FR2468875A1 - Capteur de toucher piezoelectrique a resonance - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les techniques de mesure. Le capteur faisant l'objet de l'invention est caractérisé notamment en ce que son boîtier 1 est réalisé sous la forme d'un corps de révolution creux dans lequel est placé, de façon à assurer un contact acoustique, un excitateur piézoélectrique de vibrations creux 2, de forme correspondant à celle du boîtier, et en ce qu'il est prévu au moins une touche ou embout de contact 4 supplémentaire, ainsi que des tiges 3 en nombre égal au nombre total de touches 4 et disposées sur le boîtier 1 de façon que leurs axes soient dirigés suivant des normales à sa surface, chacune desdites touches étant fixées à l'extrémité de l'une desdites tiges de façon à assurer ledit contact acoustique. Le capteur en question peut être utilisé notamment sur les machines à mesurer en coordonnées, destinées à la mesure des dimensions linéaires et angulaires.
Description
La présente invention concerne les dispositifs de mesure, en particulier
les dispositifs pour la mesure des dimensions linéaires, et a notamment pour objet un capteur
de toucher piézoélectrique à résonance.
Le domaine préférentiel d'application de l'invention est celui des machines à mesurer en cordonnées, destinées à la mesure des dimensions linéaires et angulaires, ainsi
que les écarts de forme et de position relative des surfa-
ces de pièces de forme compliquée. Le capteur de toucher
est l'élément primaire dans les circuits de commande.
Dans une machine à mesurer encoordonnées, il se monte sur l'organe mobile ayant le plus grand nombre de degrés de liberté, et coopère avec la pièce à mesurer aux points prescrits de mesure des coordonnées. L'invention peut aussi être utilisée pour la détermination de l'instant o le capteur touche la surface de la pièce dans les microscopes, les machines à mesurer la longueur de tubes, les appareils de contrôle correctif, les appareils à mesurer les filetages,
ainsi que dans les robots industriels et les manipulateurs.
Le capteur de toucher est l'un des principaux compo-
sants des machines à mesurer en coordonnées, déterminant dans une large mesure leur précision, leur universalité et le degré d'automatisation. L'erreur des capteurs de toucher est l'un des principaux éléments d'erreur des machines à mesurer, et en cas de mesure de petites dimensions sur les machines à mesurer en coordonnées de précision, elle en est un élément prédominant. Les capteurs de toucher connus utilisés dans les machines à mesurer en coordonnées de précision, automatisées et commandées à distance, ne satisfont pas aux prescriptions actuelles de précision, de sensibilité et d'universalité. Ils se caractérisent par une basse fidélité de détermination de l'instant de toucher de la surface à mesurer dans la direction prescrite, un déplacement absolu inconstant de la touche de sa position initiale à la position de basculement, et une charge de contact inconstante lors de la mesure des écarts des paramètres de la pièce dans différentes directions, une basse précision de retour de leur touche à la position
initiale après exécution de la mesure.
On connait un capteur de toucher à contacts électri-
ques (brevet de Grande-Bretagne n0 1 445 977, classe G 01 -
B 7/02, publié dans le bulletin analytique "Techniques de mesure", Août 1976), comprenant une tige pourvue d'une touche et fixée à un flasque. Le centrage du flasque dans le bottier s'effectue à l'aide de trois rouleaux placés dans le flasque dans un plan perpendiculaire à son axe, disposés sous un angle de 1200 et coopérant avec trois vés constitués par trois paires-de billes d'appui. Les billes sont montées dans le bottier du capteur, par rapport auquel elles sont isolées. Lesditesbtlles d'appui et les rouleaux centrant le flasque font en même temps office de contacts d'un circuit électrique série. Au cours de la mesure, quand la touche a contacté la surface à mesurer, il se produit un déplacement spatial diuflasque par rapport au bottier et l'ouverture d'un ou de plusieurs contacts du circuit électrique. La coupure du circuit est utilisée pour enregistrer l'instant o la surface à mesurer est
contactée par la touche.
Ledit capteur à contacts électriques enregistre avec une précision insuffisante l'instant o la touche contacte la pièce à mesurer, et les charges de contact ne sont pas les mêmes dans les différentes directions de mesure. Ceci s'explique par le fait que les efforts appliqués doivent surmonter la force longitudinale serrant contre le bottierle flasque portant la tige, quand la direction de mesure coïncide avec la direction de l'axe, ou bien le moment de cette force de serrage du flasque contre le bottier,
quand la pièce est mesurée dans d'autres directions.
-L'apparition dudit moment est due à la différence des longueurs de bras depuis le point o la touche contacte la surface à mesurer, d'une part, et depuis le point o est appliquée la force de serrage du flasque, d'autre part, jusqu'à l'axe de basculement du flasque lors de la coupure du circuit électrique. L'erreur du capteur est déterminé
par les grandes forces de frottement de glissement apparais-
sant entre les billes et les rouleaux lors des petits déplacements du flasque par rapport auboitier à l'ouverture des contacts. En outre, le capteur ne comporte qu'une seule tige porte-touche (palpeur), ce qui diminue la pression de mesure, réduit l'universalité du capteur et le rendement de la machine à mesurer en coordonnées lors de la mesure des paramètres de pièces compliquées. Lors de la mesure des paramètres, la coupure du circuit électrique nécessite l'application d'efforts importants à la tige porte-touche afin de la déplacer, ce qui entraîne des erreurs de mesure
notables.
On connalt un capteur de toucher piézoélectrique à
résonance, comprenant un bottier avec un excitateur piézo-
électrique de vibrations et une touche, montés de façon
à assurer un contact acoustique entre la touche et l'exci-
tateur piézoélectrique de vibrations, dont une électrode est mise à la masse, tandis que l'autre est attaquée par des signaux électriques de forme sinusoïdale (certificat d'auteur d'invention URSS n- 234 765, publié le 10.01.69 dans le Bulletin des découvertes, inventions, modèles
industriels et marques no 4, 1969).
L'excitateur piézoélectrique de vibrations est un barreau de quartz auquel sont fixées la touche et l'électrode attaquée par les signaux électriques de forme sinusoïdale issus d'un générateur d'oscillations sinusoïdales. Les signaux électriques prélevés sur cette même électrode sont appliqués à un démodulateur d'amplitude. L'excitateur piézoélectrique de vibrations et la touche constituent un système vibrant qui effectue des oscillations forcées à la fréquence du signal fourni par le générateur, cette fréquence étant égale à la fréquence de résonance du système
vibrant. A l'état libre, le courant circulant à travers-
le capteur a une intensité maximale. Quand la touche entre en contact avec la pièce à mesurer, le facteur de qualité du système vibrant baisse brusquement et l'amplitude du courant circulant dans le circuit électrique du capteur diminue, ce qui est utilisé on tant que signal d'entrée
en contact dela touche avec la pièce à mesurer.
Le capteur de toucher qui vient d'être décrit a une basse précision, une universalité limitée et un-rendement faible. Ceci est dé au fait qu'il-ne comporte qu'une seule touche. Il en résulte qu'au cours de la mesure il faut transposer le capteur, changer l'orientation de sa touche
par rapport aux axes de coordonnées de la machine à mesurer.
Ceci nécessite un réétalonnage à chaque nouvelle position
de la touche par rapport aux coordonnées initiales cons-
tantes de la machine. Pour le calcul des résultats des mesures tenant compte du rayon de la touche et de la valeur du décalage de son- centre de la position initiale à la position de basculement du capteur, il faut, à chaque transposition, introduire les corrections correspondantes dans le programme de la calculatrice, ce qui provoque des décalages de la touche par rapport à sa position calculée, c'est-à-dire un abaissement de la précision. Le réétalonnage pour chaque position de la touche et l'introduction de
corrections par rapport au calibre fixe d'étalonnage augmen-
tent la durée des mesures, c'est-à-dire qu'ils abaissent le rendement et sont à l'origine d'erreurs supplémentaires notables. La dépendance du courant circulant à travers le
capteur vis-à-vis des variations de l'amplitude de la ten-
sion appliquée par le générateur de tension sinusoïdale abaisse la précision et la sensibilité du capteur. Ceci est dé au fait que le dispositif à seuil de la machine à mesurer en coordonnées est réglé de manière qu'il bascule en présence d'un changement notable de l'amplitude du courant circulant à travers le capteur. Dans le cas contraire, il se produit de faux basculements et de faux déplacements du capteur, d'après le programme, sans que la touche
entre en contact avec la surface à mesurer.
On s'est donc proposé de créer un capteur de toucher piézoélectrique à résonance avec un système vibrant unique, comprenant un bottier dans lequel est placé un excitateur piézoélectrique de vibrations et qui permettrait d'accrottre la précision de mesure des paramètres de la pièce sur une machine à mesurer en coordonnées, d'augmenter le rendement
et d'élargir l'universalité de celle-ci.
La solution consiste en ce que, dans le capteur de toucher piézoélectrique à résonance, du type comprenant un bottier avec un excitateur piézoélectrique de vibrations et une touche ou embout de contact montés de façon à assurer
le contact acoustique entre la touche et l'excitateur pié-
zoélectrique de vibrations, dont une électrode est mise à la masse tandis que l'autre est attaquée par des signaux électriques de forme sinusoïdale, d'après l'invention le bottier est réalisé sous la forme d'un corps de révolution creux, dans lequel est placé, de façon à assurer un contact acoustiqueuaExrtatar piézoniqbd de vibrations réalisé creux et de forme correspondant à celle du bottier, et en ce qu'il est prévu au moins une touche ou embout de contact supplémentaire et des tiges en nombre égal au nombre de touches principales et supplémentaires, disposées sur le bottier de façon que leurs axes respectifs soient dirigés suivant des normales à sa surface, les touches étant fixées aux extrémités de ces tiges de façon à assurer un contact acoustique et constituant avec lesdites tiges, ledit bottier et ledit excitateur piézoélectrique de vibrations un système vibrant unique dans lequel la fréquence des vibrations propres du bottier-avec les tiges et les touches
est égale à la fréquence des oscillations du signal électri-
que de forme sinusoïdale, ledit excitateur piézoélectrique
de vibrations comportant au moins une électrode supplémen-
taire faisant office d'électrode de mesure et sur laquelle est prélevé un signal desortie dont le changement de phase par rapport à.la phase du signal sinusoïdal du système vibrant unique permet de juger de l'instant o la touche
entre en contact avec la pièce à mesurer.
Il est utile que la longueur L de chaque tige soit déterminée par la relation: L =10 + 11t dans laquelle 10 est la distance de la surface extérieure du bottier au point nodal "a" des vibrations de la tige-: 1i = C (1 + 2n) o C est la célérité du son dans la matière de la tige; fo est la fréquence propre des vibrations du système constitué par le bottier, les tiges et les touches; n = 0, 1, 2 Il est avantageux que chaque tige ait une forme proche de la forme cylindrique et un diamètre d déterminé par la relation D/d) 5, o D est le diamètie-extérieur maximal
du bottier.
Il est avantageux que chaque tige soit rigidement
fixée au bottier.
Il estcommode de réaliser chaque tige d'une seule
pièce avec le bottier.
Il est utile de donner au bofder du capteur la forme d'un cylindre et de disposer sur ce cylindre cinq tiges, dont quatre sur sa surface cylindrique, dans un plan commun et sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre, et la cinquième, suivant l'axe du capteurxsur la surface
en bout du bottier.
Il est avantageux que le bottier ait la forme d'une sphère et qu'il porte cinq tiges disposées sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre, dont quatre dans un plan perpendiculaire à l'axe du capteur, et la cinquième,
le long de l'axe du capteur.
- Il est commode de donner-au bottier la foroe d'un cône et de disposer sur ce cône six tiges équidistantes
du sommet du cône et entre elles.
Le capteur de toucher piézoélectrique à résonance conforme à l'invention comprend un bottier réalisé sous la forme d'un corps de révolution creux, dans lequel est
placé un élément piézoélectrique creux, de forme corres-
pondant à celle du boitier,ce qui permet de disposer sur le bottier plusieurs tiges portant des touches orientées de telle façon qu'elles assurent la mesure de toutes les surfaces de pièces tridimensionnelles de forme compliquée
sans transposition du capteur. Grâce à une telle disposi-
tion, on obtient un accroissement notable de la précision des
mesures, du rendement et de l'universalité de la machine.
La disposition des tiges de telle façon que leurs axes soient dirigés suivant des normales à la -surface du bottier assure une sensibilité maximale en différents-points de la surface des touches dans les différentes directions de mesure. La présence d'au moins une électrode supplémentaire non mise à la masse et servant d'électrode de mesure permet de mesurer le déphasage du signal par rapport à la tension sinusoldale, provoqué par l'effet piézoélectrique direct. En même temps, cela permet d'assurer une même sensibilité de toutes les touches et de disposer les tiges
de façon à obtenir des vibrations de l'excitateur piézo-
électrique dirigées perpendiculairement à l'axe de la tige ou le long de cet axe. Ceci confère au capteur une grande
précision et une haute fidélité.
La création d'un système vibrant unique, constitué par le bottier, l'excitateur piézoélectrique, les tiges avec les touches, et ayant un haut facteur de qualité, permet d'obtenir un capteur d'une sensibilité, d'une précision et d'une fidélité élevées de toutes les tiges porte- touche (palpeurs). Le fonctionnement à la fréquence de résonance du système vibrant garantit une sensibilité maximale du capteur et, par cela même, une haute précision de mesure des paramètres de la pièce sur la machine à mesurer
en coordonnées.
La longueur de la tige porte-touche est choisie de valeur telle que la touche soit située dans la zone o les vibrations de la tige ont une amplitude maximale. Ceci,
également, assure une sensibilité maximale du capteur.
L'amplitude élevée des vibrations de la touche est aussi due au fait que le diamètre de la tige porte-touche est
bien plus petit que le diamètre du bottier du capteur.
La réalisation composite du bottier avec les tiges et les
touches simplifie la technologie de fabrication du capteur.
Mais le fait que les tiges portant les touches soient -8 réalisées d'une seule pièce avec le bottier assure une sensibilité plus élevée et une meilleure fidélité dans le
temps, quand les paramètres du milieu ambiant changent.
Ceci résulte du contact acoustique parfait entre-la touche, la tige et le bottier pour chacune des tiges. La forme cylindrique du bottier permet de disposer les tiges dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre, de telle façon que leurs axes coïncident avec les directions
des axes de coordonnées de la machine à mesurer en coor-
données.-D'ordinaire, le nombre de mesures effectuées dans ces directior atteint 70 à 80% de toutes les mesures des paramètres d'une.pièce. Le bottier de forme sphérique permet de conférer une universalité maximaleau capteur, car pour résoudre tel ou tel problème métrologique il est possible de chdsir le nombre optimal de tiges, situées par exemple le long des axes de coordonnées de la
machine sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre.
Le bottier de forme conique permet.de donner aux tiges des directions ne coïncidant pas avec les principaux
plans de coordonnées de la machine, ce qui donne la possi-
bilité de mesurer des pièces de forme compliquée.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la
lumière de la description explicative qui va suivre de
différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente un capteur de toucher piézo-
électrique à résonance avec le dispositif de fixation et la pièce à mesurer, et les épures de vibrations des tiges du capteur(avec arrachement de -la paroi du bottier et coupe
longitudinale du dispositif de fixation), d'après l'inven-
tion;
- la figure 2 représente le capteur de toucher piézo-
électrique à résonance en coupe suivant II-II de la figure 1, et le schéma synoptique de connexion de ses électrodes, d'après l'invention; - la figure 3 représente l'épure des vibrations apparaissant dans l'excitateur piézoélectrique du capteur de toucher, dans un plan perpendiculaire à son axe, d'après l'invention; - la figure 4 représente une vue d'ensemble en pers- pective isométrique d'un capteur de toucher piézoélectrique à résonance conforme à l'invention, dans lequel le bottier a la forme d'une sphère; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation du cateur piézoélectrique à résonance, dans laquelle le bottier a la forme d'un cône; - la figure 6 est une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 5; - la figure 7 représente les courbes des oscillations engendrées dans le système oscillant unique du capteur conforme à l'invention;
- la figure 8 représente les caractéristiques amplitude-
fréquence du système vibrant unique du capteur conforme à l'invention, avant le contact et à l'instant d'entrée en contact; - la figure 9 représente les courbes de variation de la phase du système vibrant unique du capteur conforme à l'invention en fonction de la fréquence des oscillations
de la tension fournie par le générateur.
Le capteur de toucher piézoélectrique à résonance conforme à l'invention comprend un bottier 1 (figure 1) sous la forme d'un corps de révolution creux dans lequel se trouve un excitateur piézoélectrique de vibrations 2, placé de façon à assurer un contact acoustique. L'excitateur piézoélectrique de vibrations 2 est lui aussi réalisé creux, et sa forme correspond à celle du bottier 1, Dans la variante décrite ici à titre d'exemple, le bottier 1 porte cinq tiges 3, dont les axes respectifs sont orientés suivant des normales à sa surface (sur le dessin on ne voit que trois tiges). Chacune des tiges 3 porte à son extrémité
une touche, embout de contact, palpeur ou analogue, 4.
Pour assurer leur contact acoustique avec les tiges 3, les touches 4, dans l'exemple considéré ici, sont fixées à
celles-ci à l'aide d'une colle à base de résine époxyde.
Le bottier 1 forme avec l'excitateur piézoélectrique 2, les tiges 3 et les touches 4, un système vibrant unique, dans lequel la fréquence desvibrations propres du bottier 1 portant les tiges 3 et les touches 4 est égale à la fréquence des oscillatins du signal électrique de forme
sinusoïdale attaquant l'excitateur piézoélectrique 2.
Le bottier 1 du capteur est rigidement fixé au flasque 5 du support 6 faisant partie du dispositif 7 de fixation du bottier à la traverse mobile 8 d'une machine à mesurer
en coordonnées (non représentée sur la figure 1). Le dispo-
sitif de fixation 7 comprend aussi un bottier 9 rigidement fixé à la traverse mobile 8, un couvercle 10 fixé au bottier 9 et un ressort 11 logé dans le bottier 9. Le dispositif 7 est destiné à protéger les tiges 3 contre les ruptures
pendant la mesure des paramètres de la pièce à contrôler 12.
Entre le bottier 1 et l'excitateur piézoélectrique 2 est placée une électrode 13 mise à la mase. Sur la surface intérieure de l'excitateur piézoélectrique 2 sont placées une électrode d'excitation 14 et une électrode
supplémentaire, servant d'électrode de mesure 15.
L'électrode d'excitation 14 (figure 2) est raccordée
à la sortie d'un générateur d'oscillation sinusoldales16.
Dans la variante décrite, l'électrode d'excitation 14 se
compose de deux parties diamétralement opposées. L'électro-
de de mesure 15 se compose elle aussi de deux parties diamétralement opposées. L'électrode de mesure 15 est raccordée à 1!entrée de signal 17 d'un détecteur de phase 18, à l'entrée de commande 19 duquel est connectée
la sortie du générateur 16 d'oscillations sinusoïdales.
L'électrode de mesure 15 fournit à l'entrée 17 un signal dont le changement de phase par rapport à la phase du signal sinusoïdal attaquant le système vibrant unique permet de juger de l'instant o la touche 4 (figure 1) entre
en contact avec la pièce à mesurer 12.
La longueur L de chaque tige 3 est déterminée par la somme (lo + 11), dans laquelle 10 est la distance de la surface extérieure du bottier 1 au point nodal "a" des
vibrations de la tige 3, déterminé-par voie expérimentale.
L'épure de l'amplitude des vibrations de la tige 3 montre qu'au point nodal "a" ladite amplitude est nulle. La valeur de Il est déterminée d'après la relation: l = C (1 + 2 n) dans laquelle: C est la célérité du son dans la matière de la tige; fo est la fréquence propre des oscillations du système constitué par le bottierles tiges et les touches;
n = 0, 1, 2. .
Il en résulte que la longueur L de chaque tige 3 est telle que les touches 4 se trouvent dans le domaine du
maximum d'amplitude des vibrations de la tige.
Les tiges 3 ont une forme proche de la forme cylindri-
que. Le diamètre d de chaque tige 3 est déterminé par la relation D/d > 5, dans laquelle D est le diamètre extérieur maximal du bottier 1. Pour que la sensibilité du capteur soit meilleure, on utilise des tiges 3 minces. Dans la variante considérée ici à titre d'exemple, leur diamètre
est 10 fois plus petit que celui du bottier.
Chaque tige 3 est rigidement fixé au bottier 1. Dans la variante décrite, les tiges 3 sont fixées au bottier 1 à l'aide d'un adhésif à base de résine époxyde. Suivant une variante, les tiges sont réalisées d'une seule pièce avec le bottier 1. Le capteur ainsi obtenu a une sensibilité plus élevée, car le contact acoustique du bottier 1 avec
les tiges 3 est parfait.
Pour accroître leur sensibilité, les points d'implan-
tation des tiges 3 sur le bottier 1 sont déterminés en fonction de la disposition de l'électrode d'excitation 14 et de l'électrode de mesure 15. La figure 3 représente l'épure des vibrations de l'excitateur piézoélectrique 2 dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal, en fonction de l'amplitude des oscillations du signal électrique de
forme sinusoïdale appliqué à l'électrode d'excitation 14.
L'épure fait apparattre que le maximum d'amplitude
coincide avec l'axe longitudinal de chacune des quatre -
électrodes. Pour cette raison, afin d'accroître la sensi-
bilité du capteur, chaque tige 3 disposée sur le bottier
1 est située dans lazone de maximum d tmplitude des vibra-
tions de l'excitateur piézoélectrique 2. Les traits forts et les traits interrompus montrent la forme que prend l'excitateur piézoélectrique 2 quand il vibre dans le plan perpendiculaire à son axe longitudinal. Aux points "b" se trouvent des zones mortes dans lesquelles l'amplitude
des vibrations est nulle.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, le bottier 1 (figure 1) du capteur a la forme d'un cylindre et porte cinq tiges 3. Quatre tiges sont disposées sur la surface latérale du bottier 1,dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du capteur, sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre, la cinquième tige 3 étant placée suivant l'axe du capteur, sur la surface en bout
du bottier 1.
Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le bottier 1 (figure 4) a la forme d'une sphère et porte cinq tiges 3 disposées sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre. Quatre tiges 3 sont disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du capteur, et la cinquième,
le long de son axe.
Suivant encore un autre mode de réalisation, le bottier 1 (figure 5) a la forme d'un cône et porte six tiges 3 équidistantes du sommet du cône et entre elles, les bases destiges 3 étant situées dans un plan perpendiculaire à l'axe du cône et équidistantes entre elles. Les axes des tiges 3 sont perpendiculaires à la surface latérale du bottier 1. L'électrode d'excitation 14 de l'électrode de mesure 15 sont constituées chacune de trois parties disposées successivement sur la surface intérieure de l'excitateurpiézoélectrique 2, tandis que les bases des tiges 3 sont situées dans les parties du bottier 1 o passent les axes longitudinaux des électrodes, ce qui est nécessaire pour assurer une sensibilité maximale des
touches 4.
Les tiges 3 sont réalisées soit cylindriques, soit avec une faible conicité. La forme des touches 4 varie elle aussi: elles peuvent être réalisées sphériques,cylindriques,
annulaires ou discordes.
La figure 7 représente les courbes des oscillations engendrées dans le système vibrant. En abscisses sont portées les phases If, et en ordonnées, les tensions. La sinusoïde U1 représente les oscillations fournies par le générateur 16 d'oscillations sinusoïdales et appliquées à l'électrode
d'excitation 14; la sinusoïde U2 représente les oscilla-
tions qui apparaissent dans le système vibrant par suite de l'effet piézoélectrique direct; cette sinusoïde est décalée suivant l'axe des abscisses, par rapport à la sinusoïde U1, d'un apigle tS; la sinusoïde U3 représente les oscillations qui apparaissent dans le système vibrant à l'instant o la touche 4 vient contacter la surface de la pièce 12 à mesurer; cette sinusoïde est décalée suivant l'axe T, par rapport à la sinusoïde U2, d'un angle tl1; la couche U4 représente la tension à la sortie du
détecteur de phase.
La figure 8 représente les caractéristiques amplitude-
fréquence du système vibrant unique, U4 étant la caracté-
ristique amplitude-fréquence du capteur de toucher avant le contact de la surface de la pièce 12 à mesurer, et U5 étant la caractéristique amplitude-fréquence du capteur à l'instant o la touche 4 entre en contact avec la surface
de la pièce 12 à mesurer.
Lafigure 9 représente les courbes de variations de la phase du système vibrant en fonction de la fréquence des vibrations, *j étant la courbe de la phase du système vibrant en fonction de la fréquence avant l'entrée en contact de la pièce à mesurer 12 avec la touche 4, et étant la courbe de la phase en fonction de la fréquence à l'instant o la touche 4 entre en contact-avec la
surface de la pièce à mesurer 12.
Le capteur de toucher piézoélectrique à résonance
fonctionne de la façon suivante.
L'électrode d'excitation 14 (figure 2) est attaquée par la tension sinusoïdale à haute fréquence fournie par leg5nérateur 16. Sous l'action de cette tension, l'excita- teur piézoélectrique 2 de vibrations effectue des vibrations perpendiculairement à son axe longitudinal, à une fréquence
égale à la fréquence des oscillations de la tension sinusoï-
dale Ul du générateur 16. Les vibrations à haute fréquence de l'excitateur piézoélectrique 2 font vibrer le bottier 1 et les tiges 3 portant les touches 4. Les tiges 3 sont disposées perpendiculairementà l'axe du bottier 1, et
l'épure de leurs vibrations est représentée sur la figure 1.
Dans la direction axiale de l'excitateur piézoélectrique 2 apparaissent aussi des vibrations, qui sont déphasées d'une
demi-période par rapport aux vibrations radiales. Etant donné le contact acoustique assuré entre l'exci-
tateur piézoélectrique 2 de vibrations et le bottier 1, celui-ci est lui ausri animé de vibrations à haute fréquence dirigées le long de son axe et qui sont transmises à la tige 3 axiale et à sa touche 4. L'épure de ces vibrations
est représentée sur la figure 1.
Le facteur de qualité du système vibrant unique consti-
tué par l'excitateur piézoélectrique 2, le bottier 1, la tige 3 avec la touche 4, est élevé. La caractéristique amplitude-fréquence U4 (figure 8) d'un tel système présente un maximum U4max fortement marqué quand la fréquence f de latension sinusoïdale fournie par le générateur 16 est égale à la fréquence propre fo des vibrations du système vibrant unique. Pour cette raison, la fréquence des oscillations de la tension Ul fournie par le générateur 16 est réglée à la valeur de la fréquence des vibrations propres du
système vibrant unique.
Les vibrations engendrées dans le système vibrant par suite de l'effet piézoélectrique direct font apparattre
dans l'excitateur piézoélectrique 2 une tension U2 (figure 7).
La fréquence de cette tension est égale à celle des vibra-
tions de l'excitateur piézoélectrique 2, ainsi qu'à celle de la tension sinusoïdale U1 du générateur 16, et sa phase est décalée, par rapport à la la tension Ujr d'un angle
t te déterminé par les paramètres du système vibrant unique.
La tension U2 est transmise par les électrodes de mesure (figure 2) à l'entrée de signal 17 du détecteur de phase 18, pour la détermination du déphasage entre lesdites tensions Ul et U2 (figure 7). L'entrée 19 (figure 2) de commande du détecteur de phase 18 est attaquée par la tension U1 du générateur 16. Le détecteur 18 délivre à sa sortie une tension totale + U4 (figure 7) en fonction du déphasage Mo. En régime établi, quand la touche 4 ne contacte pa
la pièce à mesurer 12, la valeur de U4 reste constante.
Quand la touche 4 (figure 1) entre en contact avec la surface de la pièce à mesurer 12, le facteur de qualité du système vibrant unique baisse fortement. Il s'ensuit une forte diminution de l'amplitude des vibrations du système, et par conséquent l'amplitude de U2 diminue d'une valeur a U et devient égale à U 5 (figure 8). Il se produit un déphasage supplémentaire de valeur a j (figure 7) de la tension alternative U2 par rapport à la tension Ul. A l'instant o la touche 4 entre en contact avec la pièce à mesurer 12, les caractéristiques amplitude-phase et amplitudefréquence du système changent brusquement. A la sortie du détecteur 18, la valeur de la tension résultante U4 varie en fonction de A k1; quand t est nul, U4 prend la valeur + U4, quand. 1 est égal à Z radians,
U4 prend la valeur -U4.
"La tension U3 délivrée à la sortie du détecteur de phase 18 est utilisée en tant que signal de commande d'un dispositif à seuil (non représenté sur la figure 2), qui délivre un signal d'exécution témoignant du basculement
du capteur quand la tension U4 atteint un niveau prédéter-
miné. Le signal d'exécution attaque l'ordinateur qui, d'après un programme, commande le déplacement du capteur
dans la machine à mesurer en coordonnées pour la détermi-
nation des paramètres de la pièce à mesurer.
La forte dépendance du déphasage des tensions alterna-
tives comparées vis-à-vis du facteur de qualité du système vibrant, qui baisse quand la touche 4 entre en contact avec la surface de la pièce à mesurer 12,et l'apparition à cet instant d'efforts dus seulement au frottement de glissement, indépendamment de la situation-du point de contact sur la surface de la touche 4, assure une grande précision des mesures dans différentes directions spatiales. La précision de mesure s'accroit également grâce au fait que, pendant la mesure, les déplacements de la touche 4 ne dépassent pas la valeur des déformations élastiques des tiges 3; il n'y a pas de déplacement mécanique relatif des organes
du capteur.
La détermination de la conformité des dimensions de la pièce à celles de l'étalon à l'aide du capteur conforme à l'invention s'effectue de la façon suivante. A l'aide d'un calibre d'étalonnage (unesphère dans la variante décrite), on effectue une fois pour toutes les mesures des dimensions d'une pièce à l'aide de la machine à mesurer en coordonnées, l'étalonnage des coordonnées des centres des touches 4 et la détermination des corrections tenant compte des rayons des touches 4 et du décalage des touches 4 par rapport à leur position initiale lors du basculement du capteur. Ceci fait, on détermine successivement, à l'aide de différentes touches 4, les dimensions de la pièce 12 à tous les points prescrits par le programme, sans réétalonnage et sans transposition du capteur. Le nombre de tiges 3 du capteur et l'orientation de ces tiges par rapport aux axes de coordonnées de la machine à mesurer sont déterminés à l'avance, selon la complexité de la pièce. Le capteur à boîtier 1 sphérique (figure 1) est utilisé de préférence pour mesurer les pièces
dont les points de contrôle sont situés dans cinq plans.
Le capteur de toucher ayant un boitt r conique 1 (figure 5 6) est commode pour les mesures de pièces de configuration compliquée, présentant des plans obliques par rapport aux plans de coordonnées de la machine à mesurer. Le principe de fonctionnement des capteurs représentés sur les figures
4, 5, 6 est analogue à celui décrit plus haut.
Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier,elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans
le cadre de la protection comme revendiquée.
Claims (8)
1. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance,
du type comprenant un bottier avec un excitateur piézoélec-
trique de vibrations et une touche ou embout de contact! montés de façon à assurer un contact acoustique entre ladite touche et l'excitateur piézoélectrique de vibrations, dont l'une des électrodes est mise à la masse et l'autre est attaquée par des signaux électriques de forme sinusoidc caractérisé en ce que le bottier est réalisé sous la forme d'un corps de révolution creux dans lequel est placé, de
façon à assurer un contact acoustique, un exictateur piézo-
électrique de vibrations creux, de forme correspondant à celle du bottier, et en ce qu'il est prévu au moins une touche ou embout de contact supplémentaire, ainsi que des tiges en nombre égal au nombre total de touches et disposées sur le bottier de façon que leurs axes soient dirigés suivant des normales à sa surface, chacune desdites touches étant fixée à l'extrémité de l'une desdites tiges de façon à assurer ledit contact acoustique, et lesdites touches constituant avec les tiges, le bottier et l'excitateur piézoélectrique un système vibrant unique dans lequel la fréquence des vibrations propres du bottier, des tiges et des touches est égale à la fréquence des oscillations du signal électrique de forme sinusoTde, et ledit excitateur
piézoélectrique de vibrations comportant au mais une électro-
de supplémentaire faisant office d'électrode de mesure sur laquelle est prélevé un signal électrique de sortie dont le changement de phase par rapport à la phase du signal sinusoidal du système vibrant unique permet de juger de l'instant o la touche entre en contact avec la pièce à
mesurer.
2. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur L de chaque tige est déterminée par la relation: L = 10o + 11, dans laquelle 10 est la distance de la surface extérieure du bottier au point nodal "a" des vibrations de la tige; il = C (1 + 2 n) o C est la célérité du son dans la matière de la tige; f. est la fréquence propre des vibrations du système constitué par le bottier avec les tiges et les touches n =,0, 1, 2-.os
3. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance selon
l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque
tige a une forme sensiblement cylindrique et un diamètre d déterminé par la relation D/d7 5, dans laquelle D est le
diamètre extérieur mazimaldu bottier.
4. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance
selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en
ce que chaque tige est rigidement fixée au bottier.
5. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance
selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en
ce que chaque tige est réalisée d'une seule pièce avec
le bottier.
6. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance
selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce
que, son bottier ayant la forme d'un cylindre, il porte cinq tiges, quatre de celles-ci étant disposées sur sa surface cylindrique,dans un plan commun, sous un angle de 900 l'une par rapport à l'autre, et la cinquième étant située sur la surface en bout du bottier et disposée suivant
l'axe du capteur.
7. Cpateur de toucher piézoélectrique à résonance
selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce
que, son bottier ayant la forme d'unesphère, il porte cinq tiges disposées sousun angle de 90 l'une par rapport à l'autre, quatre de celles-ci étant situées dans un plan perpendiculaire à l'axe du capteur, et la cinquième, le long
de l'axe du capteur.
8. Capteur de toucher piézoélectrique à résonance
selon l'une des revendications 1-à 5, caractérisé en ce
que, son bottier ayant la forme d'un cône, il porte six
tiges équidistantes du sommet du cône et entre elles.
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