Capteur de déplacement linéaire pour un mouvement d'axe hélicoïdal

Linear displacement sensor for an axis performing a helicoidal movement

• Auteur / Autrice : Zeina Elrawashdeh
• Direction : Frédéric Lamarque, Philippe Revel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Avancée
• Date : Soutenance le 12/07/2016
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Mécatronique

Cinématique

Mouvement rotatoire

Usinage

Détecteurs à fibres optiques

Capteurs optiques

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Usinage à haute précision (UHP)

Hélicoïdal

Résolution

Sensor

Resolution

Helicoidal

High precision fabrication

Résumé

Le développement des capteurs de déplacement à hautes performances du point de vue de la limite de résolution et de l’étendue de mesure, est devenu une demande croissante pour les systèmes mécaniques et mécatroniques. Ce mémoire présente la modélisation, la conception et la fabrication d’un capteur innovant permettant la mesure in-situ et en temps réel du déplacement linéaire d’un axe en mouvement de rotation. Ce capteur est caractérisé par une grande étendue de mesure d’une dizaine de millimètres et par une résolution micrométrique. Après une étude bibliographique portant sur les applications industrielles de ce capteur, une modélisation géométrique de la réflexion de lumière par une surface convexe a été développée. Ce modèle calcule l’intensité lumineuse détectée par le capteur en fonction du rayon de courbure de la surface. Il a montré que la sensibilité augmente en fonction du rayon de courbure (Rc) et que la résolution est optimale pour (Rc=20 mm). Ce modèle géométrique a été validé par des essais expérimentaux dont les résultats ont montré une chute de la sensibilité pour des rayons inférieurs à (Rc= 15 mm). Pour cette raison, et afin de garantir le meilleur fonctionnement du capteur, le rayon de courbure choisi pour la fabrication du réseau de cônes imbriqués a été de 25 mm. Une fois le rayon de courbure optimal choisi, une modélisation géométrique de la mesure de déplacements linéaires sur une grande étendue de mesure par l’utilisation de deux sondes et d’un réseau à cônes imbriqués a été réalisée. La technique d’usinage de haute précision (UHP) a été présentée. Un premier prototype de ce réseau en alliage d’aluminium a été obtenu. Puis, le modèle géométrique a été optimisé pour mieux prendre en compte certaines contraintes de fabrication, ce qui a conduit à l’usinage d’un deuxième prototype ayant des paramètres géométriques légèrement modifiés et un meilleur état de surface pour mieux réfléchir la lumière. Enfin, la validation expérimentale du principe de mesure du capteur à fibres optiques (CFO) a été faite pour ces deux prototypes du réseau de cônes imbriqués, à l’aide d’un montage mécanique, ce qui a permis d’orienter au mieux les sondes du CFO en face du réseau. Cette validation a permis d’évaluer les performances du CFO. Pour le premier prototype, un recouvrement de 30 µm a été vérifié entre les deux signaux. Différentes vitesses de translation et de rotation on été appliquées ; où on a remarqué l’apparition des pics périodiques. Ces pics sont dus à un problème de balourd de l’axe de rotation de la broche ; en augmentant les valeurs de la vitesse de rotation, les pics s’atténuent, car l’inertie de la broche est supérieure. Pour cette raison, on a privilégié de travailler avec des vitesses de rotation élevées et une gamme de vitesse de translation tout en tenant compte de la fréquence d’acquisition. Pour le deuxième prototype, on a validé le principe de mesure avec deux sondes à fibres optiques. Un recouvrement suffisant a été mesuré entre les deux signaux. On a constaté qu’en acceptant davantage de non-linéarité, on augmente la largeur de la zone de recouvrement, ce qui facilite le basculement d’une sonde à l’autre et ainsi assure la continuité de la mesure sur une étendue millimétrique qui est fonction du nombre de cônes, mais l’exactitude de la mesure s’en trouve diminuée. En augmentant la vitesse de translation, on diminue le nombre des points acquis dans la zone de recouvrement, ce qui exige une fréquence d’acquisition plus élevée.

The development of displacement sensors with high performances regarding the limit of resolution and the measurement range has become essential for different mechanical systems This Ph.D. presents the modeling, the design and the fabrication of an original fiber-optic sensor. lt is able to measure the linear displacement of a rotating axis. This sensor is characterized by a micrometric resolution on a measurement range of several millimeters. After a bibliography study related to the industrial applications of the sensor, a geometric model of the light reflection by a convex surface has been developed. This model calculates the light intensity detected by the sensor as a function of the radius of curvature (Re); the model shows that the sensitivity increases as a function of the radius of curvature of the reflector (Re) and the limit of resolution is optimal for (Re=20 mm). This geometric model had been experimentally validated; where it was found out that the sensitivity decreases for the radii of curvature less than 15 mm (Re= 15 mm). For that reason, and in order to ensure the best functionality of the sensor, the radius of curvature chosen for the fabrication of the canes assembled grating was 25 mm. Once the optimal radius of curvature fixed a geometric model for the linear displacement measurement on a long measurement range using two fiber-optic probes and one cones assembled grating has been developed. The first prototype of the cones assembled grating was obtained with a high precision turning machine on an aluminum alloy. Afterwards, a second prototype of the cones grating was fabricated; where several parameters have been optimized, such as: the non-inclusion of the fabrication constraints in the geometric model and a better surface roughness of the cones assembled grating. The high precision fabrication technique of the two prototypes was presented. Finally, the experimental validation of the sensor measurement principle with two fiber-optic probes with the help of a mechanical set-up was realized. The mechanical set-up is used to a better orientation of the probes in front of the grating. The experimental validation helped to evaluate the overall sensor performances. For the two prototypes, an overlap of 30 um was verified between two successive signals. Different translation and rotation speeds were applied; where periodical peaks were observed in the output signals. These peaks are due to an unbalanced rotation of the spindle axis of rotation; with high speed values, the peaks are attenuated due to the high inertia of the spindle. For this reason, it is preferred to work at high rotational speeds (20 tr./s) with a consideration of the sampling frequency. This sensor is characterized by a micrometric resolution, on a measurement range of about 10 mm.