Brevet FR2029058A1 — publié le 19701016

La présente invention est relative à une méthode de mesure de contraintes,par exemple danâ" une pièce en cours d'usinage, ne nécessitant pas de contact avec la pièce soumise à la mesure, et plus particulièrement à une méthode de mesure utilisant une trame d'interfé-5 rence gravée dans la pièce à l'aide d'un laser et agissant ensuite comme une trame de diffraction. Il est bien connu d'utiliser des trames de diffraction dans les techniques de mesure de contraintes. Cependant les méthodes utilisées jusqu'à présent ont consisté à former de telles trames par des 10 moyens mécaniques ou similaires ce qui a limité l'utilisation de ces méthodes à des surfaces sensiblement planes. Il est connu d'autre part d'employer des lasers à impulsions développant une énergie considérable pour graver des trames dans une surface solide et une telle technique est décrite par exemple dans 15 un article intitulé "Thermally engraved gratings using a giant-puise laser" (soit: Trames gravées thermiquement à l'aide d'un laser à impulsions géantes) paru dans le "Journal of Applied Physics" Yol. 38 n° 5, avril 1967, sous la signature de H.J. Gerritsen et M.E. Heller des R.C.A. Laboratories, pages 2054-2057. 20 Cependant cette publication ne révèle pas une méthode de mesure de contraintes dans une pièce en cours d'usinage, sans nécessiter aucun contact, en utilisant une trame gravée par le laser dans le but d'effectuer des mesures sur la lumière diffractée par cette trame. 25 On appelle impulsion laser géante l'émission lumineuse d'un la ser qui restitue totalement et en un seul coup toute l'énergie emmagasinée lors du pompage optique (Onde Electrique, Vol. 49» faso. 8, n° 510, septembre 1969» p. 907). Suivant l'invention, la méthode de mesure, sans contact, des 30 contraintes exercées dans une pièce en cours d'usinage au moyen d'un procédé d'optique cohérente qui consiste: à diriger sur une surface de la pièce en cours d'usinage des faisceaux lasers réalisant un phénomène d'interférences de façon à graver thermiquement une trame de diffraction sur ladite surface et à illuminer cette trame avec un 35 faisceau de lumière cohérente, est caractérisée en ce qu'elle consiste en outre: à mesurer une caractéristique de la lumière diffractée par cette trame et à mesurer la modification dans cette caractéristique de la lumière diffractée par la trame quand on soumet la pièce en cours d'usinage à une contrainte pour déterminer l'intensi-40 té de la contrainte dans la pièce. 70 02441 2 358 Suivant une caractéristique de l'invention, la mesure s'effectue à l'aide de la transformée de Fourier de la distribution lumineuse de la lumière diffractée et l'on mesure soit la position de points prédéterminés soit l'intensité de la lumière diffractée en ces points 5 prédéterminés qui correspondent aux points de diffraction du premier ordre dans"la transformée de Fourier. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet on se reportera aux dessins joints dans lesquels: 10 - là figure 1 est une représentation s chématique de l'appareil lage permettant de former thermiquement une trame d'interférence; - la figurep est une représentation en élévation de la trame d'interférence produite sur une surface plane par l'appareillage de la figure 1 ; 15 - la figure 3 est une représentation schématique d'un appareil lage permettant de mesurer les contraintes dans un objet suivant la. méthode de l'invention; - la figure 4 est une illustratin d'une figure de diffraction typique formée sur la partie terminale de l'appareillage de la figure 20 3, et - la figure 5 est une réprésentation schématique d'un autre mode de réalisation permettant de mesurer des contraintes sur une surface cylindrique. Suivant le mode de réalisation de la figure 1, un laser 12 est 25 capable de diriger un faisceau/de lumière cohérente au travers d'une lentille 16 puis d'un prisme 18 qui divise le faisceau initial 14 en deux faisceaux 20 et 22 qui divergent l'un par rapport à l'autre. Des surfaces diélectriques réfléchissantes 24 et 26 sont placées sur les chemins des faisceaux 20 et 22 et localisés de façon telle que 30 les faisceaux 28 et 30 qui sont réfléchis par ces surfaces diélectriques tombent au même endroit à la surface 32 de la pièce d'usinage 34 dont on veut mesurer les contraintes, les surfaces diélectriques 24 et 26 sont disposées de façon telle qu'il y ait une différence entre les parcours des faisceaux 28 et 30 qui soit inférieure à la lon-35 gueur de cohérence de ces faisceaux de façon à obtenir une grande surface de franges sur la surface 32. Du fait de la puissance considérable utilisée, les surfaces diélectriques 24 et 26 sont disposées de façon telle que les faisceaux lasers 20, 22, 28 et 30 fassent de grands angles avec les normales à ces surfaces pour limiter le dom-40 mage qu'ils peuvent leur causer. 70 02441 3 2029058 Comme le montre la figure 2, lorsque la surface 32 est plane, y une trame de diffraction 36 est formée dessus p,r les deux faisceaux-lasers, qui consiste essentiellement en un grand nombre de lignes parallèles voisines qui délimitent des sillons gravés thermiquement 5 dans la surface 32. La trame de diffraction 36 une fois formée, on utilise l'appareil de la figure 3 pour mesurer les contraintes dans la pièce en cours d'usinage. De nombreux composants de l'appareil de la figure 1 peuvent encore être utilisés pour former l'appareil de la figure 3.A 10 cet égard les mêmes composants sont désirés par les mêmes références numériques dans les figures 1 et 3. L'appareil de la figure 3 utilise un laser 42 à gaz à onde continue à la place du laser à impulsion géante 12 de la figure 1, pour fournir un faisceau 44 de lumière monochromatique. Ge faisceau 44 15 traverse une lentille 16 puis un prisme 18 et est ensuite réfléchi par la surface réfléchissante 24 pour fournir un faisceau de lumière monochromatique 46 tombant obliquement sur la surface 32 de la pièce 34. Ge faisceau 46 est diffracté sensiblement dans la direction que suivait le faisceau 30 à la figure 1. Une lentille 48 est disposée 20 pour recevoir l'essentiel de la lumière diffractée par la surface 32 et fournir une distribution de lumière dans son plan focal correspondant à la transformée de Fourier du faisceau incident. La distribution de lumière répartie suivant une transformée de Fourier peut être contemplée grâce à un écran transparent 50 placé dans le plan focal 25 de la lentille 48. Une répartition de lumière correspondant à une transformée de Fourier apparaît sur l'écran 50 conformément à la représentation de la figure 4. particulier cette répartition de lumière'comporte un spot central intense 52 accompagné de spots de lumière diffractée de 30 premier ordre 54 et 56 disposés de part et d'autre du spot central. Puisqu'un deuxième faisceau de lumière n'est pas nécessaire, le faisceau 58 en provenance du prisme 18 peut être bloqué si on le désire par une plaque opaque 60 disposée pour recevoir le faisceau 58 et par conséquent pour éviter tout effet d'obscurcissement que pour-35 rait provoquer le faisceau 58 sur la configuration de points lumineux apparaissant sur l'écran 50. Gomme alternative le prisme 18 peut être remplacé par un miroir ou tout élément équivalent pour fournir un seul faisceau. Avant de soumettre la pièce à usiner 34 à une contrainte, on en-40 registre les positions des spots lumineux 54 et 56. Lorsque la pièce 70 02441 4 2029058 34 est soumise à une contrainte le long d'un axe qui a une composante perpendiculaire aux franges 36, la figure de diffraction sur l'écran 50 change en fonction de l'intensité de la contrainte imposée à la pièce 34. 2n particulier, dans le cas d'une surface plane, les 5 spots 54 et 56 de lumière diffractée se déplacent: ils se rapprochent pour une contrainte à la traction; ils s'écartent pour une contrainte à la compression. L'amplitude du déplacement des spots lumineux 54 et 56 est une mesure de l'intensité de la contrainte appliquée à la pièce 34. La contrainte quantitative correspondante peut être déduite de 10 cette mesure par des expressions mathéEoàiques classiques ou par un é™ talomiage préalable de l'appareil des figures 3 et 4. Dans le cas de surfaces irrégulières, la contrainte est déterminée en mesurant la distribution de l'intensité lumineuse des spots 54 et 56 avant et pendant la contrainte» La diminution du niveau maximum 15 d'intensité en un point déterminé est fonction de l'intensité de la contrainte. L'intensité des spots de lumière diffractée 54 et 56 peut donc être calibrée pour mesurer la contrainte dans la pièce à usiner. Dans le cas particulier d'une surface cylindrique, l'intensité de la contrainte est déterminée en mesurant le déplacement des spots 20 de lumière diffractés de premier ordre 54 et 56 conane dans le cas d'une surface plane lorsque l'appareil de mesure de la figure 5 est utilisé. Sn particulier les sillons de la trame sont inscrits tout d'abord perpendiculairement par rapport à l'axe d'une pièce cylindrique 62 avec l'appareillage de la figure 1. Dans la mesure de la 25 contrainte, l'appareil de la figure 3 est modifié en plaçant une lentille 64 sur le chemin du faiscéaà 46 pour moduler en phase le front d'onde de façon qu'il épouse la configuration de la surface cylindrique de la pièce 62. La lentille 64 doit être placée de façon que la lumière réfléchie par la surface cylindrique de la pièce 62 ait un 30 front d'onde plan. De cette manière, la contrainte subie par la pièce cylindrique 62 selon son axe provoque un déplacement de la position des spots lumineux de diffraction de premier ordre comme décrit à propos des surfaces planes. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de 35 réalisation représentés et décrits qui ne l'ont été qu'à titre d'exemples, Il appartiendrait au technicien d'y apporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de la présente invention» 70 02441 5 2029058 Revendications 1) Méthode de mesure, ^ans contact, des contraintes exercées dans une pièce en cours d'usinage, au moyen d'un procédé d'optique cohérente qui consistes à diriger sur une surface de la pièce en 5 cours d'usinage des faisceaux lasers réalisant un phénomène d'interférences de façon à graver thermiquement une trame de diffraction sur ladite surface, et à illuminer cette trame de diffraction avec un faisceau de lumière cohérente, caractérisée en ce qu'elle consiste en outre: à mesurer une caractéristique de la lumière diffractée 10 par cette trame de diffraction et à mesurer la modification apportée à cette caractéristique de la lumière diffractée quand on soumet la pièce en cours d'usinage à une contrainte pour en déduire l'intensité de la contrainte dans la pièce. 2) Méthode de mesure suivant la revendication 1, caractérisée en 15 ce qu'elle s'effectue à l'aide de la transformée de Fourier de la distribution lumineuse de la lumière diffractée et en ce que- l'on mesure soit la position de points déterminés, soit l'intensité lumineuse diffractée en ces points prédéterminés qui correspondent aux points de diffraction du premier ordre dans la transformée de Fouiier. 20 3) Méthode de mesure suivant les revendications 1 et 2, carac térisée en ce que dans le cas d'une surface plane la caractéristique qui est mesurée est l'angle sous lequel le faisceau diffracte de la trame de diffraction. 4) Méthode de mesure suivant les revendications 1 et 2, carac- 25 térisée en ce que dans le cas d'une surface irrégulière la caractéristique qui est mesurée est l'intensité de la lumière diffractée aux points de premier ordre de la transformée de Fourier. 5) Méthode de mesure suivant les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que dans le cas d'une surface cylindrique, la trame de 30 diffraction est illuminée par un faisceau de lumière cohérente ayant un front d'onde correspondant à la surface cylindrique. 6) Méthode de mesure suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ce front d'onde est produit par une lentille cylindrique. 7) Méthode de mesure suivant la revendication 5, caractérisée 35 en ce que la caractéristique qui est mesurée est l'angle sous lequel le faisceau diffracte de la trame de diffraction.