Brevet FR2291535A1 — publié le 19760611

La présente invention concerne un dispositif de régulation de la distance d'un chalumeau pour une machine de découpe de plaques métalliques, particulièrement pour une machine de découpe par oxycoupage ou munie d'un chalumeau à plasma. Les machines de découpe par oxycoupage, ctest-à-dire celles qui utilisent des chalumeaux oxhydriques ou oxyacétyléniques, et les machines qui utilisent des chalumeaux à plasma, sont de plus en plus utilisées pour la découpe de plaques métalliques parce qu'elles permettent de découper à la fois avec pré- cision et rapidité un grande nombre de pièces dans des plaques telles que des tôles d'aciér qui peuvent présenter de grandes dimensions longitudinales et transversales aussi bien qu'une grande épaisseur. Cependant, à mesure qu'on utilise des plaques de plus grandes dimensions, il devient impossible à l'opérateur de commander -le réglage de la distance des chalumeaux par rapport à la plaque à découper, pendant le cours de l'opération. Il est donc nécessaire de recourir à des dispositifs de régulation de la distance des chalumeaux à la plaque à découper. De tels dispositifs connus dans la pratique antérieure utilisent par exemple un capteur capacitif dont les variations de capacité en fonction des variations de distance des chalumeaux à la plaque agissent sur un signal électrique qui commande un appareillage électrique maintenant la distance à une valeur sensiblement constante. De tels dispositifs connus présentent un certain nombre d'inconvénients qui empêchent d'augmenter comme on le désire la vitesse d'opération et contraignent à des arrêts fréquents, ce qui contribue à augmenter le coût de fabrication des pièces. En effet, la plaque à découper n'est généralement pas soutenue sur toute sa surface, mais seulement en des points distants par des chandelles, ou des supports en forme de grille, pour faciliter l'évacuation de la chaleur. Il arrive donc souvent qu'une pièce tombe, ce qui perturbe gravement le dispositif de régulation de distance0 De plus, il est impossible de-pratiquer la découpe près des bords de la plaque, parce que l'interruption de la surface métallique de celle-ci apporte aussi une variation trop grande de la capacité. L'invention a pour objet de procurer un dispositif de régulation de la distance d'un chalumeau ne présentant pas les inconvénients précités, atteignant une grande précision, tout en conservant une souplesse d'utilisation qui exige le minimum d'interventions de l'opérateur, et augmentant considérablement, de ce fait, le rendement, en particulier des machines de grande dimension. Suivant l'invention, un dispositif de régulation de la distance d'un chalumeau à la plaque à découper, dans une machine de découpe comportant un ensemble de commande électro-mécanique des variations de cette distance en sens avant et en sens arrière, comprend un circuit d'asservissement de l'ensemble de commande en réponse à un signal électrique, et un appareil de mesure de cette distance assujetti au chalumeau comportant un organe émetteur d'ondes électromagnétiques en direction de la plaque à découper et un organe récepteur des ondes réfléchies par la plaque, et fournissant ledit signal électrique au circuit d'asservissement par une première voie de réaction en fonction des variations de la distance parcourue par les ondes entre les organes émetteur et récepteur. Un tel dispositif, muni d'un appareil de mesure de distance à ondes électromagnétiques n'est pas sensible à l'importance de la surface de la plaque à découper en regard, mais seulement à son emplacement, et la chute d'une pièce découpée est sans conséquence. Pour la même raison, la découpe au bord même de la plaque peut être facilement exécutée. DE plus, les machines peuvent découper à grande vitesse, sans réglage, dans des plaques de grandes dimensions, des pièces de cotes importantes, ou un grand nombre de petites pièces à la fois. Suivant une particularité de l'invention, l'organe émetteur est une diode à effet Gunn envoyant des ondes centimétriques sur la plaque au moyen d'une antenne trièdre. Ainsi, les ondes sont aisément localisées sur une surface relativement étroite de la plaque, et la plage d'action fine de la régulation se produit dans une variation de distance du chalumeau de quelques millimètres, cowespondant environ à une demi-longueur d'onde. La régulation a donc lieu avec une bonne précision. Suivant une autre particularité de l'invention, le dispositif comporte une deuxième voie de réaction qui comprend un circuit logique à trois valeurs, un cotnpteur-décompteur, un com parateur et des unités de commutation. Quand, accidentellement ou volontairement, l'amplitude de variation de la distance du chalumeau à la plaque sort de la plage d'action fine, le circuit logique envoie les variations du signal électrique d'asservissenuent au compteur-décompteur qui compte le nombre de passages à zéro, dans un sens choisi, de ce signal, et la voie de réaction agit sur l'ensemble de commande, soit automatiquement, soit à volonté, pour ramener les variations de distance vers la plage d'action fiv*, tant que le compteur décompteur n'a pas fini de décompter le nombre de passages à zéro du signal dans le sens inverse. Le dispositif possède donc une grande sécurité de fonc tionnement dans le cas d'une variation forte de la distance du chalumeau à la plaque sous effet, par exemple, d'une -action extérieure, et une grande souplesse de manipulation qui permet de relever le chalumeau dans une position haute pour effectuer des déplacements très rapides sans découpe, ou quand le chalueau est éteint pour une raison quelconque. Les particularités précitées de l'invention, ainsi que (1'autres, apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels La figure 1 représente schématiquement une réalisation d'un dispositif de régulation de distance suivant 11 invention la figure 2 représente l'appareil de mesure de distance à ondes électromagnétiques du dispositif de la figure 1 la figure 3 représente les variations du signal électrique fourni piir l'appareil de mesure de la figure 1, en fonction de la distance du chalumeau la figure 4 représente schématiqueinej-; ;t une variante de réalisation d'url dispositif de régulation de distance suivant l'invention ; et la figure 5 représente les détails de réalisation de la deuxième boucle de réaction du schéma de la figure 4. En référence à la figure 1, 71i ispositif de régulation de la distance d'un chalumeau 1 â une plaque à découper 2, représentée par sa trace sllr le plan de la figure, comporte un eirsemhle éleétro-mécanique 3 de commande de cette distance dans lequel, par exemple, un moteur 4 agit par le moyen d'un vérin 5, ou similaire, sur un support 6 du chalumeau 1 de façon à rap procner ou éloigner celui-ci de la plaque 2 sous l'action d'un signa electrique de commande. Suivant une réalisation préférée de 1'invention, un circuit d'asservissement 7, constitué par exemple d'un amplificateur opérationnel symétrique, applique le signal électrique de commande aux entrées d'excitation de relais dynamiques ou statiques qui alimentent le moteur 4 dans un sens de rotation ou dans le sens inverse suivant les polarités du signal électrique, ou coupent toute alimentation du moteur quand le signal- électrique de commande est nul. Le signal électrique de commande est fourni par un appareil de mesure 8 de la distance du chalumeau 1 à la plaque 2, à ondes électro-map1étiques. Cet appareil de mesure 8, fixé au chalumeau 1-,--comporte, comme le représente la figure 2, un or-gane émetteur 10 composé d'un générateur a diode Gunn Il alimentant par une ligne de transmission 12 ou guide d'ondes une antenne d'émission 13 du genre trièdre, par exemple. L'appareil de mesure comporte également un organe récepteur 14 composé d'une antenne de réception 15 semblable à antenne d'émission 13 et d'un m-élangeur 16 relié électriquement à la ligne de transmission 12 par un coupleur directif 17. Dans la réalisation préférée de l'invention, l'organe émetteur comporte en outre un circulateur amont 20 agissant en isolateur entre le générateur ll et la partie de ligne de transmission 12 liée au coupleur directif 17, et un circulateur aval 21 agissant en isolateur entre la même partie de ligne de transmission 12 et un modulateur 22 introduit en série avant 1'an- tenne d'émission 13. Ce modulateur 22-fait varier l'amplitude des ondes hyperfréquences véhiculées par la ligne de -transmis- sion 12 au rythme d'une onde sinusoidale à 400 Hz fournie par un oscilIateur basse fréquence 23.Cette onde à 400 Hz est éga le-ent appliquée â un démodulateur 24 qui reçoit la sortie dan atapiificateur 25 a 400 Hz dont l'entrée est connectée à la diode du mélangeur 16. La sortie du démodulateur 16 est connectée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel d'asservissement 7. Il est clair que les circuits de modulation et démodulation à 400 Hs que l'on vient de décrire ne sont pas indispensables, et, dans le cas où ils sont absents, la sortie de la diode du mélangeur 16 est connectée directement à l'entrée de l'amplificateur opera-- tionnel d'asservissement 7. En fonctionnement, le générateur à diode Gunn Il envoie une onde, à 12 GHz par exemple, dans la ligne de transmission 12 par le circulateur amont 20. Une faible partie de l'énergie de cette onde hyperfréquence est transmise, par le coupleur directif 17, à la diode du mélangeur 16. ta plus grande partie de lté- nergie traverse le circulateur aval 21, est modulée par le modulateur 22 et rayonne par l'antenne d'émission 13 en direction de la plaque à découper. Une partie de l'énergie des ondes, réfléchie par la plaque, revient sur l'antenne de réception 15 qui l'applique à la diode du mélangeur 16. Le mélange avec la partie d'énergie transmise à l'émission par le coupleur directif 17 produit un signal à 400 Hz qui est amplifié par l'amplificateur 25. La détection dans le démodulateur 24 produit le signal électrique de commande qui prend une valeur positive, nulle ou négative suivant le déphasage relatif entre la partie d'onde d'émission et tonde de réception qui interfèrent dans le mélangeur 16. Ce déphasage est lui-même fonction de la distance parcourue par les ondes entre les antennes 13 et 15, et par conséquent de la distance du chalumeau l à la plaque 2. Le branchement convenable en polarité de l'amplificateur opérationnel d'asservissement 7 sur le moteur 4 fait tourner ce dernier de façon a faire descendre le vérin 5 quand la distance du chalumeau 1 à la plaque 2 tend à augmenter. Les antennes 13 et 15 sont fixées sur le chalumeau à une distance, d'environ 30 cm par exemple, par rapport à la plaque 2, de manière que la différence de marche entre les ondes arrivant au mélangeur 16 soit égale à un nombre entier impair de demi-longueurs d'onde pour la distance normale de coupe du chalumeàu 1 par rapport à la plaque 2, ce qui correspond à une valeur nulle du signal électrique d'asservissement à entrée du circuit d'asservissement 7. Si, pour une raison quelconque, la distancé entre le chalumeau l et la plaque 2 diminue, le signal électrique d'asservissement prend, par exemple, une valeur positive ; et si la distance augmente, le signal prend une valeur négative.Les valeurs successives de ce signal varient suivant une sinusoide en fonction de la distance du chalumeau à la plaque, comme les représente la figure 3, où le point 0 correspond à la distance normale de coupe : les passages successifs à éro du signal sont séparés par des écarts de différence de marche d'une longueur d'onde hyperfréquence, c'est-à-dire par des écarts de distance du chalumeau 1 à la plaque 2 d'une demi-longueur d'onde, soit la mm, si la longueur d'onde est de 24 mm. Il est clair que la zone de stabilité autour de la position normale de découpe figurée par le point 0 est limitée à la portion NAOBP de la sinusoïde représentant les variations du signal électrique d'asservissement, ceest-à-dire dans un intervalle de + 6 mm avec la longueur d'onde précédemment indiquée.Les points de passage par zéro tels que N et P où la pente est positive, dans lthypo- thèse adoptée sont instables ; si, par exemple, la distance augmente au-delà de P, l'asservissement agit de manière à l'augmenter encore pour la maintenir au voisinage du zéro stable Q suivant. Pour permettre de-ramener le chalumeau l à la distance normale de découpe lorsqu'il en a été éloigné notablement de fa- çon accidentelle, ou même volontairement, comme dans le cas où on l'a relevé pour effectuer un déplacement rapide destiné à passer de ltemplacement d'une pièce à un autre, le dispositif suivant l'invention présente une variante de réalisation, représentée à la figure 4. Une deuxième voie de réaction s'introduit a la place d'une partie de la première, entre la sortie du démo dulateur 24 et le moteur 4.Elle comporte un circuit logique à trois valeurs 31, un compteur-décompteur 32 à quatre chiffres binaires, un comparateur 33 également à quatre chiffres binaires, et une unité de commutation 34 commandant un commutateur 35. En référence à la figure 5 qui représente en détail la deuxième voie de réaction, le circuit logique 31 comprend un amplificateur opérationnel 41, dont 11 entrée inverse 42 est connectée à la sortie du démodulateur 24, et une porte OU exclusif 43 dont une entrée est connectée à la sortie de l'amplificateur 41. La sortie de la porte 43 est connectée à une entrée du comp- teur 32. Les sorties de ce dernier Qa, Qb, Qc, Qd, sont reliées respectivement aux entrées ag, al, a2 et a3 du comparateur 33 dont les entrées bo et bl sont à la masse, l'entrée b2 est reliée à la borne positive d'alimentation, et l'entrée b3 au contact mobile d'un inverseur manuel de distance 45 par l'intermédiaire d'un des circuits d'un interrupteur "arrêt-marche" 46. Les entrées a, b, d, du compteur 32 sont a la masse, et l'entrée c du même compteur est reliée à la borne positive d'alimentation ; son entrée de chargement ch est également reliée à la borne positive d'alimentation par l'intermédiaire d'un des circuits de l'inter rupteur "arrêt-marche" 46.Une deuxième entrée de comptage est connectée â la sortie inverse du comparateur 33 qui est également appliquée à la deuxième entrée de la porte 43 et a la base d'un transistor 50 de l'unité de commutation 34, par l'intermédiaire d'une résistance 51. L'unité de commutation 34 comporte également un autre transistor 52 dont la base reçoit la sortie directe du comparateur 33 par l'intermédiaire d'une résistance 53. Le collecteur du transistor 50 est relié à la borne positive d'alimentation à travers l'enroulement d'excitation d'un relais 54 d'inversion de -marche du moteur 4. De même, le collecteur du transistor 52 est alimenté par l'intermédiaire de l'enroulement d'excitation du relais commutateur 35 qui ferme le circuit du moteur 4 sur la première voie de réaction d'asservissement ou sur la deuxième voie.L'interrupteur "arrêt-marche" 46 comporte trois circuits dont l'un est inséré entre la borne positive d'alimentation et l'entrée de charge du compteur 32, le deuxième entre le contact mobile de k'inverseur manuel de distance 45, comme on l'a dit précédemment, et le troisième, entre une sortie de l'amplifica- teur opérationnel d'asservissement et le contact repos du relais commutateur 35. En fonctionnement, l'amplificateur opérationnel 41 transforme le signal électrique d'asservissement, qu'il reçoit sur son entrée inverse, en un signal rectangulaire qui correspond à la sinusoide de la figure 3, suivant la valeur du signal d'asservissement en fonction de la distance du chalumeau l à la plaque 2. Quand le chalumeau est au voisinage -de sa position d'asservisseinent, la porte 43 n'envoie rien au compteur 32, et tous les éléments sont dans l'état représenté à la figure 4. Le compteur 32 garde en nzémoire, dans la réalisation préférée, le 4 binaire (0100) câblé en a b c d.Il l'envoie par les sorties Qa, @b, Qc, Qd aux entrées aO, al, a2 jazz a3 du comparateur 33 qui reçoit également un 4 (0100) par ses entrées bgr bl, b2, b3, puisque l'entrée b3 est à la masse par l'inverseur manuel de distance 45, en position "bas".Par conséquent, a est égal à b, le relais 35 est au repos, et le moteur 4 est alimenté par la boucle d'asservissement venant de l'amplificateur 7 Nais si, par exemple, le chalumeau 1 est remonté au-delà de la plage d'asservissement, la porte 43 ajoute un chiffre binaire au compteur 32 à chaque passage par un zéro stable du signal d'asservisse ment. a n'est plus égal à b, le relais 35 colle ; a est supérieur à b. le relais 54 décolle, et le moteur 4 est alimenté de façon à fa@re desoendre le chalumeau.Le compteur 32 décompte le nombre de passages à zéro @@@ sens inverse, mais toujours sur les zéros @taches, grâce à @l présence de la porte OU exclusif 43 dont le @ignal de sortie est inversé quand a est supérieur à b, jusqu'à @e que a redevienne égal à b alors, le relais 35 revient au mapos, sur la première voie d'asservissement. Si on veut remonter le chalumeau, par exemple pour effectuer un déplacement rapide, on bascule l'inverseur de distance 45 en haut, ce qui inscrit un 12 (1100) sur les entrées b0, b1, b2, b3 du comparateur 33. a, étant resté à 4, devient inférieur à @. les relais 35 et 34 collent, et le moteur 4 remonte le cha l@@eau, Le compteur 32 compte les passages aux zéros stables jus qu@à ce qu'il ait chargé un 12 sur les entrées a0, a1, a2, a3 du comparateur 33 ; alors, a est de nouveau égal à b, et le moteur 4 revient en asservissement autour de la position haute.Quand on ma@@auvre l'interrunteur 46 3n position "arrêt", on remet un 4 @ans @e comparateur sur les entrées b en mettant b3 à la masse par le deuxième circuit, et on ramène au 4 initial le compteur 32 par la mise à La masse du fil ch par le premier circuit. la desor@@@@on précédente montre que le dispositif de @égulation suivant @@@nvention présente un donctionnement à la f@@@ préris et @ûr @@@ fa@il@te grandement le travail de l'opéra @eur @@ pe@@et de grandes @itessas de découpe ; le rendement est @one @ensidérablement amélioré, Dam@ une @@riante du dispositif, on remplace las an @ennes 13 et 15, constituées par des unipoles à réflecteur trièdre, par des antennes diélectriques en fuseau dont le faisceau @@@ plas étroit, @e qui permet l'uttilisation de l'appareil même @@@@@ des rêt@@ à charf@einer. @@ ext elair que d'autres modifications peuvent être @@@por @@ @@ disposi@@@ déerit et reorésonté, sans sortir du ca @@@ de l@invertion. RVDICTIOS 1 Dispositif de régulation de la distance d'un chalumeau à la plaque à découper, dans une machine de découpe comportant un ensemble de commande électro-mecanique des variations de cette distaiice en sens avant et en sens arrière, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'asservissement de l'ensemble de commande en réponse à un signal électrique, et un appareil de mesure de cette distance assujetti au chalumeau, comportant un organe émetteur d'ondes électro-magnétiques en direction de la plaque à découper et un organe récepteur des ondes réfléchies par la plaque, et fournissant ledit signal électrique au circuit d'asservissement, par une première voie de réaction en fonction des variations de la distance parcourue-par les ondes entre les organes émetteur et récepteur. 20 Dispositif suivant la revendication l, caractérisé en ce que l'organe émetteur comporte un générateur d'ondes centimétriques et une antenne directive. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en c-e que l'organe émetteur comporte un générateur d'ondes centimétriques équipé d'une diode à effet Gunn 4. Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les organes émetteur et récepteur comportent des antennes à réflecteur en trièdre 5. Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les organes émetteur et récepteur comportent des antennes diélectriques. 6. Dispositif suivant l'une des revendications l à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième voie de réaction entre l'organe récepteur et l'ensemble électro-mécanique, qui comprend un circuit logique à trois valeurs, un compteur-décompteur de signaux logiques, un comparateur de signaux logiques et des unités de co mmutation. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le compteur-décompteur comporte au moins une entrée connectée à une sortie du circuit logique et des sorties connectées à des entrées de poids correspondants du comparateur 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le comparateur comporte au moins une sortie connectée a une unité de commutation interrompant la connexion entre l'entrée de commande de l'ensemble électro-mécanique et l'organe récepteur, et fermant la deuxième voie de réaction. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que e comparateur comporte au moins une sortie connectée a une unité de commutation inversant les connexions de commande du sens d'action de l'ensemble électro-mécanique de commande de la distance.