FR2617959A1

FR2617959A1 - Dispositif de fixation d'un objet et mesure effectuee a partir de ce dispositif

Info

Publication number: FR2617959A1
Application number: FR8616628A
Authority: FR
Inventors: Charles Wayne Donaldson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-03-21
Filing date: 1986-11-28
Publication date: 1989-01-13
Anticipated expiration: 2006-11-28
Also published as: IT1167585B; US4509265A; FR2617959B1; FR2543259B1; GB8329060D0; IT8323710A1; CA1213726A; DE3340812A1; FR2543259A1; JPS59174701A; GB2136962B; IT8323710A0; GB2136962A

Abstract

Dispositif pour fixer un objet dans une position spatiale prédéterminée pour effectuer des mesures. Il comprend : a) trois supports ponctuels 22A-C pour être en contact avec un objet en trois points de contact qui définissent un premier plan; et b) trois supports ponctuels 25A, 25B, 26 supplémentaires pour être en contact avec l'objet en trois points de contact supplémentaires qui définissent un deuxième plan, les trois points de contact supplémentaires n'étant pas coplanaires avec le premier plan et le premier plan n'étant pas perpendiculaire au deuxième plan. Application aux aubes de turbine.

Description

La présente invention concerne des dispositifs de fixation et, plus

particulièrement, des dispositifs qui positionnent un objet et dans l'espace avec une précision

élevée et répétable dans un but de mesure.

Un procédé de vérification de la qualité d'un sou- dage obtenu par liaison par diffusion nécessite la mesure de l'épaisseur du soudage. On peut effectuer cette mesure comme décrit figure 1, qui représente un calibre 2 ayant des becs 4 et 6 mesurant l'épaisseur totale de deux composants 8 et 10 liés ensemble avec le soudage 12 contenu entre eux. La

comparaison de cette épaisseur totale mesurée avec l'épais-

seur totale mesurée des deux composants sans le soudage, avant la liaison, permettra de calculer par soustraction

l'épaisseur du soudage. Comme nous allons le décrire main-

tenant, des mesures précises nécessitent une mise en posi-

tion précise des becs 4 et 6 par rapport aux composants 8 et

10. Une telle mise en position est communément appelée fixa-

tion. Si l'un des composants a une surface rugueuse, telle que la surface d'une pièce métallique coulée prise

directement à partir du moule en sable, des problèmes sur-

viennent dans le processus de mesuré d'épaisseur. La figure 2 montre un de ces problèmes en représentant de manière agrandie deux positions possibles du bec 6 de la figure 1, appelées 6A et 6B. La surface 9 du composant 10 est rugueuse -2-

et, comme les positions alternées de 6A et 6B du bec 6 l'in-

diquent, l'épaisseur mesurée des composants 8 et 10 de la figure 1 dépendra de la position choisie pour le bec. Ainsi,

l'épaisseur mesuree n'a pas de définition absolue.

En outre même si on ne recherche pas une mesure absolue, mais seulement une comparaison relative de deux

mesures successives des problèmes surgissent. Une comparai-

son précise nécessite que les becs 4 et 6 soient placés exactement dans la même position, par exemple la position 6B pour le bec 6, pour les deux mesures. Ceci est difficile à réaliser. Il est possible également, que les composants 8 et puissent être ébréchés ou rayés entre les mesures. Si une rayure a lieu à l'endroit o le bec 6 est en contact avec le

composant, on introduit une erreur aléatoire. Tous ces pro-

blèmes sont aggravés lorsque les composants 8 et 10 ont une forme irrégulière, telle qu'en ont les aubes coulées au

sable de moteur à turbine à gaz.

La présente invention a pour buts de:

- réaliser un nouveau dispositif amélioré de fixa-

tion;

- réaliser un nouveau dispositif amélioré de fixa-

tion pour positionner de manière précise et répétable un objet dans l'espace;

- réaliser un nouveau dispositif amélioré de fixa-

tion pour y positionner un objet pour vérifier l'intégrité d'un soudage par la mesure de l'épaisseur du soudage;

- réaliser un nouveau dispositif amélioré de fixa-

tion qui n'utilise pas des surfaces plates pour établir le contact avec l'objet à fixer pour ainsi réduire les effets qu'autrement les ébréchures et les rayures ont sur la mise en place des surfaces planes;

- réaliser un nouveau dispositif amélioré de fixa-

tion pour placer dans l'espace une aube de turbine a gaz pour vérifier l'intégrité d'un soudage qu'elle comporte par - 3 -

la mesure de l'épaisseur du soudage.

Dans un mode de réalisation, six supports ponc-

tuels ou pointeaux sont fixés à un support en six positions prédéterminées pour supporter un objet. Trois des pointeaux définissent un premier plan, et les trois autres définissent un deuxième plan. Les trois autres pointeaux ne doivent pas

être coplanaires des trois premiers et les premier et deu-

xième plans doivent être non-orthogonaux.

La description qui va suivre se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement: - Figure 1 deux composants comprenant entre eux un soudage dont on mesure l'épaisseur; - Figure 2 une vue agrandie d'une partie de la figure 1; - Figure 3 un objet dans un système de coordonnées;

- Figures 4, 5 et 6 différents principes de sup-

port de l'objet de la figure 3 utilisés par la présente in-

vention; - Figure 7 un mode de réalisation de la présente invention supportant une aube de moteur à turbine à gaz; - Figure 8 une partie du dispositif de la figure 7; - Figure 9 les directions de référence d'une aube de moteur à turbine à gaz; - Figure 10 une vue détaillée du support de l'aube de la figure 7;

- Figure 11 une vue détaillée d'un palpeur du dis-

positif de la figure 7;

- Figure 12 trois palpeurs de la présente inven-

tion éclipsant une nappe de lumière; - Figure 13A-B les formes des parties de la nappe

de lumière qui sont éclipsées par le palpeur de la figure 11.

La figure 3 représente un système de coordonnées comprenant les axes X, Y et Z. Un objet 17 placé dans le

système de coordonnées possède six degrés de liberté. L'ob-

jet 17 peut glisser parallèlement à lui-même (c'est-à-dire -4-

translater) le long de n'importe lequel des trois axes, re-

présentant par là trois degrés de liberté. (Des translations positive et négative, c'est-à-dire des translations dans des

directions opposées mais le iong du même axe sont ici consi-

dérées comme ne procurant qu'un seul degré de liberté). En outre, l'objet 17 peut tourner autour de n'importe lequel

des trois axes, c'est-à-dire dans les directions représen-

tées par les flèches 18, 19 et 20 présentant ainsi trois

degrés de liberté supplémentaires.

La figure 4 représente une partie d'un mode de réalisation de la présente invention utilisée pour fixer l'objet 17 et éliminer tous les degrés de liberté. L'objet 17 est supporté par trois pointeaux 22 A-C qui définissent un plan, à savoir le plan X-Y. Les pointeaux 22 A-C peuvent ressembler en taille et en forme, à des pointes de crayon mais sont fabriqués en un matériau plus durable tel que l'acier. L'objet 17 peut glisser le long de l'axe X pour se placer suivant le contour en trait discontinu 24; il peut de la même façon glisser le long de l'axe Y (glissement non

représenté); et il peut tourner autour de l'axe Z (non re-

présenté), tout ceci bien qu'il soit en contact avec les trois pointeaux 22 A-C. C'est-à-dire qu'il reste trois degrés de liberté. Ces trois degrés sont lés suivants: translation dans le sens des X, translation dans le sens des Y et rotation autour de l'axe des Z. (Il y a rotation autour d'un axe lorsque l'objet tourne autour de cet axe ou bien

autour d'une ligne parallèle à cet axe).

La figure 5 représente l'addition de deux poin-

teaux supplémentaires 25A et 25B au mode de réalisation de la figure 4. (On a représenté le pointeau 26 mais il n'est pas encore à prendre en compte). Ces deux pointeaux 25A et B empêchent les translations respectives le long des axes Y et X, mais comme représenté figure 6 (la figure 6 est une

vue de dessus de la figure 5), l'objet 17 peut encore tour-

- 5 - ner autour de l'axe Z ainsi que représenté par le contour en trait discontinu 28 et demeurer en contact avec les cinq pointeaux 22 A-C et 25 A-B. Il reste encore un degre de liberté. Cependant, un pointeau supplémentaire, à savoir le pointeau 26 de la figure 5, éliminera le degre restant de liberté à condition que l'objet 17 soit en contact avec les

sixpointeaux 22 A-C, 25 A-B et 26.

Les six pointeaux peuvent être considérés comme réalisant simultanément trois supports ponctuels, tels que 22A, 25A et 25B pour éliminer les trois degrés de liberté en translation et, en plus, trois paires de supports ponctuels tels que les paires 22A et C, 22A et B et 25A et 26 pour

éliminer les trois degrés de liberté en rotation.

Considéré d'un autre point de vue, les trois pointeaux 22 A-C définissent un plan (le plan X-Y) aux

points auxquels ils sont en contact avec l'objet (c'est-

à-dire) aux premier, deuxième et troisième points de con-

tact). Les deux, pointeaux 25A et 26 définissent une droite 27.par leurs deux points de contacts propres (c'est-à-dire les quatrième et cinquième points de contact) sur l'objet 17. Cette droite ne doit pas être coplanaire avec le plan, et orthogonale au plan défini par les premier, deuxième et

troisième points de contacts, ni orthogonale à ce dernier.

Autrement une situation analogue à celle représentée figure

6 peut survenir puisque le pointeau 26 se trouverait direc-

tement en dessous du pointeau 25A si la ligne 27 était per-

pendiculaire au plan X-Y. Le dernier pointeau 25B doit four-

nir un sixième point de contact qui remplit trois condi-

tions. Premièrement, le sixième point de contact ne doit pas être coplanaire avec les premier, deuxième et troisième points de contact car s'il est coplanaire il n'ajoute rien à leurs fonctions. Deuxièmement le sixième point ne doit pas être colinéaire avec les quatrième et cinquième point pour une raison similaire. Troisièmement le sixième point doit conjointement avec le quatrième et le cinquième points de 6- contact définir un plan qui ne soit pas perpendiculaire au plan des premier, deuxième et troisième points de contact; s'il est perpendiculaire, en se référant à la figure 5, le

sixième point se trouverait dans le plan X-Z et on ne pour-

rait empêcher la translation de l'otbjet 17 dans le sens X négatif. Considérés encore d'une autre manière, les trois pointeaux 22 A-C définissent un premier plan par leur trois

points de contact et les trois pointeaux 25 A-B et 26 défi-

nissent un deuxième plan. (La condition de non colinéarité entre le pointeau 25B et les pointeaux 25A et 26 a pour résultat la définition d'un plan par les trois pointeaux 25 A-B et 26) Les pointeaux 25 A-B et 26 ne doivent pas être coplanaires avec le premier plan et les premier et deuxième plan ne doivent pas être perpendiculaires (c'est-à-dire orthogonaux) Bien entendu tous les pointeaux 22 A-C, 25 A-B et 26 doivent être supportes par un moyen quelconque tel qu'un support (non représenté). Ainsi on a décrit un mode de réalisation de la présente invention dans lequel un objet 17

est supporté dans l'espace par six pointeaux.

On a représenté figure 7 un deuxième mode de rea-

lisation de l'invention dans lequel un dispositif de fixa-

tion 33 a une base 36 qui soutient un support 38 placé per-

pendiculairement à elle. Deux cylindres 40A et B sont sup-

portés par le support 38 et s'emboitent étroitement dans des

trous percés dans un bloc 43 fixé au support 38. Les cylin-

dres sont parallèles. Comme représenté figure 8, les parties A et B (appelées ici bords) des cylindres 40 A et B font saillie au delà de la surface 48 du bloc 43 pour fournir des bords de contact pour une aube de moteur à turbine à gaz, représentée sous la forme du contour 51 de la figure 7. Les cylindres 40 A et B sont étroitement emboîtés dans les trous pour diminuer la flexion ou toute autre déformation lorsque

l'aube 51 est en contact avec eux.

Le support 38 comporte en outre deux cylindres non -7-

parallèles 52 A et B, qui dans le cas présent sont perpendi-

culaires, et sont de la même manière étroitement emboîtés dans et font saillie de trous cylindriques situés dans les blocs 54 A et B. On fixe, respectivement, deux sphères 56 A et B au support 38 et au bloc 43. Les sphères 56 A et B ainsi que les cylindres 40 A-B et 52 A-B sont de préférence

constitués par un métal dur, ayant une dureté Rockwell su-

périeure à 55 et généralement appelé acier machine. L'aube 51 de moteur à turbine à gaz est placée de telle sorte qu'en même temps des parties de l'aube 51 soient en contact avec les quatre cylindres 40 A-B et 52 A-B et les deux sphères 56

A et B. C'est-à-dire que ces cylindres et ces sphères four-

nissent six supports ponctuels analogues aux six supports ponctuels ou pointeaux étudiés en liaison avec les figures 4

à 6.

On décrira maintenant de manière détaillée la

fixation de l'aube. Pour établir des directions de réfé-

rence, on a représenté figure 9 une vue de côté d'une aube 51 fixée à un rotor de moteur de turbine à gaz 53 qui tourne dans le sens de la flèche 56 autour d'un centre 59. L'aube 51 est généralement alignée dans un plan radial (représenté par la ligne 61). L'aube comporte un côté basse pression 63

et un côté haute pression 65.

L'aube est aussi représentée figure 10, qui est une vue de la figure 7 prise suivant la ligne 10,10. L'aube 51 comporte un pied 67 ayant des nervures en queue d'aronde 68 qui s'ajustent avec les fentes en queue d'aronde de la figure 9. Elle comporte en outre une plateforme 73 et une pale 75 ayant un bord d'attaque 77, un côté haute pression

65 et un côté basse pression 63.

Les cylindres 40 A et B sont en contact avec la nervure en queue d'aronde 68 sur le côté basse pression 63

de l'aube 51. La sphère 56A est en contact avec le côté ra-

dialement intérieur de la plateforme 73 (à savoir, figure 9, le côté dirigé vers le centre 59 de rotation du rotor). La -8- sphère 56B est en contact avec une partie amont 81 du pied 67. Le cylindre 52A est en contact avec le bord d'attaque 77 de la pale 75, et le cylindre 52 B est en contact avec le

côté basse pression 63 de la pale 75. L'aube 51 est simulta-

nément sollicitée en contact-avec les quatres cylindres 40 A

et B, 52 A et B, et les deux sphères 56 A et B par un dispo-

sitif de positionnement (non représentée) qui exerce une force unique en un seul point sur l'aube 51 et de manière générale dans le sens d'une flèche 82 de la figure 7. On

remarquera que l'application de plus d'une force peut provo-

quer l'apparition d'un moment en un ou plusieurs supports ponctuels. Ceci n'est pas souhaitable parce que cela peut

provoquer la perte de contact avec les autres supports ponc-

tuels. Les cylindres 40 A-B et 52 A-B et les sphères 56A et B sont désignés ici par le terme support ponctuel bien

que structurellement ils n'aient pas de points. On les dé-

signe ainsi parce qu'ils sont en contact avec des parties respectives de l'aube en des endroits, telle que la région 85 de la figure 10, qui sont considérés comme des points discrets théoriques. Ces points discrets sont des points de tangence des sphères et des cylindres. Les cylindres 40 A-B et 52 A-B pourraient être remplacés par des sphères (non représentées), mais les cylindres, en permettant d'avoir des bords de contact linéaires, allongés avec l'aube, autorisent une plus grande marge de variation en taille d'aube à aube

que les sphères.

Comme représenté figure 7, un support mobile, telle qu'une plaque pivot 89 qui pivote autour d'un axe 91,

est fixé au support 38 et comporte trois palpeurs 93 A-C.

Les trois palpeurs 93 A-C sont libres de coulisser dans trois trous respectifs 94 A-C se trouvant sur la plaque pivot 89. Comme représenté figure 11, le palpeur 93A (tous les palpeurs 93 A-C sont de préférence, identiques) comporte une partie conique 98 ayant un sommet géométrique 101. La -9- partie conique 98 est, de préférence, une partie de cône circulaire droit. Cependant dans le but de diminuer les dégâts infligés au sommel0i par l'usure et l'arrachement, on fixe sur les parties coniques 98 une sphère 102 en acier dur à l'endroit du sommet 101; cette sphère est fixée de telle sorte que son centre 103 est placé sur un axe 106 de chaque

cône et qu'un point de tangence de chaque sphère est en con-

tact avec le sommet 101. Ainsi, chaque cône a une pointe émoussée mais le sommet 101 est encore défini comme un point de tangence de la sphère 102. En outre chaque cône a un angle au sommet 108 égal à deux fois l'arc tangente 0,5 (c'est-à-dire que l'angle au sommet 108 est un angle de 53,

degrés). Comme représenté figure 11, ceci permet d'ob-

tenir la caractéristique suivante: à savoir que pour n'im-

porte quelle hauteur de cône (telle que la hauteur 110) cette hauteur 110 est égale à la largeur 112. Grâce à cela

on obtiendra la fonction décrite maintenant.

Pour mesurer la hauteur d'une aube 51 figure 7, on

fait tourner la plaque pivot 89 vers une position prédéter-

minée représenté par le contour en pointillé 115. On déter-

mine cette position par la position de l'axe 91 et par un

arrêt approprié 117. Comme représenté figure 12, dans la-

quelle on a enlevé la plaque pivot 89 pour plus de clarté, les palpeurs 93 A-C sont amenés en contact avec le bout d'aube 120 de l'aube 51 et ce contact est fermement maintenu

grâce à des ressorts 122 A-C représentés figure 7 qui con-

traignent les palpeurs dans la direction indiquée par la flèche 125, figure 12. Ainsi, les sommets 101 sont unis en contact avec le bout d'aube 120, et les axes 106 A-C des palpeurs 93 A-C sont placés de manière générale parallèles

au plan radial 61 représenté figure 9.

On projette une nappe de lumière 128 en travers

des palpeurs 93 A-C et perpendiculairement aux axes 106 A-C.

Bien que désignée par le terme nappe de lumière, la nappe

128 est constituée en fait, par un faisceau laser cylindri-

- 10 -

que (non représenté) balayé dans la direction des flèches A et B de manière à couvrir une bande analogue à une nappe. Pour réaliser une telle nappe de lumière on utilise communément un dispositif de détermination de dimensions par balayage laser tel que le modèle Telemetric Model 121 dispo- nible chez Zygo Corp; Middlefield, Ct. Chaque palpeur 93 A-C éclipse une région respective 135 A-C de la nappe 128 et la

largeur de chaque région éclipsée est mesurée par un sys-

tème photosensible bien connu de la technique. Un tel sys-

tème est inclus dans le Telemetric model 121 cité ci-dessus.

On peut utiliser aussi un réseau de photodiodes 148, bien connu de la technique et représenté figure 12, pour produire

des signaux indiquant la largeur de la zone éclipsée.

Puisque la largeur 112 (figure 11) est égale à la

hauteur 110 de chaque palpeur 93 A-C, la mesure de la lar-

geur de chaque région éclipsée 135 A-C fournit une indica-

tion de la distance 137 entre le bout d'aube 120 et la nappe lumineuse 128. Ainsi on vérifie la hauteur de l'aube 51 par rapport à la nappe 128. Puisqu'on considère la nappe 128 comme une référence fixe dans l'espace, la distance du bout

d'aube 120 à une référence est ainsi assurée. En outre puis-

que trois palpeurs 93 A-C sont en contact sur le bout d'aube on mesure la distance entre trois points sur le bout 120 et la nappe 128. Ces trois points définissent'un plan de la surface du bout d'aube 120 et la mesure du déplacement du plan entier de la surface du bout d'aube 120 après soudage

est maintenant décrit.

On peut utiliser cette réalisation pour inspecter la qualité d'un sondage lorsqu'un embout 139 figure 7 est lié par diffusion au bout d'aube 120 de l'aube 51. Tout d'abord, on place l'aube 51 dans le dispositif de fixation

33 décrit ci-dessus et on place l'embout 139 entre les pal-

peurs 93 A-C et l'aube 51. Cette mise en place simule la position réelle que prendra l'embout 139 lorsqu'il sera lié à l'aube 51. Les palpeurs sont mis en contact avec l'embout

- il -

139 et on mesure la largeur des régions éclipsées 135 A-C de la figure 12 (figure 12 on n'a pas représentée l'embout 139 placé au-dessus du bout d'aube 120). On enlève l'aube, on place entre le bout d'aube 120 et l'embout 139 une couche de matériau métallique de soudure et on chauffe l'ensemble dans un four. Dans le cas d'une couche de matériau de soudure de 0,076 mm d'épaisseur, on admet de manière générale que la

soudure finale, si exécutée convenablement, séparera l'em-

bout 139 du bout d'aube 120 de 0,025 mm. Après la liaison par diffusion, on mesure à nouveau la hauteur de l'ensemble, aube 51 et embout lié 139. La deuxième mesure aura, si la liaison par diffusion est correcte 0,025 mm de moins que la mesure avant liaison. C'est-à-dire que chaque sommet 101 sera déplacé de 0,025 mm dans la direction de la flèche 136 de la figure 12 et que la nappe de lumière 128 frappera chaque région conique 112 en une zone de largeur 112 moindre qu'auparavant. L'écart des déplacements par rapport à un nombre prédéterminé tel que 0,025 mm indique qu'une liaison

par diffusion peut être défectueuse. Un déplacement non uni-

forme d'un sommet 101 par rapport à un autre indique que le plan de la surface du bout 120 s'est déplacé de manière non uniforme et donc qu'il existe un défaut partiel possible

dans le soudage.

On sait que la nappe de lumière 128 n'est pas in-

finitésimalement mince, mais a une épaisseur finie. La partie 135A de la figure 12 éclipsée par le palpeur 93A de la figure 11 aura donc la forme générale représentée figures 13 A-B. Lorsqu'on déplace le palpeur 93A dans le sens de la flèche 136 figure 12, une nouvelle partie éclipsée 135AA de la figure 13B sera créée, comme représenté, par les parties de nappe 128A. La partie éclipsée 135AA sera plus étroite que la partie éclipsée 135A: la largeur 150' est inférieure à la largeur 150. Le fait que la partie éclipsée 135A n'a pas une largeur uniforme (comme représentés par les largeurs 150 et 151) ne présente pas de problème important. On

- 12 -

cherche à mesurer la variation de l'une quelconque des lar-

geurs telle que la largeur 150. La mesure de cette variation

est bien connue de la technique.

En outre, dans la discussion concernant la figure 12, il était spécifié qu'une mesure est effectuée entre la nappe de lumière 128 servant de référence et le bout d'aube de l'aube 51. Bien entendu, ceci suppose que la nappe de

lumière 128, bien qu'ayant une épaisseur finie comme repré-

senté figure 13A, peut être considérée comme définissant une position discrète de référence telle que le bord inférieur 156. C'est un problème d'étalonnage. Cet étalonnage est connu de la technique et ne fait pas partie de la présente invention.

On a décrit un dispositif comportant une réalisa-

tion pour supporter dans l'espace un objet tel qu'une aube

de moteur à turbine à gaz avec précision et de manière répé-

table. L'aube est supportée par six supports ponctuels sont quatre dont des cylindres positionnes rigidement et deux des sphères positionnées de même. Des palpeurs ayant des régions coniques émoussées se trouvent sur un support mobile et le sommet de chaque pointe de cône est amené en contact avec le bout d'aube. Une nappe de lumière est projetée sur chaque région conique et la hauteur relative, qui est fonction de la hauteur radiale de l'aube, à chaque point de contact du

sommet est déterminée par la largeur de la lumière éclipsée.

Par contact du bout d'aube en trois points on définit un

triangle ce qui, ainsi qu'il est connu, définit un plan.

Ainsi on définit la situation du plan du bout d'aube et on

mesure le déplacement de ce plan après la liaison par diffu-

sion.

- 13

Claims

REVENDICATIONS

1. Méthode de mesure d'une dimension d'un objet caractérisée en ce qu'elle consiste à: a) placer l'objet dans une fixation; b) placer le sommet d'un cône contre l'objet; c) projeter une nappe de lumière en travers du cône pour éclipser la lumière; et

d) mesurer la quantité de lumière éclipsée en c).