Chapitre 2 Dispositif de toucher artificiel
2.3 Dispositifs d’exploration
2.3.2 Dispositif de précision
Le deuxième dispositif d’exploration, dit dispositif de précision, a été conçu avec le souci de contrôler le déplacement avec précision et de minimiser les vibrations externes à la friction entre le doigt artificiel et l’échantillon. Ce dispositif a aussi pour objectif de mesurer la force normale et la force tangentielle subies par le doigt artificiel, afin de pouvoir caractériser ce dernier. La table de précision a été réalisée par Nominal Concept, un bureau d’étude extérieur au C.E.A., spécialisé dans la réalisation de dispositifs mécaniques de précision.
La table de précision présentée Figure 2.13 se décompose en deux parties : la partie capteur (à gauche) et la partie échantillon (à droite). Pour s’affranchir des vibrations extérieures au montage, l’ensemble est monté sur un marbre alvéolé supporté par un châssis anti-vibration à air comprimé (Thorlab).
a) Partie capteur
La partie capteur est composée de deux tables linéaires motorisées (Lx80F40 Linax, Jenny Science) permettant de déplacer le capteur selon les deux axes x (horizontal), y (vertical) comme indiqué sur la Figure 2.14. Ces tables linéaires sont équipées d’une règle optique qui permet de contrôler la position avec une précision de 1µm sur une longueur de 8 cm. Le déplacement se fait sur des galets, ce qui garantit une bonne continuité du mouvement. Sur la table verticale est fixé un bras, au bout duquel se trouve le capteur. Les tables Lx80F40 peuvent supporter une force maximum d’opposition au déplacement de 40N. La table verticale est donc équipée d’un compensateur pneumatique qui permet de la soulager du poids du bras. Chaque table est reliée à un contrôleur Xenax (Jenny Science) lui- même relié à un ordinateur par câble ethernet. On peut ainsi programmer indépendamment le mouvement de chacune des tables.
1 Système de régulation en boucle fermée considérant la Proportionnelle, l’Intégrale et la Dérivée (PID) d’un
Figure 2.13: Dispositif de précision vu de dessus. Le dispositif est composé d’une partie échantillon (en haut à gauche) et d’une partie capteur (en bas à droite), toutes les deux fixées sur un marbre anti-vibration.
Figure 2.14 : Partie capteur du dispositif d'exploration. Compensateur pneumatique Cantilevers Support capteur Tables Linax Support Echantillon Doigt artificiel Partie échantillon Partie capteur Marbre anti- vibrations z x
Le bras se compose de deux cantilevers à bilame ressorts montés en série. Le premier cantilever mesure la force tangentielle selon l’axe x. Le second cantilever mesure la force normale selon l’axe z. Ces deux cantilevers sont respectivement nommés par la suite cantilever X et cantilever Z. Le fonctionnement des cantilevers est présenté dans la suite de cette partie. On notera que les lames ressorts sont orientées selon des plans verticaux ce qui permet de s’affranchir de la gravité pour les mesures de forces. Le support capteur est fixé à l’entretoise de l’extrémité libre du second bilame (voir Figure 2.14).
Figure 2.15 : Partie échantillon du dispositif. b) Partie échantillon
La partie échantillon du système de précision, présentée en Figure 2.15, se compose d’une plaque d’acier de 24x20x1 cm, constituant le support d’échantillon. Les échantillons de grosse épaisseur peuvent être fixés au moyen de deux glissières réglables. Les échantillons de faible épaisseur, comme le papier, sont fixés au moyen d’aimants (voir Figure 2.13), ce qui permet d’ajuster facilement leur positionnement (position, planéité, tension). Le support d’échantillon est monté sur deux tables Newport superposées, permettant de le déplacer selon l’axe z. Les tables sont montées l’une sur l’autre selon la même direction z de déplacement. Chaque table Newport a un débattement de 2.5 cm. La table du dessous est équipée d’un vérin pneumatique qui permet d’avancer ou de reculer le support d’échantillon de 2.5 cm. Une commande électrique bistable, reliée à un module de commande (NI), permet d’actionner le vérin et de mettre ou non en contact le support d’échantillon et le doigt artificiel. Une butée mécanique, extérieure à la table inférieure, a été ajoutée de manière à ne pas détériorer celle de la table, qui n’est pas prévue pour un contact répété. Malgré le grand nombre de mise en butée, on garde ainsi une grande répétabilité sur la position avancée de la table. La table du dessus est équipée
d’un micromanipulateur à vis gradué (10 µm/graduation) qui permet de faire un réglage fin de la force d’appui du support sur le doigt artificiel.
Comme pour le système table traçante, une partie logicielle programmée en Labview se charge de synchroniser la commande des moteurs et du vérin avec l’acquisition des signaux provenant du doigt artificiel et des cantilevers.
c) Caractérisation du système de cantilevers
L’objectif du système de cantilevers du dispositif est de mesurer la force normale et la force tangentielle, à l’arrêt comme pendant le déplacement du capteur (dynamique). Le principe de fonctionnement d’un cantilever est de mesurer le déplacement de l’extrémité libre d’une lame ressort soumise à une force. Comme pour un ressort, une relation de proportionnalité de type F=k.x lie le déplacement x de l’extrémité libre à la force normale F appliquée à cet endroit, via la raideur k. Le cantilever mono-lame habituellement utilisé, par exemple dans les Microscopes à Force Atomique, a l’inconvénient de changer l’orientation du plan tangentiel à l’extrémité libre avec la flexion de la lame. Sur notre montage, cela aurait pour conséquence de changer l’orientation du doigt artificiel en fonction de la force de contact, et de modifier la réponse du capteur en conséquence.
L’utilisation d’un bilame ressort encastrée à chacune des extrémités permet de garder le parallélisme entre les plans d’encastrement, donc de conserver sur notre montage une orientation constante du plan support capteur quelques soient les forces mises en jeux. La Figure 2.16 présente le comportement d’un cantilever bilame soumis à une force normal F. La flèche dn de l’extrémité libre est proportionnelle à la force F appliquée. L’équation (2.8) permet d’estimer grossièrement la raideur k du cantilever bilame en fonction de la longueur L, de la largeur b, de l’épaisseur e et du module d’Young
E des lamelles [Restagno00].
3 3
L Ebe
k= (2.8)
Figure 2.16 : Schéma d’un cantilever bilame
Sur le dispositif de précision, le cantilever Z mesurant la force Fz comporte des lamelles en acier à ressort d’épaisseur e = 0.6 mm et de module d’élasticité E = 220 GPa, et de longueur L = 120 mm, soit une raideur kz ≈ 0.8 N.mm-1. Le cantilever X mesurant Fx comporte des lamelles en acier inoxydable
d’épaisseur e = 1.5 mm et de module d’élasticité E = 203 GPa, de même longueur que les précédentes, soit kx ≈ 11 N.mm-1. La raideur du cantilever Z est choisie faible afin d’imposer une force normale faible et qui varie peu selon les rugosités explorées. La raideur du cantilever X est choisie grande pour que soit imposé un déplacement plus qu’une force tangentielle [Scheibert07].
Les déplacements relatifs aux cantilevers X et Z sont mesurés avec des capteurs à courant de Foucault Micro-Epsilon, de modèles respectifs U3 (plage de mesure de 3 mm) et EU6 (plage de mesure de 6mm). Ces capteurs délivrent une tension, respectivement Ux cant et Uz cant, proportionnelle au déplacement d’une cible en acier en face de laquelle ils sont placés.
La raideur des cantilevers est très dépendante de l’épaisseur et de la longueur des lamelles. Les capteurs de déplacement à courant de Foucault sont eux dépendant de leur environnement magnétique. Le système de cantilevers est donc caractérisé une fois monté sur le système complet.
Pour une utilisation optimum des capteurs de déplacement, la caractéristique de ceux-ci doit être ajustée à l’environnement et à la plage 0-5 V du système d’acquisition. Cela est réalisé grâce à trois potentiomètres de l’électronique capteur permettant de régler le zéro, la linéarité et le gain. Un capteur optique Micro-Epsilon NCDT1700 de résolution 1 µm et de très bonne répétitivité est utilisé pour la caractérisation. Une fois réglés, les capteurs ont une caractéristique linéaire de pente 1.2 mm.V-1 pour
EU6 et 0.6 mm.V-1 pour U3. L’erreur de mesure de ces capteurs ne dépasse pas 0.3 µm pour EU6 et 0.15 µm pour U3.
Les cantilevers sont ensuite caractérisés avec des masses référencées. Les sensibilités des cantilevers Z et X obtenues sont respectivement Sz cant.= -1.64 ± 0.01 N
.
V-1 et Sx cant.= 13.65 ± 0.2 N.
V-1. Cela correspond à des raideurs de cantilevers respectives kz= 1.37 ± 0.01 N.mm-1 et kx = 22.8 ± 0.2 N.mm-1. La Figure 2.17 illustre les caractéristiques des deux cantilevers.Figure 2.17: Caractéristiques des cantilevers Fz (à gauche) et Fx (à droite)
Le cantilever bilame a tout de même l’inconvénient d’imposer au support capteur un déplacement latéral dl lorsqu’un déplacement dn est imposé selon l’axe normal. Lorsque dn est faible devant L, dl
2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Fz=Sz cant⋅ Uz cant+b Uz cant (V) F z (N ) Sz cant=-1.644, b=6.939 R2=0.9998 2.8 2.9 3 3.1 0 1 2 3 4 5 Fx=Sx cant⋅ Ux cant+b Ux cant (V) F x (N ) Sx cant=13.65, b=-37.57 R2=0.9987
peut être estimé par la relation