Brevet FR2475718A1 — publié le 19810814

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE POUR DETERMINER LA POSITION SPATIALE D'UN CORPS. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure pour déterminer la position spatiale d'un corps dans un système de référence à trois axes, notamment pour déterminer les erreurs de translation de machines-outils ou de machines de mesure à plusieurs coordonnées, à l'aide d'au moins un système interfero- métrique, qui comporte une source de lumière monochromatique et un diviseur de faisceau installé dans une position fixe de référence et qui divise la lumière en un faisceau de référence et un faisceau de mesure, et d'un miroir triple installé sur le corps, ainsi que d'un miroir plan placé dans une position fixe de référence, les miroirs réfléchissant le faisceau de mesure en vue d'une combinaison avec le faisceau de référence, le faisceau lumineux combiné étant appliqué à un récepteur photoéle(- trique. Des dispositifs de mesure de longueur opérant avec des systèmes interfométriques et qui utilisent un laser comme source lumineuse, sont appliqués entre autres à la détermination des erreurs de translation de machines à coordonnées multiples, par exemple à la détermination des erreurs de machines de mesure ou de machines-outils. Des systèmes interfeométriques ne peuvent cependant, dans leur conception classique, qu'effectuer une mesure de longueur dans une direction, de sorte qu'il n'est possible d'effectuer une détermination d'erreur spatiale qu'en faisant intervenir trois dispositifs de mesure séparés. La mesure simultanée des trois erreurs de translation de machines à coordonnées multiples, notamment de machines de mesure, n'a pu satisfaire jusqu'à maintenant aux impératifs de précision que sous la forme du palpage de modèles ou gabarits spatiaux (par exemple des rangées de billes). Ces modèles spatiaux sont, cependant, limités en grandeur et ils comportent des points de calibrage espacés de distances fixes. En conséquence, la mesure est initialement limitée à quelques points prédéterminés par l'agencement constructif du modèle ou gabarit. Le processus de mesure est relativement compliqué quand le modèle doit Btre déplacé plusieurs fois dans le volume de travail de la machine. Dans un dispositif de mesure connu du type précité (F. Ertl, "Betrachtungen zur Genauigkeit von 3-Koordinaten-Messmaschinen, Industrie Anzeiger, 1975, page 197), on utilise pour la détermination des trois erreurs de translation de machines de mesure seulement un système interfeljométrique dans lequel un rayon laser, qui sert à la mesure de longueur dans la direction longitudinale du faisceau, est simultanément utilisé comme une droite de référence ideale (principe du laser d'outillage). Les deux erreurs de translation, qui ne coïncident pas avec la direction du rayon laser, sont définies dans l'appareil laser à l'aide d'un détecteur photoélectrique de position et de deux appareils de mesure angulaire.Ce dispositif de mesure donne cependant lieu, dans le cas d'une mesure de rectitude, à une imprécision de mesure bien supérieure à celle des procédés classiques de mesure utilisés pour la détermination d'une seule erreur de rectitude (comme par exemple la mesure de rectitude à l'aide d'un modèle m8canique- en verre ou en pierre et d'un palpeur de mesure. 1'invention a en conséquence pour but de fournir un dispositif de mesure du type précité, à l'aide duquel il est possible de déterminer simultanément la position d'un corps dans les trois axes d'un système de référence, notamment de déterminer les trois erreurs de translation de machines à coordonnées multiples, avec la précision des dispositifs de mesure classiques employés pour la détermination d'erreurs individuelles, ce dispositif de mesure devant, en outre, être d'une manipulation simple. Ce problème est résolu selon l'invention en ce qu'un faisceau lumineux fourni par la source de lumière monochromatique est divisé dans un diviseur triple en trois faisceaux lumineux parallèles, en ce que ces trois faisceaux lumineux sont appliqués à trois systèmes interfeorometriques dont les faisceaux de mesure tombent sur le miroir triple commun, en ce qu'il est prévu, sur le cbté du miroir plan qui est tourné vers le miroir triple, à chaque fois un coin placé dans le trajet des rayons du faisceau de mesure du système inter fev ometrique associé, en ce que les trois coins sont décalés l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de mesure du système interfex,ométrique, et en ce que les signaux de sortie des trois récepteurs photoélectriques sont appliqués à un dispositif commun de traitement de signaux. A l'aide des trois faisceaux de mesure, on effectue simultanément trois mesures de longueur, chacune de ces mesures étant fonction de la position du miroir triple dans la direction du faisceau de mesure correspondant. A partir des trois longueurs mesurées, on peut définir la position du miroir triple dans un système de référence à l'aide de trois équations linéaires de manière que le dispositif de traitement de signaux puisse établir, par des opérations de calcul simples, la position du corps ou bien que, dans un cas particulier d'application, il puisse déterminer les trois erreurs de translation de la machine à coordonnées multiples. Ainsi, le temps nécessaire pour la mesure des écarts de position et de rectitude de machines de mesure ou de machines-outils est considérablement réduit car la durée de la mesure des trois erreurs de translation avec le dispositif de mesure selon l'invention est à peine plus grande que la durée de la mesure des seuls L écarts de positions (c'est-a-dire une simple mesure de longueur) avec un dispositif de mesure classique, par exemple un simple interfer,omètre à laser. Par la mesure simultanée des trois erreurs de translation pour chaque point de mesure, il est possible d'obtenir une indication de la totalité des erreurs de translation d'une machine dans l'espace. Les erreurs mesurées avec les procédés connus en un point de calibrage ne coïncident généralement pas car elles doivent etre mesurées dans un intervalle de temps assez grand et en faisant intervenir séparément le point de calibrage. Cet intervalle de temps influence l'erreur par une variation possible de la température, tandis que l'intervention séparée du point de calibrage introduit des erreurs supplémentaires par une dispersion dans la machine. Dans les réalisations connues, le centrage d'un interferomètre à laser utilisé pour la mesure d'un écart de position est réalisé à l'oeil nu. Pour de petites courses de déplacement, ce mode opératoire est insuffisant car l'écart directionnel entre le rayon laser et le trajet de déplacement est si grand qu'il en résulte une erreur de cosinus excessivement élevée. En mesurant simultanément aussi bien l'écart de rectitude que l'écart de position avec le dispositif de mesure selon l'invention, il est possible de corriger l'erreur de cosinus d'une manière très simple par le calcul. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention -seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 représente un dispositif de mesure conforme à l'invention, qui est appliqué à une machine de mesure à trois coordonnées; la Fig. 2 montre le trajet des rayons dans le dispositif de mesure de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en plan de la plaque en forme de plaque à coins; et la Fig. 4 montre, de fagon schématique, l'influence d'un décalage du miroir triple sur le trajet optique du faisceau de mesure. Un faisceau de lumière monochromatique de grande cohérence, produit par un laser 1, de préférence un laser à hélium-néon, est décomposé dans un diviseur triple 2, comportant des prismes angulaires 3 partiellement réfléchissants, en trois faisceaux lumineux parallèles qui sont chacun divisés d'une manière connue dans un autre diviseur de faisceau 4 en un faisceau de mesure et un faisceau de référence. Comme le montre la Fig. 1, un carter S entourant le diviseur de faisceau 4 est installé sur une table 6 d'une machine de mesure, afin de constituer le système deréfé- rence pour les mesures. Le faisceau de référence est réfléchi par un miroir plan 7 tandis que le faisceau de mesure traverse à chaque fois un coin 8 d'une plaque 14, par lequel il est dévié, comme le montre la Fig. 2. Après réflexion sur un prisme triple 9 ou un miroir triple, qui est monté sur une broche 10 de la machine de mesure le faisceau de mesure, réfléchi parallèlement, pénètre à nouveau dans la plaque à coins 14 I1 est alors réfléchi sur la face arrière 11, partiellement réfléchissante, de la plaque 14, et il revient à nouveau en direction du diviseur de faisceau 4. Lors de l'utilisation du système interfer/ométrique, on peut employer, soit un laser 1 à deux fréquences, dont un faisceau partiel est polarisé dans le plan du dessin (Fig. 2) et dont l'autre faisceau partiel est polarisé perpendiculairement au plan du dessin, ou bien on peut employer un laser 1 à une fréquence dont la lumière est polarisée a 450 par rapport au plan du dessin. Indépendamment du type de laser 1 utilisé, le diviseur de faisceau 5 produit un faisceau de référence qui est polarisé dans le plan du dessin et un faisceau de mesure qui est polarisé perpendiculairement à ce plan. Le diviseur de faisceau 4 comporte, sur le côté tourné vers la plaque à coins 14 et sur le cbté tourné vers le miroir plan 7, des plaques A/4, qui servent à faire tourner à chaque fois de 90 le plan de polarisation des faisceaux de mesure et de référence en retour, afin que le faisceau de mesure, après franchissement du parcours de référence, soit réfléchi dans le diviseur de faisceau 4, tandis que le faisceau de référence, après franchissement du parcours de référence, traverse sans entrave le diviseur de faisceau 4. Le faisceau de référence est combiné avec le faisceau de mesure en retour. Le faisceau lumineux combiné ou superposé parvient dans un récepteur photoélectrique 12, qui comporte un élément polariseur qui provoque l'interférence des deux faisceaux lumineux.Un photodétecteur disposé dans le récepteur 12 et placé en aval reçoit un signal modulé qui représente une mesure de la variation de la longueur optique du parcours de mesure. Sur la Fig. 2, on a mis en évidence le trajet suivi par les faisceaux de mesure et de référence pour un des trois faisceaux lumineux sortant du diviseur 2. Ce trajet est applicable également aux deux autres faisceaux lumineux sortant du diviseur 2, les coins 8 nécessaires à cet effet étant placés sur la plaque commune 14, qui a été représentée en vue en plan sur la Fig. 3. La plaque à coins 14 se compose d'une plaque à faces planes paralleles sur lesquelles des coins 8 sont disposés en étant décales entre eux de 1010 autour de l'axe de mesure du système interfe/rométrique. La plaque à coins 14 est pourvue, sur le côté tourné vers le diviseur de faisceau 4, d'une partie partiellement réfléchissante se présentant sous la forme d'une étoile à trois branches, les zones réfléchissantes étant situées chacune en arrière des zones hachurées et allongées qui sont désignées par 8.1, 8.2 et 8.3 sur la Fig. 3. Les cercles hachurés 8.11, 8.22 et 8.33 de la Fig. 3 désignent les zones par lesquelles les faisceaux de mesure sortent respectivement des coins 8. Dans ces zones, la face arrière de la plaque 14 n'est pas rendue réfléchissante. Les zones hachurées et allongées 8.1, 8.2 et 8.3 définissent les parties dans lesquelles le faisceau de mesure réfléchi par le miroir triple 9 repénètre dans le coin correspondant 8 avant d'être réfléchi sur la face arrière 11, rendue réfléchissante dans cette zone, de la plaque à coins 14. La représentation schématique de la Fig. 4 montre que, dans le cas d'un décalage latéral du miroir triple 9, cette zone d'entrée est déplacée, ce qui modifie en correspondance la longueur du parcours optique du faisceau de mesure. L'axe optique 15 du système interfer/ométrique est orienté perpendiculairement à la face arrière 11, partiellement réfléchissante, de la plaque à coins 14. Chacun des trois faisceaux de mesure est dévié par le coin associé 8 d'un angle a par rapport à l'axe 15. Lorsque le miroir triple 9 est décalé d'une distance #z perpendiculairement à l'axe 15, le parcours optique du faisceau de mesure varie de hW = 4.#z.sin a. Les parcours optiques des deux autres faisceaux de mesure varient également, mais cependant de la moitié de la valeur précitée et dans une direction opposée.Si on désigne par aWI, aWII et aWIII les variations des parcours optiques des trois faisceaux de mesure I, II et III et par aux, #y, #z les composantes d'un vecteur qui définit le déplacement du miroir triple 9, on obtient alors: 12 cos a x = awI + #WII + #3#4#sin &alpha; # #y =-#WI + #WII 12#sin &alpha; # #z =-#WI - #WII + 2 # #WIII. Les trois dispositifs interfer/ométriques de mesure de longueur combinés sous la forme d'un système intégré sont sensibles aussi bien à un déplacement du miroir triple 9 dans la direction de l'axe optique 15 du système, qu'à un déplacement dans une direction perpendiculaire à l'axe optique 15. A partir de la variation des trois parcours optiques, qui est déterminée dans les trois récepteurs photoélectriques 12 et qui est fournie sous la forme d'un signal de sortie par le dispositif de traitement de signaux 13, on obtient, par résolution des équations précitées, la variation de position du miroir triple 9 dans la direction des trois axes x, y et z. Du fait que les variations des parcours optiques # WI, # # WII et # WIII sont approximativement de même grandeur, une détermination, faite essentiellement par le calcul, de la différence entre deux valeurs numériques approximativement de même grandeur nécessiterait un très grand nombre de chiffres pour maintenir l'erreur de conversion numérique à une valeur faible. Un très grand nombre de chiffres signifie pour les compteurs numériques également une grande vitesse de comptage. On évite ces difficultés quand la différence est établie avant la conversion numérique, c'est-à-dire lorsqu'elle est réalisée en deux stades, comme précédemment decrit, dans la partie analogique du dispositif de traitement de signaux. Dans le premier stade, on établit de façon analogique, par combinaison électrique, les deux signaux correspondant aux différences #WIII - WI et AwI - #WII. Ensuite, dans le second stade, on effectue la conversion numérique des signaux analogiques correspondant aux longueurs de parcours #WIII, awI - #WI et #WIII - #WII. A la sortie des compteurs, on obtient alors, sous une forme numérique, les valeurs suivantes: #DI = #WIII - #WI #DII = #WIII - #WII et aDIII = aWIII . En correspondance aux équations précitées, on peut maintenant obtenir à l'aide d'un calculateur les composantes Ex, y,- #z du vecteur qui définit le déplacement du miroir triple: 12 # cos &alpha; # #x = -#DI - #DII + 3 # #DIII #3#4#sin &alpha; # $y = #DI - #DII 12#sin &alpha; # #z = #DI #DII. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure pour déterminer la position spatiale d'un corps dans un système de référence à trois axes, notamment pour déterminer les erreurs de translation de machinesoutils ou de machines de mesure à plusieurs coordonnées, à l'aide d'au moins un système interfevrométrique, qui comporte une source de lumière monochromatique et un diviseur de faisceau installé dans une position fixe de référence et qui divise la lumière en un faisceau de référence et un faisceau de mesure, et d'un miroir triple installé sur le corps, ainsi que d'un miroir plan placé dans une position fixe de référence, les miroirs réfléchissant le faisceau de mesure en vue d'une combinaison avec le faisceau de référence, le faisceau lumineux combiné étant appliqué à un récepteur photoélectrique, caractérisé en ce qu'un faisceau lumineux fourni par la source de lumière monochromatique (1) est divisé dans un diviseur triple (2) en trois faisceaux lumineux parallèles, en ce que ces trois faisceaux lumineux sont appliqués à trois systèmes interfevrométriques dont les faisceaux de mesure tombent sur le miroir triple commun (9), en ce qu'il est prévu, sur.le côté du miroir plan (11) qui est tourné vers le miroir triple (9), a chaque fois un coin (8) placé dans le trajet des rayons du faisceau de mesure du système inter ferMométrique associé, en ce que les trois coins sont décalés l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de mesure (15) du système interfe,rométrique, et en ce que les signaux de sortie des trois récepteurs photoélectriques (12) sont appliqués à un dispositif commun de traitement de signaux (13). 2.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois coins (8) sont placés sur une plaque commune (14). 3.- Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face arrière (11) de la plaque à coins (14) est partiellement réfléchissante et constitue le miroir plan. 4.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois coins sont décalés entre eux de 120 . 5.- Dispositif de mesure selon la revendication 1,caracté- risé en ce que les trois diviseurs de faisceau (4) des systèmes interferoométriques sont réunis sous la forme d'un ensemblè unitaire. 6.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur de faisceau triple (2) est associé à un laser (1), servant de source de lumière monochromatique, sous la forme d'un ensemble unitaire. 7.- Procédé pour déterminer la position spatiale d'un corps à l'aide d'un dispositif de mesure conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal de sortie d'un récepteur photoélectrique est directement converti numériquement et est appliqué à un compteur numérique, tandis que les signaux des deux autres récepteurs photoélectriques sont d'abord combinés avec le signal de sortie du premier récepteur, en ce que les deux signaux obtenus par combinaison électrique sont convertis numériquement et appliqués à un compteur numérique, et en ce que, à partir des valeurs apparaissant à la sortie du compteur numérique, on détermine dans un calculateur les composantes Ex, Ay, Az d'un vecteur qui définit le déplacement du corps.