Brevet FR2588957A1 — publié le 19870424

L'invention concerne un capteur de mesure de torseur de forces constituant une liaison entre deux corps solides, du type comprenant une première pièce destinée à être liée rigidement au premier corps, et une seconde pièce destinée à être liée rigidement au second corps, lesdites première et seconde pièces étant connectées par des moyens de connexion associés à des capteurs de déformation captant toutes les forces permettant la détermination des forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées. Le brevet français 2 281 560 fait connaître un tel capteur dans lequel les moyens de connexion comportent essentiellement quatre bras partant du moyeu constituant la premi ère pièce et reliée au boîtier constituant la seconde pièce de manière telle que la mesure des déplacements latéraux tangentiels de quatre points liés par des croisillons au moyeu et des déplacements longitudinaux de quatre autres points également liés au moyeu par une bride fournit des indications permettant la détermination des six composantes de force et de moment du torseur réduit en un point. Cette solution donne lieu à une réalisation technologique relativement complexe. EP-A-O 132 163 décrit un capteur plus simple de réalisation dans lequel les moyens de connexion comportent un ensemble de trois premières lames encastrés dans la première pièce et un ensemble de trois secondes lames encastrées dans la seconde pièce, respectivement à une de leurs extrémités, ces lames étant élastiques dans une seule direction sensible privilégiée et rigides dans les autres directions. Chaque première lame est respectivement liée à une seconde lame, de façon telle que leurs directions sensibles soient orthogonales, par une liaison sélective qui ne transmet que les efforts se décomposant selon l'une et/ou l'autre des directions sensibles orthogonales des lames associées. Le but de l'invention est de proposer un capteur de construction simplifiée fournissant des mesures de forces particulièrement bien définies et dégagées d'interférences nuisibles, de manière à permettre la détermination simple et sûre des forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées. Selon l'invention, ce but est atteint du fait que les moyens de connexion consistent en un ensemble d'au moins trois éléments élastiques encastrés dans la première pièce à une de leurs extrémités et liés à la seconde pièce à leur autre extrémité par une liaison sélective qui ne transmet que les efforts de simple flexion, toute composante d'effort susceptible de produire une torsion, une traction ou une compression dans ledit élément élastique n'étant pas transmise par ladite liaison sélective et étant annulée, des capteurs de déformation étant associés aux éléments élastiques et reliés à des appareils de mesure pour déterminer les forces appliquées aux éléments et permettre la détermination des forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées à l'un des corps et la déduction du torseur réduit en un point. La liaison sélective de l'élément élastique à la seconde pièce peut être réalisée par une rotule coulissante (par exemple par une sphère liée à un élément élastique coulissant dans un cylindre lié à la seconde pièce selon une direction orthogonale aux directions de déformation de l'élément élastique), par un cardan muni d'un élément de coulissement, etc... La manière dont l'invention peut être réalisée sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma montrant les forces mesurées dans un type préféré de capteur conforme à l'invention et permettant une réalisation mécanique et une composition de torseur de forces équivalent facilement exploitable - la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un mode de réalisation préféré de capteur conforme à l'invention :: - la figure 3 est une vue en coupe parallèle à un élément élastique de connexion d'une liaison sélective conforme à l'invention ; - la figure 4 est une vue partielle schématique en perspective montrant une variante de réalisation des éléments élastiques de connexion ; - les figures 5a et 5b sont des vues analogues à la figure 4 montrant des variantes de réalisation des éléments élastiques de connexion - les figures 6a et 6b sont des vues analogues à la figure 4 montrant d'autres variantes de réalisation des éléments élastiques de connexion. L'invention vise à fournir, par une mesure, des éléments permettant la détermination de forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées à un corps solide, et corrélativement, la détermination de leur torseur réduit en un point choisi. Selon l'invention, les deux corps sont reliés par trois attaches non alignées supposées ponctuelles et transmettant donc des forces (à l'exclusion de couples), ces attaches étant réalisées de manière qu'un des trois paramètres définissant chaque force de liaison soit connu. Dès lors, la mesure des deux paramètres restant pour chaque force de liaison fournit six paramètres qui permettent, moyennant la connaissance des positions spatiales des attaches, de calculer les six paramètres définissant le torseur réduit. Plus précisément, selon l'invention, les attaches sont conçues de manière à permettre la mesure immédiate aux moyens de lames souples de deux composantes orthogonales de chaque force de liaison, la troisième étant nulle par construction. La figure 1 schématise une conception selon laquelle les composantes mesurées des forces de liaison sont agencées de manière à permettre un calcul relativement simple des paramètres du torseur réduit-. Si A1, A2 et A3 désignent les trois attaches et P le plan qui les contient, on choisit un référentiel trirectangle Oxyz tel que Oxy soit confondu avec P. Les attaches Ai sont conçues mécaniquement de manière que les forces de liaison soient exclusivement contenues dans les plans passant par Ai et perpendiculaires à OAi, chaque force pouvant être aisément caractérisée par lamesure d'une composante normale Fzi, parallèle à Oz, et d'une composante tangentielle Fti, contenue dans P.Si (i, i) sont les coordonnées polaires, dans xOy, de Ai, il est facile de calculer les six paramètres du torseur équivalent dans le référentiel Oxyz, à savoir les 3 -composantes suivant Ox, Oy, Oz du vecteur force équivalent (1) : - (Ft1 sin #1 + Ft2 sin #2 + Ft3 sin #3). (2) : Ft1 cos #1 + Ft2 cos #2 + Ft3 cos #3 (3) : Fz1 + Fz2 + Fz3 et du vecteur couple équivalent (4) Fz1 (1 sin #1 + Fz1 (2 sin #2 + Fz3 (3 sin #3 (5) - (Fz1 (1 cos #1 + Fz2 (2 cos #2 + Fz3 (3 cos (6) : Ft1 (1 + Ft2 (2 + Ft3 (3 A partir de ces données, le calcul du torseur équivalent dans tout autre repère est évidemment possible. Si, pour simplifier encore, on choisit, selon un mode de réalisation préféré, (1 = (2 = (3 = (; 01 = 0 ; #2 = 120 et #3 = 240 les paramètres respectifs du torseur deviennent (2') : Ftl - (1/2) (Ft2 + Ft3) (3') : Fz1 + Fx2 + Fx3 (5') Ç 1/2) Fz2 + (1/2) Fz3 - Fz1 # (6') : Pt1 + Pt2 + Ft3) C'est cette conception simplifiée qui a été préférée pour la réalisation du capteur représenté en figure 2. A1, A2, A3 sont les centres de rotules sphériques 1 calées à l'extrémité de trois éléments élastiques 2 radialement encastrés sur une première pièce 3 liée rigidement à un des corps solides à étudier par des moyens accessoires (par exemple un boulonnage, ou tout autre moyen connu). Chaque rotule 1 coulisse radialement dans une douille d'un logement 5 (un seul a été représenté) supporté par une seconde pièce 6 liée rigidement au second corps solide. Afin de minimiser les forces passives, il est utile d'améliorer au maximum la technologie de la liaison 2, 1, 5 par la réduction des rugosités antagonistes, le choix judicieux de matériaux ou de traitement des surfaces en regard ou l'utilisation d'interfaces adaptées comme représenté par exemple sur la figure 3 : l'extrémité de l'élément élastique 2 se termine par un cylindre 7, sur lequel la rotule 1 est montée par l'intermédiaire d'un fourreau à billes 8, la rotule 1 pouvant elle-même tourner dans une cavité sphérique du logement 5 par l'intermédiaire d'une sphère à billes 9. Chacun des éléments élastiques est équipé de jauges de contrainte judicieusement placées suivant les techniques d'exploitation propres à celles-ci en exploitant le cas échéant les configurations qui permettent d'insensibiliser le système aux variations de l'ambiance (en admettant l'isothermie de chacune des lames). Les signaux analogiques tirés des jauges sont exploités par des moyens standards pour permettre facilement la détermination du torseur réduit à mesurer. Le choix de jauges répond au souci de disposer d'une mesure qui peut être conservée en mémoire, de préférence par exemple à des solutions de type piézoélectrique qui sont sensibles aux variations. Au lieu de jauges de contrainte, d'autres moyens peuvent être utilisés pour mesurer les déformations des lames tels que, par exemple des méthodes optiques (par laser ou selon la méthode de Poggendorff), des sondes capacitives ou inductives de distance, un moyen de mesure métrologique (comparateur, par variation de cote). Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, les éléments élastiques de connexion 2 ont une forme parallélépipédique dont l'inertie est constante le long d'une fibre neutre. Selon une variante de l'invention représentée à la figure 4, l'élément élastique de connexion 12 a une forme cylindrique présentant également une inertie constante le long d'une fibre neutre. L'élément élastique de connexion 22 représenté à la figure 5a a une inertie variable de manière continue le long d'une fibre neutre et il en est de même pour l'élé- ment élastique de connexion 32 représenté à la figure 5b. L'élément élastique de connexion 42 représenté à la figure 6a a une inertie variable de manière discontinue le long d'une fibre neutre et il en est de même pour l'élément élastique de connexion 52 représenté à la figure 6b. Ces diverses variantes d'éléments élastiques de connexion 12, 22, 32, 42 et 52 peuvent entrer dans des modes de réalisation conformes à l'invention analogues à celui qui est représenté schématiquement à la figure 2 pour un élément élastique de connexion 2. REVENDICATIONS 1. Capteur de mesure de torseur de forces constituant une liaison entre deux corps solides, du type comprenant une première pièce (3) destinée à être liée rigidement au premier corps, et une seconde pièce (6) destinée à être liée rigidement au second corps, lesdites première et seconde pièce étant connectées par des moyens de connexion (2, 1, 5) associés à des capteurs de déformation captant toutes les forces permettant la détermination des forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées, caractérisé en ce que les moyens de connexion consistent en un ensemble d'au moins trois éléments élastiques (2) encastrés dans la première pièce (3) à une de leurs extrémités et liés à la seconde pièce (6) à leur autre extrémité par une liaison sélective qui ne transmet que les efforts de simple flexion, toute composante d'effort susceptible de produire une torsion, une traction ou une compression dans ledit élément élastique de connexion (2) n'étant pas transmise par ladite liaison sélective et étant annulée, des capteurs de déformation étant associés aux éléments élastiques (2) et reliés à des appareils de mesure pour déterminer les forces appliquées aux éléments et permettre la détermination des forces constituant un torseur équivalent au torseur des forces appliquées à l'un des corps et la déduction du torseur réduit en un point. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque liaison sélective (1, 5) est constituée par au moins une rotule coulissante. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison sélective comporte une seule rotule coulissante (1) et son logement associé (5). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément élastique (2, 12) présente le long d'une fibre neutre une inertie constante. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque élément élastique (22, 32) présente le long d'une fibre neutre une inertie variable de manière continue. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque élément élastique (42, 52) présente le long d'une fibre neutre une inertie variable de manière discontinue.