Brevet FR2578771A1 — publié le 19860919

L'invention concerne d'une manière générale un détecteur de contact pour machine-outil, et plus particulièrement un détecteur destiné à détecter l'entrée en contact d'un outil entraîné par un moteur avec une pièce à usiner à l'aide de cet outil, afin de délivrer un signal électrique indiquant le commencement de l'usinage effectué par l'outil sur la pièce. Pour déterminer l'entrée en contact entre une pièce à usiner et un outil entraîné par un moteur, afin de déclencher l'opération d'usinage, il est bien connu de faire appel à un phénomène électromagnétique engendré par l'entrée en contact de l'outil entraîné par un moteur avec la pièce à usiner, et ainsi est constitué un dispositif destiné à détecter le contact entre l'outil et la pièce. Par exemple, le brevet japonais n 48- 48861, publié en 1973, décrit un dispositif dans lequel une source de courant alternatif est montée entre l'extré- mité supérieure de l'arbre principal de la machine et un bâti destiné à supporter la pièce, et une bobine détectrice, fixée à l'arbre principal, détecte le passage d'un courant alternatif entre la pièce placée sur le bâti et l'outil lors de l'entrée en contact de ce dernier avec la pièce. Dans le dispositif décrit dans le brevet précité, le courant électrique circule de façon constante, à tout moment, à travers le bâti de la machine et, par conséquent, ceci tend à constituer une cause importante d'accroissement de la consommation d'énergie électrique et des bruits. Conformément au brevet japonais n 58-41983, publié en 1983, il est décrit un dispositif destiné à détecter le contact d'un outil entraîné par un moteur avec une pièce en utilisant des variations d'impédance de la bobine fixée sur l'arbre principal de la machine- outil, lesquelles variations apparaissent à l'entrée en contact de l'outil avec la pièce. Le dispositif décrit dans ce second brevet précité est avantageux car il permet de minimiser la consommation inutile d'énergie électrique. Cependant, il est apparu que, étant donné que l'amplitude de la variation d'impédance de la bobine est très faible, le rapport signal/bruit est insatisfai- sant et le fonctionnement de la machine tend à manquer de stabilité. En plus des problèmes respectifs propres à ces dispositifs de détection de l'art antérieur, les deux types de dispositifs décrits ci-dessus présentent un autre problème commun. Etant donné que l'outil entraîné par un moteur utilisé dans la machine est entraîné à grande vitesse, un film d'huile se forme dans les paliers supportant l'outil, lequel film d'huile se comporte souvent comme un isolateur électrique isolant l'outil, entraîné par un moteur, du bâti de la machine. En conséquence, dans l'un comme dans l'autre des disposi- tifs de détection de l'art antérieur décrits ci-dessus, la présence de balais de contact ou analogues est néces- saire pour maintenir l'outil entraîné par un moteur en contact électrique avec le bâti de la machine pendant la rotation à grande vitesse de cet outil. Ceci signifie que dans ces dispositifs de détection de l'art antérieur, il faut des opérations longues et coûteuses pour le montage et la fixation des balais de contact ou analogues. L'invention a donc été conçue en vue d'éliminer pratiquement les avantages et inconvénients, décrits ci- dessus,propres aux dispositifs de détection de l'art antérieur, et elle a pour objet principal un dispositif perfectionné de détection de contact capable d'assurer la détection du contact entre la pièce et l'outil entraîné par un moteur sans reposer sur l'utilisation de balais de contact. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une élévation schématique d'une machine-outil équipée du dispositif de détection de contact selon l'invention; 5. la figure 2 est une vue en perspective d'un bloc capteur et elle représente également, schématiquement, un circuit faisant partie du dispositif de détection de contact selon l'invention; la figure 3A est une coupe transversale du bloc capteur montré sur la figure 2; les figures 3B et 3C sont des vues analogues à celle de la figure 3A, montrant des formes de réalisa- tion modifiées du bloc capteur; la figure 4 est un schéma d'un circuit du dispositif de détection de contact selon l'invention; et la figure 5 est un diagramme des temps montrant diverses formes 'de signaux apparaissant dans le circuit représenté sur la figure 4. En référence tout d'abord à la figure 1, celle- ci représente une machine 1 qui comporte un bâti 2 por- tant un arbre principal, ou broche, 3 destiné à se déplacer dans une direction le rapprochant et l'éloi- - gnant d'une pièce 5 qui est montée sur le banc de la machine. Un outil 4 d'usinage est supporté à l'aide d'un mandrin ou de toute autre manière par l'arbre principal 3 afin de se déplacer avec lui, cet outil 4 étant conçu pour effectuer une opération d'usinage telle que, par exemple, une opération de coupe ou de pergage sur la pièce 5. Le détecteur de contact selon l'invention comprend un bloc capteur annulaire 6 monté sur la machine 1 afin d'entourer l'arbre principal 3 comme décrit plus en détail ci-après, et un bloc 18 de commande qui sera également décrit plus en détail ci-après. En référence à présent à la figure 2, le bloc capteur 6 comprend une bobine d'excitation 7 et une bobine de détection 10, chacune des bobines 7 et 10 étant constituée d'un noyau 8 ou 11 de forme annulaire, réalisé en matière aimantable, par exemple en ferrite, et d'un enroulement 9 ou 12 entourant le noyau annulaire correspondant 8 ou 11. La bobine d'excitation 7 et la bobine de détection 10 sont disposées coaxialement l'une au-dessus de l'autre, une plaque annulaire 13 de blin- dage étant placée entre elles et cette plaque annulaire de blindage étant réalisée en une matière magnétisable telle que du fer, par exemple. Plus particulièrement et ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 3A, les deux bobines 7 et 10 d'excitation et de détection et la plaque 13 de blindage sont enfermées à l'intérieur d'un boîtier annulaire 14 de section globalement en U réalisé en matière métallique telle que de l'aluminium, par exemple. Ce bottier 14 est rempli d'une résine synthétique 15 après que les bobines 7 et 10 et la plaque 13 de blin- dage y ont été logées dans une disposition prédéterminée telle que décrite ci-dessus, et, après la solidification de la résine synthétique 15 injectée dans le boîtier 14, l'ouverture annulaire de ce dernier est fermée à l'aide d'une plaque annulaire 16 de recouvrement. Il convient de noter que, à l'état fabriqué, les deux bobines 7 et 10 d'excitation et de détection sont isolées électrique- ment du boîtier 14 par la présence de la résine synthé- tique 15, alors que la plaque annulaire 13 de blindage est dimensionnée et disposée de façon à connecter élec- triquement l'une à l'autre les parties de paroi radialement opposées 14a et 14b du bottier 14. Comme représenté, le bord périphérique extérieur de la plaque 13 de blindage est maintenu en contact avec la partie de paroi exté- rieure 14b du boîtier 14. Le bottier 14 comporte une bride 14c faisant saillie radialement vers l'extérieur, avec laquelle il est réalisé d'une seule pièce et au moyen de laquelle le bloc capteur 6 est fixé rigidement à l'aide de plusieurs boulons 17 de serrage à la machine 1 afin d'entourer l'arbre principal 3. Comme montré sur la figure 3A, le bloc capteur 6 est d'une conception telle que les bobines d'excitation et de détection 7 et 10 sont placées l'une au-dessus de l'autre, coaxialement à l'arbre principal 3. Cependant, le bloc capteur 6 qui peut être utilisé dans la mise en oeuvre de l'invention peut ne pas toujours être limité à la structure montrée sur les figures 2 et 3A, mais il peut être modifié comme montré sur l'une quelcon- ques des figures 3B et 3C. Plus particulièrement, dans la variante représentée sur la figure 3B, les bobines d'excitation et de détection 7 et 10 sont disposées l'une à l'intérieur de l'autre, coaxialement à l'arbre princi- pal 3 et, à cet effet, la bobine d'excitation 7 est représentée comme ayant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur de la bobine de détection 10. Autrement, la bobine d'excitation 7 peut avoir un diamètre intérieur plus grand que le diamètre extérieur de la bobine de détection 10, auquel cas la bobine d'excitation 7 est disposée radialement à l'extérieur de la bobine de détection 10. En référence encore à la figure 2, le bloc 18 de commande comprend une source 19 d'énergie électrique qui fournit un courant à haute fréquence à la bobine 7 d'excitation, et un circuit 20 de détection destiné à traiter un signal de sortie provenant de la bobine détec- trice 10 afin de produire un signal de détection indi- quant l'entrée en contact de l'outil 4 avec la pièce. Ce bloc 18 de commande, qui comprend la source 19 d'énergie électrique et le circuit 20 de détection, est réalisé sous la forme d'un module unique de commande qui est lui-même incorporé dans un console de commande (non représentée) de la machine 1. La source 19 d'énergie électrique est constituée par un circuit oscillant pouvant osciller à une fréquence comprise entre plusieurs kHz et quelques centaines de kHz, un circuit d'amplification de puissance et autres, et il est conçu de façon à permettre un réglage de sa fréquence de fonctionnement et de sa puissance de sortie. La figure 4 représente en détail le circuit 20 de détection. Comme représenté, le circuit 20 de détec- tion comprend un amplificateur 21 dont le degré d'ampli- fication peut être ajusté à l'aide d'un élément réglable 21a, un détecteur d'onde 22, un circuit conformateur d'onde 23, un intégrateur 24, un circuit de sortie 25 et un témoin lumineux 26. Ce circuit de détection 20 est conçu de façon à fonctionner d'une manière telle que, après l'amplification du signal de sortie de la bobine détectrice 10 et la détection, ensuite, de la forme d'onde du signal de sortie amplifié, le signal d'un niveau dépassant une valeur prédéterminée puisse être converti en une impulsion ayant une forme d'onde prédé- terminée et, dans le cas o un nombre prédéterminé, par exemple 3, d'impulsions est produit en continu, un signal de détection S6 peut être généré et, dans le même temps, le témoin lumineux 26 peut être allumé, ainsi qu'on peut le comprendre aisément d'après les formes d'onde montrées sur la figure 5. Il convient de noter que les références S1, S2,. S5 et S6 indiquées sur la figure 5 correspondent à des signaux respectifs de sortie S1, S2,... S5 et S6 de la figure 4. Sur le diagramme des temps de la figure 5, t1 représente le temps auquel l'outil 4 entre en contact avec la pièce 5 et t2 représente le temps auquel le signal de détection..DTD: S6 est généré par le circuit 25 de sortie. Plus particulièrement, lorsque le courant électrique à haute fréquence est fourni par la source 19 d'énergie à la bobine d'excitation 7, un champ électro- magnétique de haute fréquence est produit dans le noyau 10.o Lorsque l'outil 4 est amené en-contact avec la pièce 5 à la suite du mouvement de descente de l'arbre principal 3, un courant électrique H à haute fréquence est induit par le champ électromagnétique à haute fréquence parcourant un circuit fermé comprenant le bâti 2, l'arbre principal 3, l'outil 4 et la pièce 5, comme montré sur la figure 1. A la suite du passage du courant électrique à haute fréquence H, un champ électromagnétique à haute fréquence est développé dans le noyau 11 de la bobine détectrice 10 avec, pour conséquence, l'induction d'un courant électrique à haute fréquence dans l'enroulement 12 de la bobine détectrice 10. Le courant à haute fréquence induit dans l'enroulement 12 de la bobine détectrice 10 constitue le signal de sortie Sl émergeant du bloc capteur 6. Le signal de détection S6 représentatif de l'entrée en contact de l'outil 4 avec la pièce 5 est obtenu à l'aide du circuit 20 de détection qui est conçu de façon à traiter le signal de sortie Sl pour produire un tel signal de détection S6. L'intégrateur 24 est utilisé pour éviter toute opération erronée résultant d'un bruit transitoire. Cependant, l'utilisation de l'intégrateur 24 établit un délai de réponse représenté par la différence (t2 - t1) dont la valeur est pratiquement insignifiante en raison de la fréquence très élevée de la source d'énergie 19. En ce qui concerne l'isolation établie par la formation du film d'huile dans les paliers, la capacité statique du film d'huile dans les paliers se comporte comme une réactance de valeur définie à une fréquence aussi élevée que celle utilisée dans la présente invention, donnant ainsi le courant électrique H à haute fréquence qui est détecté dans la mise en oeuvre de la présente invention. De plus, le circuit fermé parcouru par le courant électri- que à haute fréquence H peut être considéré comme une sorte de circuit résonant et il est donc possible de donner au courant électrique à haute fréquence H une valeur relative- ment élevée en ajustant la fréquence d'oscillation de la source d'énergie 19. Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus de la présente invention, lorsqu'aucun contact n'a lieu entre l'outil 4 et la pièce 5, aucun courant électrique à haute fréquence H ne circule dans la machine 1 et, par conséquent, aucun accroissement indésirable de la consomma- tion de l'énergie électrique n'apparaît dans l'ensemble de la machine. Par contre, lorsqu'a lieu l'entrée en contact entre l'outil 4 et la pièce 5, le courant électrique à haute fréquence H circule dans la machine même lors de la rotation à grande vitesse de l'arbre principal 3, le passage du courant électrique à haute fréquence H étant détecté par la bobine de détection 10, suivant un principe sans contact conformément auquel le signal de détection peut être obtenu à partir du circuit 20 de détection de façon stable et avec un bon rapport signal/bruit. De plus, étant donné que les bobines d'excitation et de détection 7 et 10 sont toutes deux logées et mainte- nues fermement dans le bottier unique 14, le bloc capteur 6 peut être aisément monté sur la machine 1 sans aucune difficulté et il peut également être remplacé de façon simple et aisée, si cela est souhaité, par un autre boîtier. La présence de la plaque annulaire 13 de blindage rend possible de minimiser ou d'éliminer pratiquement la possi- bilité, pour la bobine détectrice 10, de produire son signal de sortie prématurément sous l'effet d'une fuite du champ électromagnétique de la bobine d'excitation 7. Cependant, si toute fuite du champ électromagnétique de la bobine d'excitation 7 est impossible, ou si des moyens sont prévus pour bloquer une composante du signal de sortie de la bobine de détection, pouvant résulter d'une fuite du champ électromagnétique de la bobine d'excitation 7, la plaque 13 de blindage n'est pas toujours indispensable. Comme montré sur les figures 3A et 3B, les deux bobines 7 et 10 d'excitation et de détection sont décrites comme étant logées dans un seul boîtier 14. Cependant, comme montré sur la figure 3C, les bobines 7 et 10 d'excitation et de détection peuvent être disposées dans des boîtiers correspondants 27 et 28 qui sont eux-mêmes fixés à la machine 1 afin d'entourer l'arbre principal 3, à une distance telle l'un de l'autre que le champ élec- tromagnétique de fuite de la bobine d'excitation 7 n'affecte pas la bobine détectrice 10. Le circuit 20 de détection peut ne pas être toujours réalisé comme montré sur la figure 4. Par exemple, l'intégrateur 24 peut être constitué d'un compteur à synchronisation. Le circuit 20 de détection peut compren- dre un filtre anti-parasite. De plus, le circuit 20 de détection peut être conçu de manière que des signaux autres que le signal dérivé du courant électrique H à haute fréquence puissent être neutralisés en étant compa- rés au signal provenant de la source d'énergie 19, ou bien que l'on puisse déceler l'entrée en contact de l'outil 4 avec la pièce 5 en détectant des variations de phase du signal de détection. En outre, le bloc capteur 6 peut être conçu de façon à comporter deux bobines d'excitation et une bobine de détection prise en sandwich entre les deux bobines d'excitation, ou bien deux bobines de détection et une bobine d'excitation prise en sandwich entre les deux bobines de détection, auquel cas non seulement la fuite du champ électromagnétique peut être minimisée, avec, pour conséquence, une amélioration de la sensibilité de détection, mais également le rapport signal/bruit peut être amélioré. Le boîtier 14 peut ne pas être réalisé d'une seule pièce avec la bride 14c de montage, auquel cas un organe de montage séparé, réalisé en résine synthétique ou en métal, peut être utilisé pour fixer le bloc capteur 6 à la machine 1. Lorsque la capacité statique des paliers dans lesquels sont montés l'arbre principal 3 de la machine 1 est à la limite des valeurs demandées ou est instable, une contre-plaque annulaire peut être prévue à distance entre une partie fixe et une partie tournante du palier afin de donner à ce dernier une capacité statique. Une détection fiable du contact de l'outil avec la pièce peut également être réalisée par l'utilisation dans le palier, pour sa lubrification, d'une huile ayant une constante diélectrique spécifique élevée ou conductrice du courant électrique. Des exemples de la machine 1 auxquels le disposi- tif de détection selon l'invention peut être appliqué comprennent une machine-outil et toute autre machine dans laquelle l'arbre principal 3 est fixe tandis que la pièce 5 est supportée de façon à pouvoir se déplacer avec le banc pour se rapprocher et s'éloigner de l'arbre princi- pal fixe, ou bien dans laquelle l'arbre principal 3 ne tourne pas. De plus, il est évident à l'homme de l'art qu'il est possible de fixer l'une des bobines d'excita- tion et de détection, ou les deux bobines, à une partie de la machine 1 adjacente soit à la pièce 5, soit au bâti 2. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 257877' REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à détecter l'entrée en contact d'un outil (4) avec une piece (5), caractérisé en ce qu'il comporte des bobines d'excitation et de détection (7, 10) montées sur un arbre principal (3) d'une machine (1), cet arbre passant librement à travers les bobines d'excitation et de détection et étant conçu pour supporter l'outil à peu près face à face par rapport à la pièce à usiner à l'aide de cet outil, le dispositif comportant également une source (19) d'énergie électrique destinée à fournir un courant électrique à haute fréquence à la bobine d'excitation, cette dernière générant un courant par induction lorsqu'une entrée en contact réelle a lieu entre l'outil et la pièce, le courant induit ainsi généré circulant dans un circuit fermé constitué par l'arbre principal, l'outil et le bâti (2) de la machine, la bobine de détection produisant un signal de sortie à la suite de la génération du courant induit, le dispositif comportant également un bloc capteur (6) destiné à géné- rer un signal de détection indiquant l'entrée en contact réel de l'outil avec la pièce lorsque le bloc capteur a détecté la présence, dans le signal de sortie de la bobine de détection, d'une composante de courant ayant résulté du courant induit généré dans le bobine d'excita- tion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chacune des bobines d'excitation et de détection comprend un noyau annulaire (8, 11) en matière magnétisable, et un enroulement (9, 12) bobiné autour du noyau. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les bobines d'excitation et de détection sont disposées de façon à être adjacentes, une plaque annulaire sable, étant placée entre elles. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre un boîtier annulaire (14) ayant une section transversale de forme globalement en U, les bobines d'excitation et de détection étant logées, avec la plaque de blindage, dans l'espace de section globalement en U du boîtier, l'ensemble des bobines d'excitation et de détection et de la plaque de blindage étant noyé dans une charge de résine synthétique (15) coulée et solidifiée dans l'espace de section en U du boîtier. 5. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les bobines d'excitation et de détection sont espacées d'une distance nécessaire pour empêcher un champ électromagnétique de fuite de la bobine d'excitation de nuire à la bobine de détection.