Brevet FR2853056A1 — publié le 20041001

DISPOSITIF ET PROCEDE DE MESURE DE PROFIL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention présente se rapporte à un dispositif et à un procédé de mesure de profil. Elle peut trouver emploi notamment pour des pièces au relief compliqué comme les rotors de turbine, pour mesurer des profils de rainures d'aubes ou de 10 léchettes d'étanchéité qui sont des crêtes aiguës destinées à creuser des garnitures annulaires en matériau abradable pour établir une étanchéité par labyrinthe. Les profils mesurés pourront être axiaux ou circulaires sur des pièces de révolution. Les dispositifs métrologiques de mesure de profil ou plus généralement de relief d'une surface comprennent les suivants: - les comparateurs à tige palpeuse et cadran de mesure de l'enfoncement, qui ne permettent que des mesures 20 rudimentaires, - des palpeurs plus perfectionnés mais encombrants et coûteux en conséquence, situés au bout de bras passifs aux articulations multiples munies de codeurs de déplacement, et dont un exemple est décrit dans le 25 document FR 2 702 043, - des palpeurs motorisés montés de façon flexible sur un support mobile et dont les mouvements sont mesurés à mesure que le moteur déplace le support du palpeur et qu'une flexion du palpeur est mesurée; un exemple SP 23060 JCI est décrit dans le document US 4 622 751; mais seuls des mouvements simples sont possibles, - des dispositifs non mécaniques utilisant la photogrammétrie et fondés notamment sur la réflexion 5 de lumière par la surface à mesurer; ils sont efficaces mais coûteux. La situation est plus compliquée pour des profils aux reliefs accusés, surtout s'élargissant sous la surface de la pièce, ce qui est le cas des rainures 10 d'aubes qui ne communiquent à la surface de la pièce que par un col plus étroit. Il est alors problématique d'atteindre les points du profil situés au fond de la cavité, et surtout ceux des parties en surplomb disposées sous le col. Même le palpeur monté sur un 15 bras articulé est souvent insuffisant malgré sa souplesse puisqu'il doit en pratique posséder des sections relativement larges pour posséder la résistance mécanique voulue et abriter les moteurs passifs de mesure et de maintien des articulations en 20 position stable. Pour des vérifications de tels profils, la demanderesse utilisait déjà des jeux de cales, qui étaient promenées dans les rainures à la recherche d'un endroit bloquant ou éventuellement d'un jeu excessif. Il est manifeste que les cales ne 25 permettent que des mesures rudimentaires et présentent l'inconvénient d'être spécifiques à une section de rainure déterminée. Une autre méthode qu'elle utilisait consistait à mouler une empreinte de la section de rainure, puis à la sortir et à mesurer son profil dans 30 de meilleures conditions que celui de la rainure SP 23060 JCI elle-même. Cette méthode donnait de bons résultats mais n'était pas commode, étant très longue, Un dispositif simple est recherché pour mesurer des profils compliqués ou peu accessibles, à 5 relief important ou en creux. On désire un dispositif à la fois simple et peu coûteux, facile à utiliser et d'une précision suffisante, de quelques dizaines de microns ou même quelques microns pour les applications mentionnées. Il est apparu qu'un palpeur à actionnement manuel était seul susceptible d'offrir ces avantages, bien que ceux qu'on a déjà mentionnés (le comparateur et le bras articulé) soient nettement insuffisants pour des raisons différentes. Le dispositif proposé ici comprend un palpeur, un bouton de manipulation lié au palpeur, un support, une table à deux mouvements perpendiculaires liant le support au palpeur, et des moyens d'immobilisation du support par rapport au profil; une paire de capteurs 20 de déplacement disposés entre des portions mobiles de la table et mesurant des déplacements selon les mouvements perpendiculaires; et des moyens de lecture et de mémorisation des déplacements mesurés. Les moyens d'immobilisation peuvent s'appuyer, 25 selon le cas, soit sur la pièce à mesurer elle-même, soit sur un support de cette pièce fournissant une référence de position. L'opérateur saisit le bouton et déplace le palpeur jusqu'à lui faire toucher le profil, puis en suivant le profil. Il exploite les mouvements 30 de la table dans les deux directions perpendiculaires de mouvement tout en profitant de l'absence de SP 23060 JCI mouvement possible dans la troisième direction perpendiculaire pour rester dans le plan du profil à mesurer. On dispose de tables mobiles à la fois assez rigides et pourvues de capteurs de déplacement assez 5 précis pour indiquer les déplacements du palpeur avec une très faible incertitude, malgré l'effort mal connu que peut appliquer l'opérateur. En pratique, le dispositif est assez souple et pour ne pas exiger d'efforts de manipulation importants, ce qui permet à 10 l'opérateur de travailler délicatement et de ne pas donc introduire de déformation notable du palpeur ou d'autres éléments du dispositif. L'invention est aussi remarquable par un procédé de mesure de profil d'une pièce, impliquant un 15 dispositif portatif à palpeur, comprenant les étapes suivantes: - étalonnage du dispositif, - montage du dispositif à une position fixée par rapport à la pièce, - déplacement manuel du palpeur le long du profil, -correction automatique d'erreurs de mesure, dues à une usure ou une déformation du palpeur, à l'aide de résultats de l'étalonnage. Deux réalisations assez différentes du 25 dispositif seront décrites cidessous au moyen des figures suivantes. Les premières figures 1, 2 et 3 illustrent donc le premier mode de réalisation, et les dernières figures 4 et 5 un deuxième mode. Le premier mode de réalisation s'applique 30 notamment au contrôle de profils de rainures d'aubes ou d'autres alvéoles profonds sur un disque de compresseur SP 23060 JCI ou de turbine. On se reporte d'abord à la figure 1 qui est une vue générale du dispositif en action. Le disque et les aubes portent les références 1 et 2; le disque 1 est monté sur un mandrin 3 d'usinage à une position 5 connue. L'outil de coupe a été réglé au mieux et a exécuté une passe dans une première des rainures 2, qu'on désire maintenant de contrôler au moyen du dispositif. Selon les résultats du contrôle de la rainure 2, l'usinage des autres rainures 2 pourra lui 10 succéder, ou au contraire l'outil sera réglé de nouveau. Le dispositif comprend un palpeur 4, un support 5, une table 6 à mouvements croisés (aussi appelé table en X - Y) entre le palpeur 4 et le support 15 5, et un système d'exploitation 7 de nature essentiellement informatique. Le palpeur 4 comprend une tige 8 terminée par une bille 9 qui constitue l'élément de palpage. La tige 8 est coudée (figure 3) ou plus généralement oblique 20 pour une raison qu'on expliquera. On se reporte aussi à la figure 2, qui est une vue en perspective du dispositif. La table à mouvements croisés 6 comprend un premier chariot 10 portant le palpeur 4 et mobile sur une première glissière 11 dans la direction d'ensemble 25 de la tige 8, et un deuxième chariot 12 mobile perpendiculairement au précédent et dans la direction de largeur de la rainure 2 sur une deuxième glissière 13. Le premier chariot 10 porte un bouton de préhension 14 pour l'opérateur; la deuxième glissière 13 est 30 fixée sur un support 5. SP 23060 JCI Le support 5 comprend, outre un corps 15, des moyens d'immobilisation comprenant ici deux broches dont l'une est circulaire et l'autre à pans coupés 16 et 17, deux butées 18 et 19, et enfin une vis 20. Tous 5 ces moyens d'immobilisation sont associés à des moyens complémentaires établis sur le mandrin 3, qui a été préparé pour les recevoir. La broche 16 s'enfonce dans un perçage circulaire, la broche 17 dans un enfoncement de forme correspondante, les butées 18 et 19 s'appuient 10 sur des faces planes, et l'extrémité de la vis 20 est engagée dans un taraudage. La broche 16 parallèle à la tige 8 du palpeur 4 permet d'orienter celle-ci quand il est enfoncé dans le perçage circulaire du mandrin 3; la broche 17 interdit les rotations du support 5 autour 15 du tourillon 16 et les déplacements latéraux de la tige 8 tout en offrant une bonne précision de portée latérale et verticale; les butées 18 et 19, elles aussi dirigées dans la même direction que le palpeur 4, limitent l'enfoncement du support 5; et la vis 20 20 retient le support 5 pendant le contrôle. Les mouvements du palpeur 4 restent libres dans les directions des glissières 11 et 13. Les chariots 10, 12 et le corps 15 du support sont munis à leurs jonctions de règles graduées 25 associées à des codeurs optiques 21 et 22 qui mesurent les déplacements des chariots 10 et 12 dans leurs directions respectives avec une précision de l'ordre du micron. Les glissières 11 et 13 sont munies de billes 23 qui garantissent un guidage précis et rigide, mais 30 avec peu de frottement. L'unité de traitement 7 comprend un circuit de lecture 24 relié aux codeurs SP 23060 JCI optiques 21 et 22, une mémoire 25 reliée au circuit de lecture 24 et enregistrant ses résultats, et un moyen d'affichage 26 susceptible de restituer les résultats reçus dans la mémoire 25 ainsi que des résultats de 5 référence présents dans une autre mémoire 27. Un circuit d'aide à la décision peut être ajouté pour mieux expliciter les résultats affichés. L'unité de traitement 7 comprend encore, mais sur le dispositif, un bouton de commande 28 permettant 10 de commencer la mémorisation des signaux des codeurs optiques 21 et 22 ou au contraire de les arrêter temporairement. Ainsi, l'unité de traitement 7 n'est véritablement active pour recevoir et traiter des mesures que sur commande de l'opérateur, en pratique 15 quand le profil à mesurer est touché. Les déplacements autres du palpeur 4, comme des déplacements erratiques entre deux mesures de portions de mesures, sont cependant lus pour continuer de connaître la position du palpeur 4. La mesure peut ainsi être interrompue et 20 reprise ensuite. Cela est important dans le cas considéré des rainures 2. On aborde maintenant la figure 3 qui détaille le palpeur 4 et les éléments voisins du dispositif. Ainsi qu'on l'a mentionné, la tige 8 est coudée et s'étend d'abord dans une direction 25 latérale, puis dans l'autre après une portion droite 29. De plus, la portion droite 29 est montée sur un axe 30 qu'elle prolonge. L'axe 30 tourne dans le premier chariot 10 autour de paliers 31; une rotation manuelle est rendue possible par un bouton 32 sortant du premier 30 chariot 10 à l'opposé du palpeur 4; une vis de serrage 33 permet de maintenir le palpeur 4 à une position SP 23060 JCI angulaire invariable. En pratique, deux positions angulaires seront privilégiées et définies par des butées d'un taquet 34 monté sur l'arbre 30 en s'étendant radialement sur une paire de pions 35 et 36 5 dépassant du premier chariot 10 en direction de la tige 8. Les deux positions de butée sont diamétralement opposées. Elles conviennent respectivement aux deux moitiés du profil de la rainure 2, le coude de la tige 8 étant assez prononcé pour éviter toute collision avec 10 les bords 37 du col 38 de la rainure 2. Une mesure de profil comprendra donc deux passes, chacune affectée au parcours d'une moitié du profil. Des mémorisations de points sont faites pour des pas de déplacement déterminés des chariots 10 et 15 12. Quand une moitié de profil a été parcourue complètement, un appui sur le bouton 28 arrête les mémorisations et permet de retourner l'arbre 30 et le palpeur 4 pour parcourir l'autre moitié du profil après avoir commandé une reprise des mémorisations. Une 20 portion de recouvrement des moitiés de profils existe sans que cela soulève de difficulté puisque l'unité de traitement 7 peut superposer les deux relevés ou en faire une moyenne. Si la bille 9 est parfaitement dans l'axe de l'arbre 30, les relevés des deux moitiés de 25 profils peuvent être superposés immédiatement, sinon un calcul de correction de son déplacement latéral quand l'arbre 30 est tourné doit être entrepris dans l'unité de traitement 7. Les moyens d'affichage 26 peuvent en pratique 30 donner la forme du profil contrôlé, indiquer ses caractéristiques géométriques intrinsèques ou par SP 23060 JCI rapport au disque 1 (puisque le dispositif de contrôle et le disque 1 sont tous deux à des positions déterminées sur le mandrin 3), ou comparer le profil mesuré à des profils admissibles. Une exploitation à la 5 fois précise et moins empirique qu'avec les procédés existants est possible. Un étalon 39 (figure 2) peut être ajouté au dispositif pour vérifier sa précision ou l'habileté de l'opérateur. Il comprend lui aussi des moyens 10 complémentaires identiques à ceux du mandrin 3 pour retenir le dispositif à une position bien déterminée, ainsi, par exemple, qu'un alvéole 40 dont le profil ressemble un peu à celui à mesurer, sans qu'une similitude y soit vraiment nécessaire. L'opérateur 15 reconnaît le profil de l'alvéole 40 comme pour une mesure ordinaire, et l'unité de traitement 7 compare les résultats au profil réel, enregistré auparavant. L'opérateur reçoit ainsi une indication sur la précision de son travail. Il est possible de compenser 20 une force de manipulation excessive, produisant des déformations, ou une usure de la bille 9 en calculant les erreurs moyennes sur chaque face de l'alvéole 40 et en les retranchant des mesures obtenues sur le profil à mesurer. Une cause d'incertitude est en pratique 25 l'enfoncement des butées 18 et 19; des comparateurs 41 peuvent être montés sur des consoles du corps 15 adjacentes à ces butées pour vérifier un enfoncement juste suffisant du support 5, c'est-à-dire un début de sensibilité des comparateurs 41 quand la butée a été 30 établie, mais sans mouvement appréciable de la tige des comparateurs 41. Un aspect intéressant de l'invention SP 23060 JCI est que le palpeur 4 reste à des orientations invariables et connues, et qu'une usure mal répartie de la bille 9 pourra être compensée d'une valeur exacte pour chaque portion de mesure grâce à l'étalonnage et à 5 la connaissance de la portion de bille 9 glissant sur chaque portion du profil de la pièce 1 comme de celui de l'étalon 39. Un étui 42 (figure 1) entoure le palpeur 4 quand le dispositif est revissé afin de le protéger; 10 il est retenu sur un pas de vis 43 à la base de la tige 8. L'autre mode de réalisation complètement décrit dans cette description-ci apparaît aux figures 4 et 5 dont la première est une vue générale et la 15 seconde une vue de détail. Il comprend, de façon analogue à la réalisation précédente, un palpeur 4', un support 5' et une table à mouvements croisés 6' intermédiaire. La pièce 1' à étudier est un disque de turbine pourvu de reliefs circulaires et notamment de 20 léchettes 41. Elle est posée sur un marbre 42, c'est-àdire une surface parfaitement plane, de même que le support 5'. Le palpeur 4' peut, dans ce genre de réalisations o les alvéoles séparant les léchettes 41 25 ne sont pas élargis vers le fond, être à tige droite et fixé à la table à mouvements croisés 6' ; une réalisation semblable à la précédente pourrait être reprise. La table à mouvements croisés 6' comprend 30 comme précédemment un premier chariot 10' dont dépend le palpeur 4' (qui lui est ici fixé), un deuxième SP 23060 JCI il chariot 12' porteur d'une première glissière il' sur laquelle le premier chariot 10' coulisse, et une deuxième glissière 13' fixée à un corps 15' du support 5' ; si cependant la première glissière 11' qui régit 5 la pénétration du palpeur 4' est encore orientée dans la direction de sa tige, la deuxième glissière 13' qui régit le mouvement de passe du palpeur 4' est ici verticale, l'examen du profil 1' se faisant dans cette direction. Le mouvement de la table 6' étant encore manuel, grâce à un bouton 14' encore fixé au premier chariot 10', une position sensiblement stable de la table 6' est assurée par un contrepoids 43 qui équilibre le palpeur 4', le bouton 14' et les parties 15 mobiles de la table 6' ; il est suspendu à un bout d'un câble 44 soutenu par une poulie 45 tournant sur le corps 15' ; le second chariot 12' est suspendu à l'autre bout du câble 44. Des mouvements verticaux du palpeur 4' peuvent ainsi être imposés sans effort 20 notable, et le palpeur 4' peut réciproquement être maintenu facilement à une hauteur désirée. Le corps 15' du support 5', porteur des parties actives du dispositif, comprend un collier 46 qui lui permet de coulisser sur une colonne 47; un 25 boulon 48 permet de le resserrer sur la colonne 47 pour régler la mesure du profil à une hauteur souhaitée. La colonne 47 s'élève sur une base 48 reposant sur le marbre 42 par trois pieds 40 qui fournissent une première immobilisation (en direction verticale et en 30 inclinaison) du dispositif par rapport à la pièce 1'. L'immobilisation peut être complétée par des butées 18' SP 23060 JCI et 19', analogues aux butées 18 et 19 déjà rencontrées, disposées au bout de bras 50 sortant des deux côtés du corps 15'. Les butées 18' et 19' sont mises à reposer la pièce 1' pendant une mesure, ce qui complète l'immobilisation. La mesure consiste donc à réaliser l'immobilisation du dispositif en le posant sur le marbre 42 à côté de la pièce 1', puis en l'avançant vers celle-ci jusqu'au contact des butées 18' et 19'. 10 Le corps 15' est ensuite installé à la hauteur souhaitée. Enfin, une passe de mesure est faite en déplaçant manuellement le palpeur 4' et en le promenant le long des reliefs de la surface de la pièce 1' . Une unité de traitement semblable à la précédente exploite 15 les mesures. Il est évident que d'autres modes de réalisation sont possibles. SP 23060 JCI REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de profil, comprenant un palpeur (4) caractérisé par un bouton de 5 manipulation (14) lié au palpeur, un support (5) , une table à deux mouvements perpendiculaires (6) liant le support au palpeur, et des moyens d'immobilisation (17, 18,19, 20; 49, 18', 19') du support par rapport au profil; une paire de capteurs de déplacement (21, 22) 10 disposés entre des portions mobiles de la table et mesurant des déplacements selon les mouvements perpendiculaires; et des moyens (7) de lecture et de mémorisation des déplacements mesurés. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 15 1, caractérisé en ce que les moyens d'immobilisation du support comprennent une paire d'appuis (18, 19) de part et d'autre du palpeur et dirigés dans une même direction que le palpeur. 3. Dispositif de mesure selon l'une quelconque 20 des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'immobilisation du support comprennent une paire de broches (16, 17). 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les 25 moyens d'immobilisation du support comprennent une base (48). 5. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support comprend une colonne et un corps (15') , porteur de la table (6'), 30 disposé à une hauteur réglable sur la colonne, et un des deux mouvements perpendiculaires est vertical. SP 23060 JCI 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un contrepoids (43) équilibrant le bouton, les parties mobiles de la table et le palpeur. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un marbre (42)sur lequel la base et une pièce (1') portant le profil sont posés. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque 10 des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un mandrin (3) sur lequel une pièce (1) portant le profil est installée, et porteur de moyens complémentaires des moyens d'immobilisation du support. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque 15 des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un étalon (39) porteur de moyens complémentaires des moyens d'immobilisation du support. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que le palpeur comprend une tige oblique (8) , et un dispositif de retournement (30) de la tige entre deux positions opposées d'un demi-tour, des butées d'arrêt (35, 36) de la tige aux deux positions, et un moyen de maintien (33) de la tige aux deux positions. 11. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des palpeurs de référence (41) associés aux appuis (18, 19) . 12. Dispositif de mesure selon l'une 30 quelconque des revendications précédentes, caractérisé SP 23060 JCI en ce qu'il comporte une commande (28) de commencement et d'arrêt de la mémorisation des déplacements. 13. Procédé de mesure de profil d'une pièce (1,1'), impliquant un dispositif portatif à palpeur 5 (4,4') selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes - étalonnage du dispositif, - montage du dispositif à une position fixée par rapport à la pièce, - déplacement manuel du palpeur le long du profil, - correction automatique d'erreurs de mesure, dues à une usure ou une déformation du palpeur, à l'aide de résultats de l'étalonnage.