Brevet FR2452355A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne les traceurs automatiques de contours, qui sont des dispositifs permettant de suivre une ligne matérialisée sur un support, notamment sur un plan, et de fournir des informations de sortie qui peuvent être soit mémorisées, soit, plus fréquemment, utilisées en temps réel pour guider une machine d'usinage et produire une pièce de forme identique ou homothétique de celle du contour. On connait notamment des traceurs automatiques de contour comportant une tete de lecture optique destinée à suivre un contour linéaire tracé sur un support, deux moteurs de déplacement de la tête et du support l'un par rapport à l'autre suivant deux axes orthogonaux et un circuit électronique de commande des moteurs. La plupart des traceurs existants comportent, en plus des moteurs de déplacement suivant les deux axes, un moteur supplémentaire contenu dans la tête pour réaliser une exploration. Il existe également quelques traceurs ne comportant pas de pièce mobile dans la tete optique, mais une couronne de détecteurs photo-électroniques qui sont explorés en séquence. Le principe meme de ces traceurs ne leur permet pas de suivre à vitesse élevée les portions à grande courbure, en particulier du fait de l'inertie des pièces mobiles. -La présente invention vise à fournir un traceur automatique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de suivre, à vitesse élevée et sensiblement constante, un contour linéaire tracé sur un support. Dans ce but, l'invention propose notamment un traceur comportant deux moteurs de déplacement de la tete et du support l'un par rapport à l'autre suivant deux axes orthogonaux et un circuit électronique de commande des moteurs. La tete comporte un détecteur photo-électronique à quatre quadrants opposés deux à deux suivant les deux axes de coordonnées.Le circuit comprend deux voies de mesure du déséquilibre d'éclairement des couples de quadrants opposés respectifs dont l'organe de sortie constitue intégrateur fournissant un signal de commande du moteur associé à l'axe des deux quadrants, dans le sens correspondant au rééquilibrage des éclairements, et comprend un élément de calcul recevant les signaux fournis par les intégratours et déterminant le coefficient de proportionnalité commun à appliquer à ces signaux avant commande du moteur pour que la vitesse de déplacement relatif de la te te et du support soit approximativement égale à une valeur déterminée. Les avantages de l'invention résultent notamment de l'absence de toute pièce mobile dans la tete et du maintien de celle-ci à une vitesse linéique sensiblement constante, maintien facilité grâce à l'utilisation d'un intégrateur en tant qu'étage final de voies d'asservissement en position. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution de la tete du traceur et sa disposition par rapport au contour à suivre, lors du fonctionnement, - la figure 2 est un schéma de principe montrant la fraction d'une des deux voies du traceur destiné à assurer l'asservissement en position, - la figure 3 est un schéma de principe montrant une variante d'un détail de la figure 2, - la figure 4 est un schéma de principe d'ensemble du circuit du traceur. Le traceur montré schématiquement sur les dessins peut etre regardé comme constitué par une te te 10 (figure 1) dépla çable suivant deux directions Ox et Oy par des moteurs non représentés et un circuit électronique d'asservissement en position et en vitesse de la tete. On supposera pour simplifier que les signaux de sortie du circuit sont utilisés pour commander les moteurs de déplacement d'un équipement d'usinage (coupe, fraisage, lamage par exemple), de façon à produire une pièce de forme identique à celle du contour suivi par le traceur. Mais les signaux de sortie du traceur pourraient aussi bien etre numérisés puis mémorisés sur un support qui est ultérieurement utilisé, en temps différé, pour commander une machine outil à commande numérique. La te te optique 10 montrée en figure 2 comporte un boitier 11 déplaçable par les moteurs (non représentés), portant des sources de lumière,telles que 12,d'éclairage du gabarit définissant le contour à reproduire. Une optique convergente 13, prévue dans la tete, forme l'image d'une fraction du gabarit sur un détecteur photoélectrique à quatre quadrants 14 sensible aux spectres lumineux émis par les sources 12. Les quatre quadrants indépendants du détecteur photo-électrique 14 sont placés de façon que deux d'entre eux 15a et 15b soient alignés suivant la direction Ox (figure 2), tandis que les deux autres sont alignés suivant la direction Oy. La figure 1 montre la te te 10 dans une disposition telle que l'image du contour 17 à suivre, apparaissant sous forme d'un trait sombre sur fond clair, se forme sur le détecteur 14. Dans le cas montré en figure 1, le quadrant 16b reçoit moins de lumière que le quadrant 16a étant donné le décentrage du trait. Par contre, les quadrants 15a et-15b reçoivent approximativement la même quantité de lumière. Pour recentrer la te te, il faudra l'entraïner -dans la direction y+. Cette opération de recentrage doit s'accompagner du parcours du contour 17. Le circuit qui va maintenant être décrit permet de réaliser ces deux fonctions sans avoir pour autant à changer l'orientation de la tête ou à commander un déplacement à vitesse constante suivant l'un des axes de coordonnées avec recentrage automatique suivant l'autre. Le circuit peut etre regardé comme comprenant deux voies de mesure du dispositif d'éclairement dont une seule, que l'on supposera associée aux quadrants 16a et 16b, est montrée sur la figure 2. Cette voie doit tout d'abord assurer un asservissement en position. Ce résultat est atteint par un montage 18 qui comprend un premier amplificateur opérationnel 19 bouclé par une résistance et constituant amplificateur différentiel linéaire. Les entrées + et - de l'amplificateur reçoivent respectivement, par l'intermédiaire de résistances R, les sorties éventuellement amplifiées des quadrants 16a et l6b. La tension de sortie de l'amplificateur 19 est appliquée par une résistance 23 à un second amplificateur opérationnel 21 bouclé sur un condensateur 22 de façon à constituer intégrateur. La tension de sortie de l'vintégrateur 21 représente l'intégrale du signal d'ecart en Op et elle est représentative, en grandeur et en signe, de la vitesse à appliquer suivant la direction y pour recentrer la tête. L'utilisation d'un pur intégrateur se traduirait par un mouvement oscillant non amorti autour de la courbe 17. Dans la pratique, ce mouvement doit être amorti. Ce résultat est atteint en plaçant, en parallèle sur la résistance d'entrée 23, un condensateur 24 qui fournit un terme linéaire d'amortissement, choisi pour correspondre approximativement à l'amortissement critique. Le réglage peut se faire aisément en agissant sur la résistance 23 et le condensateur 22 pour ajuster le terme intégral et sur les condensateurs 22 et 24 pour ajuster le terme proportionnel. On voit qu'à chaque instant l'amplificateur 21 fournit une tension de pilotage de la vitesse du moteur d'entrainement selon l'axe des y tendant à ramener l'axe de la tête optique sur la courbé, si l'on suppose un déplacement uniforme suivant l'axe des x. On réalise ainsi un asservissement en position suivant l'axe des y. D'autres montages d'asservissement en position sont évidemment possibles. Mais, pour mettre en oeuvre l'invention, il est souhaitable de disposer d'une tension de sortie fonction de l'intégrale du signal d'écart, de façon à autoriser l'asservissement de vitesse. La figure 2 illustre le principe de cet asservissement de vitesse pour l'axe Ou, le montage étant le meme pour les deux axes. Les montages 18 associés aux deux couples 15a-15b et 16a-16b vont fournir des tensions de sortie représentatives des vitesses de déplacement suivant les axes x et -y pour revenir sur la courbe 17. Le rôle de l'asservissement de vitesse sera de déterminer le coefficient de proportionnalité commun de façon que la vitesse linéique de parcours de la courbe soit sensiblement constante. Une fois# ce coefficient déterminé, il devra être appliqué aux sorties des intégrateurs 21 des deux montages 18. Ce résultat peut etre atteint à l'aide d'un circuit permettant, grâce à des moyens de commutation, d'introduire une réaction ou une contre-réaction sur l'amplificateur 21. Dans le mode de réalisation montré en figure 2, ce circuit supplémentaire comporte un commutateur 26 à trois positions commandé par un comparateur de vitesse. Ce comparateur reçoit, d'une part, une valeur de consigne représentative de la vitesse linéique à respecter, d'autre part, un signal élaboré à partir des signaux de sortie des intégrateurs 21 des deux voies. Lorsque la comparaison fait apparaitre que la vitesse correspondant aux signaux de sortie des intégrateurs est correcte, le comparateur maintient le commutateur dans la position où il est montré en figure 2, pour laquelle il n'y a ni réaction, ni contre-réaction appliquée à l'intégrateur 21. Si la vitesse correspondant aux signaux de sortie des intégrateurs 21 est trop élevée, le comparateur amène le commutateur dans la position où il boucle l'amplificateur 21 sur une résistance de contre-réaction 27.Si, au contraire, la vitesse est trop faible, le comparateur de vitesse amène le commutateur 26 dans la position où il boucle l'intégrateur 21 sur un circuit de réaction comprenant un amplificateur opérationnel 25 et une résistance 28. La tension de commande de vitesse du moteur de déplacement dans le sens positif de l'axe est prélevée à la sortie de 21 et celle suivant le sens négatif, à la sortie de 25. Dans une variante de-réalisation, montrée en figure 3, l'intégrateur 21 est bouclé en permanence sur une résistance de contre-réaction 29, fournissant un taux de contre-réaction fixe. Un transistor à effet de champ 30 remplace le commutateur 26 et permet de doser le taux de réaction assuré par la boucle comportant l'amplificateur opérationnel linéaire 25 et la résistance 28. La porte du transistor à effet de champ 30 est alors commandée par le comparateur de vitesse. Pour assurer un maintien rigoureusement constant de la vitesse linéique V correspondant aux signaux de sortie des intégrateurs 21, il faudrait élaborer rigoureusement cette vitesse V a' partir des vitesses Vx et Vy suivant les axes des x et des y par la- formule Ce calcul peut etre effectué aisément en numérique. Mais, en analogique, il exigerait deux opérateurs d'élévation au carré, un additionneur et un opérateur d'extraction de racine carrée. Les deux premiers et le dernier sont des circuits coûteux. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, la vitesse V est déterminée de façon approchée par la formule La valeur estimée par la formule ci-dessus ne s'écarte de la valeur vraie que de -quelques pour cent dans les conditions les plus défavorables et cette précision est largement suffisante pour l'usage prévu. Le mode de réalisation illustré schématiquement en figure 4 met en oeuvre une telle estimation de la vitesse et, pour plus de simplicité, élabore directement un signal d'erreur de commande de l'amplificateur d'asservissement EV = V 2 - Vo (2 où Vo représente la vitesse de consigne. Les circuits 31 et 32 d'élaboration de la valeurabsolue de Vx et de la valeur absolue de Vy sont identiques, de -sorte que seul le premier sera décrit. Il comporte un étage d'entrée constitué par un amplificateur opérationnel 32 comportant deux boucles résistives dans lesquelles sont placées les diodes de signal 33 et 34 montées de façon à etre conductrices l'une ou l'autre suivant la polarité appliquée. L'étage d'entrée attaque un amplificateur opérationnel 35 à bouclage résistif, permettant d'amener la tension de sortie au niveau requis. Le circuit d'élaboration de la valeur absolue de Vx - Vy comporte successivement un étage soustracteur classique 36 et un circuit de détermination -de valeur absolue 37 identique à l'étage 31 et qu'il n'est donc pas nécessaire de décrire de nouveau. Enfin, le terme Vo F2 est fourni par un pont potentiométrique 38 classique. L'élaboration de EV s'effectue en appliquant les signaux de sortie de 31, 37, 32 et 38 sur une même entrée d'un amplificateur opérationnel, par l'intermédiaire de résistances de valeur appropriée, suivant un montage additionneur bien connu. En fait, au lieu d'un simple comparateur, le circuit de la figure 4 comporte deux comparateurs 39 et 40 dont chacun reçoit, sur une entrée (+ pour le comparateur 39 et - pour le comparateur 40), le signal représentatif de EV et dont l'autre entrée est polarisée par un circuit en pont dont le point milieu est à la masse. On voit que le comparateur 39 fournit un signal de sortie lorsque la vitesse est trop élevée : il positionne alors les commutateurs 26 de façon à fermer la boucle de contre-réaction pour diminuer la valeur absolue des composantes Vx et Vy. Inversement, le comparateur 40 fournit un signal de sortie lorsque la vitesse est trop faible et positionne alors les commutateurs 26 pour fermer la boucle de réaction. Lorsque la vitesse se trouve dans la fourchette de tolérances admise, aucun des comparateurs 39 et 40 ne fournit un si##gnal et les commutateurs 26 restent en position neutre. Lorsque le commutateur 26 est remplacé par un transistor à effet de champ (mode de réalisation de la figure 3), les deux comparateurs 39 et 40 peuvent etre remplacés par un seul. Les circuits qui viennent d'etre décrits doivent etre complétés par des circuits d'asservissement qui reçoivent, en tant que valeursde-consigne,les tensions représentatives des vitesses suivant les directions x et y. Les vitesses de déplacement dans le sens positif suivant l'axe des y sont prélevées à la sortie du montage 18 pour la tension Vy et à la sortie de l'amplificateur inverseur 25 pour la tension -Vy. Il n'est pas nécessaire de décrire ici le système d'asservîssemént, qui peut être entièrement classique. On peut notamment utiliser des amplificateurs de puissance comportant une boucle de contre-réaction qui reçoit le signal de sortie d'une dynamo tachymétrique. La logique associée au circuit doit permettre d'amener, soit automatiquement, soit à l'aide d'une commande manuelle, la tête jusqu'à une position où l'image du contour 17 se forme sur le détecteur à quatre quadrants 14. Il n'est pas nécessaire de décrire ici un tel dispositif, qui peut être également entièrement classique L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Traceur automatique de contour comportant une tête de lecture optique destinée à suivre un contour linéaire tracé sur un support, deux moteurs de déplacement de la tête et du support l'un par rapport à l'autre suivant deux axes orthogonaux, et un circuit électronique de commande des moteurs, caractérisé en ce que la te te comporte un détecteur photo-électronique à quatre quadrants opposés deux à deux suivant les deux axes de coordonnées et en ce que le circuit comprend deux voies de mesure du déséquilibre d'éclairement des couples de quadrants opposés respectifs dont l'organe de sortie constitue intégrateur fournissant un signal de commande du moteur associé à l'axe des deux quadrants, dans le sens correspondant au rééquilibrage des éclairements, et comprend un élément de calcul recevant les signaux fournis par les intégrateurs et déterminant le coefficient de proportionnalité commun à appliquer à ces signaux avant commande du moteur pour que la vitesse de déplacement relatif de la tête et.du support soit approximativement égale à une valeur déterminée. 2. Traceur automatique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit intégrateur de chaque voie comporte une boucle de réaction et/ou de contre-réaction dont la mise en oeuvre simultanée sur les deux voies est commandée par ledit élément de calcul. 3. Traceur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de calcul comporte deux comparateurs de sortie dont l'un ou l'autre commande ladite boucle lorsque l'écart entre la vitesse linéique réelle et une vitesse linéique de consigne dépasse une valeur déterminée. 4. Traceur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de calcul est prévu pour former une valeur estimée de la vitesse linéique par formation et addition des termes I Vx I , IVyl , ( 4 - 1) Vx - Vy Vx et Vy étant les vitesses suivant les axes orthogonaux.