Brevet FR2643708A1 — publié le 19900831

L'invention concerne un palpeur de mesure suivant plusieurs coordonnées, constitué par un système mécanique mobile dans deux ou trois directions principales x,y et z, présentant un faible frottement et une faible usure et ré- sistant à la torsion. Dans le document DE-C-N 22 42 355 on décrit un palpeur de mesure suivant plusieurs coordonnées, dans le- quel la tête de palpage comporte un montage en série, ré- sistant à la torsion, de systèmes de guidage rectiligne, qui ne présentent aucun jeu ni aucun frottement et peuvent être constitués par exemple par des parallélogrammes à res- sorts formés de lames. Cette forme de réalisation présente plusieurs inconvénients. Les systèmes de guidage rectiligne sont disposés en série. Le système de guidage rectiligne le plus proche de la base du palpeur porte par conséquent, dans le cas d'un palpeur de mesure, gui travaille dans trois direc- tions, les masses des deux systèmes de guidage aval, qui comprennent chacun un système de mesure de déplacement et éventuellement un générateur de point d'origine et de force de palpage, -ainsi qu'un support de tiges de palpage et ces dernières. Le second système, disposé en aval du premier système de guidage rectiligne, ne porte plus que les masses du troisième système de guidage incluant un système de me- sure de déplacement et éventuellement un générateur de point d'origine et de force de palpage, ainsi que le support de tiges de palpage et ces tiges. Le troisième sys- tème de guidage n'est plus chargé que par la masse du sup- port de tiges de palpage et de ces tiges. Etant donné que les masses sont différentes, des forces et des couples sta- S tiques très différents doivent être absorbés et compensés dans les systèmes respectifs de guidage rectiligne, et il apparaît des forces et moments dynamiques, qui varient for- tement, lors de l'accélération et du freinage du palpeur. De ce fait, la rigidité et le fléchissement des systèmes respectifs de guidage sont très différents, de sorte qu'en définitive, il apparaît toujours des écarts plus ou moins importants dans l'incertitude de mesure du palpeur selon les trois directions de l'espace. Ces diffi- cultés se manifestent notamment lors d'un déplacement si- multané de tous les systèmes de guidage rectiligne dans le cas du palpage de surfaces de l'objet de mesure qui sont obliques par rapport aux axes de guidage, ou bien dans le cas de mesures qui doivent être exécutées très rapidement, et notamment également lors du palpage continu de surfaces courbes, lors duquel un appareil de mesure et un palpeur de mesure se déplacent en permanence suivant les trois axes (scanning). En raison de la distribution défavorable des masses du palpeur de mesure suivant plusieurs coordonnées, connu, ce dernier ne peut également pas être utilisé dans la pratique dans différentes positions dans l'espace. Il apparaîtrait des forces et des moments qui ne pourraient être compensés que difficilement. En outre un inconvénient réside dans le fait que : toutes les conducteurs des second et troisième systèmes de guidage rectiligne doivent passer respectivement par les premier et second systèmes de guidage rectiligne, en raison de la disposition en série des systèmes de guidage recti- ligne. De ce fait, un frottement et une hystérésis, qui augmentent l'incertitude de mesure, sont introduits dans le système. La déformation des lignes lors du déplacement des systèmes de guidage rectiligne peut conduire en outre à une rupture de câble. C'est pourquoi l'invention a pour but d'indiquer un palpeur de mesure suivant plusieurs coordonnées, qui ne présente pas ces inconvénients et possède notamment une précision de mesure supérieure et ce surtout dans le cas de plus grandes vitesses de mesure. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait que deux ou trois systèmes de guidage suivant plusieurs axes sont disposés en parallèle, que les disposi- tifs de mesure de déplacement, et éventuellement des géné- rateurs de point d'origine et de force de palpage, sont fixés chacun sur la base du palpeur et que ces dispositifs détectent la position des guides les plus proches de cette base et, par conséquent, la position des pointes de palpage par rapport à la base du palpeur ou maintiennent les guides, les plus proches de cette base en un point d'origine défini et, dans le cas d'un déplacement de ces guides à partir du point d'origine, provoquent l'applica- tion d'une force de palpage définie entre les pointes de palpage et l'objet à mesurer. Grâce à l'idée à la base de l'invention, on ob- tient en combinaison les particularités suivantes: a. le système mécanique, qui est mobile dans les deux ou trois directions principales x, y et z, présente un faible frottement et une faible usure, résiste à la tor- sion et est constitué par deux ou trois systèmes de gui- dage suivant plusieurs axes, ces systèmes étant paral- lèles entre eux; b. les dispositifs de mesure de déplacement et éventuelle- ment des générateurs de point d'origine et de force de palpage sont fixés chaque fois sur la base du pal- peur; c. le dispositif de mesure de déplacement détecte, dans toutes les directions principales considérées, la posi- tion des guides les plus proches de la base du palpeur et par conséquent, dans tous les cas, la position des pointes de palpage rapportée directement à la base du palpeur; et d. les générateurs de point d'origine et de force de pal- page maintiennent, également dans toutes les directions principales considérées, les guides les plus rapprochés de la base du palpeur, en un point d'origine défini di- rectement par rapport à la base de ce palpeur, et, lors d'un déplacement de ces guides à partir du point d'origine, appliquent une force de palpage définie entre les tiges de palpage et l'objet de mesure. Selon une variante de réalisation de l'idée de base de l'invention, on peut utiliser, en tant qu'éléments situés dans les systèmes de guidage suivant plusieurs axes, des guides linéaires à roulements, lorsqu'il est nécessaire d'avoir des déplacements importants du palpeur, que l'on ne peut atteindre à l'aide des éléments de ressorts en forme de lames. Dans le cas de déplacements plus faibles, les éléments de guidage linéaire sont remplacés de - préférence par des plaques à articulations cylindriques doubles ou par des éléments à ressorts en forme de lame équivalents, les éléments à ressorts en forme de lame garantissant une réduction aussi grande que possible du jeu et de l'usure. Une autre forme de réalisation de l'idée de l'invention,conduit à une structure simplifiée grâce au fait que les guides les plus proches de la base du palpeur sont remplacés par des plaques à articulations cylindriques- simples ou p'ar des éléments à ressorts en forme de lame équivalents et que les deux guides, situés en aval des guides que l'on vient de mentionner, dans chaque système de guidage suivant plusieurs axes, sont réalisés sous la forme d'un couple respectif de supports à articulations sphé- riques doubles ou d'éléments à ressorts de flexion équiva- lents. Grâce à cet accouplement du support des tiges de palpage on. obtient, outre la réduction du coût pour les guides eux-mêmes, une suppression de l'accouplement hyper- statique et par conséquent une fabrication et un montage plus simples des systèmes de guidage, étant donné qu'il n'y a pas à respecter de tolérances extrêmement serrées. Selon une autre modalité de l'invention, les sys- tèmes de guidage forment une combinaison de guides li- néaires à roulements et de plaques à articulations cy- lindriques doubles. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un palpeur conforme à l'invention comportant des guides linéaires; - la figure 2 représente un guide linéaire du dispositif de la figure 1; - la figure 3 représente une variante du disposi- tif de la figure 1, comportant des plaques à articulations cylindriques doubles; - la figure 4 représente une plaque à articula- tions cylindriques doubles du dispositif de la figure 3, réalisée sous la forme d'un élément à ressort en forme de lame; - la figure 5 représente une variante du disposi- tif de la figure i ou 3, comportant des plaques à articula- tions cylindriques simples et des supports à articulations sphériques doubles; - la figure 6 représente une forme de réalisation du palpeur de mesure conforme à la figure 5. Comme cela est visible sur la figure 1, des élé- ments de liaison 2,3,4, qui sont stables du point de vue mécanique, et parallèles aux directions principales x,y et z, sont en appui sur la base 1 du palpeur, qui est reliée au support 1' de l'appareil de mesure ou même de la machine d'usinage. Les guides 7,8,9 sont reliés rigidement à ces éléments 2,3,4 de façon à s'étendre également dans les trois directions principales x,y,z. Le générateur 5 du point d'origine et de la force de palpage et le système de mesure de déplacement 6 font partie de ces guides' 7,8,9, qui sont les plus proches de la base 1 du palpeur. Au guide 7 se raccordent perpendiculairement des guides 13 et 19 reliés par l'intermédiaire de deux autres éléments mécaniques stables 10 et 16, de sorte que les trois guides 7,13,19 forment ensemble un système de guides dirigés suivant trois axes, qui peut s'écarter dans les trois directions principales x,y et z. La position de ce système de guidage suivant trois axes est cependant détec- tée uniquement dans la direction x par le système de mesure de déplacement 6, et les générateurs 5 de point d'origine et-de force de palpage agissent également uniquement dans la direction x. Des guides respectifs 14,20 et 15,21 sont raccor- dés aux guides 8 et 9, de la même manière que dans -le cas du raccordement au guide 7, par l'intermédiaire d'élé- ments de liaison 11,17 et 12,18, ce qui conduit à la forma- tion de deux autres systèmes de guidage suivant trois axes, qui peuvent également s'écarter dans les trois directions principales x,y et z. Le générateur 5 du point d'origine et de force de palpage et le système de mesure de déplacement 6 agissent également, dans chacun de ces deux systèmes de guidage suivant trois axes, uniquement dans une des autres directions principales y et z respectivement. Un support 23 porte l'ensemble des tiges de pal- page 24, qui palpent l'objet à mesurer 25, il est fixé aux guides 19,20,21, par l'intermédiaire du croisillon de liai- son 22. De ce fait, le support 23 des tiges de palpage peut être déplacé linéairement dans les trois directions princi- pales x,y et z, sans que des degrés de liberté en rotation conduisent à un basculement inadmissible. En raison de la disposition en parallèle des trois systèmes de guidage sui- vant trois axes, on obtient un cinématique très raide pour le palpeur et la possibilité de détecter la position du support 23 des tiges de palpage, directement par rapport à la base 1 du palpeur équipé des systèmes de mesure de dé- placement 6. Etant donné que tous les générateurs 5 de point d'origine et de force de palpage sont reliés directement à la base i du palpeur, ces composants ne perturbent égale- ment pas le comportement dynamique du palpeur. Naturelle- ment, il importe de réduire ies masses des trois systèmes de guidage branchés en parallèle. Enfin, sur la figure 1, on a indiqué le moyen d'équilibrage de poids, qui est nécessaire suivant la di- rection z. La base 1 du palpeur et le croisillon de liaison 22, portent des dispositifs de fixation respectifs 26, entre lesquels est accroché un ressort de traction 27, qui est agencé de manière à compenser le poids des composants du palpeur qui sont mobiles suivant la direction z. Sur la figure 2, on a représenté à titre d'exem- ple l'agencement des guides linéaires 7,8,9; 13,14,15; 19,20,21 sous la forme de guides à roulements 28. Une tige cylindrique 29 est guidée linéairement par les billes 30, qui sont maintenues à distance les unes des autres par une cage 31, dans un boîtier cylindrique 32. Il n'est pas né- cessaire d'empêcher un mouvement de rotation de la tige 29 dans le boîtier 32, étant donné que les guides 7,14,21 et 8,15,19 et 9,13,20, conformément à la figure 1, représen- tent conjointement un système de guidage parallèle, qui n'autorise aucune rotation ni aucun basculement. Sur la figure 3, les guides linéaires 7,13,19; 8,14,20; 9,15,21 de la figure 1 sont remplacés par des plaques à articulations cylindriques doubles 33. Ces der- nières sont constituées, comme cela est représenté dans le cas d'un exemple, par une plaque, aux quatre coins de la- quelle sont disposées des articulations à rotule 35 respec- tives. Sur la figure 4, on a représenté à titre d'exem- ple l'agencement d'un élément de ressort en forme de lame 36, qui peut être utilisé à la place des plaques à articu- lations cylindriques doubles 33 de la figure 3. Le ressort en forme de lame 37, qui porte des éléments de renforcement 38, est relié, à ses deux extrémités, par l'intermédiaire d'éléments - de serrage 39, aux éléments mécaniques 40 pré- sents dans les systèmes de guidage à plusieurs axes, de sorte que ces derniers peuvent exécuter un déplacement sans jeu et sans frottement les uns par rapport aux autres sous l'effet d'une flexion du ressort en forme de lame 37, dans les zones non renforcées. Un basculement des éléments et par conséquent des systèmes de guidage est également em- pêché dans ce cas par le fait que les éléments de ressort en forme de lames 7,14,21 et 8,15,19 et 9,13,20 conformes à la figure 3 forment conjointement respectivement un paral- lélogramme à trois éléments formés de ressorts en forme de lames. Sur la figure 5, les guides 13,19 et 14,20 et 15,21 sont constitués par des supports à articulations sphériques doubles 41, tandis que des plaques à articula- tions cylindriques simples 42 forment les guides 7,8,9. Ces derniers diffèrent des plaques à articulations cylindriques doubles 33 de la figure 3 par le fait que deux articula- tions à rotule 35 sont prévues uniquement à une extrémité et que les supports à articulations sphériques doubles 41 sont fixés sur l'autre extrémité. L'avantage de cette forme de réalisation est qu'elle permet de réduire la dépense pour les guides et d'éliminer le couplage hyperstatique entre le support 23 des tiges de palpage et la base 1 du palpeur. Ceci est possible étant donné que des articula- tions à rotule 34 sont fixées des deux côtés sur tous les supports 41. Sur la figure 6, on a représenté le palpeur, qui est représenté dans son principe sur la figure 5, sous une forme matérielle équipée de guides en soi différents, mais équivalents. Ainsi, à la place des articulations cylin- driques simples 42, on utilise des éléments à ressorts en forme de lame simple 36' et à la place des supports à ar- ticulations sphériques doubles 41, on utilise des couples d'éléments à ressorts de flexion 43. Dans le cas de l'élément à ressort en forme de lame simple 36', des res- sorts en forme de lames 37 sont installés uniquement d'un côté, tandis que dans le cas des couples d'éléments à res- sorts de flexion 43, on utilise les ressorts de flexion 44 à la place des articulations 34. Tout d'abord les éléments à ressorts en forme de lame simple 36' sont fixés aux éléments de liaison stables 3,4 (2 n'est pas visible), qui sont. reliés à la base non représentée du palpeur, par l'intermédiaire des ressorts en forme de lame 37, et ce de telle sorte qu'ils correspondent aux guides 7,8,9 et autorisent des déplacements dans les directions x,y et z. Des couples respectifs d'éléments à ressorts de flexion 43 se raccordent aux éléments à res- sorts en forme de lame simple. Ces couples d'éléments à ressorts de flexion portent le croisillon de liaison 22, auquel sont fixés le support, non représenté/ des tiges de palpage et les tiges de palpage. A titre d'exemple, on a représenté l'agencement d'un système de mesure de déplacement 6. Ce dernier est fi- xé par l'intermédiaire d'un support 45 à l'élément 4 et est relié par l'intermédiaire d'une tige de mesure 46 à un élé- ment à ressort en forme de lame simple 36'. Il mesure par conséquent le déplacement de l'ensemble du système dans la direction z. REVENDICATIONS 1. Palpeur de mesure suivant plusieurs coordon- nées, constitué par un système mécanique mobile dans deux ou trois directions principales x,y et z, présentant un faible frottement et une faible usure et résistant à la torsion, caractérisé en ce que deux ou trois systèmes de guidage suivant plusieurs axes (7,13,19; 8,14,20; 9,15, 21) sont disposés en parallèle, que les dispositifs de mesure de déplacement (6) et éventuellement des générateurs (5) de point d'origine et de force de palpage, sont fixés chacun sur la base (1) du palpeur et que ces dispositifs (5,6) dé- tectent la position des guides (7,8,9) les plus proches de cette base (1) et, par conséquent, la position des pointes de palpage (24) par rapport à la base (1) du palpeur maintiennent les guides (7,8,9), les plus proches de cette base (1) en un point d'origine défini et, dans le cas d'un déplacement de ces guides (7,8,9) à partir du point d'origine, provoquent l'application d'une force de palpage définie entre les pointes de palpage (24) et l'objet à me- surer (25). 2. Palpeur de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes de guidage (7,13,19; 8,14,20; 9,15,21) sont constitués par des guides lineaires à roulements (28). - 3. Palpeur de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes de guidage (7,13,19; 8,14,20; 9,15,21) sont constitués par des plaques à articu- lations cylindriques doubles (33) ou à des éléments équi- valents à ressorts en forme de lame (36). 4. Palpeur de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les guides (7,8,9) les plus proches de la base (1) du palpeur sont constitués par des plaques à articulations cylindriques simples (49) ou par des éléments à ressorts en forme de lame équivalents (36') et en ce que les guides (13,19; 14,20; 15,21), qui sont disposés en aval des guides (7,8,9) dans chaque. système de guidage suivant de plusieurs axes (7,13,19; 8,14, 20; 9,15,21) sont réalisés sous la forme d'un couple de supports à articulations sphé- riques doubles (34) ou d'éléments à ressorts de flexion équivalents (43). 5. Palpeur de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes de guidage (7,13,19; 8, 14,20; 9,15,21) forment une combinaison de guides linéaires à roulements (28) et de plaques à articulations cylindriques double (33).