25 / 35 I.S.I.P.H

26 7.3. Procédures d étalonnage Disposer de documents écrits (ou tout autre support convenable, logiciel...) décrivant les méthodes et les modes opératoires devient une nécessité pour les laboratoires. C est quasiment le seul moyen fiable pour s assurer d une «répétabilité» des opérations, noter l évolution des méthodes lorsque des améliorations sont trouvées et servir de «mémoire» pour le laboratoire. Il est bien évident que l établissement des procédures est une opération longue, difficile et dont la rédaction doit être effectuée collectivement par les techniciens chargés des étalonnages et sous le contrôle de personnes maîtrisant complètement la technique de mesure. La mise au point de l ensemble des procédures pour un laboratoire déjà en activité ne peut se concevoir que comme une tâche s étalant dans le temps. SPRUYT G. 26 / 35 I.S.I.P.H

27 La liste (encadré 2) indique un ensemble de thèmes de réflexion qui doivent guider pour leur rédaction Redaction des certificats d étalonnages La définition du terme étalonnage précise que le résultat peut être consigné dans un document appelé certificat d étalonnage ou rapport d étalonnage. D autres formes de supports peuvent être envisagées ; déjà certains instruments stockent dans une mémoire interne un ensemble de corrections qui ont été déterminées grâce à un étalonnage. Des machines à mesurer tridimensionnelles automatiques et programmables disposent de logiciels de correction automatique, corrigeant les justesses des règles, les défauts géométriques tels que l orthogonalité des axes. Pour la rédaction des documents d étalonnage, on pourra utiliser le schéma de l encadré 3. SPRUYT G. 27 / 35 I.S.I.P.H

28 7.5. Méthodes de surveillance des procédés d étalonnage Maîtrise statistique des procédés de mesure Si l on assimile le processus de mesure à un procédé de fabrication et si le procédé est sous «contrôle statistique», il est possible d utiliser des techniques de surveillance telle que la méthode des cartes de contrôle. Exemple : à titre d illustration, présentons la procédure de contrôle d un banc d étalonnage du LNE (Laboratoire National d Essais). Pour réaliser les étalonnages de règles à traits, de cales étalons de grande longueur (3 m) et de broches à bouts sphériques, le LNE a développé un banc d étalonnage. La technique de mesure employée se fonde sur des mesures de déplacement par 3 faisceaux d interféromètre laser à comptage de franges. Des mesures de pression atmosphérique, de température et d hygrométrie permettent de déterminer l indice de réfraction de l air et ainsi de calculer la longueur d onde du laser. Un calculateur gère l ensemble des fonctions du banc et assure l acquisition et le traitement des données. Chacun des instruments intervenant dans ce banc est périodiquement réétalonné. La fréquence de la radiation du laser est déterminée par l Institut National de Métrologie. Les capteurs de température, de pression et d humidité sont également étalonnés par les centres SPRUYT G. 28 / 35 I.S.I.P.H

29 d étalonnage du LNE. Compte tenu de la relative complexité du banc, il a été jugé opportun de mettre en place une procédure de surveillance de ce moyen de mesure. La méthode décrite dans le fascicule de documentation X de juillet 1970 (Contrôle en cours de fabrication. Cartes de contrôle) a été appliquée et une cale étalon de 400 mm est périodiquement vérifiée sur le banc. Les résultats sont reportés sur un diagramme et l on surveille ainsi deux paramètres : la moyenne et l écart-type expérimental. La moyenne servant surtout d indicateur pour les phénomènes de dérive, l écart-type expérimental sert à vérifier que l instrument ne présente pas de dispersion anormale des résultats Contrôle de la cohérence des résultats Les opérations citées précédemment concernent exclusivement la surveillance du moyen d étalonnage. Le contrôle de l exécution de l étalonnage est une opération plus difficile, il s agit bien souvent de détecter des dysfonctionnements de l instrument à étalonner. Différentes techniques sont alors employées, mais elles sont très dépendantes de la nature des instruments à étalonner. Le contrôle de la répétabilité des résultats, la constance de la force électromotrice délivrée par un couple thermoélectrique pour différentes profondeurs d immersion sont des indicateurs fort intéressants pour le contrôle de l étalonnage de couples thermoélectriques. Pour un capteur, l exploitation graphique de la courbe de régression de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d entrée est un moyen de vérification pertinent Difficultés spécifiques des processus de mesure intégrant des logiciels La part de logiciel devient de plus en plus importante dans les processus de mesure. L apport des calculateurs est manifestement positif car ils permettent des tests, des calculs, des acquisitions plus rapides... Cependant, les risques liés à leur utilisation sont très importants. Lorsque l utilisateur a développé lui-même son système informatique, un certain nombre de précautions élémentaires doivent être prises : ne pas développer de logiciel où les choix seraient imposés par la machine, mais au contraire prévoir un logiciel souple permettant un dialogue ; rédiger correctement les logiciels et surtout en prévoir une documentation claire et précise (identification des variables d entrée et de sortie, organigramme, formule de calcul, références bibliographiques des algorithmes utilisés...) ; prévoir un jeu de valeurs numériques permettant de tester le logiciel ; chaque modification du logiciel fera l objet d un nouveau jeu de valeurs numériques que l on appliquera ainsi que les jeux précédents. SPRUYT G. 29 / 35 I.S.I.P.H

30 Le problème des appareils automatiques est plus délicat à résoudre, car malheureusement les documentations techniques sont rarement suffisantes pour maîtriser parfaitement l ensemble des traitements effectués. 8. Exemples de laboratoire en métrologie dimensionnelle 8.1. Premier exemple PME de la mécanique de 350 à 400 personnes travaillant en sous-traitance pour l automobile et l aéronautique La figure 3 présente la chaîne d étalonnage de cette industrie. Figure 3 : chaîne d étalonnage de l industriel Type de fabrication. Tolérances Les fabrications de cette PME sont essentiellement des pièces mécaniques de haute précision. Fabrication de pièces mécaniques diverses, en petites séries de 100 à 200 pièces. Matière : acier, alliage léger. Tolérances : o dimensionnelle : 0,01 mm, o forme, position : circularité, concentricité, planéité, perpendicularité o état de surface : 0,08 à 1,6 µm Ra. SPRUYT G. 30 / 35 I.S.I.P.H

31 Fabrication de pièces de révolution jusqu à des diamètres de mm. Matière : acier ou alliage léger. Tolérances : dimensionnelle et diverses de forme et position à 0,005 et 0,01 mm pour les plus précises. Fabrication de pièces mécaniques très usinées de volume inférieur à 1 m³, en acier. Tolérances : o dimensionnelle à 0,005 mm, o formes géométriques et gauche à 0,01 mm, o position : perpendicularité, parallélisme, inclinaison, localisation à 0,005 et 0,01 mm Moyens de fabrication Fabrication conventionnelle : o fraiseuses, o tours horizontaux et verticaux, o raboteuses, o perceuses, o rectifieuses planes et cylindriques. Fabrication automatique à commande numérique: o fraiseuses, o tours, o centres d usinage Moyens de contrôle Les moyens de contrôle nécessaires à la réalisation des fabrications de cette PME, ainsi que le mode de raccordement, sont indiqués dans le tableau 4. SPRUYT G. 31 / 35 I.S.I.P.H

32 8.2. Deuxième exemple Organisation type d une métrologie dimensionnelle en PME (< 100 personnes) Cette présentation a pour objet de proposer un schéma standard pour l organisation d une métrologie dimensionnelle en PME. Il convient, bien entendu, de l adapter aux besoins de l entreprise, en ce qui concerne le type et le nombre d appareils de mesure, en application de la norme La maîtrise La Métrologie et le service Contrôle seront, généralement, réunis dans une PME ; ce sont les mêmes personnes qui assureront les deux tâches et souvent dans le même local. La Direction désigne le responsable Métrologie-Contrôle. Lors du recrutement, faire le test de la «sueur oxydante» par application de la main sur une surface en acier non traité avec un bon état de surface (rectifiée par exemple), dégraissée à l alcool. Si les empreintes digitales apparaissent rapidement (sous 24 heures), la personne devra prendre des précautions lors de la manipulation des étalons (légère onction des mains à la vaseline, port de gants...). SPRUYT G. 32 / 35 I.S.I.P.H