Brevet FR2484631A1 — publié le 19811218

La présente invention concerne les dispositifs de mesure et a notamment pour objet une tête de mesure pour signaler le moment d'entrée en contact avec la surface d'un objet. L'invention peut trouver application dans les dispositifs permettant de contrôler les dimensions ou la disposition relative de pièces ou de parties de mécanismes. Elle peut être appliquee'd'une manière particulièrement avantageuse aux machines à mesurer. La précision d'un dispositif permettant de contrer les dimensions et la disposition relative d'objets dépend principalement de l'exactitude de l'indication du moment de l'établissement du contact entre le palpeur de la tête de mesure et la surface au point dont la position dans l'espace est à déterminer. La tête de mesure peut être constitu6e par un dispositif susceptible de percevoir de très faibles déplace ments du palpeur, fixé à l'extrémité d'une tige allongée, installée dans le corps de ladite tête de mesure, au moment de l'entrée du palpeur en contact avec ltsurfaca de l'objet. Pour permettre une haute précision d'indica- tion, lesdites têtes de mesure doivent posséder des dispositifs ultra-sensibles pouvant déceler de très faibles variations de la position de la tige avec le palpeur par rapport au corps.Or la création de tels dispositifs sensibles se heurte à de sérieuses difficultés, surtout lorsqu t il est nécessaire d'enregistrer les entrées en contact avec des surfaces disposées aussi bien longitudinalement que transversalement par rapport à l'axe de la tige. D'autre part, dans de telles têtes de mesure il est difficile de permettre une variation importante de la position du palpeur par rapport au corps afin de protéger la tête de mesure contre la déité rioration ayant lieu lors de entrée en contact avec un objet. On connait également des têtes de mesure comportant un transducteur piézo-électrique relié mécaniquement au palpeur afin de lui imprimer un mouvement oscillatoire. De telles têtes deaesuw sont de construction simple, tout en assurant une haute précision d'indication. Le prototype le plus proche du dispositif faisant l'objet de la présente invention est une tête de mesure pour signaler le moment d'entrée en contact avec la surface d'un objet, comportant un corps, un générateur d'oscillations électriques, un transducteur piézo-électrique réalisé sous la forme d'une tige en matériau piézo-électrique fixée dans le corps par l'une de ses extrémités et munie d'éléments d'amenée de courant reliés aux bornes de sortie du générateur pour créer dans le transducteur piézo-électri- que des oscillations mécaniques à une fréquence égale à celle du générateur, un palpeur fixé sur l'autre extrémité de la tige, un dispositif de mesure pour mesurer le courant alternatif circulant à travers le transducteur piézo-électrique entre les bornés de sortie du générateur, et un dispositif à seuil connecté audit dispositif de mesure (voir le certificat d'auteur URSS n0 234765 publié le 10.01.1969). Lorsque le générateur fournit une tension alternative, il se crée dans la tige en matériau piézo-électrique des vibrations de torsion qui sont transmises au palpeur. Quand le palpeur oscillant entre en contact avec la surface de l'objet, le facteur de qualité du système oscillatoire constitué par la tige et lé palpeur diminue considérablement, ce qui provoque un accroissement de la résistance du transducteur piézoélectrique et un affaiblissement de l'intensité du courant qui le parcourt.Ceci conduit à son tour à une variation du signal à la sortie du dispositif de mesure, variation qui est enregistrée par le dispositif à seuil. Lorsque le palpeur touche une surface disposée dans un plan longitudinal par rapport à l'axe de la tige, il est soumis à des efforts relativement importants dus, soit au frottement de glissement crée entre le palpeur oscillant et la surface, soit aux chocs du palpeur contre ladite surface, ce qui assure une diminution très brusque du facteur de qualité du sytème oscillatoire au moment de l'entrée en contact. Par contre, lorsque le palpeur touche une surface disposée dans le plan transversal par rapport à l'axe de la tige, il est soumis à l'action de forces dues au frottement de pivotement.Le coefficient de frottement de pivotement étant considérablement inférieur à celui de frottement de glissement, le facteur de qualité du système oscillatoire au moment de l'entrée en contact, diminue dans ce dernier cas beaucoup moins brusquement, ce qui affaiblit la précision de l'indication du moment d'entrée eqcontict. De plus, l'amplitude du courant parcourant le transducteur piézo-électrique est non seulement fonction du facteur de qualité du système oscillatoire, mais dépend également de l'amplitude de la tension alternative aux bornes du générateur d'oscillations électriques, qui est difficile à stabiliser. De ce fait, suivant l'amplitu- de de la tension du générateur, le déclenchement du dispositif à seuil s'effectue dans des positions différentes de la tête de mesure par rapport à la surface, ce qui affaiblit également la précision d'indication L'invention vise donc une tête de mesure à palpeur oscillant, conçue de façon à permettre d'une part9 une brusque variation du facteur de qualité du système oscilla toire dont fait partie le palpeur lors de l'entrée en contact de ce dernier avec la surface d'un objet indépendamment de la position de cette surface par rapport audit palpeur et d'autre part, la formation d'un signal électrique qui est fonction du facteur de qualité du système oscillatoire mais ne dépend pas de Yamplitude de la tension provoquant des oscillations dans ledit système oscillatoire. A cet effet, on propose une tête de mesure pour signaler le moment d'entrée en contact avec la surface d'un objet, comportant un corps, un générateur d'oscillatons électriques, un système oscillatoire disposé dans le corps et comprenant un palpeur et un transducteur piézo-électrique muni d'éléments d'amenée de courant reliés aux bornes de sortie du générateur afin de produire dans le transducteurpiézo-électrique des oscillations mécaniques à une fréquence égale à celle du générateur et associé mécaniquement au palpeur afin de lui communiquer un mouvement oscillatoire, un dispositif de mesure destiné à former un signal variant en fonction du facteur de qualité du système oscillatoire et un dispositif à seuil dont l'entrée est branchée sur ledit dispositif de mesure, caractérisée suivant l'invention en ce que le système oscillatoire comporte un transformateur d'oscillations élastiques réalisé sous la forme d'une tige à extrémités différant-sensiblement en épaisseur1 l'extrémité épaisse recevant le transducteur piézoélectrique, l'extrémité mince portant le palpeur et la tige elle-même étant fixée rigidement à l'intérieur du corps dans la région du plan nodal du système oscillatoire, ledit dispositif de mesure se présentant sous forme d'un circuit à sensibilité de phase dont l'une des entrées est reliée à la sortie du générateur, et la sortie à l'entrée du dispositif à seuil, et ledit transducteur piézo-électrique comprenant des éléments de prise de courant isolés desdits éléments d'amenée de oeuvrant et connectés à la deuxième entrée du circuit à sensibilité de phase afin d'appliquer à cette entrée la tension créée aux bornes du transducteur piézo-électrique par suite de ses oscillations à une fréquence égale à celle du générateur, la fréquence du générateur étant proche de la fréquence résonante du système oscillatoire, mais non égale à ladite fréquence résonante. Une telle tête de mesure permet d'assurer une brusque variation de déphasage des tensions aux entrées du circuit à sensibilité de phase et, par conséquent du signal à la sortie dudit circuit au moment de l'entrée du palpeur en contact avec la surface de l'objet indépendamment de la position de ladite surface par rapport au palpeur, ledit déphasage et, par conséquent, le signal de sortie du circuit à sensibilité de phase ne dépendant pas de l'amplitude de la tension produisant les oscillations dans le système oscillatoire. Il en résulte un accroissement de la précision d'indication du moment d'entrée en contact. Pour simplifier la construction des éléments d'amenée et de prise de courant du transducteur piézoélectrique, il est utile que l'un des élément d'amenée de courant et l'un des éléments de prise de courant soient réunis de façon à former un tout. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la. lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références au dessin unique annexé dans lequel la figure I représente la disposition des diffdrens parties de la tête de mesure selon l'invention; -la figure 2 représente le schéma des connections électriques desditesparties de la titre de mesure réalisée selon l'invention; -les figures 3a et 3b représentent graphiquement la variation de l'amplitude des oscillations du palpeur et du déphasage entre la tension appliquée au transducteur piézo-électrique et celle qui est prélevée à la sortie du transducteur piézo-électrique, en fonction de la fréquence. Selon la figure 1, la tête de mesure comporte un corps 1 constitué par un cylindre 2 et un couvercle 3 fixé sur le cote inférieur de ce dernier. Dans le corps 1 sont disposés un transformateur d'oscillations élastiques, réalisé sous la forme d'une tige 4, et une bride 5 s'appuyant sur le bourrelet 6 du couvercle 3 et assurant le blocage de la bride 5 dans le plan horizontal par rapport au corps 1. La tige 4 est fabriquée en un matériau à faible coefficient de frottement intérieur (par exemple en acier à ressorts) et se compose de deux parties cylindriques 4a et 4b, le diamètre de la partie 4b étant sensiblement inférieur à celui de la partie 4a et la longueur de la partie 4b dépassant de plusieurs fois son diamètre. La tige 4 est introduite à la presse dans la bride 5 par sa partie 4b à l'endroit où cette dernière se raccorde à la partie 4a, de sorte que celleci se situe à l'intérieur du corps 1, et que la partie 4b fasse saillie au-delà du corps 1 du côté du couvercle 3 muni d'un orifice pour le passage de la partie 4b de la tige 4. La tête de mesure comporte également un transducteur piézo-électrique 7 réalisé sous la forme d'un cylindre en matériau piézo-céramique doté d'un élément d'amenée de courant et d'un élément de prise de courant, constitués respectivement par des électrodes 8 et 9 fixées dans des zones différentes de l'une des surfaces en bout du cylindre piézo-céramique, ainsi que d'un élément servant à la fois à amener et à capter le courant et constitué par une électrode 10 fixée sur l'autre surface en bout du cylindre piézo-céramique. Le transducteur piézo-électrique 7 est fixé sur la surface en bout de la partie 4a de la tige 4 du côté de l'électrode 10 par exemple avec une colle assurant un contact acoustique entre le transducteur 7 et la tige 4.A l'intérieur du corps 1 est logé un ressort Il qui entoure la partie 4a de Qa tige 4 et s'appuie par l'une de ses extrémités sur la partie supérieure du cylindre 2, et par son autre extrémité, sur la bride 5 en la serrant contre le bourrelet 6 pour permettre le blocage de la bride 5 par rapport au corps 1 dans la direction verticale. Aux électrodes 8,9 et 10 sont soudées respectivement des bornes 12,13 et 14 passant par un orifice prévu dans la partie supérieure du cylindre 2. Au bout de la partie 4b de la tige 4 est disposé un palpeur 15 qui peut soit être fixé à ladite tige 4, soit faire partie intégrante de celle-ci. Les dimensions de la tige 4 sont choisies de façon que le plan nodal du système oscillatoire forma par la tige 4, le transducteur 7 et le palpeur i5 passe par la bride 5. Le ressort Il permet à la tige 4 d'effectuer d'importants déplacements dans les directions longitudinale et transversale tout en prévenant sa déterioration au moment où le palpeur 15 touche l'objet dont on veut enregistrer l'entrée en contact avec le palpeur. Comme montré sur la figure 2, la tête de mesure comprend également un générateur 16 d'oscillations électriques dont la borne de sortie est reliée, par l'intermédiaire de la borne 12 à l'électrode 8 du transducteur piézo-élecirique 7, #nsi qu'un circuit 17 à sensibilité de phase dont la borne 18 de l'une des entrées est connectée à la borne de sortie du générateur 16, tandis que la borne 19 de l'autre entrée est reliée par l'intermédiaire de la borne 13 à l'électrode 9 du transducteur 7. L'autre borne de sortie du générateur 16, ainsi que la sortie du circuit 17 à sensibilité de phase, commune à ses deux entrées, sont réunies à un point commun du recuit auquel est également reliée, par l'intermédiaire de la borne 14, l'électrode 10 du transducteur piézo-électrique 7.La sortie du circuit 17 à sensibilité de phase est reliée à l'entrée d'un dispositif à seuil 20. Le générateur 16 est un générateur d'oscillations électriques de fréquence acoustique ou ultra-sonore stabilisée. Le circuit 17 à sensibilité de phase est un circuit destiné à former un signal de sortie qui est fonction de la différence de phases des signaux à courant alternatif attaquant ses entrées. De tels circuits à sensibilité de phase sont largement utilisés dans la technique radio-électrique moderne. Le dispositif à seuil 20 est constitué par un dispositif bistable se trouvant dans un état au moment où le signal d'entrée est inférieur à une valeur de seuil prédéterminée, et passant à l'autre état lorsque le signal d'entrée dépasse ladite valeur de seuil. Le dispositif à seuil 20 peut être réalisé par exemple sous la forme d'une bascule Schmitt. Au lieu d'une seule électrode 10 (figure 1), le transducteur piézo-électrique 7 peut être muni de deux électrodes séparées, fixées dans les. zones différentes de la surface en bout du cylindre piézo-céramique. L'une desdites électrodes séparées, destinée dans ce cas à amener le courant, est disposée en face de l'élec- trode 8 et est reliée à la borne de sortie non mise à la terre du générateur 16, tandis que l'autre électrode servant à capter le courant est placée en face de l'électrode 9 et est raccordée à la borne d'entrée du circuit 17 à sensibilit de phase connectée (figure 2) à ltélectrode 10. La tête de mesure proposée fonctionne de la façon suivante. La tension électrique alternative, formée par le générateur 16, est appliquée par l'intermédiaire des électrodes 8 et 10 au transducteur piézo-électrique 7, dans lequel sont engendrées des oscillations mécaniques à une fréquence égale à la fréquence de la tension du générateur 16. Ces oscillations sont transmises au système oscillatoire constitué par le transducteur piézo-électrique 7 (figure 1), la tige 4 et le palpeur 15. De ce fait, le palpeur 15 se met à osciller à la fréquence du générateur 16 (figure 2) dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tige 4. Du fait que la tige 4 est un transformateur d'oscillations élastiques et est fixée à l'intérieur du corps 1 dans la zone du plan nodal du système oscillatoire, ce système présente en l'absence de contact entre le palpeur 15 et la surface d'un objet, un très haut facteur de qualité. Dans ce cas, la relation entre l'amplitude des oscillations mécaniques du système oscillatoire et la fréquence du générateur 16 (figure 2) a l'aspect indiqué sur la figure 3a en traits pleins.On peut voir que l'amplitude A des oscillations mécaniques du système oscillatoire a une valeur maximale lorsque la fréquence f du générateur 16 (figure 2) coincide avec la fréquence résonante fr (figure 3) du système oscillatoire et diminue rapidement lorsque la fréquence du générateur 16 (figure 2) dévie de la fréquence résonante du système oscillatoire~ Les oscillations mécaniques produites dans le système oscillatoire provoquent la création d'une tension alternative à l'électrode 9 du transducteur piézo-électrique 7 par rapport à l'électrode 10 c'est-à-dire par rapport au point comm#u'n Cette tension alternative a une fréquence égale à celle des oscillations mécaniques et coïncide en phase avec ces dernières.Par contre, les oscillations mécaniques pro duites dans le système oscillatoire sont en retard de phase sur la tension formée par le générateur 16 et provoquent ces oscillations. Lorsque le système oscillatoire présente un important facteur de qualité la variation du déphasage des oscillations mécaniques et, par conséquent, de la tension à l'électrode 9 par rapport à la tension du générateur 16, en-fonction de la fréquence dudit générateur, a l'aspect indiqué en traits pleins sur la figure 3b ou le déphasage entre la tension à l'électrode 9 (figure 2) et la tension du générateur 16 a une valeur proche de 900 en cas de coincidence de la fréquence f ( figure 1) du générateur 16 (figure 2) avec la fréquence résonante fr (figure 3) du système oscillatoire et diminue ou s'accroit brusquement quand la fréquence du générateur 16 (figure 2) s'écarte de la fréquence résonante du système oscillatoire. La fréquence du générateur 16 est choisie de manière à différer de la fréquence résonante du système oscillatoire, mais à être tout de même proche de cette dernière, de sorte qu'en l'absence de contact entre le palpeur 15 (figure 1) et la surface d'un objet, le déphasage entre la tension à l'électrode 9 (figure 2) et celle à la sortie du générateur 16 diffère sensiblement de 900 tandis que l'amplitude des oscillations mécaniques doit se situer dans les limites de la pointe de résonance, comme indiqué sur la figure 3 pour le cas où la fréqence f du générateur 16 (figure 2) est légèrement inférieure à la fréquence résonante du système oscillatoire.Les tensions dégagées à la sortie du générateur 16 et à l'électrode 9 sont appliquées respectivement par l'intermédiaire des bornes 18 et19 aux différentes entrées du circuit 17 à sensibilité de phase, dont la tension de sortie, en l'absence du contact entre l palpeur 19 (figure 1) et la surface d'un objet, correspond à un déphasage différant considérablement de 900. Lorsque le palpeur 15 touche la surface d'un objet (non rw résenté) dont on veut enregistrer L'entrée en contact avec ledit palpeur, le facteur de qualité du système oscillatoire décroit. La relation entre l'amplitude des oscillations mécaniques et le déphasage, d'une part, et la fréquence, d'autre part,en cas de faible facteur de qualité du système oscillatoire, est montrée respectivement sur les figures 3a et 3b en pointillés : l'accroissement de l'amplitude des oscillations mécaniques à la fréquence résonante est dans ce cas considérablement moins importante qu'en cas d'emploi d'un système oscillatoire à haut facteur de qualité, alors que le déphasage entre la tension du générateur 16 (figure 2) et celle à l'électrode 9 ne diffère pas sensiblement de 900 pour une fréquence du générateur 15 proche de la fréquence résonante du système. Ainsi, la diminution du facteur de qualité du système oscillatoire au moment de l'entrée en contact provoque une réduction de l'amplitude des oscillations mécaniques. Cependant, ladite amplitude est fonction non seulement du facteur de qualité du système oscillatoire, mais aussi de l'amplitude de la tensiaade de sortie du générateur 16. La diminution du facteur de qualité du système oscillatoire au moment de l'entrée en contact conduit en outre à un changement du déphasage entre la tenson à la sortie du générateur 16 et cers à l'électrode 9, ce qui provoque une variation correspondante du signal de sortie du circuit 17 à sensibilité de phase et du signal d'entrée du dispostif à seuil 20 Lors de l'abaissement du facteur de qualité du système oscillatoire jusqu t à une certaine valeur déterminée par le seuil de déclenchement du dispositif à seuil 20, la variation du signal de sortie du circuit 17 à sensibilité de phase devient si importante, qu'elle provoque un changement d'état du dispositif à seuil 20, ce qui signale l'entrée en contact du palpeur 15 (figure 1) avec la surface de l'objet. Vu que le palpeur 15 oscille dans un plan permet diculaire à l'axe -longitudinal de la tige 4, il est soumis, au moment de l'entrée en contact avec la surface de l'objet à l'action de forces dues au frottement de glissement ou aux chocs du palpeur contre la surface de l'objet, quelle que soit la position de ladite surface par rapport à ce palpeur 15, ce qui permet, en toute position de la surface, un brusque abaissement du facteur de qualité du système oscillatoire au moment de l'entrée en contact. Une diminution aussi rapide du facteur de qualité provoque une brusque variation du déphasage entre la tension à la sortie du générateur 16 (figure 2) et celle à l'électrode 9, ledit déphasage ne dépendant pas de l'amplitude de la tension de sortie du générateur 16. Avec un choix approprié du seuil de déclenchement du dispositif à seuil 20, ceci permet d'obtenir une haute précision d'indication dujnoment de l'entrée en contact du palpeur 15 (figure 1) avec la surface de l'objet, quelle que soit la position de ladite surface. La tête de mesure, objet de l'invention, peut trouver application dans les machines à mesurer pour contrôler les dimensions ou la disposition relative de pièces ou de parties de mécanismes. La haute précision d'indication du moment de l'entrée en contact, assurée par la tête de mesure faisant l'objet de l'invention, permet d'effectuer ledit controle également avec une haute précision, quelle que soit la position relative du palpeur et de la surface de la pièce au moment du contact, c'est-à-dire indépendamment de la direction de dépicement de la tête de mesure dans la machine à mesurer. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Tête dé mesure pour signaler le moment d'entrée en contact avec la surface dun objet du type comportant un corps, un générateur d'oscillations électriques; un système oscillatoire disposé dans ledit corps et comprenant un palpeur et un transducteur piézo-électrique muni d'éléments d'amenée de courant reliés aux bornes de sortie du générateur afin d'engendrer dans le transducteur piézo-électrique des oscillations mécaniques à une fréquence égale à la fréquence du générateur, et relié mécaniquement au palpeur afin de lui communiquer un mouvement oscillatoire, un dispositif de mesure destiné à former un signal variant en fonction du facteur de qualité du systbme oscillatoire, et un dispositif à seuil dont l'entrée est branchée sur le dispositif de mesure, caractérisée en ce que le système oscillatoire comporte un transformateur d'oscillations élastiques réalisé sous la forme d'une tige à extrémités présentant une grande différence d'épaisseur entre elles , le transducteur piézo~électrique étant fixé sur l'extrémité de plus grande épaisseur de la tige et le palpeur sur son extrémité de moindre épaisseur et la tige elle-même étant fixée rigidement à l'intérieur du corps dans la région du plan nodal du système oscillatoire en ce que le dispositif de mesure se présente sous forme d'un circuit à sensibilité de phase dont l'une des entrées est reliée à la sortie du générateur, et la sortie, à l'entrée du dispositif à seuil, et en ce que le transducteur piézo-électrique comprend des éléments de prise de courant isolés desdits éléments d'amenée de courant et connectés à une deuxième entrée du circuit à sensibilité de phase pour appliquer à cette entrée la tension créée aux bornes du transducteur piézo-électrique par suite de ses oscillations à une fréquence égale à la fréquence du générateur, la fréquence du générateur étant proche de la fréquence résonante du système oscillatoire, mais non égale à ladite fréquence résonante. 2. Tête de mesure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'un des éléments d'amenée de courant et l'un des éléments de prise de courant sont réunis de manière à former un tout unique.