Brevet FR2813677A1 — publié le 20020308

PROCEDE ET SYSTEME POUR LA REALISATION D'UNE SURFACE DE FORME FIGEE DE GRANDE PRECISION DOMAINE GENERAL DE L'INVENTION ET ART ANTERIEUR La présente invention est relative à la réalisation d'une surface de forme figée de grande précision. Elle trouve avantageusement - mais non limitativement - application pour la réalisation de surfaces réflectrices de grandes dimensions (1 ml ou plus) et notamment de surfaces de réflexion optiques. La réalisation avec une grande précision (de l'ordre de 1 à quelques Nm) de surfaces de forme figée et notamment de miroirs de grandes dimensions nécessite aujourd'hui des techniques qui sont d'une mise en oeuvre longue et délicate et qui utilisent des moyens lourds et chers (polissage, usinage diamant, etc.). L'invention propose quant à elle un procédé de réalisation qui ne présente pas ces inconvénients. On connaît des réflecteurs actifs qui se présentent sous la forme de plaques de matériaux divers aptes à être déformées sous l'effet de forces mécaniques, hydrauliques, électrostatiques ou magnétiques contrôlées par un système de commande qui permet de modifier leur forme point par point. Les surfaces de ces réflecteurs ne sont absolument pas figées, puisqu'au contraire il est possible de les modifier et corriger à tout moment. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose quant à elle un procédé pour la réalisation d'une surface de forme figée, selon lequel on modifie une surface déformable en agissant sur une pluralité de points différents de ladite surface, on contrôle l'écart entre la forme modifiée obtenue et la forme théorique recherchée et on fige ladite surface lorsque cette forme théorique est atteinte avec une précision inférieure à un seuil de précision donné. Un tel procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons possibles - on fixe sur la pièce qui définit ladite surface déformable (notamment à l'aide d'interfaces spécifiques ( patins, lames flexibles, ... , une pluralité de tiges aptes à être déplacées axialement par des actionneurs et , pour figer la surface, on immobilise lesdites tiges par rapport à un support ; - le support est une structure mécanique présentant une pluralité d'orifices par lesquels lesdites tiges traversent ladite plaque, lesdits orifices permettant de guider les tiges dans leur déplacement axial ; - le procédé comporte les étapes suivantes # première mise en forme de la surface déformable au moyen d'un préformage mécanique (sous contrainte ou permanente) ; # positionnement de la plaque support en regard de la pièce qui définit la surface déformable ainsi préformée, puis mise en place des tiges par coulissement à travers les orifices de ladite plaque et fixation desdites tiges sur ladite pièce ; # correction de la surface déformable par déplacement axial desdites tiges # immobilisation desdites tiges par rapport à la plaque ; # si nécessaire, on met en oeuvre une finition au moyen d'un polissage, d'un sablage ou d'un usinage ionique, le moyen utilisé dépendant du matériau. - les tiges sont figées par collage par rapport à la plaque ; - les tiges sont figées par des moyens mécaniques (friction, serrage, soudure) ; - le seuil de précision est de l'ordre de ou inférieur à 1 ou quelques Nm. L'invention concerne également un outil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé qui comporte un jeu de tiges aptes à être fixées sur la surface déformable, un jeu d'actionneurs aptes à déplacer axialement lesdites tiges, un support par rapport auquel les tiges peuvent être fixées, un moyen pour la mesure de la position de différents points de ladite surface, des moyens de traitement aptes à commander les actionneurs en fonction des mesures réalisées par le moyen de mesure. L'outil proposé comporte en outre des inserts de verrouillage qui permettent de bloquer les tiges par friction, serrage, soudure ou collage par rapport audit support. Comme on l'aura compris, une telle technique présente l'avantage important de permettre une diminution du coût de réalisation puisqu'elle n'utilise que des moyens particulièrement simples. PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre un exemple de réflecteur obtenu en mettant en oeuvre un procédé conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique des moyens utilisés pour une mise en ceuvre possible de l'invention ; - les figures 3a à 3i illustrent différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre possible pour l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique en vue en coupe de moyens de fixation qui peuvent être utilisés pour mettre en oeuvre le procédé tel qu'illustré sur les figures 3a à 3i ; - les figures 5a et 5b illustrent un mode de réalisation dans lequel on utilise une plaque support dédoublée, cette plaque étant représentée en vue de dessus sur ces figures. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATIONS POSSIBLES POUR L'INVENTION On va maintenant décrire en référence aux figures la réalisation d'une surface optique de réflexion conformément à un exemple de mise en oeuvre possible de l'invention. La pièce formant réflecteur qui est obtenue à l'issue de cette mise en oeuvre est composée, ainsi que l'illustre la figure 1, de deux parties, à savoir - une surface de réflexion 1 typiquement formée d'une peau mince métallique, - une structure porteuse rigide 2. La structure porteuse 2 est notamment constituée par une plaque support 3 qui est reliée à la surface de réflexion 1 au moyen d'un réseau de tiges 4. Ces tiges 4 traversent la plaque support 3 dans des évidements prévus à cet effet dans celle-ci. Elles sont fixées d'une part sur ladite plaque 3, par exemple au moyen d'un jeu d'inserts de verrouillage 5, et d'autre part sous la surface de réflexion 1 à l'aide de patins de fixation. Description générale d'un outillage utilisé et d'une mise en oeuvre de cet outilla e Un outillage utilisé pour réaliser une structure du type de celle de la figure 1 peut être celui qui est représenté sur la figure 2. II comprend - un socle 6 qui porte la plaque support 3, - un jeu d'actionneurs 7 permettant de déplacer axialement les tiges 4, ce jeu d'actionneurs 7 étant reçu dans le fond du socle 6, - un moyen de mesure 8 qui permet de contrôler point par point la hauteur de la surface de réflexion 1, - des moyens de traitement 9 qui constituent un banc de mise en oeuvre qui contrôle les actionneurs en fonction des mesures réalisées par le moyen 8. La réalisation de la structure de la figure 1 au moyen de cet outillage s'effectue en mettant en oeuvre les différentes étapes suivante 1) (figure 3a) première mise en forme de la surface de réflexion 1 en fixant celle-ci sur une préforme 10. En l'occurrence, la surface de réflexion étant concave, cette préforme est de type femelle. Comme on l'aura compris, la forme de cette préforme n'est pas nécessairement précise, mais est destinée à donner à la surface de réflexion 1 une première forme générale approchante. 2) (figure 3b) collage des patins : la surface de réflexion est retournée sur une préforme complémentaire 11, de façon à permettre de travailler sur sa face opposée à sa face optique. On met en place sur cette face opposée un jeu de patins P qui est par exemple fixé par collage sur cette face. 3) (figure 3c) : on positionne la plaque support 3 en regard de la surface sur laquelle on a mis en place les patins, puis on fait passer les tiges 4 à travers ladite plaque support 3, avant de les coller sur les patins. La plaque support 3 sert ainsi dans cette étape à guider les tiges avec précision ; elle permet un encollage et une mise en place simultanés des embouts de toutes les tiges sur les patins P. Une armature 12 est alors utilisée pour soutenir la plaque 3. 4) mise en place des actionneurs : la structure ainsi obtenue est retournée sur le socle 6 (figure 3d), tandis que le jeu d'actionneurs 7 est mis en place (figure 3e). La mise en place des actionneurs 7 sur les tiges 4 se fait soit manuellement, si le nombre de tiges n'est pas trop important (le cas échéant avant retournement), soit de façon automatique au moyen d'un outil robotisé prévu à cet effet. 5) (figure 3f) : correction active - les actionneurs sont commandés par les moyens de traitement 9, en fonction des mesures effectuées par le moyen 8, pour faire coulisser les tiges 4 sur elles-mêmes, jusqu'à ce que la surface de réflexion ait pris la forme précise souhaitée. Lorsque c'est le cas, les inserts de fixation 5 sont verrouillés à l'aide d'un mécanisme de verrouillage. 6) l'ensemble obtenu est ensuite retourné (figure 3g) pour permettre une intervention permettant d'immobiliser définitivement les tiges sur la plaque de fixation (figure 3h). Cette intervention se fait par exemple par collage, soudure au laser, ou serrage des embouts d'inserts par une vis, etc. 7) (figure 3i) - finition - Après stabilisation, on peut déverrouiller le mécanisme de verrouillage. Dans la plupart des cas, il faudra couper les extrémités de tiges, pour des raisons d'encombrement. La précision de la pièce finale obtenue peut être de l'ordre ou inférieur à quelques pm selon la performance finale recherchée. Cette précision peut encore être améliorée par un post-traitement (polissage, sablage fin, usinage ionique, ...). Le moyen de mesure 8 Le moyen de mesure 8 de la forme du réflecteur peut être de différents types : profilomètre à triangulation, interféromètre, Shack Hartman ou tout autre moyen permettant d'obtenir une cartographie de hauteur ou de pente de la surface du réflecteur. II est choisi pour permettre une résolution spatiale supérieure au nombre de tiges et une précision de mesure meilleure que la précision recherchée pour la pièce. Ce moyen de mesure 8 - qui est relié aux moyens de traitement 9 - foumit auxdits moyens de traitement une cartographie des écarts à la forme théorique. II est préférentiellement de type à mesure sans contact, ou à défaut, permet une maîtrise suffisante de la force de contact qu'il exerce sur la surface de réflexion 1. II est choisi avec une vitesse de mesures rapide permettant de traiter un grand nombre de points de mesure dans un temps raisonnable et de limiter l'influence d'éventuelles instabilités des actionneurs dues à la variation de température de ceux-ci pendant la mesure, ou à toute autre cause. Dans le cas de miroirs, des méthodes classiques d'interférométrie sont bien adaptées, les moyens 8 pouvant alors avantageusement être constitués par de l'interférométrie IR. Pour des pièces à surface diffusante (cas d'un radiotélescope), on peut avantageusement utiliser un profilomètre optique du type à triangulation. Des mesures par sphérométrie ou machine à mesurer 3D sont également envisageables, avec une préférence pour l'utilisation de palpeurs sans contact (courant de foucault, capacitif, triangulation optique...). Les moyens de traitement 9 Les moyens de traitement 9 comportent quant à eux - un calculateur type PC, - une carte permettant l'acquisition des mesures (cartographie de surface), - une ou plusieurs cartes d'entrées/sorties analogiques, afin de fournir les tensions de commande pour chaque actionneur, et, éventuellement, de mesurer les courants circulant dans ceux-ci, - un jeu d'amplificateurs de puissance, - une connectique de liaison avec les actionneurs 7, - des moyens logiciels pour gérer le moyen de mesure 8 et la commande des actionneurs. Les actionneurs 7 Les actionneurs 7 sont quant à eux préférentiellement des actionneurs linéaires de type moteur de haut parleur , avec une commande en courant. Ils sont choisis pour leur simplicité, afin de réduire le coût de l'outillage. On notera que si les actionneurs sont portés par les tiges 4, leur poids se répercute sur la surface de réflexion 1, ce qui peut être très bien compensé dans la mesure où cela réalise une pré-correction précise et très stable, même sil s'agit d'une force externe à la surface de réflexion. Toutefois, on ne devrait idéalement appliquer que des forces internes à l'ensemble constitué par la surface de réflexion 1 et la structure porteuse. En effet, lorsque l'on fige la forme de la surface de réflexion, toutes les forces (à l'exception de la gravité et des réactions aux interfaces) deviennent internes : les forces qui étaient appliquées aux tiges par les actionneurs sont appliquées par réaction à la structure porteuse. L'ensemble va alors se déformer, en fonction de la rigidité de cette structure. Ceci peut être un problème si la rigidité de la structure porteuse n'est pas très grande devant celle de la surface de réflexion, ou dans le cas où la déformation appliquée à celle-ci est très importante vis à vis de la précision recherchée. On notera par ailleurs qu'un critère important est le guidage des tiges dans les trous de la plaque 3. En effet, le principe de verrouillage implique que les tiges 4 passent dans des trous au niveau de la structure porteuse avec un très faible jeu. Un désalignement des tiges risque de conduire à du frottement, avec une influence importante sur la précision. Un système à rotor en l'air est à éviter, car le mode propre de balancement des rotors au bout de leurs tiges empêcherait toute mesure. Par ailleurs, un guidage des tiges permet un fonctionnement de l'outillage dans une position autre que horizontale. Par ailleurs également, on a un assemblage automatique des tiges aux actionneurs dès que le nombre d'actionneurs est important. II faut essayer d'automatiser cet assemblage, en particulier pour des produits de série. Par ailleurs, nous devons prendre en compte le fait que les tiges sont de préférence toutes de même longueur, pour des raisons de coût. L'accrochage devra donc se faire à des hauteurs différentes sur les tiges. Egalement, on prévoit de façon préférentielle des moyens d'amortissement des déplacements commandés par les actionneurs. En effet, même équilibrée, la masse du rotor d'un actionneur est connectée mécaniquement à la face réflective. Les modes propres qui en résultent sont assez bas. II est donc souhaitable d'introduire un amortissement puissant dans le système. Ces moyens d'amortissement sont avantageusement du type à courants de foucault. Ces différents critères conduisent à utiliser un moteur plat, monté dans un cadre en aluminium (ce qui fournit l'amortissement), dont le rotor et le stator sont chacun montés sur un axe, avec le même bras de levier. Le rotor se connecte sur la tige. Le stator s'appuie sur la structure porteuse au niveau de l'insert de verrouillage de la tige. On est ainsi assuré d'appliquer les efforts symétriquement. Le rotor et stator sont choisis équilibrés par rapport à leur axe ou, à défaut, ont des balourds opposés. Pour le verrouillage tige/actionneur, le plus simple est de dupliquer le dispositif prévu pour le verrouillage des tiges sur la structure porteuse. Les inserts de verrouillage 5 Le verrouillage des tiges 4 sur la plaque 3 permet de figer la forme de la surface sans qu'elle ne se détériore ultérieurement. Le verrouillage est à cet effet réalisé avec des moyens qui permettent de ne pas introduire de forces parasites et de ne pas fluer. Notamment, il peut être réalisé par un collage ou encore par des moyens mécaniques du type de ceux représentés sur la figure 4. Ces moyens mécaniques peuvent eux-mêmes être utilisés à titre provisoire, comme un outil permettant de préfiger les tiges 4 par rapport à la plaque 3, avant leur fixation définitive. De tels moyens peuvent notamment avantageusement être constitués par des inserts 13 dont la découpe présente d'une part un trou cylindrique 13a destiné à recevoir une tige 4, ce trou étant ouvert au niveau d'un de ces diamètres, ladite découpe présentant d'autre part deux pattes ou flans élastiques 13b qui s'étendent de façon parallèle à partir de l'ouverture dudit trou. Une pince 14 vient, par son élasticité, plaquer les deux flancs de l'insert l'un vers l'autre, ce qui provoque le blocage de la tige 4 par friction. Lorsqu'elle est manoeuvrée en sens inverse, cette pince libère l'insert et la tige. La plaque de verrouillage 3 On notera enfin que la plaque de verrouillage 3 peut être avantageusement constituée, ainsi qu'illustré sur les figures 5a et 5b, par deux plaques superposées 3a et 3b qui présentent des orifices aptes à recevoir les tiges 4 et les pattes 13b des inserts, ces deux plaques 3a et 3b étant aptes à coulisser l'une sur l'autre pour, dans une position relative (figure 5a), bloquer les tiges 4 par friction des inserts 13 et dans une autre position relative (figure 5b) libérer lesdites tiges 4. Divers Par ailleurs, on notera que les deux préformes peuvent être constituées de simples blocs de mousse. Dans ce cas, ils servent également comme protection, et comme outillage de manutention et de transport de la face réflective. Avantaçres La technique qui vient d'être décrite présente de nombreux avantages, les avantages essentiels étant notamment les suivants - Diminution du coût, grâce à l'emploi d'un ménisque (coût matière) et d'une structure porteuse simple. - Grand rapport raideur/masse surfacique, grâce à l'emploi de matériaux adaptés pour les fonctions réflexion et structure. - Possibilité de matériaux hétérogènes, grâce au découplage latéral apporté par les tiges. - Bon comportement thermique, d'une part pour la raison ci-dessus, d'autre part grâce à la symétrie possible au niveau de la structure porteuse. D'autre part, la circulation de l'air autour de la structure est facilitée, et rend la température plus homogène. - Diminution du coût de fabrication, par la possibilité d'emploi de techniques à faible coût pour la structure (les tolérances géométriques sont larges à ce niveau), et par élimination de l'essentiel des opérations de type polissage, qui se résument alors à l'obtention d'un état de surface. Ces opérations sont remplacées par la mise en forme active, quasi instantanée. Le temps de mesure n'est pas compté, car il est de toutes façons nécessaire, quelque soit le procédé. II est probablement diminué également grâce à une très bonne convergence du procédé actif. - Dans certains cas, possibilité d'utiliser une forme simple pour réaliser le réflecteur (plan, sphère) que l'on vient ensuite déformer, en restant dans le domaine élastique, afin d'obtenir une forme asphérique. Applications De nombreuses applications sont envisageables pour l'invention. Notamment, l'invention s'applique avantageusement à la réalisation de réflecteurs pour radio télescopes, d'antennes, de miroirs pour télescopes, de plans d'autocollimation de grandes dimensions, de moules précis et complexes, etc. Cette technique est particulièrement adaptée pour des pièces de grandes dimensions, ou pour applications spatiales ou aéroportées, ou pour des productions de série (miroirs segmentés). Elle trouve de façon plus générale application pour la réalisation de formes quelconques : asphériques, off-axis, gauches, découpe quelconque ; etc.. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation d'une surface de forme figée, caractérisé en ce qu'on modifie une surface déformable en agissant sur une pluralité de points différents de ladite surface et en ce qu'on contrôle l'écart entre la forme modifiée obtenue et la forme théorique recherchée et on fige ladite surface lorsque cette forme théorique est atteinte avec une précision inférieure à un seuil de précision donné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fixe sur la pièce qui définit ladite surface déformable une pluralité de tiges aptes à être déplacées axialement par des actionneurs et en ce que pour figer la surface, on immobilise lesdites tiges par rapport à un support. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support est une structure mécanique présentant une pluralité d'orifices par lesquels lesdites tiges traversent ladite plaque, lesdits orifices permettant de guider les tiges dans leur déplacement axial. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par les étapes suivantes - première mise en forme de la surface déformable au moyen d'un préformage ; - positionnement de la plaque support en regard de la pièce qui définit la surface déformable ainsi préformée, puis mise en place des tiges par coulissement à travers les orifices de ladite plaque et fixation desdites tiges sur ladite pièce ; - correction de la surface déformable par déplacement axial desdites tiges ; - immobilisation desdites tiges par rapport à la plaque. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on met en outre en oeuvre une finition au moyen d'un polissage, d'un sablage ou d'un usinage ionique. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les tiges sont figées par collage par rapport à la plaque. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les tiges sont figées par des moyens mécaniques. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de précision est de l'ordre de ou inférieur à 1 ou quelques Nm. 9. Outil pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un jeu de tiges aptes à être fixées sur la surface déformable, un jeu d'actionneurs aptes à déplacer axialement lesdites tiges, un support par rapport auquel les tiges peuvent être fixées, un moyen pour la mesure de la position de différents points de ladite surface, des moyens de traitement aptes à commander les actionneurs en fonction des mesures réalisées par le moyen de mesure. 10. Outil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des inserts de verrouillage qui permettent de bloquer les tiges par friction, serrage, soudure ou collage par rapport audit support.