Brevet FR3088563A1 — publié le 20200522

Description Titre de l'invention : Dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort [0001] La présente invention concerne les domaines des systèmes de bridage et notamment le domaine des vérins de bridage et des systèmes de mesure d'effort ou de force. Elle a pour objet un dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort. [0002] Les vérins de bridage fonctionnent généralement au moyen d'un fluide hydraulique ou pneumatique, sont utilisés dans de nombreuses applications et sont conçus pour le bridage des pièces mécaniques dans les machines-outils de process et de fabrication, notamment dans les domaines de l'automobile et de l'aéronautique. Ces vérins de bridage peuvent également être électriques ou mécaniques. [0003] Un vérin de bridage présente généralement une forme globalement en L et comprend un corps de vérin et un ensemble, mobile en translation et, éventuellement, en rotation, composé, d'une part, d'une tige mobile en translation et, éventuellement, en rotation autour de son axe, par rapport au corps de vérin et, d'autre part, un bras de bridage, également connu sous le nom de bras de serrage, formant la branche horizontale du L, actionné par ladite tige en étant relié rigidement à ladite tige sensiblement perpendiculairement à l'axe de cette dernière ou de manière articulée pour pivoter autour d'un axe de pivotement perpendiculaire à l'axe de la tige. Le bras de bridage est généralement relié à l'extrémité libre de la tige. Ainsi, dans le cas où le bras de bridage est relié rigidement à la tige, celui-ci, sous l'actionnement de la tige, c'est-à-dire sous l'effet du mouvement en translation et, éventuellement, en rotation, de la tige, est rendu mobile en translation et, éventuellement, en rotation solidairement avec ladite tige. Dans le cas où le bras de bridage est relié de manière articulée à la tige, celui-ci, sous l'effet du mouvement en translation de cette dernière, est actionné en pivotement autour de l'axe de pivotement. [0004] La zone de contact avec la pièce à brider se situe généralement en bout ou à l'extrémité du bras de bridage. 2 [0005] Ces vérins de bridage permettent ainsi d'immobiliser efficacement la pièce sur laquelle on intervient pour une opération donnée, par exemple une opération d'usinage. Toutefois, ces vérins de bridage existants ne permettent pas de contrôler l'effort de bridage appliqué à la pièce, notamment par un contrôle des déformations que peut subir le bras de bridage quand il transmet l'effort de bridage à la pièce, notamment en bout de bras de bridage, et plus particulièrement indépendamment de la longueur de ce dernier et pour des vérins de bridage dont le bras de bridage constitue une pièce massive présentant une rigide élevée. Les systèmes existants passant par des contrôles de pression ou de position ne permettent pas de déterminer avec certitude l'effort de bridage réellement appliqué à la pièce. [0006] La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. [0007] A cet effet le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort, selon la présente invention, qui comprend un vérin de bridage comprenant un corps de vérin de bridage, une tige de vérin de bridage mobile en translation dans une direction déplacement axiale en rentrée dans ledit corps ou en sortie de ce dernier et, éventuellement, mobile en rotation autour de son axe et un bras de bridage rigide apte à être actionné par ladite tige en étant relié rigidement ou de manière articulée à cette dernière, se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend en outre un système de mesure d'effort disposé sur le bras de bridage et comprenant au moins un capteur de force comprenant deux ou quatre jauges de déformation connectées fonctionnellement dans une configuration en pont de Wheatstone, ou autre configuration analogue, formant un circuit de mesure apte à mesurer une déformation dudit bras de bridage et à émettre un signal de sortie représentatif de cette mesure de déformation, lesdites jauges de déformation étant appliquées sur une face appropriée, dite face de mesure, du bras de bridage, une unité de conditionnement dudit signal de sortie apte à conditionner ledit signal de sortie, une unité de traitement reliée fonctionnellement à ladite unité de conditionnement et étant apte à traiter le signal de sortie conditionné pour déterminer une valeur d'effort de bridage, une unité de transmission sans fil apte à transmettre ladite valeur d'effort de bridage ou autre information à un récepteur extérieur et/ou à recevoir des informations provenant de l'extérieur 3 pour les transmettre à l'unité de traitement, et au moins une source autonome d'énergie pour alimenter ledit système de mesure d'effort. [0008] L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : [0009] - la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort selon la présente invention, avec le boîtier monté sur l'extrémité du bras de bridage opposée à celle effectuant le bridage, ledit boîtier étant fermé par un couvercle et la face de mesure du bras de bridage, sur laquelle est appliqué le capteur d'effort comprenant quatre jauges de déformation réalisées à partir d'une technologie en couches épaisses et connectées dans une configuration en pont complet de Wheatstone, étant recouverte d'un capot de protection dudit capteur, - la figure 2 est une vue en perspective du dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort représenté sur la figure 1, avec un angle de vue différent et à l'état ouvert du boîtier montrant l'unité de conditionnement et l'unité de transmission sans fil contenues dans le logement de réception interne du boîtier, - la figure 3 est une vue en perspective et de dessous du dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort représenté sur la figure 1, avec le capot de protection du capteur de force, - la figure 4 est vue en plan de dessous du bras de bridage du dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort représenté sur la figure 3, montrant les quatre jauges de déformation disposées de part et d'autre dudit plan médian P du bras de bridage, - la figure 5 montre le circuit électrique de câblage du pont de Wheatstone du capteur de déformation du dispositif de vérin de bridage et d'effort représenté sur la figure 4. [0010] Les figures annexées montrent un dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort, selon la présente invention, comprenant un vérin de bridage 1 comprenant un corps la de vérin de bridage, une tige 2 de vérin de bridage mobile en translation dans une direction déplacement axiale D en rentrée dans 4 ledit corps la ou en sortie de ce dernier et, éventuellement, mobile en rotation autour de son axe X et un bras de bridage 3 rigide apte à être actionné par ladite tige 2 en étant relié rigidement ou de manière articulée à cette dernière. De préférence, le bras de bridage 3, également connu sous le nom de bras de serrage, peut être relié, rigidement ou de manière articulée, à la tige 2 au niveau de son extrémité libre. [0011] On comprendra que, de manière connue dans un vérin de bridage du type existant, éventuellement pivotant, dans la cas, non représenté sur les figures annexées, où le bras de bridage 3, selon la présente invention, est relié de manière articulée à ladite tige 2, celui-ci peut être actionné, sous l'effet du mouvement de la tige 2 en translation, en pivotement, par exemple, autour d'un axe de pivotement perpendiculaire à l'axe de la tige 2. Dans le cas, représenté sur les figures annexées, où le bras de bridage 3, selon la présente invention, est relié rigidement à la tige 2, de préférence sensiblement perpendiculairement à la tige 2, ledit bras de bridage 3, sous l'effet du mouvement en translation de la tige 2 et, éventuellement, de la rotation de la tige 2 autour de son axe, peut ainsi être rendu mobile en translation et, éventuellement, en rotation, solidairement avec la tige 2. [0012] Le dispositif selon la présente invention, et notamment la tige 2 et le bras de bridage 3, peuvent être reliés entre eux et montés dans le corps de vérin 1 selon d'autres constructions, modes de fixation du bras de bridage sur la tige 2, ou d'actionnement du bras de bridage 2, pour réaliser l'effort de bridage ou de serrage. [0013] Conformément à la présente invention, un tel dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort comprend en outre un système de mesure d'effort 4, 5, 6, 9 disposé sur le bras de bridage 1. Le système de mesure d'effort 4, 5, 6, 9 comprend : - au moins un capteur de force 4 comprenant deux ou quatre jauges 4a, 4b, 4c, 4d de déformation connectées fonctionnellement dans une configuration en pont de Wheatstone, ou autre configuration analogue, formant un circuit de mesure apte à mesurer une déformation dudit bras de bridage 3 et à émettre un signal de sortie représentatif de cette mesure de déformation, lesdites jauges de déformation 4a, 4b, 4c, 4d étant appliquées sur une face 3a, 3b, 3c appropriée, dite face de mesure, du bras de bridage 3, - une unité de conditionnement 5 dudit signal de sortie apte à conditionner ledit signal de sortie, - une unité de traitement 6 reliée fonctionnellement à ladite unité de conditionnement 5 et étant apte à traiter le signal de sortie conditionné pour déterminer une valeur d'effort de bridage, c'est-à-dire pour effectuer des opérations de calcul de la valeur d'effort de bridage notamment sur la base de la valeur de la tension de sortie Vs du capteur d'effort 4, et plus particulièrement de la tension de sortie Vs du pont de Wheatstone, ladite tension de sortie Vs étant proportionnelle à la déformation mesurée au point considéré dudit capteur de force 4, - une unité de transmission sans fil 9 apte à transmettre ladite valeur ou autre information à un récepteur extérieur et/ou recevoir des informations provenant de l'extérieur pour les transmettre à l'unité de traitement 6, [0014] au moins une source autonome d'énergie pour alimenter ledit système de mesure d'effort 4, 5, 6, 9.Le ou chaque capteur de force 4, alimenté par la source autonome d'énergie, est ainsi apte à émettre ou délivrer un signal électrique, appelé ci-dessus signal de sortie qui est proportionnel à la déformation mesurée au point du bras de bridage 3 comportant ledit capteur et notamment une faible déformation de ce dernier. [0015] Dans le cas, non illustré par les figures annexées, où le capteur d'effort 4 comprend deux jauges de déformation connectées fonctionnellement dans une configuration pont de Wheatstone, celle-ci est plus particulièrement une configuration connue sous le nom de demi-pont de Wheatstone. Dans le cas, illustré sur les figures annexées, où le capteur d'effort 4 comprend quatre jauges de déformation connectées fonctionnellement dans une configuration en pont de Wheatstone, celle-ci est plus particulièrement une configuration connue sous le nom de pont complet de Wheatstone. [0016] La ou chaque face de mesure 3a, 3b, 3c du bras de bridage 3 peut comprendre au moins une rainure ou une cavité configurée pour recevoir les 6 jauges de déformation 4a, 4b, 4e, 4d maintenues fixement dans cette dernière par tout moyen approprié tel que par exemple par collage. [0017] De préférence, la ou chaque face de mesure 3a, 3b, 3e peut être traitée à partir d'un traitement de phosphatation au zinc microcristalline permettant d'améliorer la fixation des jauges de déformation 4a, 4b, 4e, 4d, par exemple lorsque celle-ci sont fixées par collage. [0018] Chaque jauge de déformation permet de mesurer des faible déformations et peut former, de manière bien connue, un extensomètre à fil résistant apte à traduire la déformation d'une pièce en variation de résistance électrique et peut consister en des spires rapprochés. Une telle jauge de déformation connue actuellement est généralement fabriquée à partir d'une feuille métallique d'une certaine épaisseur et d'un isolant électrique traité comme un circuit imprimé. [0019] La présente invention peut prévoir des jauges de déformation classiques ou, de préférence, des jauges de déformation réalisées selon une technologie à couches épaisses. Une jauge de déformation réalisée selon cette technologie à couches épaisses peut être réalisée par la technologie de fabrication connue des circuits hybrides par sérigraphie en couche épaisse qui consiste généralement à déposer des couches de pâtes piézorésistives et conductrices à l'état humide sur un substrat en céramique et frittées à haute température. Les composants actifs tels que par exemple les jauges de déformation peuvent être montées en surface, en puces nues ou encapsulées en boitier (technologie CMS). [0020] Si les jauges de déformation 4a, 4b, 4e, 4d classiques permettent d'obtenir une mesure de déformation sur des bras de bridages 3, elles présentent les inconvénients de consommer trop d'énergie pour permettre une autonomie importante ou suffisante de la source autonome d'énergie en particulier dans le cas présent où le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort comprend une unité de transmission sans fil 9 et d'avoir une sensibilité qui peut être insuffisante pour des bras de bridage 3 massifs dont la rigidité élevée produit des déformations très faibles. [0021] De telles jauges de déformation réalisées selon une technologie à couches épaisses présentent de nombreux avantages, à savoir : 7 - une impédance de l'ordre de dix fois plus élevée que les jauges de déformation classiques et donc une diminution importante de la consommation en énergie, plus particulièrement une consommation environ dix fois moins importante que celle d'une jauge de déformation classique, - une augmentation plus élevée de la sensibilité, plus particulièrement une augmentation de la sensibilité environ trois fois plus élevée que celle d'une jauge de déformation classique. [0022] Ces avantages permettent l'utilisation d'une source autonome d'énergie, telle qu'une batterie autonome, montée sur le vérin de bridage 1, de préférence sur le bras de bridage 3, avec une autonomie nettement supérieure, en particulier dans le cas présent où le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort comprend une unité de transmission sans fil 9. D'autre part, l'augmentation de la sensibilité permet une utilisation efficace sur un bras de bridage 3 massif, avec une mesure précise, quelle que soit la rigidité de ce dernier. [0023] Par ailleurs, le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort selon la présente invention peut comprendre en outre un circuit d'activation du ou de chaque capteur de force 4 permettant d'activer automatiquement et périodiquement, par exemple grâce à un programme approprié, ou sous l'effet d'une commande externe transmise via l'unité de transmission sans fil 9 à l'unité de traitement 6, le au moins un capteur de force 4 de sorte que ce dernier soit activé seulement périodiquement ou ponctuellement' afin d'augmenter la durée de vie de la source autonome d'énergie. On entendra par activation du capteur d'effort 4 sa mise dans un état capable d'émettre le signal de sortie en vue de son conditionnement par l'unité de conditionnement 5, puis du traitement dudit signal de sortie conditionné par l'unité de traitement 6, puis de la transmission par l'unité de transmission sans fil 9 de la valeur d'effort de bridage déterminée par l'unité de traitement 6 sur la base dudit signal de sortie conditionné. Un tel circuit d'activation peut être intégré dans l'unité de traitement 6. Par exemple, le circuit d'activation peut être configuré pour que le nombre d'activations du au moins capteur de force 4, soit de l'ordre de 1 à 60 activations par heure ou que l'activation ne soit faite que lorsque le système de mesure de force 4, 5, 6, 9 est interrogé par une commande extérieure transmise par l'unité de transmission 8 sans fil 9 dudit système. Dans ce dernier cas, la commande extérieure peut transmettre un signal de demande d'activation à l'unité de traitement 6 qui peut être prévue pour commander lors de sa réception l'activation du capteur de force 4, par exemple en commandant l'alimentation en courant électrique des jauges de déformation. D'autre part, toujours dans ce dernier cas, l'unité de traitement 6 peut comprendre une temporisation permettant de mettre en veille le capteur de force 4 après une durée d'activation prédéterminée. [0024] L'unité de traitement 6 peut comprendre, par exemple, notamment, un processeur ou un microcontrôleur, au moins une mémoire et un ou des programmes permettant le traitement de l'information portée par le signal de sortie conditionné, le cas échéant la commande de l'activation du ou des capteurs d'effort 4 et le traitement des informations reçues via l'unité de transmission sans fil 9. [0025] De préférence, l'unité de traitement 6 peut être montée sur le vérin de bridage 1, préférentiellement, sur le bras de bridage 3 et dans ce cas l'unité de traitement 6 peut être alimentée par la source autonome d'énergie. [0026] En outre, le circuit de mesure du capteur de force 4 peut être configuré, par exemple par une disposition particulière des jauges de contraintes 4a, 4b, 4c, 4d sur la face de mesure et/ou un emplacement particulier de ces dernières dans le pont de Wheatstone, de façon à délivrer par un signal de sortie permettant à l'unité de traitement 6 de déterminer la valeur d'effort à partir d'une différence de moments fléchissants permettant de s'affranchir de la longueur du bras de bridage 3 (figures 4 et 5). Plus particulièrement, ledit signal de sortie, c'est-à-dire la tension de sortie Vs, intègre la différence de moments de fléchissants du fait de la configuration particulière du circuit de mesure. A cet effet, selon une disposition préférentielle des jauges de déformation, le au moins un capteur de force 4 peut comprendre au moins deux jauges de déformation (4a, 4b ; 4c, 4d) alignées sur un même axe de mesure X1 ou X2 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal X du bras de bridage 3 et espacées l'une de l'autre d'une distance appropriée afin de mesurer dans le signal de sortie une différence de moments fléchissants permettant de s'affranchir de la longueur du bras (figure 4). 9 [0027] Ainsi, plus particulièrement, sur le ou chaque axe de mesure X1, X2 du capteur de force 4, les jauges de déformation 4a, 4b ou 4c, 4d alignées forment au moins deux points de mesure distants l'un de l'autre qui, avec l'emplacement approprié ou spécifique de chaque jauge de déformation 4a, 4b, 4e, 4d dans le pont de Wheatstone (figure 5), permettent d'intégrer dans le signal de sortie de ce dernier, c'est-à-dire dans la tension de sortie Vs, et donc dans le signal de sortie conditionné et traité par l'unité de traitement 6, une différence de moments fléchissants permettant à l'unité de traitement 6 d'effectuer le calcul de la valeur d'effort de bridage en s'affranchissant de la longueur du bras de bridage 3. [0028] On peut voir, plus particulièrement sur la figure 5, l'emplacement approprié des jauges de déformation 4a, 4b, 4c, 4d dans le pont de Wheatstone pour réaliser la mesure souhaitée. [0029] De préférence, les jauges de déformations peuvent être, de préférence, orientées afin de pouvoir effectuer la mesure de déformation suivant l'axe adéquat, par exemple suivant l'axe longitudinal X du bras de bridage 3 dans le cas illustré sur les figures annexées. [0030] Dans une forme de réalisation préférentielle du site d'implantation du au moins un capteur de force de 4 sur le bras de bridage 3, c'est-à-dire du ou de l'un au moins des capteur(s) de force 4, ledit bras de bridage 3 peut comporter une face 3a externe inférieure tournée dans la direction du déplacement D de la tige 2 en rentrée et formant la ou l'une des face(s) de mesure (figures, 1, 2, 3 et 4). [0031] Dans une autre forme de réalisation préférentielle du site d'implantation du au moins un capteur de force de 4 sur le bras de bridage 3, c'est-à-dire du ou de l'un au moins des capteur(s) de force 4, le bras de bridage 3 peut comporter au moins une face 3b externe latérale tournée dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de translation de la tige 2 et formant la ou l'une des face(s) de mesure. [0032] Dans une forme de réalisation préférentielle du site d'implantation du au moins un capteur de force de 4 sur le bras de bridage 3, c'est-à-dire du ou de l'un au moins des capteur(s) de force 4, qui peut combiner les formes de réalisation précédentes, le bras de bridage 3, dans une forme de réalisation préférentielle, peut présenter une forme allongée globalement parallélépipédique comprenant deux faces 3c, 3a externes opposées , à savoir une face 3a externe inférieure tournée dans la direction du déplacement D de la tige 2 en rentrée et une face 3c externe supérieure tournée dans la direction opposée à cette dernière et au moins une face 3b externe latérale reliant lesdites faces 3c, 3a externes supérieure et inférieure entre elles. [0033] Le bras de bridage 3 peut présenter un plan médian P, qui peut être sensiblement perpendiculaire à la ou l'une des face(s) 3a, 3c, 3b externes inférieure ou supérieure ou latérale sur laquelle est fixée le ou l'un des capteur(s) de force 4. En outre, le au moins un capteur de déformation 4 peut comprendre au moins deux ensembles de jauges de déformation 4a, 4b ; 4c ; 4d disposés de part et d'autre du plan médian P (figures 3 et 4). On peut voir également sur la figure 4 deux ensembles de deux jauges de déformation 4a, 4b ou 4c, 4d alignées sur un même axe de mesure X1, X2 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal X du bras de bridage 3 et dudit plan médian P. [0034] De préférence, le dispositif de vérin de bridage et de mesure peut comprendre au moins un élément de protection 7, tel qu'un capot, de préférence amovible pour pouvoir accéder aux jauges de déformation 4a, 4b, 4c, 4d, ou une matière ou matériau de protection. L'élément recouvre le au moins un capteur de force 4 afin de le(s) protéger des particules ou saletés ou autre interactions ou chocs externes pouvant endommager ledit au moins un capteur de force 4 (figures 1, 2 et 3). [0035] L'unité de transmission sans fil 9 peut être une unité de transmission sans fil 9 capable de transmettre une information par radiofréquence, par exemple selon une norme de communication du type Bluetooth ou RFID. [0036] Si on se réfère aux figures 1, 2 et 3, on peut voir que le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort peut comprendre un boîtier 8 fixé sur vérin de bridage 1, de préférence sur le bras de bridage 3, de préférence à l'extrémité opposée à l'extrémité libre de bridage 3d du bras de bridage 3 ou sur le côté de ce dernier. Le boîtier 8, comme on peut le voir sur la figure 2, peut comprendre un logement de réception interne 8a qui peut recevoir l'unité de conditionnement 5, l'unité de transmission sans fil 9, l'unité de traitement 6 et la source autonome 11 d'énergie non représentée. Le boîtier 8 peut comporter un couvercle de fermeture 8b, de préférence amovible, pour fermer le logement de réception interne 8a et permettre l'accès aux éléments contenus dans ce dernier pour assurer leur maintenance ou leur changement, par exemple pour changer la source autonome d'énergie. Le boîtier 8 peut de préférence être adapté pour pouvoir résister à l'environnement des machines dans lesquelles le dispositif de vérin de bridage et de mesure d'effort selon la présente invention est implanté. [0037] Le bras de bridage 3 peut être adapté pour permettre les liaisons, notamment filaires, entre le au moins un capteur de force 4 et l'unité de conditionnement 5. [0038] Si on se réfère à la figure 2, on peut voir que l'unité de conditionnement 5 et/ou l'unité de traitement 6 peuvent être intégrées dans une carte électronique. D'autre part, l'unité de transmission sans fil 9 peut être reliée fonctionnellement à ladite carte électronique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. 12