EP2948765A1 - Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface - Google Patents

Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface

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EP2948765A1
EP2948765A1 EP14705840.8A EP14705840A EP2948765A1 EP 2948765 A1 EP2948765 A1 EP 2948765A1 EP 14705840 A EP14705840 A EP 14705840A EP 2948765 A1 EP2948765 A1 EP 2948765A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
probe
electrical signal
quadrants
state
transducer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14705840.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Eisen
Pierre Jean MEAUSOONE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National Polytechnique de Lorraine
Original Assignee
Institut National Polytechnique de Lorraine
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique de Lorraine filed Critical Institut National Polytechnique de Lorraine
Publication of EP2948765A1 publication Critical patent/EP2948765A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/08—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/041—Analysing solids on the surface of the material, e.g. using Lamb, Rayleigh or shear waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/265—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/263—Surfaces
    • G01N2291/2632—Surfaces flat

Definitions

  • the invention relates to a device adapted for the qualitative characterization of the state of a surface of a material.
  • the invention has been developed for the characterization of the surface condition of pieces of raw wood, machined wood parts or pieces of wood-based materials such as particle boards, such as MDF panels (Medium Density Fibreboard ), PPSM (Melamine-surfaced Particleboard), OSB (Oriented Strand Board), etc. But the invention was then successfully tested on other materials such as composites, metals, plastics, fabrics, etc.
  • Standards define parameters characterizing quantitatively the surface condition of the machined parts and more particularly the roughness and the corrugations (ISO Standard 1562, 1996), in particular the distance between the hollows and the bumps of the streaks appearing on the surface, and tools such as roughness meters can be used to determine these parameters.
  • the document Dl DE 29 15 229 proposes for its part to measure the roughness of a surface of a metal part by measuring the amplitude of the vibrations of a stylet displaced on the surface of the part to be tested according to linear oscillations and or angular while the part to be tested is rotated by a machining lathe.
  • the invention proposes a new device adapted for the qualitative characterization of the state of a surface, for example for the qualitative characterization of a surface of a piece of wood. More specifically, the invention relates to a device comprising:
  • a means for rotating the probe so that the probe follows a circular path and performs a complete revolution
  • An electroacoustic transducer configured to produce an electrical signal representative of the sound waves emitted by the probe.
  • the invention thus exploits the acoustic vibrations of the probe moving over the surface to be characterized, and the circular trajectory of the probe makes it possible to take into account the variations of the surface state in all directions.
  • the amplitude of the sound waves gives information on the amplitude of the roughnesses on the characterized surface, and the frequency of the sound waves gives an indication of the resonance of the material and its hardness.
  • the device according to the invention is simply placed on the surface to be characterized and the drive means of the probe is activated.
  • the drive means is configured to rotate the probe with constant power.
  • the time taken by the probe to take a turn is representative of the adhesive power of the surface of the tested material.
  • the drive means includes an arm at a first end of which the probe is attached, and a motor configured to drive the arm in rotation so that the probe travels in a circle.
  • the arm guides the probe in a perfect circle, which ensures a regular measurement in all directions.
  • the motor is coupled to the arm via a belt.
  • a belt makes it possible not to transmit to the probe the vibrations of the engine, vibrations generating sound waves which disturb the measurement made by the transducer.
  • the device according to the invention comprises means configured to press the probe on the surface to be characterized according to a constant force. This eliminates the risk of rebound of the probe on the surface to be characterized.
  • the probe remains plated on the surface to be characterized and perfectly follows the variations, and the measurement of sound waves by the transducer is not parasitized by bouncing phenomena, echoes, etc.
  • the device according to the invention also comprises a housing capable of resting by at least three feet on the surface to be characterized; the drive means is positioned inside the housing, the probe and the transducer are positioned under the housing.
  • the housing facilitates the manipulation of the device.
  • the housing is preferably provided with at least three legs, each preferably having the smallest contact area possible.
  • the device according to the invention is in contact with the surface to be characterized on the smallest possible areas, so as not to disturb the measurements.
  • the device according to the invention may further comprise a weighting means, configured to immobilize the device during the rotation of the probe.
  • the housing can be made in whole or part in a heavy material such as a metal (steel, etc.), or a heavy metal part can be positioned at the bottom of the housing. This to have a perfectly stable device, which does not move when the probe rotates.
  • the device according to the invention may further comprise a display means for receiving and displaying the electrical signal emitted by the transducer.
  • the display means is for example a screen allowing an operator to view the received signal.
  • the device may further comprise a data processing means configured to receive the electrical signal emitted by the transducer, and to produce at least one parameter of the electrical signal, a characteristic parameter of a state of the surface to be characterized.
  • the data processing means thus facilitates the task of the operator in the interpretation of the measurements made.
  • the parameter (s) is / are for example:
  • a signal form factor defined as the ratio of the rms value to the average value, and / or
  • the parameter can also be a magnitude representative of the anisotropy of the surface state of the material.
  • a parameter is particularly advantageous for characterizing the surface state of a piece of wood, whether or not it is raw.
  • the surface quality measured in a direction substantially perpendicular to the wood fiber may be less good than in the direction substantially parallel to the wood fiber. More generally, such a parameter is particularly advantageous for estimating the importance of the anisotropy of the surface state of a material.
  • the magnitude representative of the anisotropy of the surface state of the material is defined by the ratio between the rms value of the electrical signal on the first and third quadrants and the rms value of the electrical signal on the second and the fourth quadrants.
  • fourth quadrants, the first, second, third and fourth quadrants corresponding to a rotation of the probe at an angle of 0 to 90 °, 90 ° to 180 °, 180 ° to 270 ° and 270 to 360 °, respectively; angle 0 corresponding to a preferred direction of the material.
  • the data processing means is a computer means such as a computer, comprising in particular a wired or wireless receiving means of the electrical signal supplied by the transducer, a memory storing a computer program comprising instructions of a program configured for determining the one or more parameters above, means such as a microprocessor configured to execute the program instructions, display means configured to display the one or more parameters determined by the program instructions, and optionally means for storing the parameter (s) determined by the program instructions.
  • the means for storing the parameter or parameters is, for example, a data memory storing in each line of a parameter database a designation of an object, the electrical signal produced by the transducer and / or one or more determined parameters. by the data processing means from the electrical signal.
  • the data processing means may further comprise comparison means, for comparing an electrical signal produced by the transducer and / or one or more parameters determined by the data processing means with the contents of the database.
  • comparison means for comparing an electrical signal produced by the transducer and / or one or more parameters determined by the data processing means with the contents of the database.
  • the device is completely autonomous, just put it on the surface to be characterized. In particular, it does not require external drive means, such as for example a machining lathe.
  • the surface to be characterized is totally immobile.
  • the movements of the feeler are not influenced by parasitic vibrations, such as for example the vibrations of a machining machine carrying the part whose surface is to be characterized, and the electrical signal produced by the transducer is not influenced by noise such as 50Hz noise of a machine tool.
  • the device according to the invention can be used on any type of material, and in particular on screened materials, ie materials having a large surface anisotropy, for example wood, fabric, etc.
  • the device according to the invention is small and light as will be seen better later in an example, so easily transportable from one surface to be characterized to another.
  • FIGS. 1 and 2 are a front view and a view from above of a device according to the invention
  • FIGS. 3 to 8 show results obtained by a device according to the invention for different materials.
  • the invention relates to a device adapted for the qualitative characterization of the state of a surface of an object, for example for the qualitative characterization of a surface of a piece of wood.
  • the device according to the invention essentially comprises a probe, a means for rotating the probe, so that the probe follows a circular path, and an electroacoustic transducer, configured to produce an electrical signal representative of the sound waves emitted by the probe.
  • the example shown is a prototype whose efficiency has been verified and which is used regularly in a machine shop.
  • the probe 10 is a ball whose diameter, from 1 to 10 mm, is chosen according to the material to be characterized and the desired accuracy.
  • the prototype made has a generally cylindrical shape, about 10 cm in diameter and 15 cm in height, for a weight of about 1200 g.
  • the means for rotating the probe comprises: An arm 21, at one end of which is fixed the probe,
  • the electroacoustic transducer 30 is positioned just above the probe, at the first end of the arm, in order to record the waves produced by the mechanical vibrations of the probe as it traverses the surface to be characterized.
  • the probe When it is rotated, the probe travels a circle of diameter of the order of 20 to 80 mm.
  • the diameter of the circle and the number of measuring points chosen along the circle depend on the desired accuracy.
  • a control means starts the motor, digitizes the electrical signal supplied by the transducer by sampling it at an acquisition frequency of the order of 8000 to 22050 Hertz and then stops the motor when the probe has taken a turn.
  • the choice of the sampling frequency ie the number of points recorded per second) depends in particular on the surface to be characterized and the desired accuracy. A sampling frequency of around 8000 Hertz gives good results for the study of pieces of wood.
  • the drive means and more precisely the motor 22, is configured to rotate the probe with a constant power, of the order of 100 mW.
  • the probe being rotated at constant power, the time taken by the probe to go through a complete revolution is variable, depending on the mechanical strength of the surface of the object to be characterized; this mechanical resistance depends in particular on the adhesion and the quality of the surface to be characterized.
  • the probe takes about a second to make a turn on a non-adherent surface object, and can take up to 2 seconds to traverse a turn on an object with a sticky surface.
  • the probe takes much longer to travel one turn on the surface of an object made of an adhesive material such as silicone than to walk a turn on the surface of an object made of a non-adhesive material such as than teflon.
  • the device according to the invention may also comprise means configured to press the probe 10 on the surface to be characterized according to a constant force.
  • the horizontal arm 21 carries the probe 10 at one end and the arm 21 has a second end connected to the vertical axis 23 by an elastic return means positioned inside the arm 21 (thus not visible in Figure 1).
  • This elastic return means is for example a spring arranged to push the arm 21 and the probe down with a constant restoring force.
  • the plating means may be a ballast positioned at the free end of the arm 21, in the vicinity of the probe, which applies a constant force of gravity and thus plates the probe against the surface to be characterized.
  • the device shown also comprises a rotary optical encoder 50, comprising a wheel with notches, for accurately measuring the angle of rotation of the arm.
  • the measurement of the rotation angle makes it possible to stop the rotation of the probe when it has made a turn.
  • the device also comprises a housing 60 in which are positioned in particular the drive means, the encoder, the control means.
  • the axis of rotation 23 of the arm passes through the bottom of the housing, the arm carrying the probe and the transducer are positioned under the housing.
  • the housing is ballasted by a bottom 61 made of thick metal and the housing walls are made of transparent plastic material.
  • the housing comprises at least three feet 62. On the prototype made, two feet are identifiable by their color (eg black) relative to the third (eg red). To facilitate the identification of the measurement results on the display screen, the two black feet are aligned in a preferred direction of the surface to be characterized, for example in the direction of the fiber of a wood or in the direction of the weft of a fabric.
  • the device according to the invention is completed by a data processing means (of which only the display screen is shown in FIGS 3-8) connected to the control means in order to recover the sampled data produced by the control means.
  • the data processing means is a computer storing software developed to process the received data.
  • the computer notably allows the display of the electrical signal produced by the transducer; it also makes it possible to determine parameters of this signal and in particular:
  • the form factor is defined by the ratio between the rms value Vf and the average value Vm; a mathematical representation: RMS value
  • the anisotropy of the surface is defined by the ratio between the rms value of the electrical signal on the first and the third quadrants and the rms value of the electrical signal on the second and fourth quadrants, the first, second, third and fourth quadrants corresponding to a rotation of the probe, respectively from 0 to 90 °, from 90 ° to 180 °, from 180 ° to 270 ° and from 270 to 360 °.
  • the number 128 is used for a data acquisition made on 8 bits (from 0 to 255). 256 would be used for 9-bit acquisition, 512 for 10-bit acquisition, and so on.
  • the device according to the invention is positioned on the surface to be characterized so that the angle ⁇ corresponds to a preferred direction of the surface of the material, for example a direction where the roughness is low, for example a direction where the surface condition seems of very good quality, as a direction parallel to the fiber when the material is wood.
  • the device according to the invention can also be positioned in a random manner on the surface to be characterized, for example if the anisotropy of the surface is weak and if a palpation of the surface does not make it possible to determine a preferred direction.
  • the first and third quadrants are for example called perpendicular quadrants and the second and fourth quadrants are for example called parallel quadrants.
  • an isotropic surface has an anisotropy equal to 1.
  • FIGS. 3 to 8 show examples of measurement results obtained from the prototype made for:
  • the graph at the bottom left is a representation of a Fourier transform of the measured signal and, under the graph, the characteristic frequencies determined by the Fourier transform are indicated,
  • the table at the top right indicates the rms value, the average value, the integration and the signal form factor, on each of the quadrants respectively denoted S0 (probe rotation angle between 0 and 90 °), SI (angle rotation between 90 and 180 °), S2 (angle of rotation between 180 and 270 °) and S3 (angle of rotation between 270 and 360 °),
  • Teflon, a soft, isotropic and smooth surface material low integration value (around 4600) and an anisotropy close to 1.
  • Planed Spruce, wood material, anisotropic average integration value (of the order of 61000) and an anisotropy of 1.55, characteristic of the direction of fiber direction.
  • the PPSM very hard surface material, isotropic and structured: high integration value (of the order of 141000) and an anisotropy close to 1.
  • soft materials such as Teflon, Jacquard or even spruce
  • soft materials have a surface with low characteristic frequencies, representative of rather serious sounds and damped acoustic waves.
  • a rather hard material such as bamboo or PPSM, has a surface with higher characteristic frequencies, representative of rather acute sounds, less damped acoustic waves.
  • the device according to the invention gives above all qualitative information on the state of a tested surface.
  • the device according to the invention serves as a device for checking the quality of the parts produced.

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Abstract

Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface L'invention concerne un dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un objet, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois, comprenant : • un palpeur (10), • un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire, • un transducteur électroacoustique (30), configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur. Application à la caractérisation qualitative d'une surface, par exemple en sortie de chaîne de fabrication de pièces. Application à tous types de matériaux : bois, métaux, plastiques, tissus, etc.

Description

Dispositif adapté pour la caracterisation qualitative de l 'état d'une surface
Domaine technique et état de l'art
L'invention concerne un dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un matériau. L'invention a été développée pour la caractérisation de l'état de surface de pièces de bois brut, de pièces de bois usiné ou de pièces de matériaux dérivés du bois tels que des panneaux de particules, de type panneaux de MDF (Médium Density Fibreboard), de PPSM (Panneau de particules Surfacé Mélaminé), de OSB (Oriented Strand Board), etc .. Mais l'invention a ensuite été testée avec succès sur d'autres matériaux tels que des composites, des métaux, des plastiques, des tissus, etc.
Des normes définissent des paramètres caractérisant de manière quantitative l'état de surface des pièces usinées et plus particulièrement la rugosité et les ondulations (Norme ISOl 1562, 1996), notamment la distance entre les creux et les bosses des stries apparaissant sur la surface, et des outils tels que des rugosimètres permettent de déterminer ces paramètres.
Le document Dl = DE 29 15 229 propose quant à lui de mesurer la rugosité d'une surface d'une pièce métallique en mesurant l'amplitude des vibrations d'un stylet déplacé sur la surface de la pièce à tester selon des oscillations linéaires et / ou angulaires pendant que la pièce à tester est entraînée en rotation par un tour d'usinage.
Toutefois, tous les dispositifs connus sont complexes à mettre en œuvre et plutôt onéreux ; aussi on constate dans la pratique et pour un contrôle rapide que, au moins pour des applications ponctuelles telles que des petites séries de fabrication ou des études en laboratoire par exemple, l'analyse visio-tactile reste la technique privilégiée. Cette technique consiste à palper du doigt la surface et à la regarder pour estimer son état de surface. Cette technique est privilégiée évidemment pour sa simplicité de mise en œuvre. Elle reste toutefois très subjective, avec des résultats largement dépendant de l'expérience de la personne qui la pratique, expérience qui s'étend rarement sur plus de un ou deux types de matériaux.
Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif comprenant :
• un palpeur,
• un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire et effectue un tour complet,
• un transducteur électroacoustique, configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur. L'invention exploite ainsi les vibrations acoustiques du palpeur se déplaçant sur la surface à caractériser, et la trajectoire circulaire du palpeur permet de bien prendre en compte les variations de l'état de surface dans toutes les directions. L'amplitude des ondes sonores donne une information sur l'amplitude des rugosités sur la surface caractérisée, et la fréquence des ondes sonores donne une indication de la résonnance du matériau et de sa dureté. En pratique, pour caractériser la surface d'un matériau, le dispositif selon l'invention est simplement posé sur la surface à caractériser et le moyen d'entraînement du palpeur est activé.
Selon un mode de réalisation, le moyen d'entraînement est configuré pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante. Ainsi, le temps mis par le palpeur pour faire un tour est représentatif du pouvoir adhérent de la surface du matériau testé.
Dans un mode de réalisation, le moyen d'entraînement comprend un bras à une première extrémité duquel est fixé le palpeur, et un moteur configuré pour entraîner le bras en rotation de sorte que le palpeur parcourt un cercle. Le bras guide le palpeur selon un cercle parfait, ce qui permet de garantir une mesure régulière selon toutes les directions.
De préférence, le moteur est couplé au bras par l'intermédiaire d'une courroie. L'utilisation d'une courroie permet de ne pas transmettre au palpeur les vibrations du moteur, vibrations générant des ondes sonores qui viennent perturber la mesure réalisée par le transducteur.
De préférence, le dispositif selon l'invention comprend un moyen configuré pour plaquer le palpeur sur la surface à caractériser selon une force constante. Ceci supprime les risques de rebonds du palpeur sur la surface à caractériser. Ainsi, le palpeur reste plaqué sur la surface à caractériser et en suit parfaitement les variations, et la mesure des ondes sonores par le transducteur n'est pas parasitée par des phénomènes de rebonds, d'échos, etc.
Le dispositif selon l'invention comprend également un boîtier susceptible de reposer par au moins trois pieds sur la surface à caractériser ; le moyen d'entraînement est positionné à l'intérieur du boîtier, le palpeur et le transducteur sont positionnés sous le boîtier. Le boîtier facilite la manipulation du dispositif. Le boîtier est de préférence doté de au moins trois pieds, présentant chacun de préférence une zone de contact la plus petite possible. Ainsi, le dispositif selon l'invention est en contact avec la surface à caractériser sur des zones les plus petites possibles, pour ne pas perturber les mesures.
Le dispositif selon l'invention peut encore comprendre un moyen de lestage, configuré pour immobiliser le dispositif pendant la rotation du palpeur. Pour cela, le boîtier peut être réalisé en tout ou partie dans un matériau lourd tel qu'un métal (acier, etc.), ou bien une pièce métallique lourde peut être positionnée au fond du boîtier. Ceci pour avoir un dispositif parfaitement stable, qui ne bouge pas lorsque le palpeur tourne.
Le dispositif selon l'invention peut encore comprendre un moyen d'affichage, pour recevoir et afficher le signal électrique émis par le transducteur. Le moyen d'affichage est par exemple un écran permettant à un opérateur de visualiser le signal reçu.
Le dispositif peut encore comprendre un moyen de traitement de données configuré pour recevoir le signal électrique émis par le transducteur, et produire au moins un paramètre du signal électrique, paramètre caractéristique d'un état de la surface à caractériser. Le moyen de traitement de données facilite ainsi la tâche de l'opérateur dans l'interprétation des mesures réalisées. Le ou les paramètres est / sont par exemple :
• une durée de la mesure, correspondant au temps mis par le palpeur pour tourner de 360° et parcourir un cercle, et / ou
· une valeur efficace du signal, et / ou
• une valeur moyenne du signal et / ou
• un facteur de forme du signal, défini par le rapport entre la valeur efficace et la valeur moyenne, et / ou
• une intégration, et / ou
• une ou des fréquences caractéristiques, et / ou
· Une analyse FFT (transformée de Fourier rapide), permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée.
Le paramètre peut également être une grandeur représentative de Γ anisotropie de l'état de surface du matériau, Un tel paramètre est particulièrement intéressant pour caractériser l'état de surface d'une pièce de bois, brut ou non. La qualité de surface mesurée dans une direction sensiblement perpendiculaire à la fibre du bois peut être moins bonne que dans la direction sensiblement parallèle à la fibre du bois. De manière plus générale, un tel paramètre est particulièrement intéressant pour estimer l'importance de l'anisotropie de l'état de surface d'un matériau.
Dans un exemple, la grandeur représentative de l'anisotropie de l'état de surface du matériau est définie par le rapport entre la valeur efficace du signal électrique sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal électrique sur le deuxième et le quatrième quadrants, les premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement d'un angle de 0 à 90°, de 90° à 180°, de 180° à 270° et 270 à 360°, l'angle 0 correspondant à une direction privilégiée du matériau.
Dans un mode de réalisation préféré, le moyen de traitement de données est un moyen informatique tel qu'un ordinateur, comprenant notamment un moyen de réception avec ou sans fil du signal électrique fourni par le transducteur, une mémoire mémorisant un programme informatique comprenant des instructions de programme configurées pour la détermination du ou des paramètres ci-dessus, un moyen tel qu'un microprocesseur configuré pour exécuter les instructions de programme, un moyen d'affichage configuré pour afficher le ou les paramètres déterminés par les instructions de programme, et éventuellement un moyen pour mémoriser le ou les paramètres déterminés par les instructions de programme. Le moyen pour mémoriser le ou les paramètres est par exemple une mémoire de données mémorisant dans chaque ligne d'une base de données de paramètres, une désignation d'un objet, le signal électrique produit par le transducteur et/ ou un ou des paramètres déterminés par le moyen de traitement de données à partir du signal électrique.
Le moyen de traitement de données peut encore comprendre un moyen de comparaison, pour comparer un signal électrique produit par le transducteur et / ou un ou des paramètres déterminés par le moyen de traitement de données avec le contenu de la base de données. Ainsi, il est possible de déterminer l'objet testé, ou bien de déterminer des objets dont les caractéristiques en termes de qualité de surface sont proches, etc. Le dispositif selon l'invention présente de nombreux autres avantages.
Le dispositif est totalement autonome, il suffit de le poser sur la surface à caractériser. En particulier, il ne nécessite pas de moyen d'entraînement externe, comme par exemple un tour d'usinage.
Il peut être utilisé à tout moment, en particulier en dehors de toute phase d'usinage de la surface à caractériser, et loin de toute machine d'usinage. En effet, pendant l'utilisation du dispositif selon l'invention, la surface à caractériser est totalement immobile. Ainsi, les mouvements du palpeur ne sont pas influencés par des vibrations parasites, comme par exemple les vibrations d'une machine d'usinage portant la pièce dont on cherche à caractériser la surface, et le signal électrique produit par le transducteur n'est pas influencé par des bruits parasites comme par exemple le bruit à 50Hz d'une machine outil. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé sur tout type de matériau, et en particulier sur des matériaux tramés, c'est à dire des matériaux présentant une anisotropie de surface importante, par exemple le bois, le tissu, etc.
Le dispositif selon l'invention est petit et léger comme on le verra mieux plus loin dans un exemple, donc facilement transportable d'une surface à caractériser à l'autre.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :
• les figures 1 et 2 sont une coupe de face et une vue de dessus d'un dispositif selon l'invention,
• les figures 3 à 8 montrent des résultats obtenus par un dispositif selon l'invention, pour différents matériaux.
Description d'un mode de réalisation de l'invention
Comme dit précédemment, l'invention concerne un dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un objet, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois. Le dispositif selon l'invention comprend essentiellement un palpeur, un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire, et un transducteur électroacoustique, configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur.
L'exemple représenté est un prototype dont l'efficacité a été vérifiée et qui est utilisé régulièrement dans un atelier d'usinage. Le palpeur 10 est une bille dont le diamètre, de 1 à 10 mm, est choisi en fonction du matériau à caractériser et de la précision souhaitée. Le prototype réalisé a une forme générale cylindrique, d'environ 10 cm de diamètre et 15 cm de hauteur, pour un poids d'environ 1200 g.
Le moyen pour entraîner en rotation le palpeur comprend : • un bras 21, à une première extrémité duquel est fixé le palpeur,
• un moteur 22, dont un axe de rotation est couplé par l'intermédiaire d'une courroie d'entraînement à un axe de rotation 23 positionné à une deuxième extrémité du bras.
Le transducteur électroacoustique 30 est positionné juste au dessus du palpeur, à la première extrémité du bras, afin d'enregistrer les ondes produites par les vibrations mécaniques du palpeur lorsqu'il parcourt la surface à caractériser.
Lorsqu'il est entraîné en rotation, le palpeur parcourt un cercle de diamètre de l'ordre de 20 à 80 mm. Le diamètre du cercle et le nombre de points de mesure choisi le long du cercle dépendent de la précision souhaitée.
Un moyen de commande démarre le moteur, numérise le signal électrique fourni par le transducteur en l'échantillonnant à une fréquence d'acquisition de l'ordre de 8000 à 22050 Hertz puis arrête le moteur lorsque le palpeur a fait un tour. Le choix de la fréquence d'échantillonnage (ie le nombre de points relevés par seconde) dépend notamment de la surface à caractériser et de la précision souhaitée. Une fréquence d'échantillonnage de l'ordre de 8 000 Hertz donne de bons résultats pour l'étude de pièces de bois.
Le moyen d'entraînement, et plus précisément le moteur 22, est configuré pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante, de l'ordre de 100 mW. Le palpeur étant entraîné en rotation à puissance constante, le temps mis par le palpeur pour parcourir un tour complet est variable, en fonction de la résistance mécanique de la surface de l'objet à caractériser ; cette résistance mécanique dépend notamment de l'adhérence et de la qualité de la surface à caractériser. Ainsi, le palpeur met environ une seconde pour faire un tour sur un objet à surface non adhérente, et peut mettre jusqu'à 2 secondes pour parcourir un tour sur un objet à surface adhérente. Par exemple, le palpeur met beaucoup plus de temps à parcourir un tour sur la surface d'un objet réalisé en un matériau adhésif tel que le silicone qu'à parcourir un tour sur la surface d'un objet réalisé en un matériau non adhésif tel que le téflon.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre également un moyen configuré pour plaquer le palpeur 10 sur la surface à caractériser selon une force constante. A titre d'exemple, sur la figure 1, le bras 21 horizontal porte le palpeur 10 à une première extrémité et le bras 21 a une deuxième extrémité liée à l'axe vertical 23 par un moyen de rappel élastique positionné à l'intérieur du bras 21 (donc non visible sur la figure 1). Ce moyen de rappel élastique est par exemple un ressort agencé pour repousser le bras 21 et le palpeur vers le bas avec une force de rappel constante. Dans un autre exemple, le moyen de plaquage peut être un lest positionné à l'extrémité libre du bras 21, au voisinage du palpeur, lest qui applique une force de pesanteur constante et plaque ainsi le palpeur contre la surface à caractériser.
Le dispositif représenté comprend également un codeur optique rotatif 50, comprenant une roue avec des encoches, pour mesurer avec précision l'angle de rotation du bras. La mesure de l'angle de rotation permet d'arrêter la rotation du palpeur lorsque celui-ci a fait un tour.
Le dispositif comprend également un boîtier 60 dans lequel sont positionnés notamment le moyen d'entraînement, le codeur, le moyen de commande. L'axe de rotation 23 du bras traverse le fond du boîtier, le bras portant le palpeur et le transducteur sont positionnés sous le boîtier. Dans l'exemple représenté, le boîtier est lesté par un fond 61 réalisé en métal de forte épaisseur et les parois du boîtier sont réalisées en matériau plastique transparent. Le boîtier comprend au minimum trois pieds 62. Sur le prototype réalisé, deux pieds sont identifiables par leur couleur (par exemple noir) par rapport au troisième (par exemple rouge). Pour faciliter le repérage des résultats de mesure sur l'écran d'affichage, les deux pieds noirs sont alignés selon une direction privilégiée de la surface à caractériser, par exemple selon la direction de la fibre d'un bois ou selon la direction de la trame d'un tissu.
Le dispositif selon l'invention est complété par un moyen de traitement de données (dont seul l'écran de visualisation est représenté fig. 3-8) relié au moyen de commande afin de récupérer les données échantillonnées produites par le moyen de commande. Dans la pratique, le moyen de traitement de données est un ordinateur mémorisant un logiciel développé pour traiter les données reçues.
L'ordinateur permet notamment l'affichage du signal électrique produit par le transducteur ; il permet également de déterminer des paramètres de ce signal et notamment :
• la durée d'une mesure, c'est-à-dire le temps mis par le palpeur pour parcourir un tour,
• la valeur efficace du signal,
• la valeur moyenne du signal
• le facteur de forme du signal
• l'intégration du signal
• une ou des fréquences caractéristiques du signal
• l'anisotropie de la surface testée.
• Une analyse FFT, permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée.
La valeur efficace du signal est calculée selon la relation : Vf = racine carrée [(somme de i= 1 à n des (xi- 128) * (xi- 128) / n], où n est le nombre d'échantillons mesurés sur un tour, xi est l'amplitude du signal mesuré pour l'échantillon i ; soit, une représentation mathématique :
Valeur efficace =
La valeur moyenne du signal est calculée selon la relation : Vm = (somme de i= 1 à n des (xi- 128) / n ; soit une représentation mathématique :
Valeur moyenne =
n
Le facteur de forme est défini par le rapport entre la valeur efficace Vf et la valeur moyenne Vm ; soit une représentation mathématique : Valeur efficace
Facteur de forme =
Valeurmoyenne
L'intégration du signal est calculée selon la relation :
Intégration = j, l ;; - 128}
Dans un exemple, l'anisotropie de la surface est définie par le rapport entre la valeur efficace du signal électrique sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal électrique sur le deuxième et le quatrième quadrants, les premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement de 0 à 90°, de 90° à 180°, de 180° à 270° et 270 à 360°.
A noter que, dans les équations ci-dessus et de manière connue, on utilise le nombre 128 pour une acquisition de données faite sur 8 bits (de 0 à 255). On utiliserait le nombre 256 pour une acquisition sur 9 bits, le nombre 512 pour une acquisition sur 10 bits, etc.
Pour faciliter le traitement numérique des données mesurées, le dispositif selon l'invention est positionné sur la surface à caractériser de sorte que l'angle 0 correspond à une direction privilégiée de la surface du matériau, par exemple une direction où la rugosité est faible, par exemple une direction où l'état de surface semble de très bonne qualité, comme une direction parallèle à la fibre lorsque le matériau est du bois. Le dispositif selon l'invention peut également être positionné de manière aléatoire sur la surface à caractériser, par exemple si l'anisotropie de la surface est faible et si une palpation de la surface ne permet pas de déterminer une direction privilégiée.
Les premier et troisième quadrants sont par exemple appelés quadrants perpendiculaires et les deuxième et quatrième quadrants sont par exemple appelés quadrants parallèles.
L'anisotropie est ainsi calculée comme suit : An = [racine carrée [(somme de i= 1 à n/4 des (xi * xi)) / (n/4)] + racine carrée [(somme de i= n/2 à 3n/4 des (xi * xi)) / (n/4)] ] divisée par [racine carrée [(somme de i= n/4 à n/2 des (xi * xi)) / (n/4)] + racine carrée [(somme de i= 3n/2 à n des (xi * xi)) / (n/4)]. Selon ce calcul, une surface isotrope a une anisotropie égale à 1.
Valeur efficace quadrants perpendiculaires
Anisotropie =
Valeur efficace quadrants parallèles
Les figures 3 à 8 montrent des exemples de résultats de mesure obtenus à partir du prototype réalisé pour :
• la surface rabotée d'un objet en épicéa (fig. 3),
• la surface d'un objet en bambou verni (fig. 4),
• la surface d'un objet en Téflon (fig. 5),
• la surface d'un objet en tissu Jacquard (fig. 6).
· la surface d'un objet en PPSM (Panneau de Particules Surfacé Mélaminé) (fig. 7).
• la surface d'un objet (bande transporteuse adhérente) en silicone (fig. 8). Sur chaque figure :
• le graphe en haut à gauche est une représentation du signal mesuré,
• le graphe en bas à gauche est une représentation d'une transformée de Fourier du signal mesuré et, sous le graphe, sont indiquées les fréquences caractéristiques déterminées par la transformée de Fourier,
« le tableau en haut à droite indique la valeur efficace, la valeur moyenne, l'intégration et le facteur de forme du signal, sur chacun des quadrants notés respectivement S0 (angle de rotation du palpeur entre 0 et 90°), S I (angle de rotation entre 90 et 180°), S2 (angle de rotation entre 180 et 270°) et S3 (angle de rotation entre 270 et 360°),
• sous ce premier tableau est indiqué l'anisotropie et le temps de parcours (ou time process).
Les valeurs de l'intégration caractérisent la qualité de surface des matériaux :
• Le téflon, matériau mou, isotrope et lisse en surface : valeur d'intégration faible (de l'ordre de 4600) et une anisotropie proche de 1.
• L'Epicéa raboté, matériau bois, anisotrope : valeur d'intégration moyenne (de l'ordre de 61000) et une anisotropie de 1.55, caractéristique du sens de direction des fibres.
• Le PPSM, matériau très dur en surface, isotrope et structuré : valeur d'intégration élevée (de l'ordre de 141000) et une anisotropie proche de 1.
Sans surprise, on constate que les matériaux plutôt mous, tels que le Téflon, le tissu Jacquard ou même l'épicéa, présentent une surface avec des fréquences caractéristiques basses, représentatives de sons plutôt graves, d'ondes acoustiques amorties. A l'inverse, un matériau plutôt dur, tel que le bambou ou le PPSM, présente une surface avec des fréquences caractéristiques plus élevées, représentatives de sons plutôt aigus, d'ondes acoustiques moins amorties.
On vérifie également que des matériaux plutôt isotropes ont une anisotropie proche de 1 (0.96 pour le Téflon, 0.99 pour le PPSM) alors que des matériaux plutôt anisotropes ont une anisotropie plus éloignée de 1 (0.77 pour le tissu Jacquard, 1.55 pour l'épicéa, 1.59 pour le bambou).
On constate également que les valeurs du temps de parcours sont très élevées pour les matériaux adhérents (1833 ms pour une bande transporteuse adhérente en silicone et faibles pour les matériaux à faible coefficient de frottement (955 ms pour le téflon).
Comme on le voit sur ces exemples, le dispositif selon l'invention donne avant tout une information qualitative sur l'état d'une surface testée.
Différentes applications sont envisageables.
Par exemple, il est possible par une pluralité de mesures, correspondant à différents matériaux et / ou à des états de finition de surface différents, de constituer une base de données de référence ; base qui peut être utilisée ensuite pour caractériser une surface inconnue par exemple. Dans un autre exemple, il est possible de définir des plages de paramètres acceptables (tolérances) puis de tester, en sortie d'une machine travaillant (découpe, polissage, etc.) des pièces de bois (ou tout autre matériau), si la surface des pièces travaillées a des paramètres acceptables ou non. Le dispositif selon l'invention sert dans ce cas de dispositif de contrôle de la qualité des pièces produites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un objet, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois, comprenant :
• un palpeur (10),
• un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire et effectue un tour complet,
• un transducteur électroacoustique (30), configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur.
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le moyen d'entraînement est configuré pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen d'entraînement comprend un bras (21) à une première extrémité duquel est fixé le palpeur (10) et un moteur (22) configuré pour entraîner le bras en rotation de sorte que le palpeur parcourt un cercle.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le moteur (22) est couplé au bras (21) par l'intermédiaire d'une courroie.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen configuré pour plaquer le palpeur (10) sur la surface à caractériser selon une force constante.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un boîtier (60) susceptible de reposer par au moins trois pieds (62) sur la surface à caractériser, le moyen d'entraînement étant positionné à l'intérieur du boîtier, le palpeur (10) et le transducteur (30) étant positionnés sous le boîtier.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen de lestage (61), configuré pour immobiliser le dispositif pendant la rotation du palpeur (10).
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen de traitement de données configuré pour recevoir le signal électrique émis par le transducteur, et produire au moins un paramètre du signal électrique, paramètre caractéristique d'un état de la surface à caractériser.
9. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le ou les paramètres est / sont :
• une durée,
• une valeur efficace, et / ou
• une valeur moyenne et / ou
• un facteur de forme, défini par le rapport entre la valeur efficace et la valeur moyenne, et / ou
• une intégration et / ou
• une ou des fréquences caractéristiques,
• Une analyse FFT, permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée.
10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9 dans lequel le paramètre est une grandeur représentative de l'anisotropie de l'état de surface du matériau.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la grandeur représentative de l'anisotropie du matériau est définie par le rapport entre la valeur efficace du signal électrique sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal électrique sur le deuxième et le quatrième quadrants, les premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement d'un angle de 0 à 90°, de 90° à 180°, de 180° à 270° et 270 à 360°, l'angle 0 correspondant à une direction privilégiée du matériau.
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