Vérificateur optique de planéité
La vérification des surfaces planes ou à génératrices rectilignes pose le problème de vérifier qu'un certain nombre de points sont ou non dans un même plan, ou sur une même droite, ou de mesurer leurs écarts par rapport u ce plan ou à cette droite.
L'optique offre une solution du problème qui découle du fait que la lumière se propage en ligne droite.
Les s appareils optiques donnant directement la mesure des écarts précités se com- posent généralement d'une lunette fixe à l'aide de laquelle on observe une mire que l'on déplace au contact de la pièce à vérifier.
Ces déplacements faisant varier la distance de la mire à la lunette, l'observateur doit, pour chaque position de cette mire, refaire la mise au point de l'image observée dans la lunette. Cette mise au point peut êlre obtenue par le déplacement d'une pièce optique faisant partie de cette lunette (ocu laires lentille d'objectifn et, c.) ou indépendante de celle-ci, par exemple par la translation d'un bain de mercure placé en avant de son objectif, de manière à maintenir constant le chemin optique entre celui-ci et la mire.
Les dispositions existantes présentent plusieurs inconvénients :
a) Sauf dans le cas du déplacement de l'oculaireet du bain de mercure, le guidage de la pièce optique mobile permettant ha mise au point doit être exécuté avec une très grande précision : la sûreté des mesures n'est pas absolue, car des détériorations peuvent se produire et des jeux peuvent s'introduire par suite de l'usure des pièces à l'insu de l'observateur.
Lorsque la lunette d'observation est à duplication et à renversement d'une des images, le déplacement de l'oculaire pour effectuer la mise au point n'a même, théori- quement, aucune influence sur les mesures, mais il n'en subsiste pas moins l'inconvénient grave que, l'observateur touchant à la lunette d'observattion, celle-ci ! peut se déplacer et, par conséquent, se dérégler.
b) Chaque mesure exige la mise en place de la mire sur la pièce à vérifier, et'le déplacement de l'organe de réglage de la mise au point des images, soit deux opérations. Il n'est donc pas possible de procéder rapidement et d'une manière continue à une série de mesures.
Cet inconvénient est particulièrement grave lorsqu'on substitue a, l'oeil un dilspositi± photograp, hique pour l'enregistre- ment des écarts.
On pourrait évidemment imaginer que, par une liaison mécanique, on fasse commander un des dispositifs de mise au point précités par le déplacement du palpeur, mais comme dans tous les dispositifs existants, les déplacements du palpeur et de la piee, e effec- tuant la mise au point ne sont pas de même amplitude, on aboutirait à des constructions compliquées et délicates, constituant, égale- ment des sources possibles de déréglage.
La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients. Elle est caractérisée par un palpeur mobile qui permet d'évaluer l'écart de planéité d'une pièce par rapport à une référence immatérielle constituée par un axe optique, en le déplaçant le long de la pièce à vérifier et qui porte au moins une pièce optique traversée par un faisceau lumineux allant d'une mire a un instrument d'observation, ce palpeur étant placé entre deux systèmes réflecteurs fixes, de telle manière que la lumière parcourt un circuit de lon gueur constante partant du palpeur pour y revenir après réflexion sur ces deux systèmes réfleoteurN, ce circuit étant compris dans le t. ra.
jet parcouru par la lumière pour la forma tion de l'image finade de la mire, les écarts de planéité étant déduits des déplacements apparents de l'image finale de la mire.
Grâce à cette disposition, il est possible d'obtenir dans tous les cas la constance de la mise au point de l'image finale observée. Si, en effet, la mire est fixe et l'instrument d'ob- servation fixe, on placera l'instrument d'ob servation et la mire de part et d'autre du palpeur ; le chemin total parcouru par'la Lu- miere de la mire a cet instrument sera, par conséquent, constant. Si la mire est mobile (portée par le palpeur) et l'instrument d'observation fixe, on choisira les pièces optiques du palpeur et des réflecteurs de façon que l'image de la mire formée après parcours du circuit soit à l'infini, donc à distance const, ante de l'instrument d'observation.
Si, enfin, la mire et l'instrument d'observation sont mobilbs (portés tous deux par le palpeur) on choisira les pièces optiques du palpeur et des réflecteurs d'extrémibés de façon que l'image formée après parcours du circuit soit à distance constante finie ou infinie du palpeur.
Dans tous les cas, il faut noter que la constance de la mise au point est obtenue sans qu'aucune pièce optique soit déplacée, autres que celles fixées sur le palpeur et en- traînées avec lui dans son mouvement. Par conséquent, pour faire une mesure, on n'a à déplacer qu'un seul organe et a n'effectuer qu'une seule opération,
Pour mesurer les écarts de planéité, on déplace l'e palpeur précité sur la pièce à véri- fier et on observe l'image d'une mire réticule portée ou non par le palpeur.
Si l'image dans la lunette d'observation reste fixe, la pla néité est parfaite, sinon les déplacements apparents transversaux de cette image, c'est- à-dire perpendiculaire a. u plan ou à vérifier, permettent la-détermination de ces écarts.
Le dessin représente, à titred'exemple. diversesformesd'exécution de l'appareil suri- vant l'invention.
Les fig. 1 à 4 sont quatre vues schématiques montrant le principe de l'invention.
Les fig. 5 à 12 montrent diverses formes d'exécution.
La disposition de la fig. 1 s'applique au cas où la mire réticule M est. fixe. Le palpeur P est mobile le long de la droite L à vérifier.
Ce palpeur comprend toujours au moins deux pièces optiques Ol et o2, lentilles ou systèmes réfléchissants, plans, sphériques ou cylindriques, et les autres systèmes réfléchis sants ont été représentés par deux rectangles
R1 Rt et42.
Dans le cas de la fig. 1, les deux pièces optiques du palpeur sont des systèmes tréflé- chissants représentés schémati ; quement par les deux rectangles superposés Ol et o2.
Le rayon lumineux émis par le réticule contenu dans le cylindre M suit d'abord le chemin MOt tracé en pointillé, puis se réfléchit sur le palpeur et ensuite sur les deux systèmes réfléchìssants R1 et R2 et revient au palpeur lui-même. Le circuit optique, caractéristique de l'invention, soit 01, Rt, R2, o2, est indiqué en traits pleins.
Après réflexion en 0" (trait pointillé) les rayons lumineux tombent sur l'objectif de la lunette ou plus généralement sur l'instru- ment d'observation 1.
Le schéma de la fig. 1 permet de consta- ter que le circuit optique, qui va du palpeur pour revenir au palpeur après réflexion sur les deux systèmes réflecteurs fixés aux deux extrémités de la droite suiva-nt laquelle on effectue la vérification, est de longueur constante.
Le chemin s-up6rieur entre, R'et R2 est constant puisque les systèmes réfléchissants
R1 et R2 sont fixes. La somme des trajets intérieurs Ol Rl et 02 R est évidemment constante.
Si le palpeur P se déplace vers la gauche, le trajet O1 R1 est diminuÚ d'une certaine quantité, mais le trajet o2 R2 est augmenté de la même quantité.
La somme des chemins MO'et 0'1 constante pour la même raison.
Il suit de tout ce qui précède que, quelle que soit la position du palpeur P sur la pièce à vérifier, l'image de la mire-réticule M sera toujours à la même distance optique de l'inst-. rument d'obselrvation I qui est fixe dans le cas de la figure représentée.
Dans le cas de la fig. 2, les deux éléments réfléchissants du palpeur sont remplacés par des syst¯mes O1 O2 traversÚs par la lumi¯re.
Le chemin optique devient da. ns ces conditions M, 02, R2, Bl, 01, I dont la longueur est toujours constante.
La fig. 3 représente une autre disposition, dans laquelle la. mire-réticule est portée par le palpeur. Dans ce cas, ce réticule sera considéré comme étant l'une des pièces optiques du palpeur. Si la mire M est placée en Ol, l'autre ÚlÚment situÚ en O2 est un ÚlÚment (lentille collimatrice à distance focale égale ; Ol R2 1 o2) traversé par la lumière.
L'image de la mire sera encore fixe, puisqu'elle est rejetée dans le plan fixe de l'in- fini, quelle que soit la disposition du palpeur sur la droite à vérifier.
Dans le cas de la fig. 4. la mire M est confondue avec c l'ÚlÚment 02 du palpeur, tandis que l'élément 0t est un elémenl travelsé par la lumière.
L'instrument I d'observation est fixe au pal'peur. LTn miroir supplémentaire R donne une orientation commode à cet instrument.
Celui-ci étant solidaire du palpeur le suit dans ses déplace-ments ; la mise au point reste constante, mais cette fois l'image de la mire fournie par le système constitué par le palpeur et les miroirs fixes, n'a pas besoin d'être relJetée à l'infin'observatiqn peut se faire ainsi en lumière convergente. Ce palpeur spécial a, en outre, une autre propriété qui permet les mesures. Les deux pièces optiques qu'il comprend sont choisies, en effet, de façon. que leurs petits déplacements transversa. ux consécutifs à des petits défauts de planéité ou de rectitude des pièces à vérifier, se traduisent par un déplacement d'image et que, au contraire, une modification de leur orientation soit sans effet sur les mesures.
Quelles que soient les dispositions adoptÚes, les pièces optiques constituant les réflecteurs fixes d'extrémités sont choisies de façon que les deux pièces optiques. du palpeur contribuent chacune dans le même sens, et non en sens contraires. au déplacemeK transversal apparent de l'image à mesurer. Autrement dit, ces déplacements doivent s'ajouter, mais non se retrancher, ce qu'on peut toujours réa, liser.
Comme H a, déjà été signalé, si on le désire, on pofu. rra choisir les pièces optiques du palpeur et des réflecteurs d'extrémités de façon que l'image de la mire se forme à une distance constante (finie ou infinie) de l'instrument d'observation, dans lequel on observe les écarts à mesurer sous forme d'écartdedeuximages.Ceux-ciseront par ailleurs, mesurés à l'aide des procèdes classi- ques connus (oculaires mioro. métriques, dé- viateurs à lame, à prismes, à lentilles) ou encore par r déplacements micrométriques des pièces optiques du palpeur pa. r rapport a ce dernier jusqu'au contact des deux images précitées.
On peut encore utiliser un micromètre gradué, placé dans le plan de l'image formée dans l'instrument d'observation et lire direetement l'écart des deux images.
La fig. 5 représente un vérificateur per- mettant la vérification de la planéité.
La mire M est fixe et. indépendante du palpeur.
Les pièces optiques 0 0"du palpeur comprennent quatre miroirs constituant deux
dièdres d'arêtes parallèles au plan à vérifier.
L'une des deux glaces Ó faces parall¯les du dièdre OZ. est semi-argentée. Les réflecteurs d'extrémités sont, l'un un dièdre R1, l'autre un miroir planjR.
Le disposiltif de mesure des écarts est une lame Ó faces parall¯les l, inclinable et placée devant l'objectif Ob de l'instrument d'observation 7 qui, dans ce cas, peut être simplement un viseur. En suivant la formation des images, on voit facilement que les écarts perpendiculaires au plan à vérifier s'ajoutent et que ceux parallèles à ce plan se retranchent. Le dispositif permet donc la vérification de la planéité et la rectification d'un alignement en mesurant les éca. rts d'ali gnement dans'une direction (verticale par exemple) puis, après avoir orienté perpendi- culairement le véffificateur, les écarts de plaaéité dans la direction horizontale, par exemple.
La fig. 6 montre un vérificateur de pla néité et d'alignement dans lequel les deux pièces'optiques portées par le palpeur P sont deux trièdres trirectangulaires-0 et 0.
La mire réticule M est fixe et liée soli dairement au réflecteur d'extrémité R1 qui est également un trièdre trirectangle. L'autre réflecteur d'extrémité 2 est un prisme à trois réflexions dont les faces réfléchissantes se coupent suivant des droites parallèles, per pendiculaires à la direction L suivant laquelle on effectue des vérifications.
L'image de la mire-réticule est observée à l'aide d'un viseuT I réticule, solidairement lié au réflecteur R2. On a indiqué comme organe de mesure une lame Z à faces. parallèles orientables autour de deux directions perpen- diculaires et qui permet de mesurer ces écarts suivant les deux directions.
On notera la sensibilité du vérificateur, grâce à l'amplification des eca. rts. En effet, un écart e décelé par le palpeur donne un dé- placement d'image analogue à celui que donnerait un déplacement de la mire-réticule égale à 4e.
En suivant la formation des images, on voit facilement qu'il y a addition des écarts transversaux dans toute direction perpendi- culaire à la droite. Ce dispositif permet donc do vérifier des alignements.
La fig. 7 représente un vérificateur de planéité et d'alignement dans lequel la mireréticule est solidaire du palpeur. Les deux pièces optiques de ce dernier comprennent la mire-réticule M et un objectif 0, avec cette particularité que le réticule est tracé sur l'objectif. Les, réflecteurs d'extrémités comprennent un prisme trièdre Rl et un prisme à trois réflexions R2 dont les trois faces réflé- chissantes se coupent suivant les droites paallèles entre elles, mais perpendiculaires à la droite L le long de laquelle s'effectue la vérification.
L'écartement des s deux prismes At et R2 est tel que le circuit de longueur constante parcouru par la lumière pour aller du réticule M du palpeur à son objectif 0, est égale à la distance focale de cet objectif.
L'image de la mire est donc toujours à l'infini.
Cette image est observée dans la lunette 1 réticulée et pointée sur l'infini. Les rayons lumineux traversent à cet effet une semi- argenture appliquée sur la face r du réflec- teur R3. Au contact de la face semi-argentée est placé un prisme complémentaire R3, permettant la traversée de la lumière sans déviation. La mesure des écarts de planéité et d'alignement est effectuée par exemple à l'aide d'un oculaire micrométrique.
Dans ce dispositif, il y a addition des écarts dans toute direction perpendiculaire à L. La mesure des alignements est donc possibl, e.
Pour un vérificateur de planéité ou pour un vérificateur mesurant les écarts d'aligne- ment dans une seule direction, la mesure des écarts dans la direction perpendiculaire étant obtenue par rotation de 90 du verificateur, cette disposition peut être modifiée comme indiqué sur la fig. 8.
La mire M est fixée sur le palpeur, mais n'est plus sur l'objectif 0. Le réflecteur R1 est un dièdre dont les faces réfléchissantes se coupent suivant une parallèle au plan à véri- fier, et le miroir R2 un miroir plan normal Åa la droite L suivant laquelle s'effectue la vé- rification de la, planéité.
Le circuit optique de longueur constante qui va de la mire M à l'objectif du palpeur est égal à la distance focale de cet objectif 0. L'image de la mire est encore rejetée à l'infini et observée dans la lunette d'observation 1 toujours réglée sur l'infini,
La mesure des écarts se fait en déplaçant un prisme déviateur D placé entre l'objectif Ob et le plan de l'image donnée par celui-ci.
Il n'y a dans. ce ea, s addition des écart, s que lorsqu'ils sont dirigés verticalement, dans le cas de la. figure. Le dispositif ne permet donc que de vérifier les surfaces planes.
Il faut noter cependant que, ainsi qu'il est vrai pour tout vérificateur de planéité, le vérificateur de l'invention, dans les diverses formes d'exécution décrites, peut toujours servir de vérificateur d'alignement en exécu- tant deux séries successives de mesures. On peut, par exemple, déterminer les écarts des points intéressés par rapport à deux plans orthogonaux se coupant suivant une droite parallèle à la droite sur laquelle ils devraient être alignés.
La fig. 9 représente un vérificateur de planéité et d'alignement analogue à celui de la fig. 7, mais dans lequel la mire M n'est pas portée pa. r le palpeur P. Ce dernier porte un objectif 0 traversé deux fois. par le faisceau lumineux. Les réflecteurs d'extré- mités et la lunette d'observation sont identi- ques à ceux de la. fig. 7, toutefois un prisme complémentairs Ro a été ajoute à la face semi-argentée du réflect, eur R1 pour permettre la traversée de la lumière sans déviation.
L'écartement des. réflecteurs 21 et 2 est tel que le circuit de longueur constante, caracté- ristique de l'invention, ait une longueur égale au double, de la distance focale de l'objectif 0. Il donne, dans ces conditions, d'un objet situé à l'infini une image également à l'infini après sa deuxième traversée par la lumière.
Dans le cas présent, la mire M est placée au foyer d'un objectif collimateur C et son image est rejetée à l'infini. Les prisxnes B1 et Rfl comportent des surfaces semi-a. rgentées ri, r2 et des prismes complémentaires.permet- tant le passage en ligne droite d'une partie de la lumière incidente.
La fig. 10 représente une variante de la disposition précédente. La mire M est placée au voisinage. du. système réflecteur R1 qui est constitué par un dièdre Elle n'a plus, comme dans le cas de la fig. 9, son image à l'infini.
Dans ces conditions, la, lumière se réfléchissant sur les réflecteurs d'extrémités, et en traversant deux fois l'objectif 0 du palpeur, donne en Mt urlle image de la mire M à distance finie et constante. En effet, la focale de l'objectif 0 a été choisie de façon que ses foyers antérieur et postérieur soient con fon. dus. M1 est donc l'image de M donné par un système afocal de g-randissement I, elle est donc à distance constante de M.
L'instrument d'observation peut se ré- duire à un simple oculaire Oc. Il est à noter que, si le réflecteur d'extrémité R2 est également un dièdre, les déplacements d'images consécutifs aux déplacements de l'objectif 0 s'ajoutent et le dispositif permet la vérifiation d'alignement.
Si on avait voulu réaliser un vérificateur de planéité ou un vérificateur d'alignement mesurant les écarts dans une direction, on aurait pu supprimer les semi-argentures des dispositifs des fig. 9 et 10, en utilisant deux objectifs non confondus et placés côte à côte.
Il est évident qu'on peut utiliser à la place des objectifs précités, des miroirs sphériques.
Les systèmes optiques du palpeur peuvent être simplement deux mires réticules M et . illa, comme représenté à la fig. 11. Les rélecteurs d'extrémités comportent un dièdre à miroirs et un objectif. Les deux objectifs de même focale sont placés de telle façon qu'ils ont leurs foyers confondus, ils forment donc un système afocal de grandiasement 7.
Dans ces conditions, l'image M'de M formée par les object. ifs des réflecteurs d'ex- trémités se trouvent à distance constante de
Ma et de M et dans le plan de Ma, si l'on a judicieusement choisi les focales des objectifs.
L'écart de l'ima-g'6 de if et de Ma varie comme le double des. écarts à mesurer. L'instrument d'observation peut être un simple oculaire Oc porté par le palpeur. Pour la commodité de l'observation, la lumière est renvoyée à 90 par réflexion sur un miroir plan argent. R.
La mesure s'effectuera, par exemple, par simple déplacement micrométrique de la mireréticule sur son support palpeur.
La fig. 12 représente une forme d'exécu- tion particulièrement simple, permettant les vérifications de planéité et d'alignement.
Le palpeur comprend une seule mire (en réalité, par suite de la double traversée de la lumière, elle joue le rôle de deux mires confondues). Les réflecteurs d'extrémités sont deux miroirs sphériques B1 et Ro2 de même focale ayant même axe et leurs foyers confondus.
Dans ces conditions, le système optique constitué par les'réflecteurs d'extrémités est un système afocal de grandissement I et donne de la mire M, après que la lumière a parcouru le circuit de longueur constante, une image située. dans. le plan de la, mire M, comme dans le cas de la fig. 11.
Pour la vérification, on observera la mire et son image commodément en renvoyant la lumière à 90', au moyen d'un miroir B semiargenté, solidaire du palpeur. L'observation pourra se faire dans. les mêmes conditions que dans le cas de la fig. 11, à l'aide d'un oculaire Oc également solidaire du palpeur.
On remarquera que dans toutes, les variantes le palpeur n'est plus, comme dans. les appareils existants, un organe portant une simple mire repère, mais une pièce mécanique portant au moins deux pièce, s optiques, ou une seule pièce optique, mais touchée dans ce cas deux fois par la lumière et ayant ainsi une double action. Il, est à noter de plus que, dans. tous les. cas, le repérage ou observation peut s'effectuer soit par des procédés visuels, soit par des procédés photographiques.
Il est évident qu'on peut utiliser pour les pièces optiques du palpeur des pièces opti ques, dioptriques ou catadioptriques quelconquis (miroirs plans, prismes à réflexion totale, miroirs sphériques, cylindriques, len tiilles sphériques, spherocylindriques, reti- cules, etc.). La seule condition est que ces pièces doivent être associées de façon que les petits déplacements tra. ns-versa. ux du palpeur dans le sens des écarts à mesurer et consécutifs à ses changements de position sur la pièce à vérifier se traduisent par un déplacement de l'image de la mire, et que, au contraire, les défauts d'orientation soient sans effet sur les mesures.
On peut même utiliser, comme on 1'a vu, le dièdre à 90 ; ce dernier dispositif est, il est vrai, sensible aux rotations autour d'axes non parallèles à son arête, mais il peut être encore utilisé pour les vérifiateurs de planéité. Il suffira de l'orienter de façon à ce que s. on arête soit parallèle au plan à vérifier.
On peut, d'une manière plus générale, par compensation, utiliser des pièces sensibles à la rotation, à condition qu'elles soient en nombre pair et que les effets, de rotation de ces pièces se neutralisent. C'est ainsi que l'on pourra utiliser deux miroirs sphériques ou cylindriques.
Dans les exemples. cités, la lumière ne parcourt qu'une fois le circuit caractéristique de longueur constante. Il y a lieu d'ajouter que l'invention comprend tout vérificateur optique dans lequel la lumière parcourt une fois ou plusieurs le trajet optique caractéris- tique'de longueur constante. Le palpeur sup- porte alors plus de deux pièces, optiques et est traversé quatre, six fois ou plus par la lumière.
Les réflecteurs peuvent, de même que les pièces optiques du palpeur, être constitués de manières diverses (miroirs plans, prismes à réflexion totale, miroirs sphériques, cylindriques, lentilles sphériques, sphérocylindri- ques, etc.).
Ces réflecteurs doivent renvoyer la lu- mière dans la direction du palpeur et en outre comporter un nombre de réflexions qui, au total, permette l'addition et non l'annulation par compensation des petits déplace ments d'images de la mire donnés par chacune des pièces optiques du palpeur.
Il y a enfin lieu de signaler un avantage des vérificateurs optiques décrits, qui sont en général plus précis que les vérificateurs existants, ce qui tient en particulier à ce que les petits déplacements transversaux de l'image de la mire consécutifs à ceux du palpeur sont décelés par au moins deux passages de la lumière à travers la ou les pièces opti qu, es qu'il porte, d'où résulte une amplification des écarts, d'autant plus grande que le parcours de la lumière est plus. multiplié.
Ainsi que cela ressort de la description- qui précède, l'objet de l'invention permet également la vérification d'alignements, par exemple des différentes positions successives de l'extrémité d'un outil de tour, lorsque le porte-outil coulisse sur la glissière du tour, certaines des formes d'exécution décrites permettant d'effectuer cette vérification en une seule opération, d'autres, par deux opérations de vérification de planéité.