Brevet FR2556087A1 — publié le 19850607

1. La présente invention concerne des sondes per- pour la détection par contact d'un objet tel qu'une pièce en cours d'usinage. Plus particulièrement, elle concerne des techniques permettant de simplifier la construction de sondes de ce type tout en assurant des mesures répétées à partir de telles sondes. Les systèmes automatiques d'usinage et les sys- tèmes de mesures de coordonnées requièrent un moyen pré- cis permettant de localiser des surfaces sur des pièces. Un procédé permettant d'exécuter de telles mesures consiste à utiliser une sonde dite "à contact" dans la- quelle un style est amené jusqu'à un endroit o il touche la surface, ce qui se traduit par un déplacement du sty- le par rapport à sa position de repos. La sonde comprend deux éléments de support, l'un fixe et l'autre mobile avec le style, chaque élément présentant un ou plu- sieurs contacts conducteurs de l'électricité montés des- sus et des contacts opposes montés sur l'autre élément de support.Lorsque le style se déplace à partir de sa posi- tion de repos,les caractéristiques électriques entre 2. contacts opposés changent. Ce changement des caractéris- tiques électriques est typiquement obtenu par ouverture des contacts et détection de la variation résultante de la résistance électrique au moyen d'un circuit électri- que approprié,lequel transmet un signal au contrôleur de la machine. Le signal provenant de la sonde est utilisé en conjonction avec une détermination des axes X, Y et Z de la table ou de la broche de la machine pour calculer la position de la surface inspectée de la pièce. Les sondes par contact fabriquées par la demanderesse utilisent un jeu de contacts sphériques montés sur un élément de support nrmbileayant la forme d'une plaque de pivotement qui est reliée au style. Ces con- tacts sphériques sont opposés à un second jeu de contacts présentant des surfaces plates, de tels contacts étant monté sur un élément fixe. (On se reportera, par exemple, à la demande de brevet américain ne 388 187, du 14 juin 1982 déposée au nom de Cusack et ayant pour titre "Touch Probe"). D'autres types de sondes à contact utilisent des premiers contacts en forme d'axe s'étendant radia- lement vers l'extérieur qui sont enfermés dans deux surfa- ces sphériques convergentes, fournies par des roulements à billes fixes (on se reportera par exemple, aux brevets des Etats-Unis d'Amérique n 4 153 998; n 4 288 925 n 4 138 823 et n 4 397 093). L'utilité de ces sondes à contact dépend de leur possibilité d'exécuter des mesures précises et répé- titives. Il est souvent souhaitable de disposer d'une son- de qui soit capable de répéter ces mesures dans une plage d'environ 1 micron ou moins. En d'autres termes, si on utilise la sondepour procéder à plusieurs mesures sur la surface de la même pièce, sa position calculée ne peut s'écarter de plus d'un micron environ. Dans les sondes de ce type, il est nécessaire d'isoler les contacts des autres parties de la sonde conduc- trices de l'électricité. On a utilisé plusieurs techniques 3. différentes d'isolation et certaines font l'objet d'une discussion dans la littérature concernant les brevets qui viennent d'être cités. Par exemple, le brevet n0 4 138 823 utilise des composants en résine synthéti- que sur lesquels les contacts sont montés. Cependant, dans le but d'obtenir les propriétés répétitives de la précision qui sont exigées dans une sonde commercialement acceptable, la plupart d'entre elles d'utilisation couran- te font appel à des corps métalliques pour supporter les contacts.Alors que ces supports métalliques présentent une bonne résistance à la flexion, ils soulèvent des problèmes quant à l'isolation électrique des contacts par suite de leurs caractéristiques conductrices. Une pratique couran- te consiste à utiliser de l'aluminium anodisé comme élé- ment de support (la couche anodisée étant non conductrice) et a monter les contacts sur la surface anodisée au moyen de résine époxy. Malheureusement,l'anodisation peut être égratignée ou pénétrée par la résine époxy, d'o il résul- te une altération des propriétés d'isolation qui peuvent conduire à un mauvais fonctionnement de la sonde. L'homme de l'art remarquera que la fabrication et le montage des sondes de ce tpe peuvent s'avérer une tâ- che difficile. Des connexions électriques doivent être réalisées avec les contacts et, avec l'arrivée des cons- tructions de sondes de dimensions relativement petites, cela peut soulever des problèmes qui ne sont pas faciles à surmonter. La totalité de la sonde doit être construite de façon qu'elle soit robuste et puisse être utilisée pendant des périodes prolongées tout en assurant que la précision des mesures ne sera pas sacrifiée. Ainsi, il est haute- ment souhaitable de disposer d'une sonde pouvant être fa- briquée plus facilement, tout en atteignant ces caracté- ristiques élevées. Dans un mode de réalisation décrit ci-après, les éléments de support des contacts sont réalisés en ma- tériau non conducteur ayant une résistance élevée à la 4. flexion. De préférence, les éléments de support sont réali- sés en matériau plastique renforcés de fibres, la teneur en fibres étant comprise entre 7,5 et 40 % en volume. La valeur élevée de la résistance à la flexion de ces supports en matériau plastique confère à la sonde d'excel- lentes performances tout en simplifiant grandement sa construction,en particulier en ce qui concerne l'isole- ment des contacts. La construction d'une sonde qui comporte des élé- ments de support de contact non conducteurs est une autre caractéristique de la présente invention. L'un des supports a la forme d'une plaque pivotante dans laquelle un pre- mier jeu de contacts est inséré. Le second support a la forme d'un élément rapporté qui est supporté sur une pla- que métallique rigide de la sonde. Un second jeu de contacts est placé sur le second support et opposé au premier jeu lorsque le style de la sonde se trouve dans sa position de repos.Les contacts sont disposés sous forme d'une multi- tude de commutateurs connectés en série dont l'ouverture peut être détectée par un circuit approprié. La connexion électrique a l'ensemble de commutation est effectuée d'une manière simple mais fiable. Un premier trajet conducteur de l'électricité est établi entre le circuit de détection et l'un des contacts de la plaque de pivotement. L'un des contacts du second jeu est connecté électriquement à la plaque métallique qui coopère avec le carter de la sonde pour former un plan de masse, d'o il résulte l'achève- ment de la connexion électrique au circuit de détection qui peut être mis à la masse par l'interédiaire de ce carter. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue partielle de dessus d'une sonde selon la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'ensemble de commutation du mode de réalisation préfé- ré de la présente invention; La figure 3 est une vue simplifiée en bout de l'ensemble de commutation lorsqu'on le regarde vers la droite de la figure 2; La figure 4 est une vue en coupe prise le long des lignes 4-4 de la figure 3; et La figure 5 est une vue en coupe simplifiée d'une variante de construction permettant de connecter l'ensem- ble de commutation au carter principal d'une sonde. En figure 1, on a représenté une sonde 10 dont le carter principal 12 est particulièrement conçu pour être inséré dans des fentes ou analogue d'un centre de tournage tel qu'un tour. Cependant, on comprendra que les concepts de la présente invention puissent être employés dans diverses configurations de carter de son- de, par exemple dans des carters pouvant être insérés dans la broche de centres d'usinage. Dans ce cas, la carter de la sonde peut prendre d'autres formes et com- porte en général un adaptateur permettant l'insertion dans la broche. La présente invention a davantage pour objet l'ensemble de commutation représenté dans ses gran- des lignes par la référence 14. Il arrive parfois qu'on se réfère à l'ensemble 14 en l'appelant tête de sonde et que, dans certains cas, cet ensemble ait la forme d'une unité séparable qui peut être fixée à divers carters de sonde comme on le décrira ultérieurement en liaison avec la figure 5. La sonde 10 comprend un style 16 qui est destiné à venir en contact avec un objet tel que la surface d'une pièce. Lorsque le contact avec le style 16 est réalisé, celui-ci est amené à se déplacer par rapport à sa posi- tion de repos, d'o il résulte un changement des caracté- ristiques électriques de l'ensemble de commutation 14, lequel sera décrit en détail ultérieurement. Ce change- ment des caractéristiques électriques est détecté par un 6. circuit électronique approprié, tel que le circuit 18, lequel est logé dans le carter principal de la sonde. Le circuit 18 est connecté à une source d'énergie qui, dans ce mode de réalisation est constituée d'une batte- rie 20. Lors de la détection du contact du style, le cir- cuit 18 fonctionne pour transmettre un signal au contrô- leur (non représenté) de la machine de manière à donner une indication du fait que le style 16 est venu en contact avec la surface étudiée de la pièce. Le signal peut être transmis par des moyens divers, mais une forme particulière- ment avantageuse consiste à produire et transmettre un signal infrarouge via une diode électroluminescente 22 à un récepteur situé à distance. Divers schémas de trans- mission sont décrits en détail dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique n 4 328 623, n 4 401 945; dans la de- mande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 478 906 du mars 1983 ayant pour titre "Apparatus for Detecting The Position of a Probe Relative to a Workpiece"; et dans la demande de brevet américain n 501 994 déposée le 14 juin 1983 ayant pour titre: "Turning Tool Probe", tous ces documents étant déposés au nom de la demanderes- se. Ces brevets et demandes sont incorporés ici à titre de référence. Cependant, divers autres schémas de transmission entrent dans le cadre de la présente inven- tion. On prêtera maintenant une attention particulière à la construction de l'enseible de commutation 14. Un as- pect important de la présente invention est le fait que les supports de contact 24 et 26 sont constitués d'un ma- tériau non conducteur présentant une résistance élevée à la flexion. L'élément de support 24 est couplé au style 16 de la sonde et se déplace avec celui-ci; l'élément de support 26 est fixe. Dans ce mode de réalisation, l'élé- ment de support 24 a la forme d'une plaque pivotante triangulaire qui caoporte trois contacts espacés de la même distance sous forme d'axes à billes 28, 30 et 32 7. montés d'une manière qui sera décrite. Opposé à. ce premier jeu de contacts se trouve un second jeu de con- tacts fixes ayant la forme de disques 34, 36 et 38 qui sont montés sur le support 26. Lorsque le style 16 est dans sa position de repos,les billes 28-32 sont sollicitées contre leurs dis- ques respectifs 34-38. Chacune des trois paires bille - disque forme un commutateur et ces trois commuta- teurs sont connectés électriquement en série comme on le décrira. Les contacts sont maintenus en alignement au mo- yen d'un ressort à lame 40 comportant une patte 42 qui est connectée au support 24 via un bloc de maintien 44 et des vis 46-48. La périphérie du ressort 40 est compri- se entre le logement 12 et une plaque métallique de sup- port 50. L'ensemble de commutation 14 est protégé contre les conditions hostiles de l'environnement par une membra- ne 52 et un joint torique 54 qui sont maintenus en place par une plaque extérieure 56. La plaque 56 est fixée à la plaque de support 50 par des vis 58, la plaque de support 50 étant connectée d'une façon similaire au corps métalli- que 12 de la sonde par des vis 60. Lorsque le style 16 est en contact avec un objet, il est écarté de sa position de repos, d'o il résulte le basculement du support 24 et l'élévation d'au moins l'un des contacts à bille 28-32 par rapport à son contact res- pectif en forme de disque 34-38. Cela a pour effet d'ouvrir l'un des commutateurs bille-disque et cette ouverture est détectée par le circuit 18, ce qui provoque l'émission d'un signal via la diode électroluminescente 22 On remarquera que les constructions de sonde de ce type général imposent que les contacts conducteurs de l'électricité soient électriquement isolés des autres com- posants de la sonde. De plus, il est impératif que les éléments de support des contacts aient une résistance à la flexion très élevée, avec des caractéristiques d'allon- gement minimales de manière à assurer un fonctionnement 8. correct de la sonde. Les éléments de support doivent avoir des résistances à la flexion dépassant de préférence Newtons/mm. On a découvert qu'en réalisant les élé- ments de support 24 et 26 en matériau plastique renforcé de fibre on pouvait satisfaire ces contraintes. Les éléments de support 24 et 26,dans ce mode de réalisationjsont des pièces moulées par injection qui sont constituées de corps en résine plastique renforcée de fibres de verre.Le rapport entre fibres et résine doit être suffisamment élevé pour fournir la résistance à la flexion requise tout en n'ayant pas une valeur si élevée que la pièce devient cassante ou soulève des problèmes de moulage. La teneur en fibre de verre doit être de 7,5-40 % en volume, une teneur d'environ 30 % en volume étant ac- tuellement préférée. On peut utiliser divers types de résines mais le poly(téréphtala-e de butylène) appelé PBT donne d'excel- lents résultats. Une résine plastique renforcée qu'on ren- contre dans le commerce et qui a satisfait les contraintes exposées cidessus est la famille 400 des résines dites Valox, de préférence la résine Valox-420, fabriquée par la société dite General Electric Company. On portera maintenant une attention particulière au procédé de montage des contacts et de la façon avec la- quelle les connexions électriques sont réalisées. Les contacts 28-32 sont constitués de billes en carbure de tungstène brasées à des queues 64 en cuivre au béryllium. Comme on peut le voir plus clairement en figure 4, les queues sont insérées dans des trous ménagés dans l'élément de support 24 de la plaque pivotante. L'extrémité de la queue 64 présente une rainure circonférentielle 66. Un clir/uant conducteur 68, en forme d'arc,comporte des ouvertures à chaque extrémité qui s'enclen- chent dans les rainures 66 formées dans les queues des con- tacts 28-30 de manière à réaliser la connexion électrique en- tre eux. Un second clinquant 70 entoure un col 73 de l'élément porteur 24 et est similairement enclenché sur l'extrémité de 9. la queue du contact 32. Les contacts sont solidement main- tenus en place au moyen d'époxy conductrice 72 et 74 sur les deux cNtés de l'élément de support 24 comme on peut le voir plus clairement en figure 4. Un ressort en spirale 67 est en contact avec le clinquant 70 et assume la fonc- tion double de sollicitation de l'élément de support 24 vers l'élément de support fixe 26 et de réalisation d'une connexion électrique entre le circuit 18 du carter de son- de 12 et l'ensemble de commutation 14. S'agissant maintenant de l'élément de support fi- xe 26, celui-ci a la forme d'un anneau en forme de C qui se monte à l'intérieur d'une paroi 80, en étant supporte par celle-ci, formée à l'intérieur de la plaque de support 50. La surface extérieure de l'élément de support 26 comprend deux fentes 82 et 84 en forme d'arc. La fente 82 est plus grande et conçue pour contenir les deux disques 34 et 36 à ses extrémités extérieures. Un clinquant conducteur 86 est situé à l'intérieur de la fente 82 et les disques 34 et 36 sont placés sur celui-ci. La zone évidée entre les disques 34 et 36 est remplie d'une résine époxy conduc- trice de manière à maintenir ces disques en place. Un clinquant 88 est situé à l'intérieur de la fente plus petite 84. Une extrémité du clinquant 88 comprend une ouverture 90 qui s'aligne avec des ouvertures 92 e, 94 ménagées dans l'élément de support 26 et la plaque de sup- port 50,respectivement. Un axe conducteur 96 traverse les ouvertures 9094, la tète de cet axe étant en contact avec le clinquant 88 et sa queue en contact électrique avec la plaque 50. Cela est représenté plus clairement en figure 4o Le disque 38 est disposé sur l'autre extrémité du clinquant 88 et de la résine époxy conductrice 98 maintient en place ce sous-ensemble, La construction ci-dessus simplifie le raccorde- ment électrique à la pluralité de commutateurs bille-disque d'une manière quiassure une bonne intégrité électrique. Le raccordement Clectricrue est le mieux expliqué en liaison 10. avec les figures 1 et 2. Le côté négatif de la batterie est connecté au carter métallique 12 de la sonde par l'intermédiaire d'un ressort classique 19. La borne positive est reliée au circuit 18. Le circuit 18 logé dans le carter 12 est connecté au moyen d'un fil, d'un cable ou analogue (représentés par la ligne 21 en figure 1) au ressort en spirale 67 de l'ensemble de commutation 14. L'extrémité opposée du ressort 67 est en contact avec le clinquant 70 connecté au contact à bille 32. Le contact 32 repose sur le disque 36, d'o la forma- tion du premier commutateur. Le disque 36 est connecté électriquement par le clinquant 86 au disque 34. Le dis- que 34 est opposé au contact à bille 28, d'oh la for- mation du second commutateur. La queue du contact 28 est connectée au moyen du clinquant 68 à la queue du contact à bille 30. Le contact 30 est opposé au disque 38, d'o la formation du troisième commutateur, les commutateurs étant connectes électriquement en série. Le disque 38 est connecté à la plaque métallique de support 50 au moyen du clinquant 88 et de l'axe 96. Comme la plaque 50 est métallique et physiquement connectée au carter métallique 12 de la sonde, elle forme une plaque de masse qui complè- te la boucle électrique vers la batterie 20 et le circuit 18. La figure 5 représente une construction de sonde actuellement préférée, qui emploie une tête séparable 100 contenant l'ensenmble de commutation. Cette construction utilise les mêmes composants de base que ci-dessus et les composants identiques auront les mêmes numéros de référen- ce avec l'addition d'un prime. Le carter principal 12' de la sonde est métallique et conqu de manière à renfermer les batteries 20',le circuit 18' et une ou plusieurs dio- des électroluminescentes 22' montées aux endroits repré- sentés. Une extrémité du carter 12' comprend un embout an- nulaire 102 fileté intérieurement présentant un moyen de connecteur électrique 104 qui est couplé au circuit 18'. 11. La tête 100 est métallique et comporte des filets sur l'une de ses extrémités, permettant son vis- sage dans l'embout 102. Le moyen 104 réalise ainsi la connexion électrique avec le ressort 67 et la connexion est réalisée aux trois commutateurs bille/disque comme décrit ci-dessus. La plaque de support 50' est connectée au carter métallique de la têtece qui complète le cir- cuit électrique par l'intermédiaire de l'embout 102 dans le carter principal 12' de la sonde. L'utilisation de la tête séparable 100 permet d'utiliser le même ensemble de commutation avec divers types de carters de sonde, chaque carter étant particulièrement adapté à une machine donnée. Par exemple, le compartiment circulaire allongé 12' pour batterie ayant la construction représentée en figure 5 est conçu pour se monter dans des supports d'alésage de bar- res alors que la section rectangulaire du carter 12 de la figure 1 est principalement employée dans des fentes de tourelles. Quel que soit le type de carter de sonde ou de système de transmission de signal employé, la construction de l'ensemble de commutation telle qu'elle est définie dans les revendications suivantes confère A la sonde d'excellen- tes caractéristiques de mesure tout en en simplifiant la construction. 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 apparaîtront à l'homme de l'art. 13. connexion électrique entre deux des contacts du premier jeu est effectuée au moyen d'un clinquant introduit par presse sur les rainures des queues de deux des contacts. 6 - Sonde selon la revendication 5, caractéri- see en ce que l'élément rapporté comprend au moins une fente en forme d'arc (82) qui est formée dans sa surface, o les contacts du second jeu (34-38) comprennent des dis- ques deux des disques étant montés dans la fente. 7 - Sonde selon la revendication 6, caractéri- sée en ce qu'un troisième contact par disque du second jeu est situé dans une seconde fente (84) ménagée dans l'élément rapporté,et o la seconde fente comprend un moyen pour connecter électriquement le troisième disque à la plaque métallique. 8 - Sonde selon la revendication 7, caractéri- sée en ce que ce moyen comprend un second clinquant (88) si- tué dans la seconde fente, et un axe (96) conducteur de l'électricité couplé à une extrémité du clinquant et présentant une partie à queue passant par l'élément rap- porté pour entrer dans la pièce métallique. 9 - Sonde pour la détection d'un contact avec un objet, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une plaque pivotante (24) en matériau plastique renforcé de fibres, une pluralité de premiers contacts à bille (28-32) ayant chacun une queue (64) se termi- nant par une bille à l'une de ses extrémités qui est située sur un côté de la plaque pivotante, la queue traversant la plaque pivotante et présentant une ex- trémité opposée située sur l'autre côté de la plaque pi- votante,un premier moyen (68) pour connecter électri- quement les extrémités opposées des queues de deux des premiers contacts; - un style (16) connecté à la plaque pi- votante; - un élément de support métallique fixe (50); 12. REVENDICATIONS 1 - Sonde de détection d'un contact avec un objet, la sonde comportant un ensemble de commutation ('14 qui c--pren'3 un premier élément de support (24) sur lequel est fixé un premier jeu de contacts conduc- teurs de l'électricité, un second élément de support (26) sur lequel est fixé un second jeu de contacts conducteurs de l'électricité, et un style (16) connecté à l'un des éléments de support, d'o il résulte que les caractéristiques électriques entre les deux jeux de con- tacts sont modifiés lorsque le style est en contact avec un objet; caractérisCe en ce que les éléments de support (24, 26) sont constitués de corps en matériau plastique renforcé de fibre non conducteur de l'électricité, d'o il résulte la simplification de l'isolation électrique des contacts fixes à ces éléments tout en assurant la répétition de mesures précises. 2 - Sonde selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les corps sont constitués de matériau plas- tique renforcé en fibre de verre contenant de 7,5 à 40 % en volume de fibres de verre. 3 - Sonde selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que le matériau plastique est une résine de poly(téréphtalate de butylène). 4 - Sonde selon la revendication 1, o le pre- mier élément de support (24) comprend une plaque pivo- tante de forme triangulaire (24) connectée au style, et o le second élément de support (26) comprend une pièce rapportée supportée sur une plaque métallique fixe. - Sonde selon la revendication 4, caractéri- see en ce que chacun des contacts du premier jeu (28-32) comprend une queue allongée (64) se terminant à une extrémité par une configuration de forme sphérique et conprenant une railure (66) située à une extrémité opposée de la queue, et o la 14. - un élément rapporté (26) en matériau plasti- que renforcé de fibres, support* par l'élément de supports l'élément rapporté comportant une pluralité de seconds contacts par disque (34-38) présentant chacun des surfaces plates pour être opposées aux billes de la plaque pivo- tante lorsque le style se trouve dans sa position de re- pos; un second moyen (70) pour connecter électriquement l'un des seconds contacts & l'élément de support mêtalli- que; et - un troisième moyen comportant les premier et second moyens, pour connecter électriquement chaque pai- re de contacts bille/disque dans un circuit série1d'ot il résulte que le déplacement du style par rapport a sa posi- tion de repos se traduit par une variation d'une caracté- ristique électrique entre au moins une paire bille/disque. - Sonde selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier moyen comprend um clinquant (68) nmonté à la presse sur les extrémités des queues de deux des pre- miers contacts. 11 - Sonde selon la revendication 10, caractéri- sé en ce que l'élément rapporté comprend une premiêre fente (82) ménagée dans sa surface, avec deux des disques si- tués à l'intérieur de la fente et connectés électrique- ment ensemble par un quatrième moyen (86) se trouvant dans la fente. 12 - Sonde selon la revendication 11, caractéri- sé en ce que le quatrième moyen comprend un clinquant &86) si- tué dans la fente sur lequel les disques reposent. 13 - Sonde selon la revendication 12, caractéri- sée en ce que l'glggnt rapporté comprend une seconde fen- te (84),un troisième disque étant situé dans cette seconde fente et ot le second moyen comprend un axe (96) traversant l'élément rapporté, cet axe ayant une extrémité connectée électriquement au troisième disque et son extrémité opposée étant en contact avec l'élément de support métallique. 15. 14 - Sonde selon la revendication 13, caractéri- sée en ce que la seconde fente de l'élément rapporté com- porte en outre un troisième clinquant (90), sur lequel le troisième disque repose et qui est connecté électri- quement à l'axe. - Sonde selon la revendication 14, caracté- risée en ce que les première et seconde fentes de l'élé- ment rapporté sont remplies d'une résine époxyde conduc- trice.