Palpeur optique
La présente invention a pour objet un palpeur optique.
Divers dispositifs optiques ont déjà été proposés et réalisés pour remplacer les palpeurs mécaniques, sujets à l'usure et au jeu des pièces mobiles, et dont les dimensions, finies, rendent malaisée la mesure de pièces présentant des formes complexes.
On connaît en particulier des palpeurs optiques dans lesquels est observée une image fournie par la surface de la pièce à mesurer, par exemple des stries tracées sur elle. L'inconvénient générique de ces dispositifs réside dans le fait qu'il est nécessaire que la surface de la pièce à mesurer puisse fournir ladite image.
De tels dispositifs peuvent utiliser des microscopes dont la profondeur de champ est très faible, de manière que la mise au point de l'image de la surface permette des mesures à + 2 llm près. Ce genre de dispositifs est astreignant pour la vue, et, la mise au point nécessitant d'aller au-delà et en deça du point exact, la mesure n'est pas très rapide.
On a également utilisé des microscopes binoculaires stéréoscopiques permettant de déterminer la distance à laquelle se trouve une surface par sa coïncidence en profondeur avec des repères gravés sur des réticules. La précision de ce dispositif est tributaire des aptitudes à la vision stéréoscopique de l'opérateur, aptitudes variant largement d'un individu à l'autre.
Dans une variété connue de microscopes à faible profondeur de champ, L'image de la surface est dédoublée en deux directions différentes au moyen d'un système de lentilles à surfaces réfléchissantes concaves et convexes, puis les deux images sont réunies au moyen d'un prisme. L'effet de la mise au point est alors accentué par la coïncidence des images. Si la surface à palper est oblique par rapport à la direction de mesure, c'est-à-dire par rapport à la bissectrice de l'angle que forment les axes de vision des deux images, celles-ci ne sont pas semblables, du fait qu'elles sont vues dans deux directions différentes, de sorte que leur mise en coïncidence est difficile, voire impossible lorsqu'elles ne sont pas superposables.
Comme cela a été dit, tous les dispositifs susmentionnés nécessitent que la surface de la pièce à observer soit apte à fournir une image.
Dans d'autres types de palpeurs optiques, on projette un repère sur la surface de la pièce à mesurer, et l'on observe l'image réfléchie de ce repère.
De tels dispositifs nécessitent que la surface de la pièce à mesurer soit apte à réfléchir le repère, de sorte qu'ils sont inutilisables avec des surfaces courbes, fortement inclinées ou mates, à fortiori avec des surfaces noires.
Dans certains de ces dispositifs, on utilise la projection oblique d'un repère sur la surface, l'image réfléchie du repère étant observée au moyen d'une lunette dont l'axe forme un certain angle avec la direction de projection. La mise au point consiste à amener l'image réfléchie à coïncider avec l'axe d'observation. La précision d'un tel dispositif est très fortement influencée par l'angle que forme la surface de la pièce à mesurer avec la direction de projection, même si celle-ci et la direction d'observation sont symétriques par rapport à la perpendiculaire à la surface.
Dans une variante, le repère est projeté alternativement dans deux directions différentes, au moyen d'un obturateur oscillant ou tournant, et observé dans l'axe de mesure au moyen d'un miroir semiréfléchissant. En pratique, un tel dispositif exige des moyens photoélectriques d'observation et, comme le précédent, il est limité à l'observation des surfaces réfléchissantes.
Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients susmentionnés. Le palpeur suivant l'invention permet en particulier la mesure de pièces présentant une surface courbe ou mate, voire noire, et sa précision est peu affectée par l'angle de cette surface avec l'axe de mesure.
Ce palpeur optique est caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de projection, dans l'axe de mesure, d'un repère sur la surface à mesurer et un dispositif d'observation, selon deux directions symétriques par rapport à l'axe de mesure, du repère projeté, ce dispositif d'observation comprenant luimême des moyens destinés à réunir les images du repère projeté dans un objectif unique.
-Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale d'un palpeur optique.
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig. 1, et
les fig. 4 et 5 représentent schématiquement les images apparaissant dans l'oculaire du palpeur, dans deux positions différentes de ce dernier par rapport à la surface de la pièce à mesurer.
Le palpeur représenté est monté sur une tête porte-palpeur 1 coulissant sur une coulisse verticale 2 de la machine qu'il équipe. La hauteur de la tête porte-palpeur 1 sur la coulisse 2 peut être relevée à l'aide d'échelles graduées, non représentées, que comporte la machine. La table de cette dernière, destinée à porter la pièce à mesurer, située au-dessous du palpeur, est désignée par 3.
Le palpeur comprend un corps tubulaire 4, monté dans la tête porte-palpeur 1, muni, à sa partie supérieure, d'un boîtier 5 et, à sa partie inférieure, d'un bâti 6, ce dernier présentant une partie tubulaire 6a, engagée sur l'extrémité du tube 4, et un prolongement latéral 6b percé d'un passage cylindrique 7, oblique par rapport à l'axe du tube 4. Cette partie 6b porte, fixée par des vis 8, une pièce en matière thermiquement isolante 9, supportant elle-même, fixée par des vis 10, une tête munie d'ailettes de refroidissement 11. Cette dernière enferme une ampoule électrique 12 alimentée par un câble électrique 13. Grâce à la présence de la matière thermiquement isolante de la pièce 9 et aux ailettes de la pièce 11, la chaleur dégagée par l'ampoule 12 est diffusée par la pièce 11, sans réchauffer sensiblement le reste du palpeur optique.
La lumière provenant de l'ampoule 12 traverse un condenseur 14 et éclaire un réticule 15 constitué par un diaphragme percé d'une ouverture en forme de croix. I1 se produit ainsi une croix lumineuse qui est projetée sur la pièce à mesurer, où se matérialise son image. Cette projection est faite par des lentilles, schématiquement représentées, désignées par 16 et 17. Ces lentilles. de même que le réticule 15 et le condenseur 14, sont montés dans l'alésage 7, dont l'axe est désigné par 18.
La partie 6a du support porte, à son extrémité inférieure, une bague 19 fixée par des vis 20, percée d'un trou central 21 situé dans l'axe de mesure, désigné par 22, coïncidant avec l'axe de la partie tubulaire 4 (fig. 1). La bague 19 enferme un miroir incliné 23 collé sur un support 24 fixé dans la bague par des vis 25 et 26. Le plan du miroir 23 est perpendiculaire à la bissectrice 27 de l'angle formé par les axes 18 et 22 de l'alésage 7 du tube 4.
Grâce à cette disposition, l'image de la croix lumineuse est projetée en 28 sur la pièce à mesurer, désignée par 29, reposant sur la table 3. Il est à remarquer que, cette image étant réelle, la pièce 29 n'a pas besoin d'être réfléchissante pour qu'elle puisse être observée.
La bague 19 porte, collés à deux supports en forme d'équerre 30 et 31, deux prismes 32, respectivement 33 ; la position de chacun de ces derniers est réglée à l'aide de deux vis 34 et 35 (fig. 2 et 3).
Comme le montre la fig. 2, les surfaces réfléchissantes de ces deux prismes, à savoir les surfaces 32a et 33n d'une part, et 32b et 33b d'autre part, sont disposées symétriquement par rapport à l'axe de mesure 22. Les prismes sont en contact l'un avec l'autre par une de leurs faces latérales, I'axe de mesure 22 passant par le plan commun de contact; ce dernier est en outre perpendiculaire au plan formé par les axes 18 et 22.
Ces deux prismes 32 et 33 reprennent la projection de la croix 28 sur la surface de la pièce suivant deux axes optiques 36 et 37 respectivement, et la dirigent parallèlement à l'axe de mesure 22. Les deux images passent par un objectif unique 38, fixé à l'extrémité du tube 4, et sont conduites jusqu'à l'oculaire du palpeur, désigné par 39 (fig. 1), porté par la tête 5, en passant par un prisme 40 fixé, par des plaquettes 41, à un support 42, lui-même porté par la tête 5.
Ainsi, deux images du repère lumineux, à savoir de la croix lumineuse 28, observées selon deux directions symétriques par rapport à l'axe de mesure, sont fournies par un dispositif d'observation unique.
L'image apparaissant dans l'oculaire 39 est représentée dans les fig. 4 et 5 : lorsque le palpeur optique se trouve placé à une distance de la pièce à observer telle que le repère lumineux 28 se trouve au point d'intersection des axes optiques 36 et 37 (c'est le cas lorsqu'il se trouve dans le plan 43 représenté dans la fig. 2), les deux images de cette croix lumineuse, fournies par les deux prismes 32 et 33, représentées en 28a et 28b, respectivement, dans la fig. 4, sont exactement superposées. Lorsque au contraire, le repère lumineux 28 se trouve placé hors du point d'intersection des axes optiques 36 et 37 ( & est le cas lorsqu'il se trouve par exemple dans le plan représenté en 44 dans la fig. 2), les deux images 28a et 28b sont décalées l'une par rapport à l'autre.
La mise au point de l'appareil est donc des plus faciles puisqu'il suffit, en déplaçant le support 1 le long de la coulisse 2, d'amener les deux images 28a et 28b de la croix lumineuse 28 à se superposer exactement.
Cette mise au point se fait pratiquement indépendamment des aptitudes de l'observateur; elle peut être très précise, et ne nécessite pas, comme cela a été dit, que la surface de la pièce à observer soit réfléchissante. De plus, sa précision n'est que peu influencée par l'angle que forme la surface de la pièce à observer avec l'axe de mesure. D'ailleurs, à ce propos, il convient de relever que tout l'appareil peut être orienté autour de l'axe de mesure 22, en le faisant tourner dans la tête porte-palpeur 1. De la sorte, on peut amener le plan contenant les axes d'observation ou, en d'autres termes, le plan de la coupe II-II, dans une position telle qu'il contienne la génératrice de la surface de la pièce à mesurer, au point observé, ce qui réduit notablement les risques d'éventuelles imprécisions.
Optical probe
The present invention relates to an optical feeler.
Various optical devices have already been proposed and produced to replace mechanical probes, subject to wear and play of the moving parts, and whose finished dimensions make it difficult to measure parts having complex shapes.
In particular, optical sensors are known in which an image provided by the surface of the part to be measured is observed, for example streaks drawn on it. The generic drawback of these devices lies in the fact that it is necessary for the surface of the part to be measured to be able to provide said image.
Such devices can use microscopes with a very shallow depth of field, so that the focus of the image of the surface allows measurements to within + 2 μm. This kind of device is demanding for the sight, and, the focusing requiring to go beyond and below the exact point, the measurement is not very fast.
Stereoscopic binocular microscopes have also been used to determine the distance at which a surface is located by its depth coincidence with marks engraved on reticles. The accuracy of this device is dependent on the stereoscopic vision skills of the operator, skills varying widely from one individual to another.
In a known variety of shallow depth-of-field microscopes, the surface image is split in two different directions by means of a lens system with concave and convex reflecting surfaces, then the two images are brought together by means of a prism. The effect of focusing is then accentuated by the coincidence of the images. If the surface to be palpated is oblique with respect to the direction of measurement, that is to say with respect to the bisector of the angle formed by the axes of vision of the two images, they are not similar, fact that they are seen in two different directions, so that their coincidence is difficult, if not impossible when they are not superimposable.
As has been said, all of the aforementioned devices require that the surface of the part to be observed is able to provide an image.
In other types of optical probes, a mark is projected onto the surface of the part to be measured, and the reflected image of this mark is observed.
Such devices require that the surface of the part to be measured is able to reflect the mark, so that they are unusable with curved, strongly inclined or matt surfaces, a fortiori with black surfaces.
In some of these devices, the oblique projection of a mark on the surface is used, the reflected image of the mark being observed by means of a telescope whose axis forms a certain angle with the direction of projection. Focusing consists of bringing the reflected image to coincide with the observation axis. The precision of such a device is very strongly influenced by the angle formed by the surface of the part to be measured with the direction of projection, even if the latter and the direction of observation are symmetrical with respect to the perpendicular to the area.
In a variant, the mark is projected alternately in two different directions, by means of an oscillating or rotating shutter, and observed in the measurement axis by means of a semi-reflective mirror. In practice, such a device requires photoelectric observation means and, like the previous one, it is limited to the observation of reflecting surfaces.
The aim of the present invention is to eliminate the aforementioned drawbacks. The feeler according to the invention allows in particular the measurement of parts having a curved or matt surface, or even black, and its precision is little affected by the angle of this surface with the measurement axis.
This optical probe is characterized by the fact that it comprises a device for projecting, in the measurement axis, a mark on the surface to be measured and an observation device, in two directions symmetrical with respect to the axis of the projected mark, this observation device itself comprising means intended to bring together the images of the projected mark into a single objective.
-The drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is an axial section of an optical feeler.
Fig. 2 is a section taken along line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a section taken along line III-III of FIG. 1, and
figs. 4 and 5 schematically show the images appearing in the eyepiece of the probe, in two different positions of the latter relative to the surface of the part to be measured.
The probe shown is mounted on a probe holder head 1 sliding on a vertical slide 2 of the machine that it equips. The height of the probe holder head 1 on the slide 2 can be raised using graduated scales, not shown, which the machine comprises. The table of the latter, intended to carry the piece to be measured, located below the probe, is designated by 3.
The probe comprises a tubular body 4, mounted in the probe holder head 1, provided, at its upper part, with a housing 5 and, at its lower part, with a frame 6, the latter having a tubular part 6a, engaged on the end of the tube 4, and a lateral extension 6b pierced with a cylindrical passage 7, oblique with respect to the axis of the tube 4. This part 6b carries, fixed by screws 8, a piece of thermally insulating material 9, itself supporting, fixed by screws 10, a head provided with cooling fins 11. The latter encloses an electric bulb 12 supplied by an electric cable 13. Thanks to the presence of the thermally insulating material of the part 9 and to the fins of the part 11, the heat released by the bulb 12 is diffused by the part 11, without substantially heating the rest of the optical sensor.
The light coming from the bulb 12 passes through a condenser 14 and illuminates a reticle 15 formed by a diaphragm pierced with a cross-shaped opening. A luminous cross is thus produced which is projected onto the part to be measured, where its image is materialized. This projection is made by lenses, shown schematically, designated by 16 and 17. These lenses. as well as the reticle 15 and the condenser 14, are mounted in the bore 7, the axis of which is designated by 18.
The part 6a of the support carries, at its lower end, a ring 19 fixed by screws 20, pierced with a central hole 21 located in the measurement axis, designated by 22, coinciding with the axis of the tubular part 4 (fig. 1). The ring 19 encloses an inclined mirror 23 glued to a support 24 fixed in the ring by screws 25 and 26. The plane of the mirror 23 is perpendicular to the bisector 27 of the angle formed by the axes 18 and 22 of the bore 7 of tube 4.
Thanks to this arrangement, the image of the luminous cross is projected at 28 on the part to be measured, designated by 29, resting on the table 3. It should be noted that, this image being real, the part 29 has no need to be reflective so that it can be observed.
The ring 19 carries, glued to two brackets in the form of a square 30 and 31, two prisms 32, respectively 33; the position of each of these is adjusted using two screws 34 and 35 (fig. 2 and 3).
As shown in fig. 2, the reflecting surfaces of these two prisms, namely the surfaces 32a and 33n on the one hand, and 32b and 33b on the other hand, are arranged symmetrically with respect to the measuring axis 22. The prisms are in contact l 'one with the other by one of their lateral faces, the measuring axis 22 passing through the common plane of contact; the latter is also perpendicular to the plane formed by the axes 18 and 22.
These two prisms 32 and 33 take up the projection of the cross 28 on the surface of the part along two optical axes 36 and 37 respectively, and direct it parallel to the measurement axis 22. The two images pass through a single lens 38, fixed to the end of the tube 4, and are led to the eyepiece of the feeler, designated by 39 (fig. 1), carried by the head 5, passing through a prism 40 fixed, by plates 41, to a support 42, itself carried by the head 5.
Thus, two images of the luminous mark, namely of the luminous cross 28, observed in two directions symmetrical with respect to the measurement axis, are provided by a single observation device.
The image appearing in the eyepiece 39 is shown in Figs. 4 and 5: when the optical probe is placed at a distance from the part to be observed such that the light mark 28 is at the point of intersection of the optical axes 36 and 37 (this is the case when it is in the plane 43 shown in Fig. 2), the two images of this luminous cross, provided by the two prisms 32 and 33, shown at 28a and 28b, respectively, in fig. 4, are exactly superimposed. When, on the contrary, the luminous mark 28 is placed outside the point of intersection of the optical axes 36 and 37 (& is the case when it is for example in the plane shown at 44 in FIG. 2), the two images 28a and 28b are shifted relative to each other.
Focusing the device is therefore very easy since it suffices, by moving the support 1 along the slide 2, to bring the two images 28a and 28b of the luminous cross 28 to overlap exactly.
This focusing is done practically independently of the skills of the observer; it can be very precise, and does not require, as has been said, that the surface of the part to be observed is reflective. In addition, its precision is only slightly influenced by the angle formed by the surface of the part to be observed with the measurement axis. Moreover, in this regard, it should be noted that the entire device can be oriented around the measuring axis 22, by rotating it in the probe holder head 1. In this way, the plane can be brought containing the observation axes or, in other words, the plane of section II-II, in a position such that it contains the generatrix of the surface of the part to be measured, at the observed point, which significantly reduces the risks of possible inaccuracies.