Brevet FR2703768A1 — publié le 19941014

La présente invention concerne un dispositif de mesure dans un système de coordonnées de la position et du déplacement relatifs de deux objets, destiné notamment à mesurer des déplacements multiaxiaux importants sur de grands ouvrages, tels que par exemple des ponts. Un dispositif de mesure selon la présente invention est utilisable, en particulier, pour mesurer les déplacements d'un tablier mobile d'un pont par rapport à une voûte, une pile ou une culée fixe, sur laquelle le tablier est en général simplement posé, de manière à pouvoir glisser sans contraintes suite aux déformations et aux dilatations longitudinales et transversales du pont. Bien entendu, le dispositif de mesure selon llinvention nWest pas limité à cette application et peut être utilisé pour mesurer la position et le déplacement relatifs de tout système d'objets mobiles. L'on connut de nombreux dispositifs de mesure comportant des capteurs pour déterminer la distance entre deux objets ainsi que leur position dans 11 espace. Parmi ces différents capteurs, on distingue deux grandes catégories : les capteurs sans contact mécanique et les capteurs avec contact mécanique. Dans une première catégorie, les capteurs déterminent à distance et sans contact mécanique la position dans ltespace et la distance entre deux objets. Le principe de ces capteurs repose sur la réflexion ou le retour d'un signal, tel qu'un rayon lumineux, une onde ultrasonique ou électromagnétique, émis par une source optique, sonore ou magnétique vers un objet dont on veut connaltre ltéloignement et la position dans l'espace. Cependant, la précision des résultats obtenus est subordonnée au chemin optique, sonore ou magnétique emprunté, c'est-à-dire au milieu ambiant régnant entre les objets. Cela se révèle être un inconvénient majeur surtout lorsque lton utilise ces capteurs en plein air où ils sont soumis à des conditions atmosphériques variables, car ils sont très vulnérables à la poussière et aux chocs. En outre, un tel capteur ne permet pas de déterminer à lui seul la position des objets dans un système de coordonnées. Dans la deuxième catégorie, les capteurs sont en contact mécanique avec les objets dont on veut déterminer la distance et la position dans 1V espace. Parmi ces différents capteurs, on distingue deux sous-catégories : les capteurs intrinsèques et les capteurs extrinsèques. Dans une première sous-catégorie, les capteurs sont directement liés à l'objet dont on veut déterminer la distance et la position, ils sont dits intrinsèques. On peut citer, notamment, ltextensomètre à jauges de contrainte qui est appliqué principalement à la mesure de déformations de structures plutôt qutà la mesure de déplacements de forte amplitude, l'appareil indicateur de déplacement au moyen d'une pression de liquide, décrit dans FR-A-1 519 943, l'appareil indicateur de déplacement par lecture sur règle graduée, décrit dans FR-A-2 357 862 et le système magnétique par déplacement de noyau. Cependant, les capteurs précités ne peuvent mesurer que les déplacements s'effectuant selon une direction prédéterminée, ce qui nécessite un guidage préalable des objets dont on veut mesurer la distance et la position. Ces derniers ne peuvent donc pas librement se déplacer dans espace. Il existe des capteurs intrinsèques, tels des systèmes à câbles, permettant de mesurer le déplacement dans ltespace de deux objets. FR-A-2 612 623 décrit un système à câble multidirectionnel comportant un câble enroulé sur un tambour solidaire d'un arbre de rotation, des moyens de guidage et de support du câble à partir du tambour, des moyens pour totaliser les valeurs angulaires de rotation du tambour et un dispositif de tension du câble. Le câble, dont l'une des extrémités est liée à la surface d'enroulement du tambour et autre extrémité est liée à un objet, peut donc se déplacer dans ltespace en aval desdits moyens de guidage et de support du câble. On peut ainsi mesurer ltéloignement de Objet, mais ce système ne permet pas de déterminer la position de objet dans ltespace dans un système de coordonnées. FR-A-2 556 463 décrit un extensomètre comportant deux tiges articulées chacune en rotation autour d'un axe horizontal et vertical pour mesurer directement la déformation axiale et la distorsion angulaire d'une éprouvette entre les points d'application desdites tiges. Celles-ci sont maintenues en contact de l'éprouvette par un dispositif de guidage linéaire. Mais cet extensomètre ne mesure que des -2 déformations très faibles, de tordre de 10 m, et dans le cas d'une utilisation avec des déformations de grandes amplitudes, les mesures sont faussées, car le dispositif de mesure est solidaire d'un support articulé en rotation dont un des bras de levier est de longueur variable. Dans la deuxième sous-catégorie, les capteurs sont reliés à l'objet indirectement, au moyen d'un dispositif interface, ils sont dits extrinsèques. FR-A-2 604 579 décrit une machine de mesure tridimensionnelle dans laquelle l'interface comporte trois degrés de liberté : deux déplacements linéaires et un déplacement de rotation. FR-A-2 627 582 décrit une machine à mesurer par coordonnées dont le principe repose sur une interface comportant une succession finie d'axes longitudinaux semblables, chaque axe étant relié à des capteurs de position. FR-A-2 544 482 décrit également une machine de mesure tridimensionnelle dans laquelle l'interface comporte des éléments porte-palpeurs aptes à se déplacer dans trois directions linéaires orthogonales. Ces deux dernières machines permettent de palper des objets avec précision, mais ne permettent pas de suivre dynamiquement un objet en déplacement ni de mesurer ce déplacement, car elles ne comportent pas de dispositif permettant d'absorber les différentes rotations et déplacements linéaires de l'objet. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de mesure qui élimine les inconvénients précités et qui permet de mesurer le déplacement relatif de deux objets préférentiellement suivant une direction prédéterminée, quels que soient leurs déplacements dans ltespace, ainsi que la position et le déplacement relatifs desdits objets dans un système de coordonnées lié au dispositif. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la position et du déplacement relatifs de deux objets, caractérisé par le fait qu'il comprend une liaison-glissière constituée par un rail de guidage apte à être fixé sur lWun des objets et un organe mobile le long dudit rail, un capteur de déplacement linéaire, pour mesurer le déplacement dudit organe mobile le long dudit rail de guidage et un ensemble de liaison mécanique reliant ledit organe mobile audit autre objet, ledit ensemble de liaison mécanique formant avec ladite liaison-glissière un système à six degrés de liberté, autorisant un déplacement libre dans ltespace des objets l'un par rapport à 1 t autre. L'ensemble de liaison mécanique, au sens de la présente demande, forme un système à cinq degrés de liberté, dont trois degrés de liberté de rotation et deux degrés de liberté de translation complémentaires du degré de liberté de translation assuré par la liaison-glissière. Les trois degrés de liberté de rotation peuvent être assurés par une liaison-rotule ou son équivalent, par exemple trois liaisons-pivots dont les axes définissent un système orthogonal. Chaque degré de liberté de translation peut être assuré soit par une liaison-glissière, soit par des liaisons-pivots taxes de rotation parallèles. Le premier capteur de déplacement linéaire peut être, par exemple, un dispositif à piston, un système à câble tel que décrit dans FR-A-2 612 623 cité ci-dessus ou un dispositif magnétique. Dans un premier mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif de mesure comporte une deuxième liaison-glissière constituée par un rail de guidage perpendiculaire à celui de la première liaison-glissière, un deuxième capteur de déplacement linéaire coopérant avec ladite deuxième liaison-glissère, une liaison-pivot d'axe parallèle à celui de la première liaison-glissière, une liaison-rotule et des capteurs inclinométriques pour mesurer les écarts angulaires des axes de la liaison-pivot et de la liaison-rotule par rapport à la gravité. Dans un second mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif de mesure comporte une deuxième et une troisième liaisons-glissière dont les rails de guidage définissent avec celui de la première liaison-glissière un système orthogonal, des capteurs de déplacement linéaire coopérant avec les liaisons-glissière, et une liaison-rotule ou son équivalent. Après traitement des données mesurées par les différents capteurs, l'on obtient la position et le déplacement relatifs dans ltespace des objets dans un système de coordonnées. Dans le premier mode de réalisation particulier de 1 t invention, les différentes liaisons du dispositif de mesure sont reliées de préférence suivant la séquence suivante : la première liaison-glissière, la première liaison-pivot, la deuxième liaison-glissière et la liaison-rotule. Avantageusement, le dispositif de mesure comporte en outre, après la liaison-rotule, une deuxième liaison-pivot. Ainsi, le dispositif de mesure peut librement pivoter autour de 1V axe de la deuxième liaison-pivot sans être limité en amplitude par le débattement angulaire maximal de la liaison-rotule. En effet, une liaison-rotule a un débattement angulaire maximal de tordre de + 20 . autour de sa position centrale. Avantageusement, le dispositif de mesure comporte des capteurs de déplacement linéaire et inclinométriques coopérant avec toutes les liaisons du dispositif de mesure de manière à déterminer tous les déplacements linéaires et toutes les rotations entre les objets. De préférence, le dispositif de mesure est logé dans une enceinte de protection, telle qu'une enveloppe à soufflets en forme de T. Pour mieux faire comprendre l'objet de ltinvention, on va en décrire ci-après, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, plusieurs modes de réalisation représentés sur le dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue schématique en élévation du dispositif de mesure selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique en élévation du dispositif de mesure selon un second mode de réalisation de la présente invention. En se référant au dessin, on voit que le dispositif de mesure 1 est monté entre deux objets 2 et 3, schématisés par des hachures. Les objets 2 et 3 peuvent être respectivement le tablier et la pile d'un pont. Dans ce cas particulier, l'objet 3 est fixe et l'objet 2 est mobile. Bien entendu, le fonctionnement du dispositif de mesure 1 n'est pas limité à cette utilisation. Un repère d'axes X, Y, Z est illustré en perspective sur le dessin. Le repère comporte également le sens de rotation des angles U, V, W autour des axes X, Y, Z. Le dispositif de mesure 1 comporte une première liaison-glissière isostatique 4 qui comprend un rail de guidage linéaire 4a et un patin mobile 4b apte à se déplacer en translation sur le rail de guidage linéaire 4a suivant la direction Y. Une liaison-pivot isostatique 5 est reliée au patin 4b. L'arbre de rotation 5a de la liaison-pivot 5 est parallèle au rail de guidage 4a. Le dispositif de mesure 1 comporte une deuxième liaison-glissière isostatique 6 comprenant un rail de guidage linéaire 6a perpendiculaire au rail de guidage 4a et relié à l'une de ses extrémités à l'arbre de rotation 5a, et un patin mobile 6b apte à se déplacer en translation sur le rail de guidage 6a suivant la direction Z. Le dispositif de mesure 1 comporte un élément 7 comprenant à l'une de ses extrémités une partie coudée 7a reliée au patin 6b et une partie linéaire 7b parallèle au rail de guidage 6a. Sur la figure 1 sont illustrés deux capteurs de déplacement linéaire 8a et 8b qui sont montés entre le rail de guidage 4a et le patin 4b, et respectivement entre le rail de guidage 6a et 1 t élément 7. Les capteurs 8a et 8b comportent respectivement un tambour d'enroulement 9a et 9b, un câble 10a et 10b et un organe de guidage lla et iib du câble à partir du tambour. Les organes de guidage lia et Ilb sont respectivement parallèles aux rails de guidage 4a et 6a. Des éléments linéaires 12a et 12b sont respectivement fixés sur le patin mobile 4b et sur le rail de guidage 6a. L'extrémité libre des câbles 10a et 10b est respectivement reliée aux éléments linéaires 12a et 12b, de telle manière que les câbles iOa et lOb soient respectivement parallèles aux rails de guidage 4a et 6a. On peut, bien entendu, remplacer ce système à câble par un capteur à piston. L'autre extrémité de la partie linéaire 7b de l'élément 7 est reliée à une liaison-rotule isostatique 13 qui est elle-même reliée à l'arbre de rotation 14a d'une deuxième liaison-pivot isostatique 14. Un élément 15 relie enfin la deuxième liaison-pivot 14 à l'objet 3. Des capteurs inclinométriques 16a et 16b sont montés sur la partie linéaire 7b de l'élément 7 et un capteur inclinométrique 16c est monté sur l'élément 15. Les capteurs 16a et 16b mesurent les écarts angulaires de l'élément 7 par rapport à la gravité illustrée sur le dessin par une flèche G. Le capteur inclinométrique 16c mesure l'écart angulaire entre l'élément 15 solidaire de 1 t objet 3 et la gravité G. L t écart angulaire ainsi mesuré sert de référence pour les capteurs inclinométriques 16a et 16b. Les capteurs des déplacements linéaires 8a et 8b et les capteurs inclinométriques 16a et 16b permettent d'obtenir5 après des calculs simples de trigonométrie, la position et le déplacement relatifs des deux objets suivant les directions X, Y et Z. Si l'on veut déterminer également les angles de rotation U, V, W des objets autour des axes X, Y, Z, on ajoute des capteurs inclinométriques sur les liaisons-pivots et la liaison-rotule. Dans un second mode de réalisation de la présente invention, illustré sur la figure 2, les capteurs à câble 8a et 8b ont été supprimés et remplacés par des capteurs magnétiques, à déplacement de noyau ou à capacité variable comportant un dispositif multitour à roulette tournant autour du rail de guidage. Ces derniers sont montés sur les patins mobiles 4b et 6b. Les fils d'entrée et de sortie 17 des bobines d'induction des capteurs magnétiques sont schématiquement représentés sur la figure 2. La structure du dispositif de mesure 1 est également légèrement modifiée. La liaison-rotule 13 est directement reliée au patin 6b, et l'élément 7 est relié à ltune de ses extrémités à la liaison-rotule 13 et à l'autre extrémité à la deuxième liaison-pivot 14 par l'intermédiaire de la partie coudée 7a. Bien entendu, toute modification de la disposition des capteurs et des différentes liaisons rentre dans le cadre de la présente invention. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la position et du déplacement multiaxial relatifs de deux objets dans un système de coordonnées, caractérisé par le fait quWil comprend une liaison-glissière (4) constituée par un rail de guidage (4a) apte à être fixé sur l'un des objets (2) et un organe mobile (4b) le long dudit rail de guidage (4a), un capteur de déplacement linéaire (8a,17), pour mesurer le déplacement dudit organe mobile (4b) le long dudit rail de guidage (4a), et un ensemble de liaison mécanique reliant ledit organe mobile (4b) audit autre objet (3), ledit ensemble de liaison mécanique formant avec ladite liaison-glissière (4) un système à six degrés de liberté, autorisant un déplacement libre dans l'espace des objets (2,3) lVun par rapport à l'autre. 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une deuxième liaison-glissière (6) constituée par un rail de guidage (6a) perpendiculaire à celui de la première liaison-glissière (4), un deuxième capteur de déplacement linéaire (8b,17) coopérant avec ladite deuxième liaison-glissière (6), une liaison-pivot (5) d'axe de rotation (5a) parallèle au rail de guidage (4a) de la première liaison-glissière (4), une liaison-rotule (13) et des capteurs (16a,16b), tels que des capteurs inclinométriques, pour mesurer les écarts angulaires des axes de rotation de la liaison-pivot (5) et de la liaison-rotule (13) par exemple par rapport à la gravité G. 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une deuxième et une troisième liaisons-glissière dont les rails de guidage définissent avec celui de la première liaison-glissière (4) un système orthogonal, des capteurs de déplacement linéaire coopérant avec lesdites liaisons-glissière et une liaison-rotule (13) ou son équivalent. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les différentes liaisons mécaniques du dispositif de mesure (1) sont reliées suivant la séquence suivante :la première liaison-glissière (4), la première liaison-pivot (5), la deuxième liaison-glissière (6) et la liaison-rotule (13). 5 - Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, après la liaison-rotule (13), une deuxième liaison-pivot (14). 6 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des capteurs de déplacement linéaire et inclinomètriques coopérant avec toutes les liaisons mécaniques du dispositif de mesure (1) de manière à déterminer tous les déplacements linéaires et toutes les rotations entre les objets (2,3). 7 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est logé dans une enceinte de protection, telle qu'une enveloppe à soufflets en forme de T.