Appareil pour la mesure électrique de déplacements relatifs
La présente invention concerne un appareil pour la mesure électrique de déplacements relatifs de deux pièces mécaniques, cet appareil étant destiné par exemple aux équipements de commande automatique de machines-outils ou similaires, en lesquels, notamment, on doit disposer d'une grandeur électrique au moins qui représente à chaque instant la position d'un outil, ou d'un por, te-outil à tout le moins, vis-à-vis de la table de travail de la machine et en lesquels par suite, on doit disposer, outre d'une mesure grossière de cette position relative (à obtenir par tous moyens appropriés extérieurs au domaine de la présente invention), d'une mesure fine de position qui pourra alors permettre de définir la précision du travail effectué sur l'ébauche en cours d'usinage.
Les modalités d'exploitation de telles mesures ne seront pas considérées ici, n'entrant pas dans le cadre de l'invention qui a pour seul but la prévision d'un appareil de mesure fine de position relative de deux pièces. On dira simplement que l'appareil con forme à l'invention se prête particulièrement t bien à une exploitation en déteoteur de déplacement de précision en de tels équipements de commande automatique de machines-outils.
Selon la présente invention, l'appareil de mesure électrique de déplacements relatifs de deux pièces est caractérisé en ce qu'il comprend d'une part une règle magnétique portant au moins une rangée régu- lière de discontinuités magnétiques identiques, destinée à être mécaniquement liée à une des pièces, et d'autre part, une tête, destinée à être mécaniquement liée à l'autre pièce, pour coopérer avec ladite règle, et comprenant au moins un circuit ma gnétique excité ien alternatif et présentant deux branches à double denture chacune avec un enroulement de prélèvement sur chaque denture, les dentures d'une branche étant décalées d'une fraction de pas de la règle vis-à-vis de celles de l'autre et, en chaque branche, les dentures étant aussi décalées d'une fraction de pas l'une sur d'autre,
les enroulements de chaque branche étant connectés en série pour que le courant qui y circule représente le flux de composition magnétique dans les dentures qui les portent d'où, en ces deux circuits série, l'existence de deux courants de même forme d'onde mais d'un déphasage relatif prédéterminé pour leur composition finale délivrant un signal de mesure du dépla- cernent relatif des deux pièces.
Des exemples de réalisation de l'objet de l'invention sont représentés au dessin annexé, dans lequel:
les fig. 1 et 2, en vues en élévation latérale et d'extrémité, montrent une première forme d'exéoution d'une tête d'appareil;
la fig. 3 montre une vue de dessous de la tête de la fig. 1 et une vue de dessus d'une portion de règle, afin de définir la constitution de la règle en montrant les relations de dimensionnement vis-à-vis de la tête;
les fig. 4 et 5 montrent, par des coupes en section droite de la règle, deux manières d'établir les discontinuités magnétiques susdites de cette règle
la fig. 6 indique un schéma dhtilisation possible des courants délivrés par le dispositif;
la fig. 7 indiquant qualitativem, ent les formes d'onde de signaux qui peuvent en être prélevés,
les fig. 8 et 9, à considérer ensemble, définissent en vues de profil et de dessus respectivement, une manière de réaliser une règle conforme à la disposition de la fig. 5
les fig. 10 et 1 1 montrent une élévation latérale de la tête et en vue combinée, le dessous de la tête et t le dessus de la règle, dans une deuxième forme d'exécution;
la fig. 12 est un graphique montrant la variation de flux obtenue dans les pièces polaires de la tête de la fig. 10;
les fig. 13 et 14 montrent, respectivement, deux variantes d"une autre forme d'exécution de la tête et la modification correspondante de la règle associée à cette tête;
la fig. 15 représente une autre variante.
Naturellement, pour la clarté des schémas, les dimensions réelles ne sont pas prises. en considé ration; par-exemple chaque denture comportera, en pratique, un nombre de dents plus important t que celui représenté ; par contre les relations de correspondances entre dents, et entre dents et discontinuités, sont respectées.
On se reporte d'abord aux fig. 1 à 3. La tête du dispositif de mesure se compose d'un circuit magnétique, feuilleté, c omprenant une culasse 1 terminée en deux branches 2 et 3, et a donc la forme générale d'un U. Ce circuit magnétique est excité en courant alternatif au moyen d'un bobinage 4 enroulé autour de la partie 1 du circuit. Chaque branche 2 ou 3, se termine par une partie fendue en ; deux portions 1 1 et 12 et chacune de ces portions comporte un certain nombre de dents, 7 et 15 pour la branche 2, 8 et 17 pour la branche 3. Autour de chaque denture est établi un enroulement, ou bobinage, collecteur des variations de flux en la denture; ces bobinages sont numérotés 5 et 13 pour les dentures 7 et 15, et 6 et 14 pour les dentures 8 et 17.
Cette tête est disposée et, par exemple entraînée, au-dessus et à étroite proximité d'une règle 19 en matériau magnétique et présentant des discontinuités magnétiques 20 et 21, en deux rangées d'espacement régulier de discontinuités, d'où la définition d'un pas égal à une largeur de discontinuité plus un intervalle entre discontinuités consécutives. D'une rangée à l'autre, il existe un décalage d'un demi-pas, et, dans la tête, l'espacement entre les paires de dentures est tel qu'il existe aussi un quart de pas de décalage d'une denture sur l'autre vis-à-vis de la règle. Le pas, intervalle élémentaire d'étendue d'une mesure, qui se répète identiquement à ellemême d'un pas au smvant, est généralement petit, par exemple de l'ordre d'un millimètre ou d'un dixième de pouce anglais.
Quand, par exemple, les trois dents représentées en 15 'sont en coïnicidence avec les discontinuités 20 de la règle magnétique, le flux qui traverse la bobine 13 est minimum, mais celui qui traverse la bobine 5, dents 7, est maximum car ces dents 7 sont alors en anti-coïncidence complète avec lies discontinuités magnétiques 21. A mesure que la tête se déplace (par exemple), ces flux varient et, pour un déplacement t d'un demi-pas, les conditions ci-dessus sont inversées. I1 en est de même en ce qui concerne l'autre branche de la tête.
Chaque branche de la tête étant pourvue d'une paire de bobinages ainsi liée pour les variations de flux, on peut, par exemple, connecter électriquement les paires de bobinages comme indiqué sur le schéma de la fig. 6. La tension recueillie en 22 est propor tonnelle à la différence géométrique des tensions induites dans la paire de bobinages 5 et 13, celle recueillie en 23, à la différence géométrique des tensions recueillies dans la paire de bobinages 6 et 14.
Chacune des tensions résultantes s'annule deux fois en un pas. Elles peuvent être transmises à un organe de calcule 24 qui délivrera, en 25, par leur composition, un signal de courant continu représentant alors le déplacement t relatif de e la tête et de la règle.
En égard au décalage relatif d'un quart de pas entre les branches de la tête vis-à-vis de la règle, les tensions à composer ainsi sont déphasées de z/4 l'une sur l'autre. Si alors chaque tension est sensiblement sinusoïdale, l'une d'elles pourra être considérée comme représentant la variation du sinus du déplacement X, soit t sin X, let l'autre, du cosinus de ce déplacement, soit cos X. Des fonctions sin X et cos X, on sait classiquement produire une tension représentant la variation X par voie de calcul analogique. Les graphiques de la fig. 7 montrent les variotions idéalisées en sin X et cos X dont il vient d'être question. Naturellement la loi de variation des tensions induites dépend de la forme géométrique des dents et des discontinuités.
Pour les configurations montrées, la forme d'onde de tension sensiblement sinusoïdale est obtenue avec une assez bonne approximation. On doit considérer que l'aire de chaque disoontinuité est géométriquement telle que, vue coupée à moitié par une ligne passant par l'axe fictif longitudinal de la règle en chaque rangée, chaque demi-surface de discontinuité se rapproche au mieux de l'intégrale prise entre 0 et : rc de la fonction sin X, variable d'intégration X.
La règle 19 peut être en un matériau magnétique et les discontinuités. 20 et 21 y être établies au moyen de minces plaquettes de métal très conducteur. C'est ce qui est indiqué sur la vue en coupe de la fig. 4. Ces plaquettes forment alors écrans qui coupent plus ou moins le flux magnétique qui doit se refermer à travers la règle et est émis par les dents de la tête.
Il existe, de façon connue, diverses manières de pouvoir réaliser un tel ensemble: par exemple en remplissant d'un matériau conducteur pulvérulent mélangé à un liant thermodurcissable ou polymérisable des encoches estampées dans la règle; par exemple encore en imprimant les écrans sur la surface du matériau magnétique par toute modalité de la technique des circuits imprimés, en prenant soin ensuite de déposer un matériau magnétique pulvérulent pour rendre plane la surface de la règle entre lesdits écrans, etc.
Pour avoir une bonne sensibilité de Appareil, cependant, il sera nécessaire de recourir à une fréquence d'excitation relativement élevée, par exemple de l'ordre de 1 à 2 KC/s.
il paraît alors préférable, pour n'avoir pas impérativement besoin de recourir à une telle fréquence, mais pour pouvoir au contraire travailler si désiré dans la gamme dite des fréquences industrielles, 50 périodes par seconde par exemple, de recourir non pas à un effet d'écran mais à un effet de réluctance introduit dans la règle en y insérant des plaquettes. en un matériau magnétique de réluctance différente de celle du matériau magnétique de la règle, ou, de façon plus simple alors (fig. 5), en établissant des encoches de profondeur adéquate dans le matériau de la règle.
Les tensions induites dans les bobinages de la tête varieront t comme indiqué puisqu'en fait les entrefers entre règle et dents varieront au cours du déplacement relatif de ces éléments. Les tensions restent alors en phase pour les bobines de chaque paire, 5 - 13, et 6 - 14, mais leurs résultantes, ont les mêmes caractéristiques que précédemment, en sorte que l'effet final visé est obtenu de la même façon que susdécrit. Naturellement, la loi de variation en fonction du déplacement dépend de la même façon que précédemment des formes géométriques des dents de la tête et des creux (ou alvéoles) de la règle.
I1 a été dit, et c'est bien évident, que les surfaces en regard de la tête et de ila règle devaient, au montage, être maintenues aussi voisines que possible, l'une de l'autre. Le cas optimum est celui où ces & ur- faces portent l'une sur l'autre, et ceci est bien entendu possible lorsqu'on établit la règle avec des discontinuités en forme d'alvéoles. Les fuites magnétiques sont alors très réduites, et les résultats pratiquement indépendants de la longueur de la règle.
De ce point de vue il est évident qu'en certains cas, notamment sur les machines-outils, la règle peut avoir une très grande longueur. Il se pose alors la question de raccords entre éléments de la règle car ces raccords devraient être établis tels qu'ils n'entraî- nent aucune discontinuité magnétique d'un élément de règle à l'autre. On pourrait évidemment établir la tête inductrice et détectrice pour que son dépla- cement relatif sur la règle se fasse en un sens parai- lèle aux largeurs des dents, mais la règle devrait alors être plus large et munie de quatre rangées de discontinuités, et il faudrait alors naturellement établir un décalage particulier des dents de la tête.
En contrepartie, et du fait que le flux magnétique circulerait transversalement à la règle en cette dernière, celle-ci pourrait être facilement prolongée par des éléments raccordés de façon simple en bout les uns aux autres.
I1 est prévu alors, let pour éviter un tel arrangement plus complexe, d'établir la règle magnétique au moyen d'un empilage de tôles magnétiques imbriquées et disposées verticalement en une gouttière qui sert à la fois à leur positionnement relatif et à leur immobilisation. Un exemple en est donné sur les fig. 8 et 9. La gouttière est indiquée en 27, sa longueur peut atteindre plusieurs mètres ; elle est soigneusement usinée et vient prendre appui sur une surface 28 soigneusement planée (fig. 8). Chaque élément de tôle magnétique 26 est de courte lon- gueur vis-à-vis de la gouttière 27 et viens reposer sur son fond par sa tranche inférieure. Sur la longueur de la gouttière, on a établi à la machine à pointer le positionnement de broches de solidarisation des tôles à ladite gouttière.
Une de ces broches est visible en 31 passant t à travers une encoche 30 des tôles 26.
Si chaque tôle n'était t pourvue que d'une seule encoche, les joints entre tôles dans l'assemblage définiraient des plans de coïncidence d'éléments accolés qu'il est désirable d'éviter. C'est pourquoi chaque tôle est préparée avec plusieurs encoches 30 oe qui permet, au montage, de la décaler à volonté vis-à-vis des autres s tôles de e l'empilage dans un sens ou dans l'autre, d'une façon non montrée mais évi dente en soi. Aux deux extrémités de la règle complète, il y aura évidemment lieu de recouper certaines des tôles ainsi utilisées.
Chacune des tôles a une tranche supérieure qui présente une denture régulière, comme indiqué en 29 mais comme visible sur la fig. 9, ces dentures ne sont pas toutes identiques bien que d'un pas (initier; valise entre axes verticaux) constant. Les largeurs des dites encoches sont au contraire variées en un nombre prédéterminé d'ailleurs, pour qu'à l'assemblage, les alvéoles formés présentent t chacun une surface géo- métrique d'une configuration approchée de celle qui a été définie plus haut pour obtenir une loi de variation des flux sensiblement sinusoïdale.
Une fois les tôles en place dans la gouttière selon l'assemblage désiré, elles peuvent être immobilisées complètement en coulant une résine thermodurcissable dans ledit assemblage après quoi on procède à un surfaçage rigoureux de la règle par les moyens habituels pour une opération de ce genre.
Un tel mode d'exécution de la règle permet d'avoir une très bonne approximation d'une variation de flux sinusoïdale, mais elle implique un dé coupage rigoureux des encoches 29 en leurs s diverses largeurs. Une simplification peut y être apportée en ayant recours à un seul profil de tôle élémentaire ce qui, comme visible sur la vue en plan d'une portion de règle (fig. 11), pemnet aisément alors d'établir des encoches rectangulaires et non plus de configuration élaborée comme dans les dispositions précédentes. Ce qui a été dit pour l'assemblage demeure valable, simplement chaque tôle telle que 26 (fig.
8), a même denture que toute autre de l'empilage, les dents et intervalles entre dents étant de largeur constante et égale au demi-pas désiré. Mais il est naturellement nécessaire e de retrouver, approximati- vement, une variation de flux quasi-sinusoïdale au cours du déplacement relatif de la tête et de la règle.
C'est pourquoi on a en même e temps modifié la struc- ture des dentures de la tête pour obtenir ce résultant.
La taille de quelques dents a naturellement une moindre incidence technologique sur l'usinage complet. Cet arrangement particulier des dents de la tête détectrice se caractérise en ce qu'il comprend une loi de variation des intervalles entre dents et, par exemple (fig. 10 et 11), en chaque branche, les dents d'une denture sont réparties en deux groupes de part et d'autre d'un plan de symétrie, l'intervalle entre les dents extrêmes de chaque groupe étant établi différent du demi-pas, et par exemple, accru d'un huitième de pas (ce chiffre n'étant nullement limitatif). C'est ce qui est indiqué pour l'intervalle 39 entre les paires de dents 37 et 47, et aussi pour l'intervalle 40 entre les paires de dents 38 et 48 sur le schéma de la fig. 11, les modifications des deux autres dentures étant évidentes et identiques.
Par contre, à l'intérieur de chaque groupe, l'intervalle, 41 ou 42, entre dents, est toujours égal au demi-pas.
La variation de flux recueillie par chaque paire de dents est en forme de dent de scie régulière (voir fig. 12), dent de scie 49 pour la paire de dents 37 (ou 38) par exemple et dent de scie 50 pour la paire de dents 47 (ou u 48). La résultante de ces variations de flux est celle indiquée en 51, soit donc une forme trapézoïdale approchant d'une forme d'onde sinusoïdale, qui pourra être acceptable en pratique en la plupart des cas. La variation recueillie par les bobinages 45 et 46 sera identique mais, naturellement, déphasée d'un demizpas sur celles montrées (fig. 12) pour les bobinages 35 et 36.
Une simplification technique encore plus grande peut être assurée en conformité des fig. 13 et 14, en considérant alors qu'on peut simplifier la règle en réduisant sa constitution à une seule rangée de discontinuités 20. L'écart d'un demi-pas établi dans les dispositions précédentes par deux rangées de discontinuités alors que les dentures d'une branche étaient en coïncidence peut être aisément reporté entre les dentures d'une branche en les disposant à la suite l'une de l'autre en série en quelque sorte et non plus en parallèle. Ce sont à des dispositions série que l'on va maintenant se reporter.
Comme on le voit sur la fig. 13, la règle 19 est établie avec une seule rangée de discontinuités, ici d'alvéoles 20, réalisées par exemple par un empilage de tôles découpées comme susdit. La tête est ellemême formée, pour son circuit magnétique, par un empilage de tôles, chacune de ses branches d'extrémité 2 et 3 est établie avec une double denture et chaque denture est entourée d'un bobinage de prélèvement des variations du flux qui s'y produisent lorsque la tête et la règle se déplacent relativement l'une à l'autre. Sur le schéma, on n'a indiqué que deux dents par denture, mais on doit comprendre qu'il y en a un plus grand nombre, comme susdit.
Ces dents sont t espacées d'un demi-pas à l'intérieur de chaque denture. La double denture de la branche 2 comporte les éléments 57 et 67, espacés entre eux d'un peu plus qu'un multiple entier de pas. La double denture de la branche 3 est formée des éléments 58 et 68, aussi espacés entre eux d'un peu plus qu'un multiple entier de pas. La denture 57 est entourée du bobinage de prélèvement 55, la denture 67 du bobinage 65, la denture 58 du bobinage 56 et la denture 68 du bobinage 66. L'interconnexion électrique entre ces bobinages doit se comprendre telle qu'indiquée sur la fig. 6.
Il existera entre les tensions recueillies des dentures de chaque paire un certain déphasage dû à la fraction de pas susindiquée et, vis-à-vis de la règle, les deux phases Ph.l et Ph.2 de la tête seront décalées entre elles de z/2.
Le fonctionnement sera donc sensiblement tel qu'exposé en relation avec les fig. 6 et 7, d'une part, la fig. 12 de l'autre. La largeur des encoches ou alvéoles de la règle est ou peut, de préférence, être légèrement supérieure à la largeur correpondante des dents de la tête, le pas étant maintenu par réduction correspondante de leurs intervalles.
Dans la fig. 14, au contraire, les décalages entre dents 57, 67, 58 et 68, sont conformes à ce qui a été indiqué pour la réalisation de la fig. 11, c'est-à-dire que, chaque dent ayant une e largeur d égale au demi- pas, l'espacement e entre les deux dents (ou groupes de dents) à l'intérieur de chaque denture est égal au demi-pas plus s une fraction de pas ; en pratique, il y aura plusieurs dents, en même nombre, de part et d'autre de l'intervalle e et, en ce cas, chaque intervalle entre ces dents sera égal à d. L'intervalle f établi entre les plans de symétrie des dentures dans une branche est pris égal à un nombre entier de demipas plus une fraction de pas. L'intervalle g entre les plans de symétrie des branches est t établi égal à un nombre entier de pas plus un ! demi-pas.
Les flux en chaque denture sont alors strictement conformes à ce qui est indiqué sur la fig. 12.
En l'un et l'autre des arrangements des fig. 13 et 14 cependant, et du fait que les dentures de la tête font partie d'un circuit magnétique de flux com mun, il apparaît un flux de réaction qui a tendance à perturber le flux inducteur d'excitation car le flux résultant est alors légèrement décalé sur le flux d'excitation original. Il s'ensuit une interaction entre les deux éléments Pu. 1 et Ph.2 de la tête et le zéro vrai de la mesure est finalement légèrement décalé lui-même vers un zéro fictif. Si, pour une fréquence d'excitation basse, d'une part, et une puissance demandée relativement faible, d'autre part, cet effet est assez peu sensible, il devient trop important pour pouvoir être négligé lorsqu'on accroît l'une et/ou l'autre de ces grandeurs.
Pour pallier cet inconvénient, il est alors prévu de subdiviser le circuit magnétique de la tête de mesure en deux parties distinctes, chacune étant excitée par un enroulement distinct mais de façon rigoureusement symétrique quant à la paire de dentures qui lui est t associée et qu'il y a donc deux circuits de flux magnétiques séparés et découplés l'un de l'autre.
Bien entendu, pour la réalisation technologique, la structure peut avantageusement demeurer unitaire, par exemple grâce à un découpage simple des tôles de la tête pour constituer à la fois, à leur assemblage, l'un et l'autre des circuits de flux. On peut aussi envisager de réaliser séparément les deux parties d'une telle tête puis de les réunir mécaniquement par une monture purement mécanique. Sur la fig.
15, c'est le cas d'une 'unité par découpage des tôles qui est envisagé.
Sur cette fig. 15, les deux circuits de flux magnétiques distincts sont indiqués en 11 et 1" avec leurs enroulements 41 et 42 séparés. Ces derniers sont logés dans des encoches symétriques par rapport à l'étendue longitudinale de chacun des circuits 1 1 et 12, qui ont des plans de symétrie dont on voit les traces en 1011 et 1012, respectivement. L'unité mécanique peut être assurée en établissant les deux circuits par empilage de tôles découpées avec une partie intermédiaire 100, qui finalement n'a aucun rôle dans les circuits de flux. Les tôles sont de plus découpées pour que deux branches 103 encadrent les paires de dentures.
La largeur h de chaque branche 103 est prise arbitraire sur le dessin; en pratique, elle sera avantageusement prise égale à la largeur complète d'une denture, soit donc, pour le cas représenté, et avec ce dimensionnement préféré h = 2dure. Le but de chaque branche 103 est d'assurer, en jouant en quelque sorte un rôle de culasse magnétique, le flux qui traverse chaque denture. La partie intermédiaire 100 de la tête a un profil en retrait pour éviter un couplage entre elle et la règle. Les dimensionnements relatifs de la tête le long de la règle demeurent inchangés vis-à-vis de ceux de la fig. 14. L'indépendance des circuits de flux est évidemment assurée tant d'une phase à l'autre qu'en chaque phase, pour chaque denture, et par suite la fidélité de réponse est entièrement assurée.
On peut noter qu'on a considéré seulement des règles rectilignes, l'invention s'étend évidemment aux règles curvilignes, notamment en cercle, la modification géométrique de 'la tête étant évidente en un tel cas.