Brevet FR2580388A1 — publié le 19861017

CAPTEUR DIMENSIONNEL A FIBRES OPTIQUES La présente invention a pour objet un capteur dimensionnel tel qu'un palpeur qui présente une plus grande souplesse d'utilisation que les palpeurs actuels. Les procédés de contrôle du profil d'une piè- ce à l'aide d'un palpeur sont largement utilisés à l'heure actuelle, mais il est des cas où il est impossible d'utiliser les méthodes de contrôle dimensionnel les plus performantes (optiques, capacitives, etc...) pour mesurer les cotes d'une pièce quelconque. Les obstacles principaux sont la nature, la géométrie (composition, état de surface, complexité des formes) et l'environnement de la pièce à contrôler: La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un capteur dimensionnel utilisable pour contrôler même des pièces de forme complexe. Le capteur dimensionnel objet de l';nven- tion comporte, de manière connue, un élément de palpage comprenant une tige de palpage coulissant à l'inte- rieur d'un fourreau, un dispositif de commande et de mesure et des moyens pour transmettre à ce dispositif de commande et de mesure des informations sur la position de l'élément de palpage. Selon l'invention, les moyens de transmission de ces informations comprennent au moins un ensemble de fibres optiques. Dans la suite du présent texte, on entendra par "position de l'élément de palpage" aussi bien l'orientation de cet élément par rapport à la pièce à contrôler (c'est-à-dire l'angle que fait l'axe du palpeur avec un plan tangent à cette pièce au point de contact) que la position de la tige de palpage par rapport au fourreau. C'est ainsi que, dans le mode de réalisation préféré, on utilise un faisceau de fibres optiques pour déterminer la position de la tige de palpage par rapport à son fourreau et un autre faisceau de fibres optiques pour déterminer l'orientation de l'élément de palpage par rapport à la pièce à confrôler. Selon une autre caractéristique du capteur dimensionnel objet de l'invention, celui-ci comprend au moins un ensemble de fibres optiques ayant une première extrémité reliée à une source de lumière et une deuxième extrémité située à l'intérieur du fourreau, tandis que la tige de palpage présente une première extrémité appelée "touche de palpage" qui peut venir en contact avec la pièce à contrôler et une deuxième extrémité équipée d'un miroir disposé de manière à réfléchir la lumière émise par ladite source et sortant par la deuxième extrémité du faisceau de fibres. Selon un autre aspect du capteur dimensionnel objet de l'invention, celui-ci comprend au moins un faisceau de fibres optiques ayant une première ex trémité reliée au dispositif de commande et de mesure et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la touche de palpage dans la zone où celle-ci est en contact avec la pièce à contrôler. Dans ce dernier cas, le faisceau de fibres optiques en question comprend un ensemble de fibres émettrices transmettant la lumière émise par une source sur la surface de la pièce à contrôler et un ensemble de fibres réceptrices transmettant la lumière réfléchie par ladite surface à un dispositif d'observation. La détermination de l'orientation de l'élément de palpage à l'aide de ces fibres émettrices et réceptrices sera explicitée dans la suite du présent texte. L'invention apparaitra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique de l'ensemble du capteur dimensionnel objet de l'inven- tion, L'élément de palpage étant représenté en coupe, - la figure 2 est une vue montrant l'extré- mité de La touche de palpage ou débouchent les fibres émettrices et réceptrices, - les figures 3a et 3b sont des vues schématiques montrant comment on peut régler Le contact de la touche de palpage avec la pie ce à contrôler, et - les figures 4a et 4b sont des vues schéma- tiques semblables aux figures 3a et 3b illustrant comment on peut régler l'orientation de l'élément de palpage par rapport à la pièce à contrôler. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le capteur objet de t'invention comporte un été- ment de palpage 2 relié à un dispositif de commande et de mesure 4 par des moyens de transmission 6 qui, selon la principale caractéristique de L'invention, comprennent un ou plusieurs faisceaux de fibres optiques. L'élément de palpage 2 se compose d'un fourreau 8 à l'intérieur duquel coulisse une tige de palpage 10 dont une extrémité 12, appelée "touche de palpage", est en contact avec la pièce à contrôler 14. Le coulissement de la tige 10 à l'intérieur du fourreau 8 est contrôlé par un système de guidage à haute précision, par exemple des billes précontraintes 16. La tige 10 est sollicitée en permanence en direction de la pièce 14 par un système de commande des déplace- ments, par exemple un ressort 20, le mouvement de la tige 10 étant limité par une butée 22. Bien entendu, on peut remplacer le ressort par d'autres systèmes tels que micro-self ou mi c romoteu r. Ces systèmes sont indispensables si un contact fin est recherché, car ils permettent de compenser le poids de la tige et d'approcher celle-ci de la pièce avec une pression de contact quasiment nulle, ce qui est nécessaire dans le cas où la pièce à contrôler est fragile Dans le cas contraire, La pression de contact est sans importance et un système de commande des déplacements de la tige n'est pas nécessaire. On voit encore sur la figure que l'élément 8 est maintenu par un support 24 équipé de deux mécanismes d'orientation permettant d'orienter l'élément 8 par rapport à la pièce à contrôler : un premier mécanisme 26 permet un mouvement d'oscillation de l'élément 8 dans un plan perpendiculaire au plan de la figure, tandis qu'un deuxième mécanisme 28 permet une rotation ou osciLlation dans le plan de la figure. Selon l'invention, L'élément de palpage 2 est relié au dispositif de commande et de mesure 4 par un ou plusieurs ensembles de fibres optiques 6. L'utilisation de fibres optiques offre comne principat-avantage de pouvoir disposer te système de mesure (ou L'ensemble du dispositif de commande et de contrôle 4) à un poste fixe indépendamment du cap ter et de permettre d'éventuels mouvements de ce dernier sans modifier Les chemins optiques ni ajouter des systèmes optiques complexes pour suivre, guider ou récupérer Les faisceaux Lumineux. Les fibres optiques sont par ailleurs insensibles aux rayonnements électromagnétiques et aux radiations. Dans le cas particulier décrit ici, on utilise deux faisceaux de fibres optiques. Le premier faisceau sert à déterminer la position de la tige de palpage 10 à l'intérieur du fourreau 8 et donc à connaître le profil de la pièce 14, tandis que le deuxième faisceau est utilisé, comme on le verra plus loin, pour contrôler l'orientation de l'élément 8 par rapport à la pièce 14. Le premier ensemble de fibres optiques, portant la référence 30 sur la figure 1, a une extrémité reliée à une source de lumière (non représentée) qui peut faire partie du dispositif 4 tandis que l'autre extrémité de ces fibres optiques se trouve à L'inté- rieur du fourreau 8, du côté opposé à la pièce 14. L'extrémité 32 de ces fibres optiques est fixe par rapport au fourreau 8. D'autre part, L'extrémité de la tige de palpage 10 opposée à la touche de palpage 12 porte un miroir 34 disposé de manière à réfléchir la lumière transmise par les fibres optiques 30. Cette lumière est réfléchie par le miroir 34 et repart par les fibres optiques 30 jusqu'au dispositif 4, lequel peut comporter par exemple un interféromètre, les interférences entre les rayons lumineux incidents et réfléchis permettant de déterminer la position de la tige de palpage 10 à l'intérieur du fourreau 8. On voit encore sur la figure 1 que le dispositif comporte un autre faisceau de fibres optiques 36 qui traverse la tige de palpage 10 suivant un canal Longitudinal 11 de cette dernière. Une extrémité des fibres optiques 36 est reliée au dispositif de commande 4 tandis que l'autre extrémité se trouve à l'endroit où la touche de palpage 12 est en contact avec la pièce 14. Le rôle des fibres optiques 36 va maintenant etre décrit plus en détail en référence aux figures 2 à 4. La figure 2 montre l'extrémité de la touche de palpage 12 où se trouve une extrémité des fibres optiques 36. Certaines de ces fibres optiques, appe lées fibres émettrices et repérées sur la figure par la lettre E, sont reliées à une source de lumière (non représentée) et servent à transmettre cette lumière jusqu'à la surface de la pièce à contrôler. Les autres fibres optiques, appelées fibres réceptrices et repérées sur la figure par la lettre R, servent à trans mettre la lumière réfléchie par la surface de la pièce à contrôler au dispositif de commande 4. Comme on le voit sur la figure 2, les fibres optiques 36 sont disposées de maniére symétrique par rapport à la touche de palpage 12, les fibres émettrices étant à la périphérie et les fibres réceptrices au centre. De préférence, on utilise une touche de palpage 12 translucide, par exemple une touche en rubis, ce qui est la meilleure solution en cas d'utilisation de fibres optiques. Si l'on n'utilise pas de touche translucide, par exemple si la touche est en carbure de tungstène, il faut ménager des trous en verre qui ne modifient pas le profil de la touche de palpage 12, car des défauts de profil peuvent provoquer des risques d'encrassement et des erreurs de mesure. Le diamètre de ces trous est celui des fibres optiques utilisées. Les figures 3a et 3b montrent comment on utilise les fibres optiques 36 pour déterminer l'instant précis où la touche de palpage 12 est en contact avec la pièce 14. En effet, afin d'éviter des risques d'erreurs dans les mesures, le contact entre la touche de palpage 12 et ta pièce 14 doit se fai-re avec une force nulle ou quasiment nulle. Selon l'invention, on procède de La manière suivante : à l'aide d'une source lumineuse, on envoie de La lumière à travers les fibres émettrices, ce qui a pour effet d'éclairer la surface de la pièce à contrôler. Lorsque la touche de palpage 12 est éloignée de la pièce 14 (figure 3a), la lumière transmise par les fibres émettrices est réfléchie par la surface de la pièce 14 et une partie de cette lumière est renvoyée le long des fibres réceptrices. Lorsque la touche de palpage 12 est en contact avec la pièce 14 (figure 2b), comme l'extrémité de la touche 12 est arrondie, l'extrémité des fibres réceptrices est en contact avec la pièce 14 tandis qu'il reste une certaine distance entre l'extrémité des fibres émettrices et La surface de la pièce.Dans cette position, la lumière transmise par les fibres émettrices est encore réfléchie par la surface de La pièce à contrôler mais seule une faible partie de cette lumière (ou éventuellement aucune lumière) est transmise en retour le long des fibres réceptrices. On peut donc ainsi savoir qu'il y a contact lorsque les fibres réceptrices ne reçoivent qu'une partie déterminée de la puissance lumineuse reçue avant le contact ou ne reçoivent plus aucune puissance lumineuse. En variante, au lieu d'utiliser une source lumineuse qui peut faire partie du dispositif de commande 4, on peut soit utiliser la Lumière ambiante qui éclaire directement la surface de la piece 14, soit éclairer directement cette dernière à l'aide d'une source lumineuse. Les figures 4a et 4b illustrent comment on peut utiliser les fibres optiques 36 pour déterminer l'orientation de la tige de palpage 12 (et donc de l'ensemble de l'élément 8 par rapport à la surface de la pièce 14). Comme précédemment, on envoie de la lumière à travers les fibres émettrices, cette lumière étant réfléchie par La surface de la pièce 14 et transmise le Long des fibres réceptrices. Dans le cas de la figure 4a, la touche de palpage 12 est inclinée par rapport à la pièce 14. Les extrémités des touches émettrices et réceptrices 36a sont donc pratiquement en contact avec cette dernière et les fibres réceptrices correspondantes ne transmettent pas de lumière ou qu'une très faible partie de celle-la. Au contraire, les extrémités des sobres émettrices et réceptrices 36b sont éloignées de la surface de la pièce 14 et les fibres réceptrices 36b transmettent une partie importante de la lumière. On voit donc qu'il y a une différence importante entre les puissances lumineuses reçues par les fibres réceptrices opposées, cette différence étant fonction de l'angle formé par L'axe du palpeur avec la surface de la pièce 14. Dans Le cas de la figure 4b, l'axe du palpeur est perpendiculaire à la surface de la pièce 14 et l'ensemble est donc parfaitement symétrique au point de vue des énergies lumineuses émises et reçues. Dans ce cas, les fibres réceptrices opposees reçoivent les mêmes quantités de lumière. On conçoit ainsi que l'on peut, moyennant un étalonnage préala ble, connaitre la position du palpeur par rapport à La pièce à contrôler en observant L'extrémité des fibres réceptrices opposées à la tige de palpage 12. il est bien entendu que la disposition des fibres 36 à chacune des extrémités du faisceau doit être la même, les fibres réceptrices se trouvant au centre et les fibres émettrices à la périphérie. Eventuellement les signaux émis par Les fibres réceptrices peuvent être utilisées pour commander des systèmes électromécaniques de déplacement et d'orientation du palpeur pour obtenir la pression de contact et l'angle -de mesure désiré (asservissement ou système manuel). Ainsi le capteur objet de l'invention présente des avantages particulièrement intéressants grâce à l'utilisation de fibres optiques qui lui donnent une grande souplesse et permet d'utiliser le palpeur loin du dispositif de commande et de mesure sans modification des chemins optiques, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas où le contrôle de profil se fait à l'aide d'un interféromètre. On peut ainsi contrôler des pièces de formes variées, ce qui n'est pas toujours le cas avec les dispositifs de l'art antérieur. Enfin, un dernier avantage est que les fibres optiques sont insensibles aux rayonnements électromagnétiques et aux radiations. REVENDICATIONS 1. Capteur dimensionnel comportant un élément de palpage (2) comprenant une tige de palpage (10) coulissant à l'intérieur d'un fourreau (8), un dispositif de commande et de mesure (4) et des moyens pour transmettre à ce dispositif de commande et de mesure des informations sur la position de l'élément de palpage, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission (6) comprennent au moins un ensemble de fibres optiques. 2. Capteur dimensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de fibres optiques (30) ayant une première extrémité reliée à une source de lumière et une deuxième extrémité située à l'intérieur dudit fourreau (8), la tige de palpage (10) ayant une première extrémité ou touche de palpage (12) pouvant venir en contact avec la pièce (4) à contrôler et une deuxième extrémité équipée d'un miroir (34) disposé de manière à réfléchir la lumière émise par ladite source et sortant par ladite deuxième extrémité du faisceau de fibrefs. 3. Capteur dimensionnel selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un faisceau de fibres optiques (36) ayant une première extrémité reliée au dispositif de commande et de mesure et une deuxième extrémité située à l'intérieur de la touche de palpage (12) dans la zone où celle-ci est en contact avec la pièce à contrôler. 4. Capteur dimensionnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit faisceau de fibres optiques comprend un ensemble de fibres émettrices (E) transmettant la lumière émise par une source sur la surface de la pièce à contrôler et un ensemble de fibres réceptrices (R) transmettant la lumière réfléchie par ladite surface à un dispositif d'observation.