Brevet FR2731513A1 — publié le 19960913

DESCRIPTIF La présente invention concerne un dispositif mécanique dont la cinématique particulière autorise six degrés de liberté lorsque le dispositif est placé entre deux points appartenant chacun à un solide distinct, de plus les déplacements entre deux points des solides sont mesurés et rendus dans un système de coordonnées tri-axes orthogonaux. Un dispositif d'absorption de mouvements et de mesures selon la présente invention est utilisable, en particulier, pour mesurer les déplacements d'un point d'un tablier mobile d'un pont par rapport à un autre point situé sur une tête de pile ou sur culée réputée fixe, sur laquelle le tablier est en général posé et peut se mouvoir sans contrainte sur son appui selon les sollicitations de toutes natures auquel il est soumis. Bien entendu, le dispositif objet de l'invention n'est pas limité à cette application et peut être utilisé pour quantifier en rendre dans un système coordonnées la position entre deux points, dont chacun appartient à un objet distinct, mobile ou non. L'on connait de nombreux dispositifs de mesure comportant des capteurs pour déterminer la distance entre deux objets ainsi que leur position dans I'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 l'espace 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 ultra-sonique ou électromagnétique, émis par une source optique, sonore ou magnétique vers un objet dont on souhaite connaître l'éloignement 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 règnant entre les deux objets. Cela se révèle être un inconvénient majeur surtout lorsque l'on utilise ces capteurs en plein air où ils sont soumis à des conditions atmosphériques variables, de plus 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 entre deux points distincts dans un système de coordonnées. Dans la deuxième catégorie, les capteurs sont en contact mécanique avec les objets dont on souhaite déterminer la distance et la position dans l'espace. Dans une première sous-catégorie, les capteurs sont directement liés aux objets dont on veut déterminer les mouvements. On peut citer notamment, I'extensomètre à jauges de contrainte qui est appliqué principalement à la mesure de déformations de structures plutôt qu'à la mesure de déplacement de forte amplitude, L'appareil indicateur de déplacement au moyen d'une pression de liquide, décrit dans FR-A-I 519 943, L'appareil indicateur de déplacement unidirectionnel par lecture sur une règle graduée, décrit dans FR-A-2 357 862, et, le système magnétique par déplacement de noyau décrit dans FR-A-2 637 683, FR-A-2 459 455 et dans FR-A-2 538 536. Cependant, bien des 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 l'espace. Il existe, dans la même sous catégorie de capteurs, des systèmes à câbles, autorisant la mesure de déplacement dans l'espace de deux ojbets. 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 une des extrémités est liée à un objet, peut donc se déplacer dans l'espace en aval desdits moyens de guidage et de support du câble. On peut ainsi mesurer l'éloignement de l'objet, mais ce système ne permet pas de déterminer la position de l'objet dans l'espace dans un système de coordonnées orthogonales. 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 déformations très faibles, de l'ordre du centimètre, et dans le cas d'une application avec des déformations de grandes amplitudes, les mesures sont faussées, car le dispositif de mesure est solidaire d'une partie de bras fixe articulé en rotation et l'autre partie dudit bras est de longueur variable. Dans une deuxième sous catégorie, les capteurs sont reliés à l'objet indirectement, au moyen d'un dispositif interface. FR-A-2 616 901 et FR-A-2 567 264 décrivent des dispositifs d'extensométrie multiaxiale, possédant une interface qui autorise trois mouvements de rotation, appliqués à des mesures de faibles amplitudes sur éprouvette. FR-A-2 604 779 décrit une machine de mesure tridimensionnelle dans laquelle l'interface comporte trois degrés de liberté deux déplacements linéaires et un déplacement de rotation, limitant les mouvements angulaires, et, autorise seulement un palpage de position. FR-A-2 560 985 décrit une machine à mesurer dans laquelle l'interface comporte quatre degrés de liberté définis par trois translations et une 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. Dans cette même interface, à l'issue de cette succession d'axes longitudinaux, une liaison rotule peut être installée autorisant les déplacements angulaires, néanmoins, les mesures linéaires s'en trouvant faussées. FR-A-2 544 482 et FR-A-2 518 739 décrivent également une machine de mesure tridimensionnelle dans laquelle l'interface comporte des éléments porte palpeurs aptes à se déplacer dans trois directions linéaires orthogonales. JP-A-57-l 10 906 décrit un dispositif de mesure d'élongation comportant une interface d'asservissement en position par un servo-mécanisme, la cinématique du système n'autorise pas la mesure de tous les déplacements spatiaux. Bien des dispositifs décris prédédement 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 différents déplacements linéaires et angulaires de l'objet. US-A-3 553 842 présente un dispositif dont l'interface est constitué de deux ensembles perpendiculaires de systèmes de mesure à câble et tambour, rendant une mesure dans un plan selon deux axes. GB-A-2 129 566 décrit un système permettant de déterminer la position d'une sonde rattachée à des conducteurs électriques constituant l'interface, la mesure s'effectue par analyse d'une onde électrique et offre une mesure selon deux axes linéaires et un axe angulaire. JP-A-57 017 801 décrit un dispositif comportant une interface autorisant tout type de déplacement entre deux objets par des liaisons angulaires et une liaison linéaire, ainsi l'ensemble donne une distance entre deux mobiles, en aucun cas cette distance est décomposée pour permettre la mesure entre deux points exprimée dans un repère orthonormé. La demande de brevet FR-93 04 060 décrit un dispositif capable d'absorber et de mesurer tous les mouvements entre deux objets, I'interface est constituée de deux glissières et des moyens de rotation tels que pivots ou rotules. Ce système est destiné à mesurer des déplacements de l'ordre du mètre. Une des glissière, de longueur du déplacement précité, est rapportée sur un des deux dits objets, néanmoins, de par sa longueur, le nombre de points de fixation de ladite glissière ne sera pas unitaire, de plus des déplacements peuvent apparaître entre ces points de fixation, par conséquent, le dispositif ne permet pas une mesure précise entre deux points. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure qui élimine les inconvénients précités. Il autorise le mouvement et le déplacement spatial de deux points, chacun appartenant à un objet distinct, et, il permet de mesurer ledit déplacement et de rendre le résultat dans un système de coordonnées lié ou extérieur au dispositif. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la position et du déplacement relatif de deux points appartenant chacun à un solide distinct, caractérisé en ce qu'il comporte deux liaisons rotules ou équivalentes, par exemple trois liaisons pivots dont les axes définissent un système orthogonal, ces liaisons rotules sont aptes à être fixées, en amont, aux points préférés sur les deux objets distincts. Lesdites liaisons rotules sont reliées entre elles, en aval, par une liaison glissière, l'une de ces liaisons rotules est reliée à un rail de guidage, par des moyens de fixation, et, I'autre liaison rotule est reliée, par des moyens de fixation, à un organe mobile se déplacant le long dudit rail de guidage. L'ensemble ainsi constitué, forme un système à six degrés de liberté, et, fixé à deux points préférés dont chacun appartient à un objet distinct, permet en toute liberté un déplacement spatial desdits deux points l'un par rapport à l'autre. La mesure des déplacements, entre deux points appartenant chacun à un objet distinct, est effectué selon un mode de réalisation préféré avec un capteur de déplacement linéaire et des capteurs angulaires. Selon un mode de réalisation préféré, une mesure linéaire coopère avec la liaison glissière, celle-ci peut être par exemple un capteur utilisant une technologie à résistances électriques, tel qu'un capteur à câble et tambour, ou bien de technologie mutuelle inductance ou encore par la mesure du trajet d'une onde tel que magnéto-sonique. Selon un même mode de réalisation préféré, des capteurs inclinomètriques sont fixés par des moyens de fixation sur le rail de la liaison glissière. Ces capteurs inclinometriques mesurent les écarts angulaires entre plusieurs axes préférés du rail de ladite liaison glissière et un axe colinéaire à celui de la gravité. La technologie utilisée pour ce type de capteurs repose sur la mesure de la position angulaire d'une masselotte pesante. Selon un même mode préféré de réalisation, des capteurs coopérant avec les liaisons rotules permettent la mesure de la rotation propre de l'axe de déplacement de la liaison glissière. Après acquisition des données mesurées par les différents capteurs, on obtient par calculs trigonométriques, dans un système de coordonnées extérieur ou lié au dispositif les déplacements relatifs dans l'espace de deux points, chacun appartenant à un objet distinct. De préférence, le dispositif de mesure est logé dans une enceinte de protection, telle qu'une enveloppe manchon à soufflets. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire ci-après, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, deux modes de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels. - 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 aux dessins, on voit que le dispositif de mesure 1 est installé entre deux points 2a et 3a d'objets distincts 2 et 3 schématisés par des hachures. Les objets 2 et 3 peuvent être selon une application particulière, mais non limitée à cette utilisation, un tablier mobile et une tête de pile de pont qui peut être également mobile selon les contraintes exercées. On aperçoit également un repère R d'axes X, Y, Z illustré en perspective sur les dessins. Le repère R précité comporte également les vecteurs unitaires de rotations U, V, W portés respectivement par les axes X, Y, Z. De plus, on aperçoit le vecteur unitaire G de gravité.Illustré en perspective sur les dessins, un repère R' d'axes X, Y', Z' avec les vecteurs unitaires de rotation U', V', W' portés respectivement par les axes X, Y', Z' est installé sur le rail de guidage Qa de la liaison glissière 6. Le repère R peut être installé et centré à un point de fixation du dispositif I sur l'un des deux objets 2 ou 3, le repère R' se déplace par rapport à R. Le dispositif de mesure 1 comporte une première liaison rotule 4 laquelle est fixée en amont à un point préféré 2a de l'objet mobile 2. En aval de la liaison rotule 4 est reliée le rail de guidage 6a de la liaison glissière 6. L'organe mobile 6b de la liaison glissière 6 est relié à une tige 7, laquelle tige 7 est reliée en aval de la seconde liaison rotule 5. On aperçoit en amont de la liaison rotule 5 la fixation avec un point préféré 3a de l'objet mobile 3. Sur la figure 1, sont illustrés les éléments de mesures. On aperçoit le capteur de déplacement linéaire 6c constituant également la liaison glissière, L'organe mobile 6b possède un noyau magnétique permettant de localiser sa position sur le rail de guidage - par des moyens d'ondes ultra sonore et électrique associées au rail de guidage 6a. Sur le rail de guidage 6a sont installés deux capteurs inclinométriques 8 et 9. Les capteurs inclinomètriques 8 et 9 sont disposés de façon perpendiculaire entre eux de manière à effectuer une mesure angulaire dans deux plans orthogonaux dont la normale à ces plans est perpendiculaire au vecteur unitaire G de gravité, on obtient ainsi deux écarts de rotation entre l'axe de guidage du rail 6a et celui de la gravité G.Les données des capteurs permettent d'obtenir, après calculs trigonométriques, la distance entre les deux points de fixation 2a et 3a du dispositif 1, les résultats sont obtenus suivant les directions des axes X Y, Z et les rotations selon les vecteurs unitaires U et V. Les câbles électriques 6d 8a et 9a sont destinés à l'alimentation et au retour des informations issues respectivement des capteurs 6c 8 et 9. Sur la figure 2, on aperçoit un montage des liaisons rotules 4 et 5 constituées par trois liaisons pivots dont les axes sont orthogonaux. Des capteurs de mesures angulaires 10 et 11 installés sur les liaisons pivots 4c et 5~ permettent la mesure de la rotation propre et relative selon l'axe W de déplacement de la liaison glissière 6. Par calculs trigonométriques sur les mesures obtenues, les résultats peuvent etre donnés dans le repère R. On aperçoit également les câbles électriques 10~ et lla d'alimentation et de retour des informations issues des capteurs 10 et 11. 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 mesures linéaires et angulaires de la position relative de deux points matériels 23 et 3a autorisant six degrés de liberté entre les deux points 23 et 3a caractérisé en ce qu'il comporte une première liaison rotule 4, une liaison glissière 6 et une seconde liaison rotule 5 et des moyens de relier ces éléments, un appareil de mesure linéaire 6c coopérant avec la liaison glissière 6 et des appareils de mesure angulaire 8, 9, 10 et 11. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les liaisons rotules 4 et 5 sont aptes à être fixées aux points matériels 2a et 3a. 3- Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que les liaisons rotules sont reliées par des moyens de fixations à la liaison glissière 6,1'une des deux rotules au rail de guidage 6a et l'autre rotule à l'organe mobile 6b. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que un appareil de mesure linéaire 6c coopérant avec la liaison glissière 6, permette de déterminer la position de l'organe mobile 6b sur le rail de guidage 6a. 5 - Dispositif selon la première revendication caractérisé en ce que des appareils de mesure angulaire 8 et 9 sont installés perpendiculairement entre eux sur la liaison glissière 6. 6 - Dispositif selon la première revendication caractérisé en ce que les liaisons rotules 4 et 5 peuvent être constituées chacune de trois liaisons pivots, 4a 4b 4ç, 5a, 5b 5g, d'axes orthogonaux et que des appareils de mesure angulaire 10 et 11 peuvent être installés sur ces liaisons pivots afin de mesurer leur rotation. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les résultats donnés par les appareils de mesures permettent de donner, apurés calculs trigonométriques, la position relative des deux points 23 et 3a dans un système de coordonnées extérieur ou lié au dispositif. 8 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble du dispositif peut être installé dans une enceinte de protection autorisant les différents mouvements.