Brevet FR2841650A1 — publié le 20040102

Procédé de Compensation et Outil pour sa mise en oeuvre dans le domaine du vissage manuel. Le besoin de précision dans la réalisation des assemblages vissés pousse à une réduc5 tion des incertitudes des outils utilisés pour leur réalisation, caractérisation ainsi que pour l'audit qualité après vissage. Pour différentes raisons, entre autres à cause d'une accessibilité limitée, les outils utilisés pour les opérations décrites ci-dessus sont des clés dynamométriques capables de mesurer le couple et de plus en plus souvent également l'angle de rotation entre deux niveaux de couple spécifiés. Etant donné la complexité de tels outils ainsi que du nombre réduit d'exemplaires produits les prix sont élevés. D'autre part le nombre des outils requis décroît en fonction du couple maximal de travail autant pour des valeurs inférieures que supérieures à 200 Nm. Il est d'autre part connu que la majorité des clés disponibles sur le marché présentent l'inconvénient majeur d'afficher un couple mesuré dans un endroit différent de celui o le couple de travail est effectué et qui en plus est fonction de la position de la main de l'opérateur sur la poignée ou de la manière dont l'opérateur agit sur la poignée. Il y a bien entendu des exemples de solutions telles que celles présentées dans les brevets EP0362696 de Snap - On Tool Corporation ou dans le brevet US 4. 006.629 qui proposent des solutions limitées à une clé avec une étendue de travail. L'idée fondamentale du présent brevet est de mettre à disposition des utilisateurs des outils qui d'une part ne présente pas l'incertitude reliée à la position de la main ou de la force exercée sur la poignée et d'autre part de pouvoir s'adapter à différentes étendues de travail d'une manière rapide, aisée et sans besoins d'étalonnages additionnels. L'outil de serrage qui sera décrit plus bas est une des applications possibles et non limitative du procédé de compensation détaillé dans ce qui suit de même que les moyens de mesure et acquisition I traitement mentionnés sont une solution préférentielle pour l'application décrite mais pas unique et doivent être considérés uniquement comme exemple non limitatif. Le procédé permet la détermination du couple exercé à son extrémité par un bras de levier est basé sur une double mesure de couple de flexion du bras, à deux endroits différents, situés à une distance bien définie entre eux, ainsi que par un traitement linéaire bien défini des deux résultats de mesure pour exprimer une valeur proportionnelle au couple exercé en bout de bras sans que la position, le long du bras, de la force générant le couple puisse influencer les résultats. -1- Le procédé de compensation décrit plus haut permet de réaliser un procédé d'étalonnage d'un bras de levier équipé selon la revendication Nol et caractérisé par le fait que les moyens d'acquisition et traitement utilisés pour le bras de levier peuvent être reliés à un capteur de couple de référence auquel le bras de levier est directement, mécaniquement, relié pour la durée de l'étalonnage afin que le capteur soit sollicité par le couple exercé par le bras de levier, le capteur de référence étant alimenté par la même source que les moyens de mesure se trouvant sur le bras de levier. Le procédé de compensation des erreurs conduit à un outil de serrage manuel pour le mettre en oeuvre, outil qui est caractérisé par le fait que le bras de levier est équipé de 2 ponts comprenant chacun 4 jauges actives situés entre la poignée sur laquelle va s'exercer la force de travail et l'extrémité du bras, à une distance relative bien définie et constante, reliés à deux conditionneurs dont les sorties sont reliées à un convertisseur analogique I numérique qui met les résultats des conversions à disposition d'un micro processeur I contrôleur. Ce dernier réalise sur la base d'un algorithme défini dans le cais dre du brevet un traitement des valeurs reçues dont il affiche et met en mémoire le résultat. Celui-ci correspond au couple exercé en extrémité de bras et est totalement indépendant de la position de la force qui le génère sur la poignée de l'outil. L'outil mentionné plus haut permet de réaliser I 'étalonnage comparatif également mentionné s'il est caractérisé par le fait que le module électronique de l'outil peut alimenter également un capteur de couple de référence et dispose d'un conditionneur relié au dit capteur et dont la sortie est connectée au convertisseur mentionné plus haut. Le capteur peut être relié mécaniquement de telle façon que le couple exercé par l'outil sollicite en sa totalité le capteur de référence. Un algorithme spécifique fait l'acquisition simultanée des valeurs en provenance de l'outil et du dit capteur, les compare et adapte les coeffi25 cients de calcul pour l'outil de telle manière que les indications de l'outil soient identiques à celles du capteur de référence. La Figure 1 montre la configuration de l'ensemble de pièces composant le système envisagé consistant en: - un outil de base 1 conçu d'après les principes qui seront énoncés plus bas, d'un porte embouts 2 dans lequel on peut fixer toute une famille d'embouts de travail 3, d'une ou plusieurs rallonges spécifiques pour assurer l'accès à des assemblages 4 qui peuvent s'emmancher sur le porte - embouts et accepter à leur tour un embout de travail à leur extrémité et d'une ou plusieurs rallonges destinées à augmenter l'étendue de travail de - 2 - l'outil 5 et qui elles aussi acceptent des embouts de travail adaptés au couple nominal de travail correspondant à la rallonge. L'avantage de cette approche est double, d'une part l'incertitude globale est réduite et d'autre part un seul outil complexe peut couvrir plusieurs étendues de travail par simple ajout de rallonges dont le cot individuel est nettement plus faible que celui de l'outil de base. En plus cette approche permet d'augmenter les quantités en ce qui concerne l'outil de base et simplifier la logistique de l'utilisateur qui n'a besoin que d'un seul type d'outil de base. La Figure 2 montre o réside le problème mentionné plus haut comme défaut pénalisant la plus grande majorité de clés dynamométriques. Ce problème est tellement connu que les normes internationales d'étalonnage spécifient qu'une position bien définie de la force doit être respectée celle-ci étant même indiquée sur la poignée de certains outils. En considérant la figure 2 on voit que la mesure est faite dans la section B, là o se trouve le pont de jauges P mesurant la flexion du bras de levier tandis que le couple de i5 travail est exercé autour de l'axe A situé à la distance Lo du point d'action de la force active F. La section de mesure se trouve à la distance a de F. Ceci veut dire que le couple mesuré sera: Mm = F x a et le couple de travail sera: Mt = F x Lo. Si les distances a et Lo restent constantes alors il y a un rapport fixe entre elles: Mt= Mm x( Lola) et on peut introduire un coefficient de correction de l'affichage pour que la valeur affichée soit Mt au lieu de Mm. Si la force F change de position les deux distances sont modifiées avec la même valeur donc leur rapport change et on ne peut plus se baser sur la valeur affichée pour quantifier le couple exercé. Si l'on prend comme exemple un outil ayant Lo= 400 mm et a= 250 mm pour une variation de la position de F de seulement 20 mm les variations du couple exercé seront de d 3 %. Etant donné que les tolérances permises par les normes en vigueur sont limitées à environ 4% on voit que même cette petite variation occupe 3/4 de l'intervalle de tolérance. La méthode préconisée par la présente invention est expliquée en Figure 3. Le bras de levier est équipé de deux ponts de mesure PI et P2 situés en B et B' à une distance "e" l'un de l'autre et qui mesurent deux couples de flexion Ml et M2 et dont les signaux de sortie sont amplifiés par les conditionneurs AI et A2 ayant les gains GI et G2. Les tensions amplifiées sont conduites vers un convertisseur analogique-nummérique 8 qui à son - 3 - tour met les résultats de conversion à la disposition d'un microcontroleur ou micro - processeur 9 disposant d'un algorithme de calcul dont le principe est expliqué plus bas. Pour simplifier, on peut considérer que les sections de mesure B et B' sont identiques ayant un module de résistance en flexion W, que les deux amplificateurs d'instrumenta5 tion utilisés au conditionnement des ponts ont le même gain "G" et que les jauges des ponts ont les mêmes sensibilités kj. Cette simplification ne change rie à la procédure de compensation qui reste valide et peut être appliquée même si les valeurs sont différentes. Il est vrai que pour des raisons économiques il est plus simple de travailler avec des sections identiques, un seul type de jauges et un seul gain. L'algorithme de calcul sera un traitement linéaire des deux signaux afin d'obtenir un résultat qui sera dirigé vers l'afficheur et dont la valeur sera indépendante de la valeur de "a' tout en correspondant à la valeur physique du couple de travail exercé Mt. En exprimant Ml et M2 en fonction de Mt on obtient: Ml = Mt * (a+e)l(a+e+ c) et M2 = Mt * (a)l(a+e+c) après amplification et numérisation on dispose de deux valeurs S1 Mt GI(W E) (a e)I(a.e9+c) et S2= Mt GI(WE) aI(a+e+c). o E = module de Young du support des ponts de jauges En appliquant une relation linéaire comme suit: S = ml SI -m2 S2 on peut imposer la condition au résultat qu'il soit indépendant de la valeur de "a": S = m Mt GI(WE) = Mt GI(WE) x [ mi (a+e) - m2 a]I(a4.e+c) La condition enoncée plus haut est obtenue si mI-m2 =m. Il s'en suit que: ml = m(1+cle) et m2= m cle. Donc en multipliant le signal SI avec m*(1+cle), le signal S2 avec m*(cIe) et en faisant la différence des résultats on obtient une valeur qui est proportionnelle avec Mt sans être dépendante de "a". On voit que la valeur de m n'a pas été définie de quelle manière que ce soit et qu'elle peut donc prendre la valeur qu'on souhaite. On peut donc postuler que: m = 1I(1+cle) ce qui nous conduit aux valeurs ml =1 et m2 = (cle)1(1+cle) L'avantage de ce choix réside dans le fait que: - on ne fait qu'une seule multiplication donc on réduit les incertitudes provenant des arrondis. -4 - - on travaille avec des coefficients débordements de calcul. La valeur obtenue après compensation est indépendante de a mais doit être encore mise à l'échelle pour que l'affichage indique la vraie valeur de Mt. Cette opération d'étalonnage est faite par une mesure comparative avec un capteur de référence et en multipliant le signal résultant S avec un coefficient de mis à l'échelle. On voit que dans le cas d'une modification de la longueur du bras de levier par l'ajout d'une rallonge c'est uniquement la dimension c qui change car la position relative des deux ponts de mesure, e, est invariante. Donc il suffit de calculer une nouvelle valeur m2' avec la nouvelle valeur c' pour que la compensation soit à nouveau garantie. En ce qui concerne le coefficient de proportionnalité il est clair que si la valeur de a n'intervient plus on peut calculer le couple de travail pour la nouvelle longueur de bras en partant de celui pour la longueur précédente et en le multipliant avec le rapport des longueurs considérées avec la valeur nominale de L. Pour les rallonges de travail nominales fournies dans le cadre d'une livraison ces valeurs sont calculées d'avance et enregistrées dans la mémoire de l'outil de base. Il suffit donc soit d'indiquer au micro - contrôleur le type de rallonge soit d'équiper celle-ci d'un système de reconnaissance pour que l'adaptation au nouveau couple de travail soit faite automatiquement. La conséquence directe est qu'on peut passer d'une étendue de travail à une autre sans être obligé à effectuer un étalonnage car même en utilisant les longueurs nominales de bras l'erreur faite est très faible car les tolérances de fabrication de rallonges mécaniques sont très réduites se situant aux alentours de 5E-4... 1 E-3 de la longueur nominale. Une autre conséquence très avantageuse pour les utilisateurs est la possibilité d'un éta25 lonnage moins contraignant en production par comparaison avec un capteur de couple de référence insensible aux flexions données par la force "F". Il n'est plus nécessaire d'utiliser des dispositifs complexes et coteux ainsi qu'il malheureusement nécessaire avec les clés ne disposant pas de la compensation de position de la force. Cette opération d'étalonnage peut se faire soit en faisant une lecture double, sur l'affichage de la clé 11 et sur l'afficheur 14 connecté au capteur de référence 13 et en modifiant le coefficient de proportionnalité par une introduction manuelle de la valeur après un calcul de régression linéaire entre les deux séries de valeurs ou en utilisant les capacités de l'outil en permettant grâce à un conditionneur supplémentaire A 3 (12) la lecture et le traitement de l'information par le micro-controlleur 9 de l'outil. Une vérification peut se faire en faisant une -5- ou deux lectures ayant le capteur de référence relié à une autre chaîne de mesure 14 avec laquelle il a été également étalonné. Cette approche nommée "auto-étalonnage" offre à l'utilisateur une disponibilité presque totale de l'outil car il n'est plus nécessaire d'envoyer les outils pour étalonnage mais uni5 quement le capteur de référence. En effet grâce au principe, objet de ce brevet, il est nécessaire d'étalonner uniquement l'outil de base et donc l'utilisateur n'a besoin que d'un seul capteur de référence. La seule contrainte qui s'impose au module électronique est d'assurer une résolution d'au moins 1/2000 par polarité du signal et de faire les calculs sur un nombre d'octets suffi10 sant pour maintenir les erreurs d'arrondis à un niveau acceptable. Comme il a été expliqué plus haut la compensation se base sur la parfaite égalité des sensibilités des ponts de jauges, gains des conditionneurs et comportement des sections de mesure. En réalité les coefficients des jauges ne sont pas identiques bien que très proches et les autres éléments présentent également des dispersions par rapport à leur valeur nominale même si elles sont très faibles. La Figure 4 montre que dans le cas d'une parfaite égalité le rapport des signaux devrait être: SlIS2 = 1+ ela Ceci étant valable pour toute valeur de a si la condition d'égalité est respectée. En mesurant donc les deux signaux pour une valeur de a connue on peut calculer un coefficient de correction qui reste valable pour toute la vie de l'outil car si le zéro des ponts peut varier leurs comportement reste le même tant que les niveaux de contrainte n'ont pas été dépassés. Cette opération d'ajustage ne doit donc être faite qu'une seule fois en usine. Une fois cette opération réalisée pour l'utilisateur le système réagit comme si la condition d'égalité était remplie. - 6 - Revendications 1-Outil de serrage du type à bras de levier, permettant de déterminer le couple de serrage, caractérisé en ce que le bras de levier est équipé de deux ponts de mesure comprenant chacun 4 jauges actives, situés entre la poignée de l'outil et l'extrémité du bras de levier, à une distance déterminée et constante, et reliés à deux conditionneurs dont les sorties sont connectées à un convertisseur A/N, ce dernier étant relié à un micro - processeur I contrôleur qui réalise, sur la base d'un algorithme défini, un traitement des valeurs reçues, afin d'afficher et mémoriser la vraie valeur du couple de serrage. 2- Procédé de détermination de couple de serrage exercé par un outil de serrage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure le couple de flexion du bras de levier en deux endroits différents, situés à une distance déterminée, et en ce qu'on effectue un traitement linéaire prédéterminé des deux valeurs de mesure afin d'obtenir une valeur proportion15 nelle uniquement au couple exercé par l'outil. 3- Procédé d'étalonnage de l'outil de serrage selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on compare de préférence automatiquement la valeur de couple telle que mesurée par l'outil de serrage avec celle d'un appareil de référence soumis uniquement et en sa totalité au 20 couple exercé par l'outil de serrage et en ce qu'on adapte les coefficients de calcul intéressant le traitement des mesures de l'outil pour que les valeurs affichées par l'outil soient égales à celles indiquées par la référence.