Brevet FR2733046A1 — publié le 19961018

CAPTEUR DE MESURE D'UN TORSEUR DE LIAISON ENTRE DEUX PIECES MECANIQUES, AINSI QUE SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un capteur de mesure d'un torseur de liaison entre deux pièces mécaniques. Le capteur envisagé par l'invention est destiné à permettre la mesure d'un torseur de force complet, à savoir trois composantes de force et trois composantes de moment exercées entre deux pièces mécaniques. Un capteur de mesure d'un torseur de force complet est notamment décrit dans le document EP-A-0 396 568. Ce capteur est constitué d'une seule pièce métallique qui présente deux faces d'extrémité et une partie centrale. Les deux faces d'extrémité sont destinées à être respectivement fixées sur un corps de référence et sur un corps engendrant des forces et des moments. La partie centrale est constituée de six poutres présentant longitudinalement une forme en hélice. Les six poutres sont disposées suivant une architecture triangulée fermée entre les deux faces d'extrémité. Chaque poutre supporte des moyens de mesure des déformations, ces moyens étant constitués par des jauges de contrainte. Un tel capteur de mesure se caractérise notamment par une raideur relativement faible en raison même du principe de mesure qui est basé sur l'utilisation de jauges de contrainte. En effet, le bon fonctionnement d'une jauge de contrainte impose une certaine élasticité du métal formant la partie centrale du capteur. I1 en résulte des inconvénients parmi lesquels: - une bande passante limitée par la fréquence propre du capteur et par l'élasticité supplémentaire introduite pour l'utilisation des jauges de contrainte, et - un déplacement suivant six degrés de liberté ou compliance qui peut être incompatible avec certaines utilisations. En outre, la mise en place des jauges de contrainte sur les poutres nécessite une certaine surface pour permettre le collage et le câblage, ce qui limite la taille minimale de ces capteurs. Enfin, toujours en raison de la technologique des jauges de contrainte, ces capteurs de mesure ont des coefficients de sécurité à la rupture qui sont inférieurs à 5, ce qui peut être très insuffisant dans certains cas, la robotique par exemple, ou bien nécessiter l'utilisation de capteurs surdimensionnés avec la perte de sensibilité que cela implique. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de ces capteurs de mesure à jauges de contrainte tout en procurant d'autres avantages. A cet effet, l'invention propose un capteur de mesure d'un torseur de liaison entre deux pièces mécaniques, qui est caractérisé en ce qu'il comprend six cylindres piézo-électriques, dont les axes sont orientés suivant six directions, deux plateaux de support montés en vis-à-vis et respectivement en contact avec les deux faces d'extrémité de chaque cylindre piézo-électrique, et des moyens pour monter et fixer les six cylindres piézoélectriques entre les deux plateaux. Selon un mode de réalisation du capteur de mesure selon l'invention, les axes des six cylindres piézo-électriques sont orientés suivant une structure triaxiale à symétrie ternaire, et les six cylindres piézo-électriques sont régulièrement répartis vers la périphérie des deux plateaux de support. Pour pouvoir aligner les axes des cylindres piézo-électriques suivant six directions déterminées, les deux plateaux de support présentent respectivement deux faces principales sensiblement planes en regard l'une de l'autre, et six cavités sont ménagées à chacune de ces deux faces principales, deux cavités de chacune de ces deux faces qui sont destinées à recevoir les extrémités d'un cylindre piézo-électrique ayant chacune une surface d'appui perpendiculaire à la direction suivant laquelle doit être aligné le cylindre piézo-électrique. Selon une autre caractéristique du capteur selon l'invention, chaque cylindre piézo-électrique est traversé axialement par une vis formant un moyen de fixation du cylindre sur les deux plateaux, chaque vis formant également un élément de précontrainte du cylindre contre les deux faces principales des deux plateaux de support. Pour permettre le montage des vis de fixation, deux passages axialement alignés sont percés respectivement dans les deux plateaux de support pour chaque vis, le passage recevant la tige filetée de la vis étant taraudé. Avantageusement, une rondelle isolante est rapportée sur chacune des faces d'extrémité des cylindres piézo-électriques. Le fait de concevoir un capteur fabriqué en plusieurs éléments, offre notamment les avantages de pouvoir concevoir des gammes différentes de capteurs et de faciliter le remplacement d'un élément défectueux. En outre, l'utilisation d'éléments piézoélectriques comme moyens de mesure permet d'augmenter notablement la raideur du capteur, et le coefficient de surcharge peut atteindre 50 ou 100, voire plus, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un mécanisme de protection par butée par exemple. Ainsi, la grande raideur du capteur permet d'envisager des utilisations jusqu'à des fréquences inaccessibles à un capteur à jauges de contrainte, et le déplacement sous charge étant faible, la mesure des forces n'entraîne que peu de variations de position, ce qui peut être intéressant dans certaines applications, par exemple en usinage. L'invention concerne également un procédé de fabrication du capteur, procédé qui est caractérisé en ce qu'il consiste, à partir d'une pièce cylindrique de métal en acier ou en aluminium: - à usiner dans la paroi externe de la pièce cylindrique, six cavités régulièrement réparties autour de la pièce cylindrique, chaque cavité délimitant deux surfaces d'appui planes, parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction suivant laquelle doit être aligné un cylindre piézo-électrique, - à percer dans la pièce cylindrique, six passages associés respectivement aux six cavités, chaque passage traversant la cavité associée étant percé suivant un axe perpendiculaire aux deux surfaces d'appui parallèles de ladite cavité, - à découper la pièce cylindrique pour obtenir deux plateaux de support, le plan de coupe étant perpendiculaire à l'axe de la pièce cylindrique et passant au travers des cavités, chaque cavité étant ainsi scindée en deux parties, - à mettre en vis-à-vis les deux plateaux de support, de manière à introduire entre les deux parties d'une même cavité un cylindre piézo-électrique, et - à introduire une vis de fixation dans les deux passages axialement alignés et associés à une même cavité, chaque vis traversant axialement le cylindre piézo-électrique associé. Un tel procédé de fabrication présente notamment l'avantage de pouvoir faciliter le montage des cylindres piézo-électriques sans créer des contraintes mécaniques lors de ce montage. D'une manière générale, les applications d'un capteur selon l'invention touchent tous les domaines de l'industrie et on peut citer à titre d'exemple: - la robotique industrielle (mesure d'effort de contact,...), - la télé-opération de robot (retour sensitif d'effort, poignée de pilotage,...), - les bancs d'essais de structures mécaniques (souffleries, bassins d'essais de carènes...), - les machines outils (mesures d'efforts de coupe, de vibrations....), - la biomécanique (mesure de performances sportives, rééducation...) et - la balistique (mesure de forces de réaction, calcul d'une énergie d'impact d'un point d'impact, d'une direction de poussée...). D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un capteur de mesure selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective du principe général permettant de définir l'orientation des cylindres piézo-électriques du capteur, et - les figures 4a à 4e illustrent schématiquement un procédé de fabrication d'un capteur selon l'invention. Un capteur de mesure selon l'invention et tel qu'illustré sur les figures 1 et 2, est constitué de plusieurs composants assemblés les uns aux autres, à savoir - deux plateaux métalliques de support 1 et 2, en acier ou en aluminium, disposés en vis-à-vis, et - des dispositifs de mesure constitués par six cylindres piézo-électriques P1 à P6 interposés entre les deux plateaux 1 et 2. Chaque plateau 1 et 2 est par exemple de forme circulaire et présente deux faces principales sensiblement planes et opposées la, lb pour le plateau 1 et 2a, 2b pour le plateau 2. Les deux plateaux 1 et 2 sont situés en vis-àvis avec leurs faces principales la et 2a mutuellement en regard l'une de l'autre et séparées d'une distance d. Les six cylindres piézo-électriques P1 à P6 sont interposés entre les deux faces la et 2a des deux plateaux 1 et 2, et leurs axes sont orientés suivant six directions D1 à D6 pour former une structure triaxiale de symétrie ternaire et indéformable, par exemple. Comme visible sur la figure 2, les six cylindres piézoélectriques P1 à P6 sont régulièrement répartis vers la périphérie des deux plateaux 1 et 2. En se reportant à la figure 3, on a illustré en perspective un principe général permettant de définir les orientations D1 à D6 des axes des six cylindres piézo-électriques P1 à P6. Plus précisément, on a considéré les deux plans de coupe parallèles PC1 et PC2 (figure 1) qui passent respectivement par les centres des deux faces d'extrémité des cylindres piézo-électriques P1 à P6. Ces centres Al à A6 pour le plan de coupe PC1 et B1 à B6 pour le plan de coupe PC2 sont respectivement sur deux cercles n'ayant pas nécessairement le même diamètre, ces deux cercles se matérialisant par deux ellipses El dans le plan X1-O1-Y1 et E2 dans le plan X2-02-Y2 sur la perspective de la figure 3. Concrètement, les six points Al à A6 sont répartis sur un cercle suivant une symétrie ternaire, c'est-à-dire que l'on définit trois couples de points Al A2, A3-A4 et A5-A6 répartis à 120 les uns des autres. D'une manière semblable, les six points B1 à B6 sont également répartis suivant une symétrie ternaire, et les six directions D1 à D6 sont respectivement définies par les six couples de points Al-Bl à A6-B6. Le choix de la position des points Al à A6 et B1 à B6 est effectué suivant les conditions d'utilisation du capteur et n'est donc pas nécessairement prédéterminé à l'avance. Les deux faces d'extrémité de chaque cylindre P1 à P6 viennent respectivement au contact des faces la et 2a des plateaux 1 et 2. Pour pouvoir aligner les axes de ces cylindres P1 à P6 suivant les directions D1 à D6, six cavités C1 à C6 appropriées sont ménagées sur chacune des faces la et 2a des plateaux 1 et 2. En considérant le cylindre piézo-électrique P6 par exemple, la cavité C6 du plateau 1 dans laquelle doit s'engager une extrémité du cylindre P6, présente une surface plane S1 qui est perpendiculaire à la direction D6 suivant laquelle doit être aligné le cylindre P6, et la cavité C6 du plateau 2 dans laquelle doit s'engager l'autre extrémité du cylindre P6, présente une surface plane S2 qui est également perpendiculaire à la direction D6 suivant laquelle doit être aligné le cylindre P6, ces deux surfaces S1 et S2 étant parallèles entre elles. Les cavités pour les autres cylindres P1 à P5 présentent les mêmes caractéristiques. Des moyens de fixation sont prévus pour assembler les cylindres piézo-électriques P1 à P6 aux deux plateaux 1 et 2. Concrètement, il est prévu un moyen de fixation par cylindre, moyen qui est constitué par une vis 10 qui traverse axialement le cylindre. A cet effet, le plateau comporte six passages 12 qui sont percés entre les deux faces principales la et lb du plateau 1 suivant des axes parallèles aux six directions D1 à D6. Chaque passage 12, côté face principale la du plateau 1, débouche à la surface S1 d'une cavité associée et perpendiculairement à cette surface S1. De manière analogue, le plateau 2 comporte six passages 14 qui sont percés entre les deux faces principales 2a et 2b du plateau 2 suivant des axes parallèles aux six directions D1 à D6. Chaque passage 14, côté face principale 2a du plateau 2, débouche à la surface S2 d'une cavité associée et perpendiculairement à cette surface S2. A la face principale lb du plateau 1, on usine par exemple un lamage 16 autour de chaque passage 12 pour pouvoir y loger la tête 10a d'une vis 10, et le passage 14 du plateau 2 qui est axialement aligné avec le passage 14 est taraudé pour coopérer positivement avec la tige filetée lOb de la vis 10. Une rondelle isolante 17 est avantageusement rapportée sur chaque face d'extrémité des cylindres piézo-électriques P1 à P6. Les sorties électriques (non représentés) du capteur sont situées au niveau des cylindres piézo-électriques et reliées à des circuits de traitement pour effectuer les mesures des contraintes reçues par chaque cylindre piézo-électrique. La partie centrale de chaque plateau 1 et 2 peut être percée d'une ouverture centrale de dégagement 18. Cette ouverture 18, usinée par enlèvement de matière, permet d'alléger le capteur et peut être utilisée pour le passage de câbles par exemple. Enfin, un capot peut être rapporté sur le capteur en laissant toutefois dégagées les deux faces externes lb et 2b des deux plateaux 1 et 2 pour pouvoir assurer leur fixation entre deux pièces mécaniques. Pour faciliter le montage du capteur, notamment celui des cylindres piézo-électriques P1 à P6, l'invention prévoit également un procédé de fabrication qui consiste, à partir d'une pièce cylindrique de métal 20 en acier ou en aluminium, à effectuer les opérations décrites ci-après en référence aux figures 4a-4e. Dans une première étape, illustrée à la figure 4a, le procédé consiste à usiner dans la paroi externe de la pièce cylindrique 20, six cavités C1 à C6 régulièrement réparties autour de la pièce cylindrique 20, chaque cavité délimitant deux surfaces d'appui planes S1 et S2, parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction suivant laquelle doit être aligné un cylindre piézo-électrique associé à chaque cavité. La distance séparant les deux surfaces S1 et S2 correspond à l'épaisseur des cylindres piézo-électriques qui seront montés par la suite. Dans une seconde étape illustrée à la figure 4b, on perce dans la pièce cylindrique 20 six passages associés respectivement aux six cavités C1-C6, chaque passage traversant la cavité associée en étant percé suivant un axe perpendiculaire aux deux surfaces S1 et S2 de ladite cavité, de manière à délimiter les deux passages 12 et 14 axialement alignés et illustrés à la figure 1. Ensuite, on usine les lamages 16 autour des orifices des passages 12 qui débouchent à l'extérieur de la pièce cylindrique 20. Dans une troisième étape illustrée à la figure 4c, on procède à des usinages complémentaires, notamment le perçage de l'ouverture centrale 18 et le taraudage des passages 14. Dans une quatrième étape illustrée à la figure 4d, on procède au découpage de la pièce cylindrique 20 pour obtenir deux plateaux 10 et 12, le plan de coupe étant perpendiculaire à l'axe de la pièce cylindrique 20 et passant au travers des cavités C1-C6, chaque cavité étant ainsi scindée en deux parties. Dans une dernière étape illustrée à la figure 4e, on procède au montage des cylindres piézo-électriques P1 et P6 dans les cavités C1 à C6 et à leur fixation au moyen des vis 10. Selon un mode de fonctionnement du capteur précédemment décrit, les efforts transmis par exemple par le plateau 1 peuvent être représentés par un torseur T (t). Ce torseur crée notamment des contraintes de traction/compression au niveau des cylindres piézoélectriques P1-P6, et ces contraintes génèrent des charges électriques qui, après intégration, deviennent des tensions électriques. Si on représente par V (t) le vecteur formé par les six tensions issues des cylindres piézoélectriques P1 à P6, tout torseur T engendre, dans la bande passante du capteur, une réponse linéaire du type V(t) = [M] x T(t) où [M] est la matrice de transfert (6 x 6), du capteur. Connaissant V(t) qui est le vecteur des mesures fournies par le capteur, on calcule alors le torseur Tx(t) Ty(t) Tz(t) T(t) = [M]-1 x V(t) = Mx(t) My(t) Mz (t) où [M] doit être connu en étant calculé ou identifié. Une façon de connaître [M] est de procéder par un moyen d'identification sur banc d'essai. Dans cette technique, on soumet le capteur à une série de torseurs connus T(t). On applique ensuite la méthode des moindres carrés généralisés pour déterminer la matrice [M]. Comme le nombre d'essais peut être très supérieur à l'ordre de la matrice recherchée, on utilise la méthode de la pseudo-inverse [M] = [VT V]-1 VT.T Les trois premières composantes du torseur Tx(t), Ty(t), Tz(t) sont les trois composantes de force et Mx(t), My(t) et Mz(t) sont les trois composantes de moment, sachant que le repère de référence est celui dans laquelle la matrice [M] est exprimée. REVENDICATIONS 1. Capteur de mesure d'un torseur de liaison entre deux pièces mécaniques et destiné à permettre la mesure d'un torseur de force complet avec trois composantes de force et trois composantes de moment, caractérisé en ce qu'il comprend six cylindres piézoélectriques (P1 à P6), dont les axes sont orientés suivant six directions (D1 à D6), deux plateaux de support (1,2) montés en vis-à-vis et respectivement en contact avec les deux faces d'extrémité de chaque cylindre piézo-électrique (P1 à P6), et des moyens (10) pour fixer les six cylindres piézo-électriques (P1, P6) entre les deux plateaux (1,2). 2. Capteur de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes des six cylindres piézoélectriques (P1 à P6) sont orientés suivant une structure triaxiale à symétrie ternaire. 3. Capteur de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les six cylindres piézoélectriques (P1 à P6) sont régulièrement répartis vers la périphérie des deux plateaux (1, 2). 4. Capteur de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux plateaux (1,2) présentent respectivement deux faces principales planes (la,2a) parallèles et en regard l'une de l'autre, en ce que six cavités (C1 à C6) sont ménagées à chacune de ces deux faces principales (la, 2a), et en ce que deux cavités de chacune des deux faces (la, 2a) et qui sont destinées à recevoir les extrémités d'un cylindre piézo-électrique ont chacune une surface d'appui (S1;S2) perpendiculaire à la direction suivant laquelle doit être aligné le cylindre piézo-électrique associé auxdites cavités. 5. Capteur de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque cylindre piézo-électrique est traversé axialement par une vis (10) formant un moyen de fixation du cylindre piézo-électrique sur les deux plateaux (1, 2), chaque vis (10) formant également un élément de pré-contrainte du cylindre piézo-électrique contre les deux surfaces principales (la, 2a) des deux plateaux (1, 2). 6. Capteur de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque vis de fixation (10) est engagée dans deux passages (12, 14) axialement alignés et respectivement percés dans les deux plateaux (1, 2). 7. Capteur de mesure selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une rondelle isolante (17) est rapportée sur chaque face d'extrémité des cylindres piézo-électriques (P1 à P6). 8. Procédé de fabrication d'un capteur de mesure d'un torseur de liaison entre deux pièces mécaniques et destiné à permettre la mesure d'un torseur de force complet avec trois composantes de force et trois composantes de moment, mesure effectuée au moyen de six cylindres piézo-électriques, dont les axes sont orientés suivant six directions, caractérisé en ce qu'il consiste, à partir d'une pièce cylindrique de métal (20) en acier ou en aluminium:: - à usiner dans la paroi externe de la pièce cylindrique (20) six cavités (C1 à C6) régulièrement réparties autour de la pièce cylindrique (20), chaque cavité délimitant deux surfaces d'appui planes (S1, S2) parallèles et perpendiculaires à la direction suivant laquelle doit être aligné un cylindre piézo-électrique, - à percer dans la pièce cylindrique (20), six passages associés respectivement aux six cavités (C1 à C6), chaque passage traversant la cavité associée et étant percé suivant un axe perpendiculaire aux deux surfaces d'appui (S1, S2) de ladite cavité, - à découper la pièce cylindrique (20) pour obtenir deux plateaux de support (1, 2), le plan de coupe étant perpendiculaire à l'axe de la pièce cylindrique (20) et passant au travers des cavités (C1 à C6), chaque cavité étant ainsi scindée en deux parties, - à mettre en vis-à-vis les deux plateaux (1, 2) de manière à pouvoir introduire entre les deux parties de chaque cavité, un cylindre piézo-électrique, dont les deux surfaces d'extrémité viennent respectivement en appui sur les deux surfaces (S1, S2), et - à introduire respectivement six vis de fixation (10) dans les six passages, chaque vis traversant axialement le cylindre piézo-électrique associe. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à orienter les axes des six cylindres piézo-électriques (P1 à P6) suivant une structure triaxiale à symétrie ternaire.