Brevet FR2474160A1 — publié le 19810724

1. La présente invention concerne un dispositif de mesu- re de la rugosité superficielle. Plus particulièrement, la pré- sente invention concerne un dispositif de mesure de la rugosité d'une surface comprenant des irrégularités de type périodique, que l'on peut observer, par exemple, sur les surfaces obtenues après passage au tour, meulage, fraisage, etc. On connaît dans l'art antérieur des dispositifs de mesure de la rugosité de surface et ceux-ci se divisent en deux groupes. Le premier groupe comprend les dispositifs permettant de procéder à une mesure sans contact direct entre le dispositif et la surface examinée, et le second groupe les dispositifs munis d'un élément de détection pErmettant par contact direct, la détection des irrégularités de surface. Parmi les dispositifs appartenant au premier groupe, une utilisation particulière est faite du microscope, celui-ci étant muni d'une ou de deux lentilles, ou étant du type à in- terférence. Un microscope muni d'une seule lentille ne permet que le grossissement de surface, alors qu'un microscope com- portant deux lentilles permet l'examen simultané de la surface de la pièce examinée avec celui de la surface d'une pièce échantillon. Un microscope à interférence comporte une lampe émettant une lumière monochromatique pour l'éclairage simulta- 2 4 7 4 160 2. né de la surface examinée et d'un miroir de comparaison uni. Des raies d'interférence se forment entre la surface examinée et le miroiret le degré de rugosité peut être défini numéri- quement par l'examen des raies. Les dispositifs appartenant au second groupe compren- nent généralement une aiguille de palpage dont la pointe a un rayon de très petite valeur, par exemple de l'ordre de 1 à 2 a, c'est-à-dire a des dimensions du même ordre de grandeur que l'irrégularité de la surface examinée. Alors que la pièce exa- minée se déplace lentement par rapport à l'aiguille, celle-ci se déplace perpendiculairement à la surface de façon qu'il y ait un sondage périodique de celle-ci.Le mouvement de l'ai- guille est mesuré, par exemple électriquement et éventuelle- ment amplifié, et le signal ainsi obtenu actionne un point d'écriture qui reproduit sur le papier le profil d'une section prédéterminée de la surface. Alors que les dispositifs connus du type ci-dessus sont largement utilisés dans la définition du degré de rugosi- té superficielle, ils présentent certains inconvénients. En particulier, les microscopes équipés d'une ou de deux lentil- les ne permettent qu'un jugement qualitatif de la rugosité, alors qu'une évaluation numérique objective du degré de rugo- sité est souvent requise. Dans le cas des microscopes à inter- férence et des dispositifs comprenant une aiguille de palpage, même s'ils fournissent une information numérique sur le de- gré de rugosité, ils nécessitent l'utilisation d'un personnel très spécialisé. A cet égard, dans le cas des dispositifs du premier type, il est nécessaire d'évaluer la forme des raies d'interférence alors que dans le cas du dispositif-du second type il est nécessaire de procéder au traitement des données mesurées par rapport au profil. Enfin, aucun des dispositifs de mesure du premier ou du second groupe ne convient dans une chaîne de fabrica- tion pour l'identification des défauts de surface pendant une opération d'usinage mécanique de surface finie ou super-finie, car tous deux nécessitent un temps de mesure très long et sont structurellement trop délicats. 3. La présente invention a pour objet de prévoir un dispositif de mesure de la rugosité superficielle, qui four- nisse une information numérique sur le degré de rugosité de la surface, puisse être utilisé dans une chaîne de fabrica- tion pendant- une opération d'usinage, soit fiable, et soit d'un coût global de faible valeur. Selon la présente invention, on prévoit un disposi- tif de mesure du degré de rugosité d'une surface comprenant des irrégularités, caractérisé en ce qu'il comprend: - une sonde électroacoustique ll convertissant un signal électrique de fréquence prédéterminée en ondes de pression ultrasoniques se propageant dans un milieu gazeux et ayant une longueur d'onde du même ordre de grandeur que l'irrégularité, les ondes frappant la surface 5 et étant partiellement réfléchies et partiellement diffractées vers la sonde ll; - un générateur 20 du signal électrique alimentant la sonde ll; et - des moyens de traitement 25, 27, 28, 30 connectés à la sonde ll et disposés de façon à produire un signal qui dépend de l'amplitude des ondes diffractées. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lequels: La figure 1 représente le profil en coupe d'une pièce ayant une surface parfaitement plate; Les figures 2 et 3 représentent à grande échelle le profil en coupe d'ure pièce dont la surface comprend des ir- régularités périodiques; La figure 4 est un schéma sous forme de blocs d'un dispositif de mesure selon la présente invention; et La figure 5 représente la forme des signaux électri- ques en certains points du schéma de la figure 4. La figure 1 représente en coordonnées x, y la varia- tion du profil en coupe d'une surface parfaitement lisse 1 d'une pièce 2, et les trajets d'un faisceau incident 3 et d'un faisceau réfléchi 4 d'une onde de pression ultrasoni- que. Les faisceaux 3 et 4 forment respectivement des angles 4. ei et e avec une ligne perpendiculaire à la surface 1 au point d'incidence du faisceau 3. Les figures 2 et 3 représentent en coordonnées x, y la variation du profil en coupe d'une.surface 5 d'une pièce 6, cette surface comprenant des irrégularités périodiques qui se répètent dans l'espace suivant une. période représentée par la lettre D. Un exemple typique d'une surface à irrégularités périodiques est celle qui est obtenue par une opération effec- tuée au tour, à la suite de quoi la surface de la pièce usi- née comprend des "gorges parallèles" qui sont situées à la même distance les unes des autres suivant une longueur D fonc- tion-de l'avance de l'outil. Sur le plan analytique le profil de ces surfaces peut être représenté par une fonction du type (1) y = f(x) o f(x) = f(xFD). - Comme cela sera décrit en déatil ultérieurement, ces surfaces se comportent comme des réseaux de diffraction pour ondes ultrasoniques de longueur d'onde (2) X En conséquence, dans les figures 2 et 3, en dehors du faisceau incident 3 et du faisceau réfléchi 4, on a également indiqué un faisceau diffracté 7 qui forme un angle e2n (figure 2) ou e2 (figure 3) avec la perpendiculaire. En particulier, alors que dans les figures 2 et 3 ei = en, dans la figure 3, e2 = e. et comme on le verra ci-après, cette configuration spécifique a été obtenue par un choix approprié de ei et de la longueur d'onde À du faisceau incident 3. En liaison plus particulièrement avec la figure 4, la référence 10 représente un dispositif de mesure de rugosité qui comprend sensiblement une sonde électro-acoustique ll;une chaîne d'émission 12 et une chaîne de réception 13; et un com- mutateur-inverseur commandé 16 dont les bornes 14, 15 sont con- nectées respectivement à la sortie de la chaîne 12 et à l'en- trée de la chaîne 13 et une borne commune 17 connectée à la sonde 11. La chaîne d'émission 12 comprend, en série, un oscil- lateur 20 qui produit un signal sinusoïdal ayant une fréquence de l'ordre de quelques MHz, un commutateur commandé et un am- 5. plificateur 22. La chaîne de réception 13 comprend, en série à par- tir de la borne 15 du commutateur 16, un commutateur commandé 24, un amplificateur 25, un commutateur commandé 26 et un détecteur de crête 27, respectivement. La sortie du détecteur 27 est connectée à la fois à l'entrée d'un circuit interpola- teur 28 et à l'entrée de signal d'un bloc comparateur 29. La sortie du circuit 28 alimenté un indicateur 30 comprenant trois éléments d'affichage du type à sept segments. Une borne 31, à laquelle est appliqué un signal continu de référence d'une manière non représentée, est connectée à l'entrée de ré- férence du comparateur 29, dont la sortie alimente un voyant indicateur 32. Un générateur d'impulsions 35 ayant un rapport cycli- que réglable et une fréquence de répétition d'impilsions,de préférence de l'ordre de quelques KHz, a sa sortie connectée respectivement aux entrées de commande du commutateur 11 et des commutateurs 21 et 24 et à l'entrée d'un circuit de tempo- risation 36, dont la sortie est connectée à l'entrée de comman- de du commutateur 26. Dans une position en regard de la sonde 11, on a dis- posé la surface 5 de la pièce 6, déjà représentée en figures 2 et 3, et dont la rugosité doit être analysée. Enfin, les ré- férences 3,4 et 7 (figure 3) représentent respectivement les signaux émis par la sonde 11 et frappant la surface 5, et les signaux réfléchis et diffractés par les irrégularités de la surface 5. En liaison plus particulière avec les figures 4 et 5, les références V1, V2, V3 et V4 de la figure 4, représentent les points de prélèvement des signaux électriques, et dans la figure 5, ces lettres représentent les ordonnées des courbes des signaux électriques en fonction du temps. Avant de décrire le fonctionnement du dispositif de mesure 10, une courte description théorique sera faite de la diffraction d'une onde ultrasonique par une surface comprenant des irrégularités périodiques, et pouvant être représentée analytiquement par la formule (1) précédente. 6. Lorsqu'une onde ultrasonique frappe une surface de ce type, il existe des angles particuliers 82n pour lesquels le transfert d'énergie du faisceau incident au faisceau dif- fracté est maximum. Ces angles e2n satisfont l'équation de Bragg: (3) sin e2n = sin e. + n, o n = 0, -1, - 2,... i Comme l'attenuation d'une onde ultrasonique dans l'air dans la gamme de fréquence concernée, c'est-à-dire pour quelques MHz ou quelques dizaines de MHz, est très importante, et en première approximation inversement proportionnelle au carré de la fréquence, il est commode d'utiliser des fréquen- ces aussi basses que possible. En conséquence, à ce point de vue, les longueurs d'onde des ondes de pression ultrasoniques dans l'air doivent être aussi grandes que possible. D'autre part, étant donné que si À > 2D, l'équation (3) est satisfaite seulement pour n = 0, correspondant au transfert de toute l'énergie du faisceau incident au faisceau réfléchi, les lon- gueurs d'onde optimum doivent satisfaire la formule: (4) X = D(2-c) ou (5) 0 Selon l'équation (3), sin e2n doit être inférieur à 1. Ainsi, la combinaison des équations (3) et (4) donne: (6) Isin ei + n (2-e)I équation dans laquelle la valeur n=0 est rejetée car cela im- plique une réflexion spéculaire (8i = e r), et la seule valeur acceptable est n = -1, pour laquelle l'amplitude maximum des faisceaux diffractés est obtenue. Lorsque n = -1, l'équation (3) devient: (7) sin e2 =sin ei + (c - 2) d'o l'on obtient, en tenant compte de l'équation (5), (8) ei, 90 ; e2 > -90 . Les conditions indiquées en (8), et qui sont également vérifiées par les équations (2) et (4), sont représentées en figure 3. En d'autres termes, en choisissant ei et À de la meilleure façon possible, il est possible d'utiliser le même transducteur pour émettre le faisceau incident 3 et recevoir le faisceau réfracté 7. 4 (figure 3). Le dispositif de mesure 10 a été conçu spéciale- ment pour satisfaire les conditions précédentes, et permettre ainsi l'utilisation d'un seul transducteur (émetteur-récepteur) dans la sonde 11. Le fonctionnement du dispositif de mesure 10 sera décrit ci-après en utilisant deux stades distincts; dans le premier stade, la sonde 11, qui comme déjà indiqué comprend un seul transducteur électro-acoustique, est connectée par les bornes 14 et 17 du commutateur 16 à la sortie de la chaîne îo d'émission 12. Pendant le second stade, la sonde 11 est connec- tée à l'entrée de la chaîne de réception 13 par les bornes 15 et 17 du commutateur. La position assumée par le commutateur-inverseur 16 et les positions respectives assumées par chaque commutateur 21, 24, sont déterminées par le niveau du signal V1, qui est four- ni par le générateur d'impulsions 35 et est représenté en figure 2a. La position assumée par le commutateur commandé 26 est déterminée par le niveau du signal V3 fourni par le circuit de temporisation 36 et représenté en figure 2c. En particulier, les positions du commutateur 16 et de chacun des commutateurs 21, 24 et 26 comme représenté en figure 1 correspondent à la position effective qu'ils assument pendant le premier stade. Au cours de ce premier stade, le signal sinusoïdal émis par l'oscillateur 20 est appliqué par l'intermédiaire du commutateur 21, de l'amplificateur 22 et des bornes 14 et 17 du commutateur 16 à l'élément du transducteur contenu dans la sonde 11. Ce dernier émet par conséquent vers la surface 40 le faisceau 3 d'ondes de pression ultrasoniques qui frappe la surface de façon à donnEr naissance au faisceau réfléchi 4 et au faisceau diffracté 7 qui se propage dans la même direction mais en sens opposé que le faisceau 3 (figures 3 et 4). La du- rée pendant laquelle le signal V2 est appliqué à la sonde il est représentée par T en figure 5a. Cette durée T est in- férieure à la durée T (figure 5c), qui est la durée minimum requise par le faisceau 3 pour traverser l'espace séparant la sonde 11 et la surface 5 et pour revenir, sous forme du fais- ceau diffracté 7, à la sonde 11. Le premier stade se termine 8. avec l'ouverture du commutateur 21, la commmutation du commuta- teur-inverseur 16 vers la borne 15, et la fermeture-du commuta- teur 24, chacune de ces opérations étant déclenchée au même -Dment par le signal V à la fin de la durée To 1 - Le second stade commence sensiblement lorsque le si- gnal V3 fourni par la minuterie 36 provoque la fermeture du commutateur 26 après la durée T1, qui-est décomptée à partir du moment o commence le premier stade. Le signal V3 a une durée T2 qui est supérieure à T, de façon à permettre à tous les signaux diffractés 7 provenant des différents points de la même zone de la surface située autour du point d'impact (et^ chacun à une distance différente de la sonde 11) d'atteindre cette sonde. Pendant ce stade, l'élément transducteur logé dans la sonde 11 fonctionne en élément récepteur et applique à l'en- trée de la ligne de réception 13 un signal proportionnel à la quantité de signaux diffractés 7 qu'il reçoit. En particulier, ce signal passe par le commutateur 24,1'amplificateur 25 et le commutateur 26, et est appliqué à l'entrée du détecteur de crê- te 27. Celui-ci fournit à sa sortie un signal proportionnel à la valeur maximum Vmax (figure 5d) du signal reçu pendant la durée T2. Le signal de sortie Vmax est traité dans le circuit interpolateur 28, dont la sortie commande l'indicateur 30. Le signal Vmax est également appliqué à l'entrée de signal du bloc comparateur 29,dans lequel il est comparé au signal de ré- férence appliqué à la borne 31. Si le signal Vmax dépasse la valeur assumée par le signal de référence appliqué à l'entrée 31, le bloc comparateur 29 fournit un signal d'alimentation au voyant indicateur 32, lequel indique alors qu'un seuil prédé-- terminé a été dépassé par le signal V4. Si les courbes de ré- ponse de l'amplificateur 25 et du circuit interpolateur 28 sont étudiées convenablement, l'indicateur 30 peut fournir di-- rectement l'un des paramètres décrivant le coefficient de rugo- sité de la surface examinée 5. A partir d'un examen des caractéristiques du disposi- tif 10 selon la présente invention, on peut voir que ce dispo- sitif permet d'éviter les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur décrits précédemment. 9. Le dispositif peut être utilisé dans une chaîne de fabrication pendant une opération d'usinage, en ce sens que seule la sonde 11, qui peut être amplement protégée, doit être disposée à proximité de la surface à contrôler. De plus, il fournit une indication instantanée du degré de rugosité de la partie de la surface frappée par le faisceau incident 3, ainsi qu'un signal d'alarme lorsque le degré de rugosité dépasse une valeur maximum prédéterminée. Etant donné que la rugosité d'une pièce en cours îO d'usinage dépend du degré d'usure de l'outil, un contrôle est ainsi fait indirectement de la durée de vie de l'outil lui- même. En outre, comme la période D ne dépend pas de l'usure de l'outil, le dispositif 10 permet l'analyse de toutes les pièces produites par la même machine sans changement de géo- métrie. En conséquence, comme celle-ci est fixe, il est pos- sible d'étalonner les signaux reçus par la sonde ll en fonc- tion de paramètres décrivant le degré de rugosité. L'utilisation des commutateurs commandés 24 et 26 limite l'analyse du signal de retour provenant de la surface 5 à la seule durée T2, éliminant ainsi les contributions à la diffusion et à la réflexion par les éléments de surface de la pièce 6 non concernés par l'analyse, par exemple les sail- lies, les parties moulées, etc.De telles contributions produi- raient en fait des signaux de retour, qui, après détection par la chaîne de réception 13, donneraient une fausse infor- mation sur le degré de rugosité. Enfin, il apparaît que des modifications peuvent être apportées à la forme du dispositif de mesure 10 de la présen- te invention sans sortir de son cadre. Par exemple, comme on a observé que le faisceau dif- fracté 7 reçu par la sonde hl est considérablement influencé par les gradients de pression présents dans la couche d'air située entre la sonde 11 et la surface 5, un transducteur de référence supplémentaire pourrait être utilisé, qui serait placé près de la sonde 11 et fonctionnerait sous l'effet de la réflexion spéculaire sur une surface au repos. Le signal fourni par le transducteur supplémentaire pourrait être utili- sé pour le contrôle du coefficient d'amplification de l'ampli- 2 4 7 4 160 10. ficateur 25, de façon à compenser les distorsions dues aux gradients de pression. Bien que le dispositif 10 ait été décrit en liaison avec la figure 3 avec utilisation d'un seul élément de trans- ducteur, tout dispositif de mesure de rugosité pourrait être construit selon les mêmes principes de la présente invention en utilisant un transducteur d'émission-placé suivant un an- gle ei pour produire le faisceau 3, et un transducteur de ré- ception placé suivant un angle e2n (figure 2) pour recevoir le faisceau diffracté 7. Dans ce cas, le diagramme de la figu- re 4 pourrait être simplifié en utilisant une sonde comprenant une paire de transducteurs électro-acoustiques,-dont le pre- - mier serait connecté en permanence à la sortie de la chaîne de transmission, et utilisé exclusivement pour l'émission alors que le second serait connecté en permanence à l'entrée de la chaîne de réception 13 et utilisé exclusivement pour la ré- ception. Cela permettrait d'éviter l'utilisation du commuta- teur-inverseur 16, et éventuellement du commutateur commandé 24. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de modifications et de variantes qui ap- paraîtront à l'homme de l'art. 11. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure du degré de rugosité d'une surface (5) comprenant des irrégularités du type périodique, caractérisé en ce qu'il comprend: une sonde électroacoustique (11) disposée de façon à convertir un signal électrique de fréquence prédéterminée en ondes de pression ultrasoniques se propageant dans un mi- lieu gazeux et ayant une longueur d'onde du même ordre de gran- deur que les irrégularités, ces ondes frappant la surface (5) et étant en partie réfléchies et en partie diffractées vers la sonde (11); - un générateur (20) disposé de façon à produire le signal électrique et à alimenter la sonde (11); et - des moyens de traitement (25, 27, 28, 30) connec- tés à la sonde (11) et disposés de façon à produire un signal qui dépend de l'amplitude des ondes diffractées. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur (20) et les moyens de traitement (25, 27,28, 30) sont disposés dans une chaîne d'émission (12) et dans une chaîne de réception (13), respectivement, au moins un commutateur commandé respectif (21, 24) étant connecté en sé- rie dans chacune de ces chaînes; un premier générateur de signaux d'impulsions (35) étant connecté à chacun des commuta- teurs commandés (21, 24) de façon à déterminer la fermeture et l'ouverture alternées des commutateurs 21, 24 dans les chaînes respectives (12, 13). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un second générateur de signaux d'impul- sions (36) et un commutateur commandé auxiliaire (26) disposé en série dans la chaîne de réception (13), le second généra- teur (36) ayant son entrée connectée à la sortie du premier générateur de signaux d'impulsions (35). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second générateur (36) comprend un moyen de ré- glage du rapport cyclique pour les signaux qu'il produit. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement (25, 27, 28, 12. ), comprennent un circuit de détection de crête (27) et un moyen d'indication analogique (30) connecté à la sortie du circuit de détection de crête (27). 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit comparateur (29) ayant une première entrée connectée à la sortie du circuit de détection de crête (30); une seconde entrée, à laquelle est appliqué un signal de référence; et une sortie connectée à un moyen indi- cateur (32). 7 - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que -la sonde électroacoustique (11) comprend seulement un transducteur, et qu'un moyen de commutateur-in- verseur (16) est prévu qui comporte une borne commune (17) connectée au transducteur, et une première borne d'inversion (14) et une seconde borne d'inversion (15) connectées à la sortie et à l'entrée de la chaîne d'émission (12) et de la chaîne de réception (13) respectivement; et en ce que le moyen de commutateur-inverseur (16) comprend une entrée de commande connectée à la sortie du premier générateur de si- gnaux d'impulsions (35). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la sonde (11) comprend un premier et un second transducteur, respectivement connectés à la sortie de la chaîne d'émission (12) et à l'entrée de la chaîne de réception (13); le premier transducteur émettant seulement les signaux incidents, et le second transducteur recevant seulement les signaux diffractés. 9 - Dispositif selon l'une des revendciations 1 à 8, caractérisé en ce que le générateur de signaux électriques (20) est un oscillateur. - Dispositif selon la revendication 10, caractéri- sé en ce que l'oscillateur (20) produit un signal électrique sinusoldal.