Dispositif de mesure précise des profils de droites
La présente invention a trait à un dispositif de mesure précise des profils de droites constituantes génératrices d'une surface plane ou cylindrique.
On sait qu'il est extrmement important de posséder, pour la réalisation d'appareils de grande précision, des moyens de contrôler la rectitude de certains de leurs éléments de guidage ou d'actionnement.
Il existe donc déjà de nombreux dispositifs, et notamment des dispositifs mettant en oeuvre des moyens mécaniques tels que des comparateurs, pour effectuer des contrôles de la parfaite linéarité des éléments en question.
L'invention a pour but de réaliser un dispositif de mesure précise des profils de droites constituant t les génératrices d'une surface plane ou cylindrique, c'est-à-dire capable de mesurer les défauts de rectitude de ces génératrices.
Ce dispositif comporte : un support fixe destiné à recevoir l'objet présentant ladite surface et agencé de façon que l'on puisse y disposer ledit objet avec la génératrice à mesurer dans une direction fixe donnée, un chariot se déplaçant parallèlement à ladite direction fixée, un miroir entraîné par ledit chariot et solidaire de moyens palpeurs mis en contact avec la génératrice à explorer, ledit miroir étant accouplé au chariot par l'intermédiaire d'organes de liaison lui laissant la liberté de pivoter autour d'un axe perpendiculaire à ladite direction fixe, et, enfin, un autocollimateur de précision, dont l'axe optique, constituant la ligne droite parfaite de référence, est parallèle à ladite direction fixe et perpendiculaire au plan du miroir,
lequel collimateur permet de mesurer les rotations du miroir provoquées par les dénivel- lations du profil de ladite génératrice au cours du déplacement du chariot.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 sont des schémas aidant à la compréhension du fonctionnement du dispositif.
La fig. 3 montre schématiquement le mode d'exploration adopté pour des génératrices de surfaces cylindriques.
La fig. 4 montre schématiquement le mode d'ex- ploration adopté pour des génératrices de surfaces planes.
La fig. 5 représente schématiquement l'ensemble du dispositif.
La fig. 6 montre un support pour objets cylindriques.
La fig. 7 montre, en coupe, l'écrou de liaison entre le chariot et sa vis d'entraînement
La fig. 8 représente schématiquement le mode de montage de l'écrou dans le chariot.
La fig. 9 montre le mode de montage du miroir entre ses fourches d'entraînement.
La fig. 10 montre un mode de guidage du chariot.
Les fig. 11 à 13 sont des vues de détail montrant le mode de montage du miroir.
La fig. 14 représente un autre mode de montage du miroir.
Le dispositif de mesure représenté est établi en tenant compte des considérations suivantes.
Le but à atteindre est de déceler les défauts de rectitude de génératrices de surfaces planes ou cy lindriques, autrement dit, de mesurer les écarts entre ces dernières et la ligne droite qui doit tre, en la circonstance, considérée comme leur forme géomé- trique théorique parfaite.
Cette droite parfaite de référence est constituée, comme le montre la fig. 1, par l'axe optique o-o' d'un autocollimateur et c'est par rapport à cet axe que le profil d'une génératrice D à contrôler pourra tre mesuré.
A cet effet, on fixe un miroir plan 1 sur une monture 2 comportant deux couteaux 3 et 3'distants l'un de l'autre d'une valeur d.
Si, à partir d'une position initiale du miroir, on déplace ce dernier par segments successifs de valeur d le long de la génératrice D de longueur L, le nombre de déplacements est le nombre entier immédiatement inférieur à
L-d
d
Entre deux positions voisines du miroir, il peut exister une dénivellation Q du profil D (fig. 2).
Cette dénivellation fait tourner le miroir autour d'une normale au plan de figure d'un angle a =-radians
On lit alors les rotations a du miror à l'aide de l'autocollimateur ; ces rotations sont faibles, de l'ordre de quelques secondes à quelques dizaines de secondes d'arc, d'où (1) a¯ tga¯ Q et dans un système de coordonnées où D serait parallèle à oX on a en posant
Q=4y et d = lNx (2) Y = a
Le profil D s'obtient par intégration.
EMI2.1
C étant la constante d'intégration.
Avec un autocollimateur Wild permettant de lire des rotations de 1"d'arc cv 5.10-6 radian et un
Ax = d = 4mm, on lit des dénivellations Ay 45l0-6 =2. 10-5mm=0, 02R.
Cette sensibilité de détection peut tre augmentée par l'emploi d'un autocollimateur à pouvoir de réso- lution plus grand. La constante d'intégration C de l'équation (3) définit le profil y (x) à une translation parallèle à oy près. Pour obtenir un profil qui se rapproche le plus possible du profil réel, il faut mesurer plusieurs fois la mme génératrice. Lors de ces mesures, les valeurs a sont entachées d'erreurs aléatoires, et les différentes courbes tracées après chaque mesure ne se superposent pas rigoureusement.
On peut notamment tracer les courbes enveloppes des ordonnées maximale et minimale., en chaque point ; E étant l'écart maximal existant entre-ces deux courbes.
Pour fixer la constante d'intégration C particulière à chaque courbe y = f (x), on se donne comme condition initiale l'unicité du profil mesuré. Les courbes y = f (x) doivent donc se superposer au mieux, cette superposition étant obtenue par des translations relatives parallèles à oy. Pour avoir l'erreur de mesure maximale on rapproche les courbes enveloppes maximale et minimale de 2 par une translation parallèle à oy. Le profil de D représenté par y = f (x) est alors donné par la moyenne arithmétique des mesures en chaque point
E à + 4 près ; cette moyenne coïncide avec la moyenne graphique des courbes enveloppes si le nombre de mesures est suffisamment grand.
Avec les données ci-dessus, d = 4 mm et autocollimateur Wild, on a pu tracer des profils dont la précision est de 0,03 R et mme 0,01 11 pour certains.
La fig. 3 schématise un montage permettant de mesurer la rectitude de génératrices de cylindres.
Dans ce montage, un cylindre 4 repose dans un vg-support 5, en quatre points seulement pour lui assurer une stabilité parfaite, dans ce dernier. Avec un autocollimateur 6, on mesure les rotations autour d'un axe m-m'dues aux irrégularités de la génératrice
D du cylindre, dont on cherche à déterminer le profil.
Un second autocollimateur 7 permet de mettre en place un miroir 8 dans une direction fixe ; autour de la normale N à la génératrice D, lors des déplacements successifs du miroir. Deux aiguilles de roulement 9 et 10 réalisent chacune un contact quasi ponctuel entre le miroir 8, solidaire des aiguilles, et la génératrice D. Une troisième aiguille 11, également solidaire du miroir, appuie, par une génératrice, sur l'arte rectiligne d'un couteau 12 ; l'extrémité sphérique de l'aiguille 11 bute sur la face plane et polie d'une cale 13. Cette face et l'arte du couteau 12 sont parallèles à la génératrice D à 5 u près.
Avec les liaisons imposées ont peut déplacer le miroir suivant une translation parallèle à la génératrice D et le miroir 8 peut tourner dans son mouvement de mesure autour de l'axe m-m'pour palper le profil de ladite génératrice.
Les déplacements successifs du miroir 8, d'une quantité égale au pas des aiguilles 9 et 10 (distance mutuelle des axes des aiguilles), sont mesurés sur une graduation 14 par un index 15 solidaire du miroir 8.
Pour mesurer les erreurs de rectitude d'une droite située dans un plan P (fig. 4) on peut utiliser la mme méthode et des montages identiques. Le contact ponctuel entre le miroir 8 et la génératrice D' est alors réalisé au moyen de deux billes 16 et 17 solidarisées du miroir 8.
Dans ce qui précède, on a supposé que tous les déplacements du miroir 8 : translations parallèles à la génératrice D et orientation correcte autour de la normale N à ladite génératrice, s'effectuaient manuellement.
Mais ces opérations sont délicates et longues et le dispositif décrit ci-après les rend plus commodes et plus rapides.
Ce dispositif, schématisé en fig. 5, comprend un bâti 18 supportant un marbre 19, plan à 2 ffi près, et deux montants 20 et 21. Sur le marbre 19 sont montés : une règle 22 donnant la référence d'une droite rectiligne à + 1 St ; un support 23 de la pièce à mesurer 24 (ici un cylindre), le support 23 est orientable grâce à trois vis calantes à pas fin 23a, 23b, 23c en vue d'amener la génératrice mesurée à tre parallèle à la droite de référence de la règle 22 et enfin, un support 25 réglable au moyen d'une vis à pas fin 26 et sur lequel repose un autocollimateur 27 dont le faisceau de visée traverse une fentre 21a pratiquée dans le montant 21.
Les montants 20 et 21 supportent les barres de guidage 28 et 29 d'un chariot 30, la vis 31 de commande du chariot et le couteau guide 12 dont l'arte est rectiligne à 0,5 R. Le couteau guide et les barres de guidage sont réglables et peuvent tre amenés en position parallèle à la règle 22.
La vis 31 de commande du chariot 30 est entraînée en rotation par une manivelle 32 calée sur un arbre 33 porteur d'un pignon d'angle 34 engrenant avec un autre pignon d'angle 35 calé sur ladite vis. Les rotations de la vis sont lues au moyen d'un index 36 sur un cadran 37 gradué en centième de tour de la vis. Le nombre de tours est enregistré sur un compteur totalisateur 38. Si le pas de la vis 31 est de 1 mm, on voit que l'on peut mesurer les dé- placements du chariot 30 avec une précision de l'ordre du centième de millimètre.
Au-dessous du chariot sont fixées deux fourches 39 et 40 dans lesquelles sont engagées deux tiges 41 et 41'solidaires du miroir 8. Lors de son mouvement de translation parallèle à la règle 22, le chariot 30 entraîne le miroir 8, par l'intermédiaire des fourches 39 et 40. Le miroir peut osciller autour d'une direction normale à sa translation pour permettre aux aiguilles 9 et 10 (remplacées par des billes lorsqu'on mesure les droites d'un plan) de palper et de suivre les irrégularités de profil de la génératrice à mesurer.
La tige 41'repose sur le couteau guide 12.
Les mouvements transversaux du miroir 8 sont limités par deux palettes non représentées formant butée pour les tiges 41 et 41'. Pendant la mesure ces palettes sont effacées par l'action d'un électro-aimant comme il est décrit plus loin.
Il faut noter que, pendant les mesures, la pièce doit tre parfaitement stable. Pour assurer cette stabilité on peut, lorsqu'il s'agit d'une pièce cylindrique, utiliser un support réalisé comme le montre la fig. 6.
Dans la partie fraisée en V du bloc-semelle 23, sont soudées quatre aiguilles 42,43,44 et 45. La pièce à contrôler repose sur les quatre aiguilles seulement par quatre points et cette liaison est stable pour un cylindre.
Par action sur les vis de réglage à pas fin 23a, 23b et 23c on peut orienter le bloc-semelle 23 suivant une direction imposée réalisant le parallélisme entre la génératrice à contrôler et la règle de référence.
De préférence lesdites vis ont des extrémités sphériques prenant appui sur le marbre 19 (fig. 5) dans un moyen de repérage isostatique trou-traitplan.
On peut encore supporter un cylindre en maté- rialisant les quatre points de contact par quatre billes soudées dans le fraisage en V du bloc-semelle 23.
Pour supporter un plan on le fait reposer sur trois billes qui sont solidaires d'une semelle orientable. Le plan conserve trois degrés de liberté qui autorisent tout mouvement dans le plan des trois billes. Ces trois degrés de liberté peuvent tre supprimés par trois billes supplémentaires dont la disposition doit tre adaptée à chaque cas particulier.
En général il est suffisant de positionner un plan par trois points.
Comme il a été dit plus'haut, le déplacement du chariot 30 est mesuré par les rotations de la vis 31.
Il faut donc, de ce fait, que la liaison vis-chariot se fasse par l'intermédiaire d'un écrou à rattrapage de jeu. Cet écrou doit en outre tre fixe en rotation autour de l'axe de la vis et fixe en translation par rapport au chariot dans une direction parallèle au déplacement. Cette liaison est impérative, mais l'écrou ne doit pas tre monté entièrement fixe dans le chariot, afin d'éviter les coincements voire mme des soulèvements du chariot lors de son déplacement, dus à un non-alignement entre la vis de commande 31 et les barres de guidage 28 et 29. A cet effet l'écrou est monté semi-flottant dans le chariot pour permettre certains déplacements relatifs.
Le moyen utilisable pour assurer un rattrapage de jeu est montré schématiquement en fig. 7. Il comporte un écrou constitué de deux parties 46 et 47 solidarisées en rotation par une goupille 48 vissée dans la partie 46 et traversant un trou 49 pratiqué dans la partie 47. En réalité, il est préférable de percer six trous 49 dans cette dernière, de manière à permettre de rapprocher ou éloigner les deux parties l'une de l'autre d'un sixième de tour, en vissant ou dévissant l'une des parties ou les deux en sens opposé, la goupille étant dévissée puis remise en place après réglage.
Une rondelle élastique 50, dont la tension est réglée par ce réglage, maintient les deux parties de l'écrou plaquées sur des flancs de filets opposés de la vis 31 et rattrape ainsi le jeu qui peut exister ou se produire entre les filetages desdites parties et celui de la vis.
La fig. 8 montre schématiquement le mode de liaison entre l'écrou et le chariot. La partie 46 de l'écrou comporte deux tourillons 51,51'qui s'engagent, par un ajustement tournant juste, entre les branches de deux fourches 52 et 53 solidaires du chariot 30.
Si l'on considère un axe de référence o x y lié au chariot, ox étant parallèle au sens de déplacement du chariot, c'est-à-dire à l'axe de la vis 31 de commande, on voit que les liaisons imposées autorisent les mouvements suivants de la partie 46 de l'écrou par rapport au chariot 30 :
une translation parallèle à oz ;
une translation parallèle à ;
une rotation autour de 1'axe des tourillons 51,51' parallèle à oy.
Une translation de l'écrou par rapport au chariot 30, suivant ox est impossible, ainsi que des rotations autour de oz et de l'axe de la vis. Ce mode de liaison par écrou semi-flottant permet une transmission correcte du mouvement vis-chariot, mme si les axes des barres de guidage du chariot ne sont pas parallèles à l'axe de la vis de commande.
Pour assurer la liaison entre le miroir 8 et le chariot 30 on peut utiliser une liaison analogue à celle de la vis-chariot décrite ci-dessus. Le schéma de principe ressort de la fig. 5 et la fig. 9 fournit une représentation plus détaillée des fourches d'entraînement solidaires du chariot et du dispositif à électro-aimants destiné à limiter les mouvements transversaux du miroir. Ladite fig. 9 montre, en effet, une vue de dessus du miroir 8 et une coupe des fourches 39 et 40 et des électro-aimants par un plan passant par l'axe de ces derniers.
Le miroir 8 est solidaire d'une monture sur laquelle sont fixées les aiguilles 9 et 10 et les tiges transversales 41 et 41'. Soit oxyz un trièdre lié au miroir, oy est dans le plan médian des axes des aiguilles 9 et 10 et parallèle à ces axes, les tiges 41, 41'sont parallèles à oy et le déplacement du miroir se fait suivant ox.
Les tiges 41 et 41'sont engagées dans les ouvertures des fourches 39 et 40 avec un jeu de 0,3 mm à 0,5mm.
Les extrémités des tiges 41 et 41'appuient sur les ttes 54 et 54'de noyaux 55 et 55'pouvant plonger dans les bobines d'électro-aimants 56 et 56'. Des ressorts 57 et 57'maintiennent les ttes 54 et 54' en contact avec des rondelles 58 et 58'pendant les déplacements du miroir et les noyaux forment ainsi des butées pour les tiges 41 et 41'afin d'éliminer les mouvements transversaux du miroir suivant l'axe oy.
Lorsque le déplacement du miroir a été effectué, les tiges 41 et 41'sont libérées latéralement par les électro-aimants qui effacent les noyaux 55 et 55'.
Dans le sens longitudinal le contact entre les tiges 41 et 41'et les fourches 39 et 40 est supprimé lorsqu'on déplace le chariot, et par conséquent les fourches, de quelques centièmes de millimètre en sens opposé au mouvement du miroir. On libère ainsi entièrement le miroir 8 qui ne repose plus que par deux points (par l'intermédiaire des aiguilles 9 et 10) sur la génératrice D à mesurer et par un point de la tige 41'sur l'arte du couteau guide 12.
Les mouvements de ( < mesure du miroir sont une translation suivant oz et une rotation autour d'une parallèle à oy ; ces mouvements se font avec un minimum de frottements lorsque le miroir est en appui uniquement par les trois points mentionnés ci-dessus.
Le système de guidage en translation du chariot 30 est schématisé en fig. 10 et il consiste en un dispositif à cinq points de contact (en réalité cinq bandes étroites) réalisé par deux vés donnant quatre points de contact 59,60 et 61,62 sur une des barres de guidage cylindrique 28 et un plan qui repose par le cinquième point de contact 63 sur la deuxième barre 29.
Les deux barres de guidage 28 et 29 sont rectifiées finement et s'écartent peu de la forme géomé- trique parfaite. Leur parallélisme est réglé au montage avec des tolérances serrées.
Pour mesurer des génératrices de cylindres, le miroir 8 est muni de deux artes qui reposent pratiquement en deux point sur la génératrice à mesurer.
Ces artes doivent tre en principe rigoureusement rectilignes et parallèles. On les matérialise par les génératrices de deux aiguilles de roulement, dont la rectitude est correcte à quelques dixièmes de micron près.
Les fig. 11 à 13 représentent un mode d'exé- cution d'un tel support.
Le miroir 8 est collé avec de la cire à cacheter ou avec une araldite spéciale sur une semelle 64.
Sur cette semelle sont en outre fixées les tiges transversales 41 et 41'qui peuvent d'ailleurs tre constituées par une tige unique et le support d'aiguilles 65 pourvu d'une lame réglable 65'. Dans le support 65 est pratiquée une fraisure qui reçoit les deux aiguilles 9 et 10 fixées respectivement (par collage ou soudure) sur le support 65 et la lame 65'.
Si l'on considère un trièdre oxyz lié à la fig. 13, oy étant parallèle aux tiges 41 et 41', le parallélisme des aiguilles 9 et 10 dans un plan de projection parallèle à xoy est réalisé par la tangence entre elles des deux aiguilles suivant une génératrice. Dans un plan parallèle à zoy on règle le parallélisme desdites aiguilles en déplaçant la lame élastique 65'grâce à une vis de réglage 66.
Le miroir 8 peut tre monté de toute autre manière. C'est ainsi qu'il peut comporter, comme le montre la fig. 14, des artes parallèles 67 et 68 taillées directement dans sa masse et tenant lieu des génératrices de contact des aiguilles 9 et 10. Le miroir palpeur ainsi constitué peut alors tre enchâssé dans une monture 69 sur laquelle sont fixées les tiges 41 et 41'.