Dispositif de détermination de la position d'un organe mobile de machine
La présente invention a pour objet un dispositif pour la détermination de la position d'un organe mobile de machine-outil ou de machine à mesurer à t'aide notamment d'une règle-étalon graduée d'une haute précision.
Les dispositifs de ce genre utilisés jusqu'ici présentent divers défauts. La détermination de la position exacte d'un organe mobile de machine-outil ou de machine à mesurer à l'aide d'une règle-étalon graduée de haute précision, dont l'espacement entre les traits est un fort multiple de la précision recherchée, suppose une forte amplification soit au moyen de dispositifs optiques grossissants, soit au moyen de dispositifs électroniques. Or, le champ d'observation de tels dispositifs est d'autant plus réduit que l'amplification est plus forte, toute augmentation de la largeur du champ au-delà d'une certaine limite, introduisant des distorsions. En fait, la détermination de la position n'est rigoureusement exacte qu'au voisinage du centre du champ d'observation.
La difficulté du problème à résoudre, déjà grande si la précision doit tre de l'ordre du millième de millimètre, ne fait que croître si la précision recherchée est supérieure.
Dans les constructions usuelles, le dispositif de détermination de la position exacte, à forte amplification et champ d'observation restreint, est doublé d'un dispositif de repérage grossier dont l'amplification est plus faible et le champ plus large.
Un des dispositifs les plus connus comporte une règle-étalon à traits espacés d'un millimètre ; celle-ci est projetée, agrandie, sur un écran, au moyen d'un dispositif optique embrassant au moins deux traits de la division. Sur cet écran, un repère mobile relié mécaniquement à un tambour micrométrique permet de déterminer les fractions de division. Ce dispositif de détermination de la position exacte est doublé d'un dispositif de repérage grossier, sous la forme d'un index qui se déplace en regard d'une règle à divisions chiffrées, visibles à l'oeil nu.
Dans une variante de ce dispositif, le repérage grossier est assuré par un tambour gradué, relié mécaniquement à l'organe mobile, et dont la graduation apparaît à côté de l'écran. Cette disposition a sur la précédente l'avantage de permettre à l'opérateur d'embrasser d'un seul coup d'ceil les indications du dispositif de détermination de la position exacte et celle du dispositif de repérage grossier.
De tels dispositifs conviennent bien à la détermination de positions avec une précision de l'ordre du millième de millimètre. Au-delà, il serait nécessaire de prévoir des dispositifs très complexes de correction des distorsions, tandis que l'augmentation du grossissement conduirait à donner à l'optique et à l'écran des dimensions telles que leur encombrement et leur coût seraient prohibitifs, et la luminosité beaucoup trop faible.
Des difficultés analogues se présentent avec les dispositifs électroniques affectés de distorsions qui leurs sont propres lorsque l'on augmente leur champ de balayage.
La présente invention a précisément pour objet un dispositif de détermination de la position d'un organe mobile de machine-outil ou de machine à mesurer obviant aux inconvénients cités.
Ce dispositif comprend au moins une règle-étalon, un dispositif d'amplification à fort grossissement de la graduation de la règle, pour la détermination exacte de la position du dit organe mobile, et un dispositif d'amplification de ladite graduation à faible grossissement, pour le réglage grossier de cette position. Ce dispositif est caractérisé par le fait que chaque dispositif d'amplification comprend des moyens optiques permettant de ramener dans l'axe du champ d'observation correspondant l'image de chaque trait visé lorsque ce trait est distant dudit axe, des moyens étant prévus pour mesurer le déplacement donné à l'image du trait pour la faire coin- cider avec l'axe du champ d'observation de chaque dispositif d'amplification.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de la présente invention appliquée à une machine à mesurer.
La fig. 1 est une élévation de face de la machine à mesurer.
La fig. 2 est une coupe partielle longitudinale de cette machine.
La fig. 3 représente le schéma de principe du dispositif de détermination.
La fig. 4 est une coupe selon IV-IV de la fig. 2.
La fig. 5 est une coupe selon V-V de cette mme figure.
La fig. 6 est une coupe selon VI-VI de la fig. 4.
La fig. 7 est une coupe selon VII-VII de cette fig. 4.
Le dessin représente (fig. 1 et 2) une machine à mesurer dont le bâti 1 est monté en trois points sur le fond d'une enveloppe d'isolement 2 présentant un couvercle transparent et amovible 2a et qui est posée sur des pieds 3.
La partie centrale de ce bâti porte un coulisseau 4 susceptible de se mouvoir longitudinalement par commande d'un volant 5 et comprenant un dispositif non représenté permettant d'incliner longitudinalement et transversalement un second coulisseau 6 et d'en modifier la cote par commande des poulets 7 et 8, respectivement du volant 9. Sur ce coulisseau 6, dont le déplacement transversal a lieu par commande d'un volant 10, est suspendue, au moyen de lames élastiques 11, une table 12 destinée à supporter les pièces à mesurer.
De part et d'autre de la table 12 sont montées deux poupées 13 et 14 susceptibles de se déplacer longitudinalement sur le bâti, dans des sens opposés l'une de l'autre. Ces poupées sont à commande manuelle, leur déplacement rapide étant assuré par un volant 15 alors que le déplacement lent l'est par un poulet 16 monté coaxialement au volant. 17 et 18 sont des dispositifs de blocage des poupées 13 et 14 en une position déterminée.
La poupée 13 est formée d'un socle 13a et d'un corps 1 3b s'étendant partiellement à l'intérieur du socle auquel ce corps est suspendu par des lames élastiques 19. L'extrémité avant du corps 13b présente un palpeur 20 faisant face à un palpeur 21 solidaire de la poupée 14.
Le palpeur 20 est appliqué contre la pièce à mesurer, non représentée, avec une pression déterminée sous l'action d'une lame flexible 22 dont une extrémité agit axialement sur le corps 1 3b de la poupée, par l'intermédiaire d'une tige articulée 23, et dont l'autre extrémité est solidaire de l'axe d'un volant 24 (fig. 1). Le déplacement rotatif de ce volant dans un sens ou dans l'autre correspond à un fléchissement plus ou moins accentué de la lame 22 et à une variation correspondante de la pression du palpeur.
Pour permettre de mesurer plusieurs pièces semblables sans devoir chaque fois régler l'écartement des palpeurs 20 et 21, la machine comprend une tringlerie non représentée dont une extrémité est solidaire du corps 13b et dont l'autre est reliée à un levier 25 articulé sur le bâti 1. Le basculement de ce levier, par exemple vers la gauche, commande un déplacement correspondant du corps 13b par rapport au socle 13a de la poupée, à l'encontre de l'action des lames 19 et 22. Le mouvement de retour du corps 13b en sa position d'équilibre est ralenti par un frein hydrodynamique formé par une plaque 26 plongée dans un récipient de liquide 27, par exemple de l'huile, solidaire du socle i 3a de la poupée.
Dans le corps 13b de cette poupée est logée une boîte-support 28 pour une règle-étalon 29 de précision, graduée par exemple de millimètre en millimètre. Au-dessus de cette règle est disposée une seconde règle transparente 30, destinée à la mesure grossière, qui est graduée et numérotée par exemple de millimètre en millimètre. 31 et 32 sont des verres de protection des règles 29 et 30 çfig. 3).
La règle 30 (fig. 3) est éclairée par un pinceau lumineux de largeur égale au moins au double de la distance comprise entre deux traits voisins et qui est formé par une ampoule 33 et un condenseur 34. Ces deux éléments sont montés à l'intérieur d'un manchon 35 solidaire du bâti et dirigé perpendiculairement à la règle 30 (fig. 1). L'image des graduations éclairées est dirigée avec un grossissement relativement faible par un dispositif optique représenté aux fig. 3 et 5 vers un écran translucide 36 que présente un pupitre 37 solidaire du bâti 1 de la machine. Le dispositif optique opérant cette projection est constitué par un objectif 38 disposé dans l'axe optique du condenseur 34, par deux miroirs réfléchissants 39, par un verre plan mobile 40, par un second objectif 41 et par un miroir 42.
L'objectif 38 et un miroir 39 sont montés dans la partie supérieure d'un canon 43.
La règle 29 est éclairée par un pinceau lumineux de largeur supérieure à l'un de ses traits mais très inférieure à la distance comprise entre deux traits successifs. Ce pinceau est projeté sur cette règle par un dispositif optique comprenant (fig. 3) une source lumineuse 44, un condenseur 45, un diaphragme 46 en forme de fente déterminant le balayage du pinceau, un verre plan mobile 47, un verre de correction 48, un miroir 49, un déflecteur oscillant 50 et un objectif 51.
L'image de ce pinceau sur la règle 29 est réfléchie au travers de l'objectif d'un prisme 52, d'un miroir 53 et d'une lentille 54, vers une cellule photoélectrique 55 dont le courant de sortie est transformé par un ensemble électronique non représenté et décrit dans le brevet suisse N" 280542 en impulsions de courant dirigées sur un milliampèremètre également non représenté et encastré dans le pupitre 37 au côté de l'écran 36.
Le déflecteur est constitué par une lame de verre entourée d'un enroulement 57 et qui est monté sur un axe non représenté pivotant à l'encontre de moyens élastiques de rappel, également non représentés, lames ou spiraux, par exemple. Ce déflecteur est disposé à l'intérieur d'un aimant permanent 56 de manière qu'en alimentant l'enroulement 57 par un courant alternatif, de fréquence prédéterminée, il soit soumis à une oscillation de mme fréquence. Bien cntendu la fréquence propre de l'ensemble constitué par le déflecteur, son axe et sa suspension élastique sera choisie suffisamment différente de celle du réseau d'alimentation de manière à éviter que l'oscil- lation de cet ensemble ne soit résonnante.
Par cette oscillation du déflecteur, le pinceau lumineux de la source 44 projeté sur la règle 29, se déplace sur cette règle de part et d'autre du trait suivant un mouvement dont la loi est sinusoïdale. L'amplitude de ce mouvement de balayage dépend de l'amplitude de l'oscillation du déflecteur et de son épaisseur: dans le cas de la machine décrite cette amplitude est relativement faible et est telle que le balayage du pinceau lumineux projeté ne représente qu'une fraction de la distance séparant deux graduations successives de la règle-étalon.
Lorsque le pinceau lumineux passe sur le sillon d'un trait de la règle 29, ce qui constitue un accident dans la surface polie de celle-ci, la quantité de lumière réfléchie en direction de la cellule 55 subira une brusque variation, ce qui produira une impulsion électrique dans la cellule. Cette impulsion périodique est transformée, par exemple de la manière décrite dans le brevet No 280542, en une impulsion de courant rectangulaire dont la durée correspond à l'écart de temps séparant deux rencontres successives du pinceau lumineux avec le trait éclairé lors du mouvement oscillant de ce pinceau.
Si ce trait est exactement centré dans la plage d'oscillation du pinceau, les impulsions rectangulaires obtenues seront toutes de mme longueur quoique alternativement positives et négatives, les premières correspondant au déplacement du pinceau lumineux à gauche du trait, les secondes à droite de celui-ci. Si au contraire le trait observé n'est pas au centre du balayage du pinceau lumineux, les impulsions rectangulaires obtenues sont de longueur différente, proportionnelle aux distances séparant les extrémités du balayage du pinceau et le trait. Comme précédemment décrit les impulsions ainsi obtenues sont dirigées sur un milliampèremètre de mesure, à forte inertie, dont la position d'équilibre de l'aiguille indicatrice est située au centre d'un cadran symétrique.
Lorsque le trait observé est exactement au centre de la plage balayée par le pinceau lumineux et qu'en conséquence les impulsions dirigées sur le milliampèremètre sont de mme longueur, l'aiguille de cet instrument demeure immobile au centre du cadran. En effet l'inertie de l'instrument ne permet pas à l'aiguille de suivre l'action individuelle des impulsions de courant successivement positives et négatives dirigées sur cet instrument.
Lorsqu'au contraire ce trait n'est pas au centre de la plage balayée par le pinceau et qu'en conséquence les impulsions de courant sont de longueur différente, l'aiguille de l'instrument réagit à la différence de sollicitations inégales et opposées et prend une position d'équilibre qui reflète, avec un grossissement déterminé, l'écart existant entre le trait tracé sur la règle et le centre de la plage d'oscillation du pinceau lumineux correspondant avec l'axe optique de ce pinceau. Bien entendu cet instrument ne réagit que lorsque la graduation visée est contenue dans la plage d'oscillation du pinceau lumineux.
Les verres 40 et 47 sont solidaires respectivement de leviers 58 et 59 montés sur des axes rotatifs 60 et 61. Le mouvement de l'axe 60 est synchronisé avec celui de l'axe 61 par une transmission 62. Sur l'axe 61 est monté un secteur denté 63 en prise avec une vis sans fin n 64 que présente un arbre 65 pivoté dans le pupitre en 66 et 67 et sur lequel est monté un tambour 68. La tranche de ce tambour est graduée et numérotée et est susceptible de se déplacer au-devant d'une fentre non représentée pratiquée dans le pupitre en dessous du milliampèremètre.
Le mouvement rotatif de ce tambour est commandé par rotation de l'arbre 65 par l'intermédiaire d'un train d'engrenages démultiplicateurs 69. Cet arbre est relié cinématiquement à un arbre de commande 70 par l'intermédiaire d'un accouplement 71, et sur l'arbre 70 est fixé un second tambour 73 entraîné par le train d'engrenages 72, qui est également gradué et numéroté sur sa tranche et qui est susceptible de se déplacer au-devant d'une seconde fentre du pupitre, également non représentée, disposée à côté de la première. 74 et 75 représentent respectivement un volant pour la commande grossière de la rotation de l'arbre 70 et un poulet à commande micrométrique de cette rotation.
Le déplacement angulaire du volant 74 dans un sens ou dans l'autre détermine donc, avec une grande démultiplication, un déplacement correspondant des verres 40 et 47. Si ceuxci sont positionnés de manière que les rayons lumineux des sources 33, respectivement 44, ne leur sont pas perpendiculaires, ces rayons sont réfractés et suivent, après passage dans ces verres, des cheminements différents selon leurs angles d'incidence. De cette manière le pinceau lumineux projeté sur l'écran 36 peut tre déplacé sur celui-ci jusqu'à faire coïncider l'image du trait avec un repère tracé par exemple sur la partie médiane de cet écran.
De mme le pinceau lumineux émis par la source 44 pourra-t-il tre déplacé de manière à la diriger sur le trait correspondant de la règle 29 et faire en sorte que ce trait se trouve placé très exactement au centre du balayage de ce pinceau.
Bien entendu les règles 29 et 30 ainsi que les éléments de leurs systèmes optiques respectifs et leurs organes de commande du déplacement angulaire des verres plan parallèles 40 et 47 sont positionnés et dimensionnés de manière que par rotation du volant 74 ou du poulet 75 les pinceaux lumineux des deux systèmes se déplacent simultanément d'une quantité correspondante. Ainsi au déplacement de l'image d'un trait de la règle 30 correspondra un déplacement de l'aiguille de l'ampèremètre vers le zéro de son cadran.
L'écart existant entre la position d'un trait de la règle 30 et celle du centre de la plage d'oscillation du pinceau projeté sur cette règle, lorsque le verre 47 est perpendiculaire aux rayons de la source 44, et qui correspond à une fraction de division, est mesurable à l'aide des tambours 68 et 73. Ceux-ci sont cinématiquement solidaires l'un de l'autre, le mouvement du tambour 68 étant fortement démultiplié par rapport à celui du tambour 73, par exemple de manière que pour une rotation complète du tambour 73, le tambour 68 se déplace angulairement d'une graduation. Les tambours 68 et 73 peuvent par exemple tre divisés en 100 parties et leur mouvement suffisamment démultiplié pour que ces divisions correspondent par exemple à un écart de mesure de 0,1 stem, respectivement de 10 slm.
Parce que la loi du déplacement des rayons lumineux au travers d'un verre plan parallèle n'est pas exactement linéaire en fonction de l'angle d'incidence, le dispositif est en outre muni du verre 48 qui est monté solidaire d'un arbre 76 articulé sur le pupitre, dont une extrémité présente un bras 77 appuyant, sous l'action d'un ressort 78, contre la surface d'une came 79 que présente un secteur 80 solidaire de l'axe 61. La came 79 traduit la correction à apporter, en fonction de la position angulaire du verre 47, pour que les rayons sortant de ce verre selon une trajectoire légèrement erronée soient replacés, après passage au travers du verre 48, dans la trajectoire théorique qu'ils auraient dû suivre avec une loi de réfraction linéaire.