Brevet FR2945618A1 — publié le 20101119

MACHINE ET PROCEDE DE MESURE D'UNE DIMENSION D'UNE PIECE [000l] L'invention concerne une machine et un procédé de mesure d'une dimension d'une pièce. [0002] Par dimension d'une pièce, on entend ici une grandeur mesurable de la pièce. Par exemple, il s'agit d'un diamètre d'un cylindre ou d'une sphère ou encore d'une largeur, d'une profondeur ou d'une hauteur de la pièce. [0003] Des machines connues à mesurer sont équipées : • d'au moins une règle pourvue de graduations et s'étendant parallèlement à un axe de mesure, • d'un palpeur déplaçable le long de l'axe de mesure et permettant de détecter un point de contact avec la pièce, et • d'un lecteur automatique des graduations de la règle pour déterminer la position du point de contact le long de l'axe de mesure. [0004] Pour mesurer une dimension d'une pièce avec ces machines connues, il faut déplacer le palpeur jusqu'à un point de contact situé à une extrémité de la dimension à mesurer. Le lecteur de graduation est alors utilisé pour relever cette première position du palpeur. Ensuite, le palpeur est déplacé jusqu'à un second point de contact situé à l'autre extrémité de la dimension à mesurer. Une seconde position du palpeur est alors relevée par le lecteur de graduation. La dimension est calculée à partir de la différence entre ces deux positions relevées. [0005] Le diamètre du palpeur introduit une erreur constante de mesure. Cette erreur est appelée � constante palpeur �. Pour tenir compte de cette erreur, la mesure de la dimension de la pièce est généralement précédée d'une phase de calibrage. Pendant cette phase de calibrage, le palpeur est amené au contact d'une sphère de calibrage. Le lecteur de graduation est alors utilisé pour relever les différentes positions des points de contact avec cette sphère de calibrage. A partir de ces positions relevées et du diamètre connu de la sphère de calibrage, le diamètre du palpeur est calculé. La constante palpeur ainsi calculée est alors utilisée pour corriger les mesures des dimensions de la pièce. [000s] Toutefois, à cause de l'utilisation de règles graduées et d'une sphère de calibrage, les incertitudes de mesure sur la dimension de la pièce sont importantes. De ce fait, une telle machine à mesurer ne peut pas être utilisée, par exemple, pour étalonner d'autres pièces. En effet, la précision de la mesure dépend : • de la justesse des règles, • de la sphère de calibrage, et des défauts géométriques intrinsèques de la machine tels que des erreurs d'orthogonalité entre les axes de mesure de la machine. [000s] Au mieux, une telle machine permet d'atteindre une précision de 10-6 ou de 10-5 suivant le type de machine. [000s] L'invention vise à réaliser des mesures plus précises à l'aide d'une telle machine. Elle a donc pour objet une machine à mesurer comportant en plus un interféromètre apte à mesurer la position du palpeur le long de l'axe de mesure. [000s] Dans la machine ci-dessus, grâce à l'utilisation d'un interféromètre pour mesurer le déplacement du palpeur le long de l'axe de mesure, les positions mesurées sont beaucoup plus précises que celle qui sont relevées par une règle traditionnelle. [ooio] Les modes de réalisation de cette machine peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des variantes listées ci-après. [0011] Dans une variante, la machine comporte un miroir fixé sans aucun degré de liberté au palpeur, perpendiculairement à l'axe de mesure, de manière à réfléchir un faisceau optique émis par l'interféromètre pour mesurer la position du palpeur. L'utilisation d'un miroir placé sur l'axe de mesure évite ou décroît fortement l'erreur de parallaxe (principe d'Abbe). [0012] Dans une variante, le miroir est suffisamment grand pour permettre au palpeur de contourner la pièce tout en réfléchissant continuellement le faisceau optique. Un miroir dont la taille est suffisante permet de contourner la pièce tout en réfléchissant en continu le faisceau optique de l'interféromètre, ce qui évite de réinitialiser l'interféromètre entre deux mesures successives. [0013] Dans une variante, la machine comprend au moins trois règles pourvues de graduations et s'étendant le long de trois directions non coplanaires pour définir trois axes de mesure non coplanaires. [0014] L'invention a également pour objet un procédé de mesure d'une dimension d'une pièce à l'aide de la machine à mesurer ci-dessus, dans lequel le procédé comprend la mesure de la position du palpeur le long de l'axe de mesure à l'aide d'un interféromètre. [0015] Dans une variante, le procédé comprend la mesure à l'aide de l'interféromètre de la même dimension sur un étalon et le calcul d'une constante du palpeur à partir de cette mesure, et a mesure à l'aide de l'interféromètre de cette dimension sur la pièce et la correction de cette mesure à l'aide de la constante du palpeur. Relever la constante palpeur à partir de mesures réalisées à l'aide de l'interféromètre permet d'accroître la précision de mesure [0016] Dans une variante, l'étalon et la pièce sont alignés sur un axe colinéaire à 20 l'axe de mesure et chaque dimension à mesurer est colinéaire à cet axe de mesure. [0017] Dans une variante, un étalon et la pièce sont simultanément disposés sur un axe de mesure et le procédé comprend le déplacement robotisé du palpeur entre des points de contact avec l'étalon et avec la pièce. Placer l'étalon et la pièce à mesurer sur l'axe de mesure permet d'éviter l'erreur de parallaxe 25 [0018] Dans une variante, le procédé comprend le positionnement du palpeur au niveau de points de contact situés à des extrémités de la dimension à mesurer en utilisant la position du palpeur obtenue à partir d'une lecture automatique des graduations de la règle. Le déplacement robotisé du palpeur entre l'étalon et la pièce permet d'éviter toute manipulation manuelle pendant le cycle de mesure, ce qui accroît la précision de la mesure en évitant, par exemple, des échauffements thermiques liés à de telles manipulations manuelles. [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : • la figure 1 est une illustration schématique d'une machine à mesurer tridimensionnelle, • la figure 2 est une illustration schématique en vue de dessus de la position de différents points de contact, et la figure 3 est un organigramme d'un procédé de mesure à l'aide de la machine de la figure 1. [0020] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. [0021] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. [0022] La figure 1 représente une machine 2 à mesurer tridimensionnelle. Ici, cette machine 2 est utilisée pour mesurer une dimension, successivement, d'un étalon de référence 4 servant à la constante du palpeur et d'une pièce à mesurer 6. [0023] La suite de cette description est faite dans le cas particulier où l'étalon 4 et la pièce 6 sont des cylindres disposés verticalement le long d'une direction Z et où la dimension mesurée est le diamètre de ces cylindres. Ces cylindres sont alignés sur un axe de mesure 8 de la machine 2 parallèle à une direction horizontale X. [0024] La machine 2 comprend un palpeur 10 permettant de détecter un point de contact mécanique avec l'étalon 4 ou la pièce 6. L'extrémité du palpeur 10 destinée à venir en contact avec l'étalon 4 et la pièce 6 se termine par une sphère 10a de contact. Le diamètre de cette sphère 10a est égal à la constante palpeur. [0025] Le palpeur 10 est fixé sans aucun degré de liberté à une extrémité inférieure d'un bras mobile 12. Le bras 12 est déplaçable selon les directions X et Z ainsi que le long d'une direction Y orthogonale aux directions X et Z. A cet effet, une extrémité supérieure du bras 12 est fixée à un portique 14. [0026] Par exemple, le portique 14 comprend un montant horizontal 16 et deux montants verticaux 18 et 20. Dans le montant 16 coulisse verticalement le bras 12 de manière à ajuster la position du palpeur 10 le long de la direction Z. Le bras 12 coulisse horizontalement le long du montant 16 pour déplacer le palpeur 10 dans la direction X. [0027] Enfin, les extrémités inférieures le montant 20 est entrainé et guidé et le montant 18 repose sur un patin à coussin d'air sur le marbre 36 de la machine est de ce fait se déplace en Y. Ainsi, le palpeur 10 est également déplaçable parallèlement à la direction Y. [0028] Pour mesurer la position du palpeur 10 le long de la direction X, le portique 14 est équipé d'une règle 24 qui s'étend parallèlement à la direction X. Par exemple, cette règle 24 est fixée sans aucun degré de liberté au montant 16. La règle 24 comporte des graduations 26 à intervalles réguliers. [0029] Le portique 14 comprend également un lecteur 28 propre à lire les graduations 26. [0030] Le lecteur 28 est solidaire du bras 12 de manière à ce que lorsque le bras 12 se déplace le long de la direction X, le lecteur 28 se déplace également le long de la règle 24. Le lecteur 28 relève le nombre de graduations parcourues lors des déplacements du palpeur 10 le long de l'axe de mesure 8. [0031] De façon similaire, des règles graduées et des lecteurs correspondants sont prévus le long des directions Z et Y de manière à relever les graduations parcourues le long de ces directions. [0032] Chacun de ces lecteurs est raccordé à un calculateur électronique 30. Le calculateur 30 détermine la position du palpeur 10 à partir des graduations lues par chacun des lecteurs. Ici. Les valeur lues sont ensuite analysées par la logiciel spécifique à chaque machine et ce fait capable de déterminer une dimension à partir d'une différence entre des positions de points de contact situés à chaque extrémité de cette dimension. [0033] Les déplacements du palpeur 10 le long des directions X, Y et Z sont entièrement robotisés. Ici, ces déplacements sont commandables par un opérateur qui manipule des joysticks 32 et 34. [0034] L'étalon 4, la pièce 6 ainsi que le portique 14 sont disposés sur une table 36 de travail. Cette table 36 est classiquement en marbre. [0035] A l'aide des lecteurs de graduations, la précision sur la mesure d'une dimension atteint au mieux 10-6 ou 10-5 . [0036] Pour améliorer cette précision, la machine 2 est équipée d'un interféromètre 40. Cet interféromètre émet un faisceau optique 42 parallèlement à l'axe de mesure 8. De préférence, l'axe du faisceau optique est sécant avec la sphère 10a lorsque celle-ci est positionnée à l'une des extrémités de la dimension à mesurer. Une partie de ce faisceau 42 est réfléchie par un séparateur 44 de faisceau vers l'interféromètre 40. Une autre partie du faisceau 42 traverse le séparateur 44 et vient se réfléchir sur un miroir 46 avant de retourner vers l'interféromètre 40. [0037] Ici, le séparateur 44 est fixé sans aucun degré de liberté à la table 36. [0038] Le miroir 46 est fixé sans aucun degré de liberté au palpeur 10. Ici, le miroir 46 est fixé à l'aide d'une équerre au bras mobile 12. Les dimensions du miroir 46 sont suffisantes pour que le palpeur 10 puisse être déplacé d'un côté à l'autre de l'étalon 4 et de la pièce 6 en passant par dessus l'étalon ou la pièce 6 sans que la réflexion du faisceau 42 sur le miroir 46 ne soit interrompue. [0039] L'interféromètre 40 est immobile et solidaire de la table 36. [0040] L'interféromètre 40 comprend un afficheur 48 pour afficher une distance d mesurer entre une origine O (voir figure 2) et le miroir 46. L'origine O est située sur l'axe 8 et fixe par rapport à l'interféromètre 40. [0041] La figure 2 représente en vue de dessus la position de l'étalon 4 et de la pièce 6 par rapport à l'interféromètre 40. Ici, l'étalon 4 et la pièce 6 sont alignés sur l'axe 8. Les diamètres à mesurer de l'étalon 4 et de la pièce 6 sont alignés sur l'axe 8. [0042] Des cercles alignés sur l'axe 8 représentent des positions 50 à 53 de la sphère 10a lorsque celle-ci est située aux extrémités du diamètre de l'étalon 4 et de la pièce 6. Dans ces positions 50 à 53, la sphère 10a est en contact avec l'étalon 4 ou la pièce 6. Ainsi, l'axe 8 passe par les points de contact où sont mesurées les positions. [0043] Dans la suite de cette description, les distances qui séparent l'origine O des positions 50 à 53 sont notées respectivement d1, d2, d3 et d4. [0044] Le fonctionnement de la machine 2 va maintenant être décrit plus en détail en regard du procédé de la figure 3. [0045] Initialement, lors d'une étape 60, l'opérateur de la machine 2 positionne l'étalon 4 et la pièce 6 le long de l'axe 8 comme représenté dans la figure 2. [0046] Ensuite, il procède à une phase 62 de détermination de la constante palpeur. Au début de la phase 62, lors d'une étape 64, l'opérateur déplace le palpeur 10 pour amener la sphère 10a dans la position 50. Ce déplacement est réalisé par l'opérateur à l'aide des joysticks 32 et 34. Pour s'assurer que la sphère 10a a atteint la position 50, les mesures réalisées par les lecteurs de graduations tels que le lecteur 28 sont utilisées. En effet, la position 50 correspond à un point de contact où la distance entre l'origine O et l'étalon 4, dans la direction X, est minimale. Pour positionner le palpeur 10 dans la position 50, il n'est pas nécessaire d'utiliser l'interféromètre 40 puisqu'une précision de l'ordre de 10-6 ou 10-5 est suffisante. [0047] Ensuite, lors d'une étape 66, lorsque le palpeur 10 est dans la position 50, l'interféromètre 40 est utilisé pour mesurer la distance d1. [0048] Les étapes 64 et 66 sont réitérées pour amener le palpeur 10 dans la position 51 et pour mesurer la distance d2. [0049] Une fois que les distances di et d2 ont été mesurées, lors d'une étape 68, la constante palpeur est calculée. Par exemple, la relation suivante est utilisée : Cp=- où : - Cp est la constante palpeur, - 0m est la différence entre les distances d2 et di, et - 0e est le diamètre connu de l'étalon 4. [0050] Ce calcul est réalisé par l'opérateur qui relève manuellement les distances d1 et d2 sur l'afficheur 48 de l'interféromètre. [0051] Une fois la constante palpeur calculée, l'opérateur procède à une phase 70 lors de laquelle le diamètre de la pièce 6 est mesuré. [0052] Au début de la phase 70, lors d'une étape 72, le palpeur 10 est déplacé par le portique 14 pour amener la sphère 10a dans la position 52. Ce déplacement est commandé par l'opérateur à l'aide des joysticks 32 et 34. Comme précédemment, les mesures réalisées par les lecteurs de graduations sont utilisées pour s'assurer que la position 52 a été atteinte. [0053] Une fois dans la position 52, l'interféromètre 40 est utilisé pour mesurer la distance d3 lors d'une étape 74. [0054] Ensuite, les étapes 72 et 74 sont réitérées pour positionner la sphère 10a dans la position 53 et mesurer la distance d4. [0055] Une fois les distances d3 et d4 mesurées, on procède à une étape 76 de calcul du diamètre (Pp de la pièce 6 et de correction de ce diamètre à l'aide de la constante Cp. Par exemple, le diamètre cp est obtenu à l'aide de la relation suivante : =-Cp où : - (Pp est le diamètre mesuré de la pièce 6, - Om est la différence entre les distances d4 et d3, et - Cp est la constante palpeur calculée lors de la phase 62. [0056] On améliore ainsi grandement la précision de la mesure du diamètre de la pièce 6. [0057] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, ce qui a été décrit dans le cas particulier où l'interféromètre est placé le long d'un axe de mesure parallèle à la direction X peut être appliqué au cas où l'interféromètre est placé le long de l'axe de mesure parallèle à la direction Y. [0058] La machine 2 peut être équipée d'un ou plusieurs axes de mesure. [0059] Les déplacements du palpeur 10 entre les positions 50 à 53 peuvent être commandés manuellement par un opérateur à l'aide des joysticks 32 et 34 ou être commandés automatiquement par le calculateur 30 à partir des mesures réalisées par les lecteurs de graduation. [0060] Ici, l'étalon 4 a été décrit dans le cas particulier où la forme et la taille de cet étalon sont identiques à la forme et la taille de la pièce 6. Toutefois, en variante, seule la forme de l'étalon 4 est identique à la forme de la pièce 6. Dans cette variante, la taille de l'étalon 4 n'est pas nécessairement la même que la taille de l'étalon 6. Cette différence d'échelle entre l'étalon 4 et la pièce 6 peut être corrigée ou prise en compte en calculant la différence des modules de Young au niveau des points de contact sur l'étalon 4 et sur la pièce 6. [0061] Dans une autre variante, l'étalon 4 n'a pas la même forme que la pièce 6. [0062] De nombreuses technologies sont possibles pour réaliser le palpeur 10. Par exemple, comme décrit ici, le palpeur 10 est réalisé à partir d'une pièce mécanique qui vient directement en contact avec l'étalon 4 ou la pièce 6. Dans d'autres modes de réalisation, le palpeur 10 est réalisé à l'aide d'un faisceau optique ou à l'aide d'un dispositif capacitif qui permet de détecter précisément un point de contact. [0063] Le miroir 46 peut être placé au-dessus, dans la direction Z, du palpeur 10. [0064] Dans un autre mode de réalisation, le miroir 46 est remplacé par un prisme. [0065] Les différents calculs décrits ici peuvent être automatisés en raccordant l'interféromètre 40 au calculateur 30 par l'intermédiaire d'une liaison de transmission d'informations 49 représentée en pointillés sur la figure 1. Dans ce cas, le calculateur 30 dispose de l'ensemble des informations nécessaires pour réaliser les calculs décrits en regard de la figure 3. [0066] Ce qui a été décrit ici dans le cas particulier d'une mesure d'un diamètre s'applique également à la mesure d'une longueur d'une pièce.10 REVENDICATIONS1. Machine à mesurer une dimension d'une pièce, cette machine étant équipée d'au moins une règle (24) pourvue de graduations (26) et s'étendant parallèlement à un axe (8) de mesure, d'un palpeur (10) déplaçable le long de l'axe de mesure et permettant de détecter un point de contact avec la pièce, et d'un lecteur (28) automatique des graduations de la règle pour déterminer la position du point de contact le long de l'axe de mesure, caractérisée en ce que la machine comporte en plus un interféromètre (40) apte à mesurer la position du palpeur (10) le long de l'axe de mesure. 2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la machine comporte un miroir (46) fixé sans aucun degré de liberté au palpeur (10), perpendiculairement à l'axe de mesure, de manière à réfléchir un faisceau optique émis par l'interféromètre pour mesurer la position du palpeur. 3. Machine selon la revendication 2, dans laquelle le miroir (46) est suffisamment grand pour permettre au palpeur (10) de contourner la pièce tout en réfléchissant continuellement le faisceau optique. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine comprend au moins trois règles pourvues de graduations et s'étendant le long de trois directions non coplanaires pour définir trois axes de mesure non coplanaires. 5. Procédé de mesure d'une dimension d'une pièce à l'aide d'une machine à mesurer conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend la mesure (74) de la position du palpeur le long de l'axe de mesure à l'aide d'un interféromètre. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le procédé comprend la mesure (62) à l'aide de l'interféromètre de la même dimension sur un étalon et le calcul d'une constante palpeur à partir de cette mesure, et la mesure (70) à l'aide de l'interféromètre de cette dimension sur la pièce et la correction (76) de cette mesure à l'aide de la constante palpeur. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étalon et la pièce sont alignés (60) sur un axe colinéaire à l'axe de mesure et chaque dimension à mesurer est colinéaire à cet axe de mesure. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel un étalon et la pièce sont simultanément disposés sur un axe de mesure et le procédé comprend le déplacement robotisé (64, 72) du palpeur entre des points de contact avec l'étalon et avec la pièce. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel le procédé comprend le positionnement (64, 72) du palpeur au niveau de points de contact situés à des extrémités de la dimension à mesurer en utilisant la position du palpeur obtenue à partir d'une lecture automatique des graduations de la règle.