Brevet FR2515381A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de commande de la position d'un premier élément par rapport à un second élément Plus particulièrement, mais non exclusivement, elle concerne la commande de position d'une sonde à transducteur ultrasonique, utilisée dans des appareils d'essai pour la détection de soufflures dans des articles tels que des produits semi-finis, des matières pre- mières et des composants manufacturés, de façon qu'un fais- ceau d'ondes ultrasonique émis par le transducteur conserve un angle d'incidence constant sur la surface de l'article essayé. Un élément connu de dispositif d'essai aux ultra- sons comprend un réservoir d'eau destiné à recevoir l'arti- cle à essayer, un mécanisme de translation au-dessus du réservoir, et une sonde qui est supportée par le mécanisme de translation et s'étend dans l'eau jusqu'à un niveau jus- te supérieur à celui de l'article Une tête de transducteur à ultrasons est reliée à l'extrémité inférieure de la sonde et accouplée par une Iaison à un mécanisme de réglage, un servomoteur ou un mécanisme manuel, par exemple, à la suite de quoi l'orientation-de la tête et la distance entre le transducteur et l'article peuvent être réglées de façon qu'un faisceau pulsé d'énergie ultrasonique émis par la tê- te tombe perpendiculairement à la surface de l'article De. tels ajustements, une fois effectués, ne sont pas normalement 2. sujets à altération, alors que le système est en mouvement pendant le balayage de l'article Une image correspondant à un écho provenant de l'article est affichée sur, par exemple,un oscilloscope, et le mécanisme de translation peut fonctionner pour déplacer la sonde de façon que la tête du transducteur balaie la surface de l'article -Dans un autre dispositif de l'art antérieur, l'article à essayer n'est pas immergé dans l'eau au contraire,l'eau est émise sous forme de jet par une buse incorporée dans la tête du transducteur, le jet frappant l'article et définissant un trajet pour l'énergie ultrasonique. Comme le faisceau ultrasonique doit rester au moins sensiblement perpendiculaire à la surface de l'article à essayer, ou tout aumins doit former un angle d'incidence constant avec la surface,et être à une distance sensiblement constante de la surface, l'utilité de l'équipement de l'art antérieur est limitée; par exemple il ne peut être utilisé dans un mode de fonctionnement à balayage automatique pour l'essai d'articles présentant une surface incurvée ou profi- lée. Selon un aspect de la présente invention, on pré- voit un dispositif pour la commande de la position d'un premier élément par rapport à un second, le dispositif comprenant deux transducteurs supportés par le premier élément et pou- vant fonctionner de manière à produire des signaux indicateurs de distances respectives séparant les transducteurs d'une po- sition du second élément, un moyen de moteur d'entraînement accouplé au premier élément pour le déplacer par rapport au second, un moyen de commande pour recevoir les signaux et pour commander le moyen de moteur d'entraînement. Selon un second aspect de la présente invention, on prévoit un dispositif de commande de la position d'un premier élément par rapport à un second, le dispositif com- prenant un transducteur primaire avec deux ou plusieurs transducteurs secondaires supportés par le premier élément et pouvantfonctionner de manière à produire des signaux indi- cateurs de distances respectives séparant les transducteurs d'une position du second élément, un moyen de moteur d'entrai- 251538 I 3 ' neoent accouplé au premier élément pour le déplacer par rap- port au second, et un moyen de commande pour recevoir les signaux et pour commander le moyen de moteur d'entraînement, les mouvements commandés du premier élément, concernant la distance et la position angulaire du transducteur par rap- port à la pièce, étant réglés continuellement et automatique- ment pendant le balayage de la pièce. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels z La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'essai aux ultrasons d'un type à immersion; La figure 2 est un schéma simplifié d'un ensemble de commande utilisé avec le dispositif de la figure 1; et Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe schémati- que de têtes de transducteur utilisées dans le dispositif d'essai aux ultrasons. Le dispositif de la figure 1 comprend un réservoir 1 contenant de l'eau 2 et, dans l'eau, un article 3 à essayer la surface de l'article étant incurvée dans le plan de la figure Au-dessus du réservoir se trouve un ensemble 4 compor- tant une sonde,qui comprend une colonne creuse 5 pour sonde s'étendant vers le bas jusqu'au-dessus de l'article 3 et un mécanisme 6 de réglage de la profondeur d'entrée de la sonde dans l'eau, et servant également à la faire tourner autour de son axe, etc Une tête de transducteur 7 est articulée sur l'extrémité inférieure de la sonde de façon à pouvoir pi- voter autour d'un axe perpendiculaire à la figure et le mé- canisme de réglage 6 comprend un servo-moteur 8 accouplé à la tête de transducteur 7 via une liaison (non représentée), par exemple une commande par chaîne s'étendant à l'intérieur de la sonde pour la commande du mouvement de pivotement de la tête du transducteur L'ensemble comportant la sonde est sup- porté par un moyen (non représenté) de façon â pouvoir être déplacé dans le sens de la flèche 9 et dans un sens perpen- diculaire à celui-ci de façon à balayer la surface de l'ar- ticle 3 A titre d'exemple (non représenté), l'ensemble com- portant la sonde peut être porté par un chariot muni de 4. roues se déplaçant sur des rails qui eux-mêmes comportent des roues et peuvent se déplacer sur des rails longitudi- naux, des moteurs d'entraînement appropriés étant accouplés aux roues pour produire le mouvement La tête du transduc- teur 7 incorpore un cristal principal de transducteur (non représenté) de manière à diriger un faisceau pulsé d'énergie ultrasonique vers la surface de l'article 3 et à recevoir les échos provenant de l'article La tête comprend égale- ment deux cristaux de transducteur auxiliaires ou satelli- l O tes 10 placés sur la face inférieure de la tête 7 aux côtés respectifs de la position à partir de laquelle le faisceau d'ultrasons est émis. Le cristal principal de transducteur est relié à un ensemble d'alimentation il qui produit une série d'impul- sions raides pour provoquer la commande du cristal de la manière connue et des signaux représentatifs d'échos reçus par le cristal sont affichés sur un moniteur comportant un tube à rayons cathodiques 12 Les cristaux 10 reçoivent éga- lement les échos, les instants auxquels ces échos sont re- çus dépendant de l'angle d'incidence du faisceau sur la sur- face de l'article 3 réfléchissant les échos, Par conséquent, les cristaux 10 sont reliés à un ensemble de commande 13 qui détermine le minutage relatif des échos qu'ils reçoivent et commande en conséquence le servomoteur 8 de flaçon que le faisceau ultrasonique soit normal à la surface. Si la tête de transducteur 7 est réalisée de façon que les cristaux 10 soient exactement équidistants du fais- ceau et dans un plan auquel le faisceau est exactement per- pendiculaire, les échos reçus par les cristaux respectifs 10 coïncideront dans le temps lorsque le faisceau est perpen- diculaire à la surface de l'article 3 Si la tête de trans- ducteur ne se trouve pas dans le cas, soit par choix de la conception, soit par suite des tolérances de fabrication, il y aura alors à tenir compte d'un temps différentiel constant. L'ensemble de commande 13 représenté en figure 2 est adapté a cette fonction Deplus, comme on le remarquera, les cris- taux du transducteur reçoivent des échos non seulement en pro- venance de la surface supérieure de l'article 3 mais encore de sa surface inférieure et, de fait, peuvent recevoir une série d'échos parasites L'ensemble de commande de la figu- re 2 comprend un moyen pour définir des fenêtres de temps, synchronisées au fonctionnement de l'ensemble de commande 11, de manière à assurer qu'on agit sur les seuls échos appro- priés Il s'agira normalement des échos réfléchis par la surface supérieure de l'article 3, mais dans certains cas, il peut être souhaitable d'utiliser les échos provenant de, par exemple, la surface inférieure ou même d'une partie de la surface interne Le faisceau d'ultrasons est commandé de façon à être perpendiculaire à quelque surface que ce soit réfléchissant les échos choisis Le moyen de définition de fenêtre de temps doit être réglable de façon à permettre à un opérateur de choisir la surface désirée. En liaison maintenant avec la figure 2, les signaux en provenance des deux transducteurs satellites 10 sont appliqués à des amplificateurs à déclenchement périodique respectifs 20 qui sont commandés par le moyen de définition de fenêtre cité ci-dessus, celui-ci se présentant sous la forme d'un générateur d'impulsions 21 qui, en réponse à cha- que impulsion provenant de l'ensemble d'alimentation 11, produit après un délai prédéterminé ou pouvant'varier de manière contrôlée une impulsion de largeur prédéterminée pour "ouvrir" les amplificateurs 20 Les signaux d'écho transmis par les amplificateurs alors qu'ils sont à l'état "ouvert" sont mis en forme par des circuits respectifs 22 de mise en forme et des circuits convertisseurs 23, les circuits convertisseurs adaptant également les niveaux des signaux de manière qu'ils soient adaptés au circuit "logi- que transistor-transistor" (TTL) qui, à cause de sa conve- nance sur le plan de la vitesse de fonctionnement, est utilisé de préférence pour les parties restantes de l'en- semble de commandes Les impulsions de sortie des circuits 23 sont transmises à des circuits respectifs 24 qui ne laissent passer que les premières impulsions reçues, toute autre impulsion correspondant généralement à des échos pa- rasites, et ces premières impulsions sont transmises à un circuit logique 25 qui compare le temps les séparant à un 6. temps prédéterminé ou temps d'erreur pouvant varier de ma- nière contrôlée, approprié au différenciel dont il a été question cidessus dé à des imprécisions de fabrication dans la tête 7,par exemple Par dépendance lors de la comparai- son, le circuit 25 décide si oui ou non une correction de la position de la tête de transducteur 7 est nécessaire, et par conséquent, transmet un signal "va" ou "ne va pas" à un circuit générateur d'impulsions 26 Le circuit 26, en réponse à un signal "va", produit un train d'impulsions dont io la fréquence de répétition s'élève d'abord régulièrement jus- qu'à un niveau prédéterminé, puis reste constant pendant un certain temps puis décroît régulièrement, l'objet étant de commander un moteur 8, par l'intermédiaire d'un circuit 27 de commande de moteur, en passant par une étape de régla- ge prédéterminée tout-en tenant compte des possibilités d'accélération et de décélération du moteur Entre temps, le circuit logique 25 produit également un signal indica- teur de direction, dépendant de celui des deux cristaux qui a été le premier à recevoir un écho, de manière à as- surer que le circuit 27 commande le moteur 8 dans le sens approprié La construction du circuit de commande 27 dépend du type de moteur 8 Par exemple, si le moteur 8 est un mo- teur pas à pas, le circuit 27 peut comprendre un circuit logique approprié pour laisser passer les impulsions en pro- venance du générateur 26 dans une séquence appropriée pour faire avancer le moteur dans la direction correcte Pour un moteur à courant continu, le circuit de commande pourrait comprendre un convertisseur fréquence/tension, par exemple. On appréciera que la tête de transducteur 7 pour- rait être accouplée à la colonne 5 de sonde de façon à pou- voir pivoter autour de deux axes perpendiculaires et par conséquent être réglable de manière à tenir compte de la courbure de la surface de l'article 3 dans plusieurs direc- tions, un servomoteur:supplémentaire étant prévu pour comman- der le pivotement autour de l'axe supplémentaire Alors, la tête de transducteur comporterait plusieurs transducteurs satellites de façon qu'il y ait quatre transducteurs dispo- sés à 90 les uns des autres autour du faisceau d'ultrasons et le circuit de la figure 2 serait doublé de manière à commander le servomoteur supplémentaire en réponse à des signaux en provenance des deux transducteurs satellites supplémentaires. On remarquera que la présente invention peut être appliquée à un dispositif d'essai utilisant des sondes à jet au lieu du dispositif du type à immersion de la figure 1. La surface 3 représente une tête de transducteur pour une sonde à jet ayant la forme d'une enceinte creuse 30 avec une entrée 31 pour eau pressurisée et un tube de sortie 32 s'étendant à partir de la paroi inférieure 33 de l'encein- te jusqu'à un endroit proche du cristal principal de trans- ducteur 34 situé à l'intérieur de l'enceinte L'eau intro- duite par l'entrée 31 remplit l'enceinte 30 et s'écoule sous forme de jet à partir du tube 32, Deux ou quatre cristaux satellites 35 (deux cristaux sont seulement représentés) sont placés à des côtés respectifs du cristal 34 Le tube 32 est légèrement évasé à son sommet de manière à agir com- me une sorte de guide d'onde qui permet aux échos ultraso- niques renvoyés d'atteindre les cristaux 35 et par consé-. quent permettre unecommande automatique de la position de la tête de la même façon que dans le cas décrit en liaison avec les figures 1 et 2 Les cristaux 35 sont légèrement inclinés de façon à être dirigés plus exactement dans le sens d'arrivée des signaux d'écho (une telle inclinaison n'est naturellement pas essentielle, mais peut améliorer la sensibilité). La figure 4 représente une tête de transducteur comprenant une enceinte 41 avec un cristal principal de transducteur 42 à l'intérieur de l'enceinte située à proxi- mité d'une paroi extrême 43 Un tube de guidage de signal 44 s'étend à l'intérieur de l'enceinte à partir du cristal arrière 42 jusqu'à une sortie située à l'autre paroi ex- trême 45 de l'enceinte, cette paroi ayant une forme bombée de façon à agir en plaque-réflecteur d'ultrasons Deux ou quatre cristaux de transducteur satellites 46 (seuls deux cristaux sont représentés) sont fixés à la surface extérieu- re de la paroi 45 autour de la sortie du tube 42 Un moyen 8. de montage approprié d'un pivot (non représenté) est fixé à la paroi 43 pour relier la tête de transducteur à une sonde, par exemple à la sonde de la figure 1. Au lieu que les transducteurs 10 et 46 soient fi- xés à la face inférieure de la tête de transducteur, ils pourraient être montés ailleurs, par exemple sur des bras de support appropriés s'étendant latéralement à partir de la tête De plus, il n'est pas essentiel qu'ils soient utilisés du tout Au lieu que l'orientation relative de la tête et de l'article à essayer soit détectée en utilisant, par exemple deux transducteurs, qui détectent leurs distan- ces respectives par rapport à la surface de l'article par mesure des variations de capacitance ou d'inductance in- duites par l'article; ou bien il pourrait même y avoir un agencement à sonde mécanique en contact avec la surface de l'article pour en détecter la position. Lorsqu'on dispose des transducteurs ultrasoniques les échos provenant d'un signal ultrasonique autre que le signal émis par le transducteur principal de-la tête 7 peuvent être détectésipar exemple chaque transducteur de satellite peut être entraîné de manière à produire son propre faisceau, par exemple à une fréquence différente de celle du transducteur principal, et l'ensemble de commande adapté pour agir sur des signaux représentant des échos des faisceaux produits par les transducteurs satellites. Enfin, bien que les modes de réalisation de la présente invention aient été décrits dans le cas d'un dis- positif d'essai aux ultrasons, la présente invention peut également s'appliquer à d'autres cas o la position d'un élément doit être contrôlée par rapport à un autre, par exem- ple dans le cas de certaines machines-outils automatiques et d'autres sortes de dispositifs d'essai. Les transducteurs satellites 10-de la figure 1 ou 46 de la figure 4 pourraient être montés de façon que leurs axes respectifs de champ de réception soient parallè- les à l'axe du faisceau du transducteur primaire, ou la sensibilité du dispositif peut être améliorée si chaque transducteur satellite est monté de façon que son axe de 9. champ de réception est incliné vers l'intérieur dans la direction de l'axe du faisceau de transducteur primaire,ou dans le sens d'éloignement vis-à-vis de ce dernier. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de varian- tes qui appara tront à l'homme de l'art. 10. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande de position pour la commande de la position d'un premier élément ( 7) par rapport à un second ( 3), caractérisé en ce qu'il comprend deux transducteurs ( 10,35, 46) supportés par le premier élément et pouvant fonctionner de manière à produire des signaux électriques indicateurs de distances respectives séparant les deux transducteurs du second élément, un moyen de mo- teur d'entraînement ( 8) accouplé au premier élément pour le déplacer par rapport au second, un moyen de commande ( 13) re- lié de manière à recevoir les signaux électriques et à com- mander le moyen de moteur d'entraînement. 2 Dispositif de commande de position pour la commande de la position d'un premier élément ( 7, 30, 41) par rapport à un-second ( 3), caractérisé en ce qu'il com- prend un transducteur primaire ( 34,42 > et deux ou plus trans- ducteurs secondaires ( 10, 35, 46) supportés par le premier élément, les transducteurs secondaires pouvant fonctionner pour répondre à des signaux transmis par le transducteur primaire via le second élément et pour produire aes signaux électriques indicateurs de distances respectives séparant le second élément des transducteurs secondaires, le dispositif comprenant en outre un moyen de moteur d'entraînement ( 6,8) accouplé au premier élément pour déplacer celui-ci par rapport au second élément,et un moyen de commande ( 13) pour recevoir les signaux électriques et pour commander le moyen de moteur d'entraînement afin de maintenir une régulation automatique continue de la position angulaire relative et de la distance des éléments. 3 Dispositif d'essai aux ultrasons,caractérisé en ce qu'il comprend un moyen ae support ( 1) d'une pièce à es- sayer ( 3), un moyen de sonde ( 5) supporté de façon mobile par un ensemble à chariot ( 4) de manière à déplacer le moyen de sonde vers la pièce et à l'en éloigner et à effectuer une translation au droit d'une surface de la pièce, une tête de transducteur ultrasonique ( 7) fixée en pivotement au moyen de sonde, un moyen de moteur d'entraînement ( 6,8) accouplé au moyen de sonde pour en commander le déplacement afin de 11, le rapprocher ou de l'éloigner de la pièce et pour déplacer en pivotement la tête de transducteur par rapport àu moyen de sonde, la tête de transducteur supportant un transduc- teur primaire ( 34, 42) pour émettre une énergie ultrasoni- que vers la pièce et pour recevoir l'énergie réfléchie par la pièce et supportant aussi au moins deux transducteurs satellites ( 10, 35, 46) pouvant fonctionner de manière à recevoir des parties de l'énergie réfléchie et à former des signaux électriques indicateurs des distances respectives séparant la surface de la pièce des transducteurs satelli- tes. 4 Dispositif d'essai selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commande ( 13) relié aux transducteurs satellites et au moyen d'entraîne- ment et pouvant fonctionner de manière à répondre aux si- gnaux indicateurs de distance dans le but de maintenir une distance prédéterminée entre la surface de la pièce et le transducteur primaire et un angle d'incidence prédéterminé entre l'axe au faisoeaud'énergie ultrasonique et la surface de la pièce. Dispositif d'essai selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque transducteur satellite est monté de façon que son axe de champ de réception soit incli- né par rapport à l'axe du champ de réception/transmission du transducteur primaire. 6 Dispositif d'essai selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque transducteur satellite est mon- té de façon que son axe de champ de réception sôit parallè- le à l'axe du champ de réception/transmission du transduc- teur primaire.