FR2606167A1 - Appareil optique compact pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de deplacement sur une piece a usiner - Google Patents
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Abstract
CET APPAREIL OPTIQUE POUR SUIVRE LA COURSE D'UN OUTIL 20 LE LONG D'UNE LIGNE DE DEPLACEMENT SUR UNE PIECE A USINER 26, COMPREND UNE SOURCE DE LUMIERE 32 POUR FOURNIR UN FAISCEAU DE RAYONS DE LUMIERE PARALLELES 33, LA SOURCE DE LUMIERE 32 ETANT MONTEE SUR L'OUTIL 20 DE FACON ADJACENTE A L'ARRIERE DE L'OUTIL 20; UN REFLECTEUR CYLINDRIQUE 34 POSITIONNE POUR REFLECHIR AU MOINS UNE PARTIE DU FAISCEAU DE RAYONS DE LUMIERE PARALLELES 33 DIRIGE SUR LA LIGNE DE DEPLACEMENT DE L'OUTIL 20 DE TELLE SORTE QUE LA RAIE DE LUMIERE 31 PROJETEE SOIT ESSENTIELLEMENT COUPEE EN DEUX PAR LA LIGNE DE DEPLACEMENT; ET UNE CAMERA 42 AVEC EN OPTION UN FILTRE 60 A AUTO-CORRELATION CREANT UNE IMAGE DE LA RAIE DE LUMIERE 31 PROJETEE SUR LA PIECE A USINER 26, MEME DANS LE CAS OU L'OUTIL 20 EST PAR EXEMPLE UNE MACHINE A SOUDER DES JOINTS CONTINUS QUI PRODUIT DES ETINCELLES TRAVERSANT LE CHAMP VISUEL DE LA CAMERA 42.
Description
APPAREIL OPTIQUE COMPACT POUR SUIVRE
LA COURSE D'UN OUTIL LE LONG D'UNE LIGNE DE DEPLACEMENT
SUR UNE PIECE A USINER
L'invention se rapporte à un appareil optique pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner, et en particulier, à un appareil compact qui permet à l'outil de travailler dans des espaces limités ou exigus. Cette invention se rapporte également à un filtre pour utilisation avec un système de soudage de joints continus ayant
une torche qui produit des trainées d'étincelles.
Des appareils optiques pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner ont déjà été mis au point; ces dispositifs utilisent une raie de lumière projetée pour suivre le mouvement basé sur la géométrie de la raie de lumière. Un système optique (par exemple une caméra) est utilisé pour collecter les données relatives à la géométrie de la raie de lumière, et l'information relative aux trois dimensions est calculée pour décrire par exemple le type de pièce, sa position et son orientation. Cette information est ensuite utilisée en fin de compte pour modifier la course d'un outil ou commander son fonctionnement, tel qu'un manipulateur
industriel ou un dispositif mécanique d'automation.
Un exemple d'un tel système pour suivre une raie de lumière est décrit dans le brevet américain 4,652,133 (brevet anglais 2,178,845) dont le contenu sera cité en référence dans ce qui suit. Ce brevet décrit un -2système de suivi de joint par raie de lumière, qui est employé sur un suiveur de joint pour un appareil de soudage utilisant une torche. Ce type d'appareil de soudage de joint est fabriqué et vendu par la société Westinghouse Electric Corporation. Le dispositif de suivi optique utilise un appareil créant une raie de lumière et un appareil de formation d'images pour créer une image de la raie de lumière sur la pièce à usiner. Le dispositif optique, comprenant ensemble l'appareil générateur de la raie de lumière et l'appareil créateur d'images, est placé dans un logement, devant la torche le long de la ligne de
déplacement de la torche. De plus, un laser à hélium-
néon relativement encombrant est utilisé comme source de lumière. Comme conséquence, le logement du dispositif optique fait saillie d'environ 10 cm en avant de la machine à souder des joints continus, ce qui rend difficile l'utilisation de la machine à souder des joints continus dans des espaces exigus (par exemple quand il est nécessaire de continuer une soudure jusqu'à
un endroit contre un mur ou une cloison).
Plusieurs tentatives ont été faites pour réduire la taille du dispositif optique pour les suiveurs de joints. Dans un appareil, un faisceau de fibres optiques est placé en avant de la torche, et la raie de lumière est centrée le long de la ligne de déplacement en utilisant un bloc terminal, une lentille et une ouverture de diaphragme. Dans un autre appareil, un miroir cylindrique est placé en avant de la torche pour créer la raie de lumière, et des miroirs additionnels et des lentilles sont utilisés pour positionner correctement la raie de lumière le long de la ligne de déplacement. En dépit des tentatives citées ci-dessus pour réduire les dimensions de -3- l'appareil optique, il n'a pas été possible de rendre suffisamment compact l'appareil de suivi optique, car le dispositif optique était positionné en avant de la machine à souder des joints continus le long de la ligne de déplacement. Ainsi, il subsiste un besoin dans l'art de mettre au point un dispositif compact de suivi optique qui serait capable de suivre de façon précise la course d'un outil, même si l'outil doit être utilisé dans des espaces limités ou exigus
(par exemple en butée contre une paroi ou une cloison).
Les systèmes suiveurs de raie de lumière du type cité plus haut selon le brevet américain 4,652,133 emploient systématiquement une caméra qui est dirigée vers le bas et mise au point sur la raie de lumière projetée sur la pièce à usiner, et qui est positionnée de façon adjacente à la torche. En conséquence, il est nécessaire de prévoir un écran contre les projections de soudure devant la caméra, de façon à protéger la caméra des projections et de l'accumulation d'une couche de saleté sur la caméra. Même si un écran contre les projections de soudure est employé, il est nécessaire de le remplacer souvent, du fait de l'accumulation de dépôt sur l'écran lui-même. De plus, même si un écran contre les projections est utilisé, il subsiste une certaine distorsion de l'image créée par la caméra. Cette distorsion est la conséquence du rayonnement créé dans l'image par la torche et les trainées d'étincelles, qui sont la conséquence du soudage. En raison de la distorsion d e aux trainées d'étincelles, les images télévisées des processus de soudage, et spécialement les processus de soudage sous atmosphère de gaz inerte (MIG = "metal inert gas"), souffrent d'interférences visuelles causées par des étincelles et des
éclaboussures passant dans le champ visuel de la caméra.
-4- Puisque les caméras de télévision à focale variable sont par essence des dispositifs intégrants, les étincelles et les éclaboussures produisent des stries intenses dans chaque trame vidéo. Dans les systèmes suiveurs de joint, ces stries peuvent être facilement confondues avec l'image de la raie de lumière projetée sur la pièce à usiner, et peuvent conduire à une erreur dans la mesure de la position calculée dans les trois dimensions. Ainsi, il existe le besoin d'éliminer les stries de l'image, sans modifier le signal de la raie de lumière luimême. En résumé, il existe un besoin dans l'art de mettre au point un appareil optique qui soit capable de fournir une image nette d'une raie de lumière projetée, sans la présence de distorsion
causée par le rayonnement ou les trainées d'étincelles.
En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un appareil optique pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement, qui surmonte les inconvénients des appareils de la
technique précédente.
En particulier, un objet de la présente invention est de fournir un appareil optique pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner, qui soit compact par rapport
aux appareils optiques existants.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un appareil optique qui donne une image d'une raie de lumière projetée qui ne soit pas détériorée par le rayonnement et les éclaboussures venant d'une torche
de soudage.
Un autre objet de la présente invention est de fournir -B5- un appareil optique qui soit capable de produire une image nette d'une raie de lumière projetée sur une pièce à usiner, sans distorsion causée par des trainées d'étincelles ou autres images transitoires ayant des trajectoires qui s'étendent temporairement dans le
champ visuel de l'appareil optique.
La présente invention concerne un appareil optique pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner. L'outil a un premier côté sur son avant le long de la ligne de déplacement, un deuxième côté sur son arrière le long de la ligne de déplacement, et un troisième côté essentiellement perpendiculaire à la ligne de déplacement. L'appareil optique comporte une source de lumière qui est montée sur l'outil de façon adjacente au deuxième côté de l'outil, pour fournir un faisceau de rayons de lumière parallèles. Un réflecteur cylindrique convexe est positionné dans la course du faisceau de rayons de lumière parallèles et est monté de façon adjacente au troisième côté de l'outil, pour réfléchir au moins une partie du faisceau de rayons de lumière de façon à projeter une raie de lumière sur la pièce à usiner devant l'outil. Le réflecteur cylindrique est positionné en fonction de la source lumineuse et de la ligne de déplacement de l'outil, de sorte que la raie de lumière projetée soit essentiellement coupée en deux par la ligne de déplacement. Dans l'appareil optique de la présente invention, les moyens de création d'image comportent une caméra montée sur l'outil et orientée dans une direction telle qu'elle est tournée en sens opposé par rapport à la pièce à usiner, et des moyens pour réfléchir -6- dans la caméra une image de la pièce à usiner adjacente
à la raie de lumière projetée.
Dans une réalisation de l'appareil optique de la présente invention, la caméra, qui est utilisée comme moyen de création d'images, est connectée à un filtre pour éliminer les stries dans l'image créée, lesquelles sont causées par des trainées d'étincelles et des
éclaboussures provenant de l'opération de soudage.
Le filtre est un filtre à auto-corrélation pour trainées
d'étincelles, et est connecté à la sortie de la caméra.
Le filtre à auto-corrélation pour trainées d'étincelles comporte un convertisseur vidéo analogique/numérique pour convertir un signal d'image produit par la caméra 'en un signal numérique, et un multiplicateur pixel/pixel
connecté au convertisseur vidéo analogique/numérique.
Une première et une seconde mémoires intermédiaires de trame vidéo sont connectées au convertisseur vidéo
analogique/numérique et au multiplicateur pixel/pixel.
Un micro-processeur est utilisé pour commuter de façon sélective les connexions entre les première et seconde mémoires intermédiaires de trame vidéo et le convertisseur vidéo analogique/numérique et le multiplicateur pixel/pixel, c'est-à-dire que, lorsque la première mémoire intermédiaire de trame vidéo est connectée au convertisseur vidéo analogique/numérique, la seconde mémoire intermédiaire de trame vidéo est connectée au multiplicateur pixel/pixel. Réciproquement, lorsque la seconde mémoire intermédiaire de trame vidéo est connectée au convertisseur vidéo analogique/numérique, la première mémoire intermédiaire de trame vidéo est connectée au multiplicateur pixel/pixel. De plus, l'image numérique fournie par le convertisseur vidéo analogique/numérique est également fournie au multiplicateur pixel/pixel. Ainsi, -7- comme l'une des première et seconde mémoires intermédiaires de trame vidéo stocke une trame vidéo actuelle à partir du signal d'image numérique, cette trame vidéo actuelle est également multipliée par la trame vidéo précédente stockée et fournie au multiplicateur pixel/pixel par l'autre des première
et seconde mémoires intermédiairesde trame vidéo.
La sortie multipliée produite par le multiplicateur pixel/pixel donne une image filtrée qui ne contient pas de stries provenant des trainées d'étincelles
ou d'éclaboussures causées par une opération de soudage.
L'appareil optique de la présente invention possède un nombre d'avantages par rapport à la technique précédente, par le fait que la disposition de la source de lumière, du réflecteur cylindrique et des moyens de création d'image en fonction de l'outil, fournit un dispositif optique compact qui peut être utilisé dans des espaces exigus. L'appareil optique de la présente invention demande moins d'éléments pour créer une raie de lumière que les appareils de la technique antérieure. De plus, l'appareil optique de la présente invention est efficace optiquement, puisqu'il y a une faible perte de lumière, grâce au fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser une pluralité de miroirs ou de prismes pour modifier le chemin du plan lumineux réfléchi par le réflecteur cylindrique. En utilisant la diode laser comme source de lumière, la présente invention emploie une source de lumière ayant un niveau de puissance (5 à 20 mW) qui est situé à l'intérieur d'un domaine de sécurité pour usage sans écran spécial pour prévenir des dommages aux yeux. De plus, en utilisant le réflecteur cylindrique, il n'y a pas besoin de parties mobiles (comme dans les appareils de la technique antérieure employant des galvanomètres -8- ou autres analyseurs électro-mécaniques), et les parties sont généralement passives, excepté la source de lumière. En orientant la caméra, qui constitue le moyen de création d'image, dans une direction opposée à la surface de la pièce à usiner, les distorsions dans l'image dûes au rayonnement et aux éclaboussures sont réduites, et la caméra est protégée contre les conditions d'un environnement nuisible produites par le fonctionnement de l'outil (par exemple des éclaboussures causées par le soudage). Un autre avantage est qu'une seule lentille peut être utilisée pour la caméra, puisque la profondeur de champ peut être beaucoup plus grande quand la caméra n'est pas
positionnée tout près de la surface de travail.
Autrement dit, avec une distance plus grande entre l'image et la caméra, des ajustements peuvent être
faits pour obtenir une plus grande profondeur de champ.
Quand le dispositif est utilisé avec un appareil de soudage, il tient compte d'une plus grande variation de hauteur de la surface à souder. Finalement,- en utilisant le filtre à auto-corrélation pour trainées d'étincelles de la présente invention, on obtient une image nette qui ne contient pas de stries causées par des conditions temporaires (c'est-àdire transitoires) d'environnement adjacentes à l'outil (par exemple des trainées d'étincelles créées par
un appareil de soudage).
Ces avantages et autres objets de la présente invention
apparaîtront dans la description donnée ci-après avec
référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une réalisation de l'appareil optique compact de la présente invention, et montre la disposition de l'appareil optique sur une machine à souder des joints continus; -9- - la figure 2 est une vue en perspective d'une pièce à usiner positionnée pour soudage à recouvrement, et d'une raie de lumière projetée sur la pièce; - la figure 3 est une vue schématique de l'image produite par l'appareil optique de la présente invention, basée sur la projection de la raie de lumière de la figure 2; la figure 4 est une vue schématique, partiellement en coupe et partiellement en pointillés, montrant la disposition de l'appareil optique de la présente invention, comprenant la source de lumière, le réflecteur cylindrique et la caméra, sur une machine à souder des joints continus; la figure 5 est une vue latérale du réflecteur cylindrique, utilisée pour expliquer la réflexion d'un faisceau de rayons de lumière parallèles pour produire une raie de lumière sur la pièce à usiner; - la figure 6 est une vue en perspective du réflecteur cylindrique de la figure 5; - la figure 7 est une vue de dessus de la réalisation selon la figure 4, partiellement en pointillés; - la figure 8 est une vue schématique, semblable à la figure 3, mais montrant une image présentant des stries causées par des trainées d'étincelles provenant d'une opération de soudage; et - la figure 9 est un diagramme de fonctionnement d'un filtre à auto-corrélation qui est connecté à la sortie d'une caméra, dans une réalisation de la présente
invention, pour produire une image filtrée sans stries.
La figure 1 est une vue schématique d'un outil 20 ayant un appareil optique suiveur compact monté sur cet outil, selon la présente invention. Sur la figure 1, l'outil 20 est une machine à souder des joints continus, comprenent une torche ayant une extrémité -10- de torche 22, une coupelle 24 pour gaz de protection et une colonne 25. L'outil 20 est déplacé en direction de la flèche A, et effectue une opération de soudage sur une pièce à usiner 26. L'appareil optique de la présente invention est monté dans un logement 28 qui s'étend depuis l'arrière jusqu'à l'avant de l'outil 20. L'appareil optique de la présente invention est utilisé pour créer un plan de lumière 30, de telle sorte qu'une raie de lumière soit projetée sur la pièce à usiner 26, le long de la course de l'extrémité de la torche 22. Une caméra est montée dans le logement 28 et a un champ de vision qui englobe la raie de lumière. Ainsi, la caméra est utilisée pour créer une image de la raie de lumière, de sorte qu'une information à trois dimensions peut être produite
pour les points sur la raie de lumière.
En se référant à la figure 2, si l'outil 20 est utilisé pour un soudage à recouvrement (de sorte que la course de l'outil a lieu le long des parties superposées de deux pièces à usiner 26), alors la partie d'une raie de lumière 31 traversant le joint entre les deux pièces à usiner 26 apparaitra comme une discontinuité dans l'image produite par la caméra, comme le montre la figure 3. L'image produite par la caméra est numérisée, et, en utilisant la triangulation optique, l'information appropriée sur la course de l'outil peut être déterminée, de sorte que toute correction nécessaire de la course prévue de l'outil peut être faite, afin de s'assurer que l'outil se déplace correctement le long du joint. Le type de triangulation optique qui est utilisé pour développer l'information convenable sur la course de l'outil est bien connu dans sa technique, et est décrit par exemple dans le brevet américain 4,542,279, le contenu de ce brevet -11- étant mentionné dans le présent exposé à titre de référence. La figure 4 est une vue latérale, partiellement en coupe et partiellement en pointillés, illustrant la disposition de l'appareil optique de la présente invention en fonction de l'outil 20. Par commodité, l'outil 20 est défini comme ayant un premier côté sur son avant le long de la ligne de déplacement, et un deuxième côté sur son arrière (c'est-àdire à l'opposé de l'avant) le long de la ligne de déplacement. L'outil a également un troisième et un quatrième côtés qui sont essentiellement perpendiculaires à la ligne de déplacement, de part et d'autre de l'outil 20. L'appareil optique de la présente invention comprend une source de lumière 32 pour créer un faisceau 33 de rayons de lumière parallèles. La source de lumière 32 est montée sur l'outil 20 de façon adjacente au deuxième côté de l'outil. Un moyen pour diffuser le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles dans une dimension, lequel dans la réalisation préférée est un réflecteur cylindrique convexe 34, est positionné dans le chemin optique du faisceau 33 de rayons de lumière parallèles et est monté de façon adjacente au troisième côté de l'outil, pour réfléchir au moins une partie du faisceau 33 de rayons de lumière parallèles, afin de produire le plan de lumière 30 qui projette la raie de lumière 31 sur la pièce à usiner 26 devant l'outil 20 (c'està-dire sur le premier côté de l'outil ). Une lentille 36 est utilisée pour obtenir le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles, et un miroir plan 38 est employé pour ajuster le chemin optique du faisceau 33 de rayons de lumière parallèles en fonction du réflecteur cylindrique 34. Une fenêtre -12- sert d'écran contre les éclaboussures pour protéger les éléments optiques, y compris le réflecteur cylindrique 34, de l'environnement nuisible (par exemple les éclaboussures qui sont produites pendant une opération de soudage). Dans la réalisation préférée de la présente invention, la source de lumière 32 est une diode laser qui est positionnée sur un côté et derrière la colonne 25 de la torche 20, de sorte que le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles ne va pas frapper la colonne quand le réflecteur cylindrique 34 est positionné dans le chemin optique du faisceau de rayons de lumière parallèles. L'épaisseur du plan de lumière 30 est égale au diamètre du faisceau (moins de 1 mm). Le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles a un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 mm. De plus, le plan de lumière 30 qui est réfléchi par le réflecteur cylindrique 34 doit avoir un chemin optique qui se trouve au-dessus -de la coupelle 24 pour gaz de protection. La coupelle 24 pour gaz de- protection protège la fenêtre 40 à travers laquelle le plan de lumière 30 est projeté, pour éviter que des éclaboussures ne viennent frapper la fenêtre 40. De l'air passe également sur la fenêtre 40 pour la garder exempte d'éclaboussures. Dans la réalisation préférée, la diode laser qui sert de source de lumière 32 a une longueur d'onde de 780 n et une puissance de à 20 mW, ce qui est à l'intérieur du domaine acceptable de sécurité. De préférence, la diode laser a une puissance de 6 mW. S'il est nécessaire de concentrer davantage le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles, une lunette de Galilée peut être positionnée dans le chemin optique du faisceau 33 de rayons de lumière parallèles, entre la lentille 36 et le miroir -13- plan 38. Dans la réalisation préférée, le réflecteur
cylindrique 34 est une pièce cylindrique en verre.
Toutefois, si on le désire, un revêtement réfléchissant peut être placé sur le verre pour augmenter la quantité de lumière réfléchie par le réflecteur cylindrique 34. L'appareil optique de la présente invention comporte également des moyens de création d'image, comprenant une caméra 42 et des miroirs plans 44 et 46. La caméra 42 est orientée dans une direction opposée à l'extrémité de la torche 22, et les miroirs 44 et 46 sont utilisés pour réfléchir une image de la pièce à usiner,
comprenant la raie de lumière 31, dans la caméra 42.
Une fenêtre 48 -protège la caméra 42 et l'appareil optique qui lui est rattaché des conditions nuisibles de l'environnement. Dans la technique antérieure, une lentille cylindrique ou un galvanomètre ont été utilisés pour créer une raie de lumière. Une lentille cylindrique va étaler ou déconcentrer la lumière de
façon symétrique, comme le ferait un galvanomètre.
Autrement dit, l'étalement de la lumière sur chaque côté de l'axe du faisceau de lumière incidente aura le même angle par rapport à l'axe du faisceau de lumière incidente. Comme conséquence, de tels appareils optiques ont été typiquement placés en avant de l'outil dans un système de suivi de raie de lumière, puisque la rai- de lumière doit être symétrique par rapport à la ligne de déplacement. Autrement dit, la raie de lumière doit être coupée en deux par la ligne de déplacement et doit aussi être essentiellement
perpendiculaire à la ligne de déplacement.
La figure 5 représente le réflecteur 34 cylindrique convexe positionné sur le chemin optique du faisceau -14- de rayons de lumière parallèles pour réfléchir une partie du faisceau de lumière 33 et produire le plan de lumière 30 qui projette la raie de lumière 31 (voir figure 2) sur la pièce à usiner 26. Contrairement aux lentilles cylindriques et aux galvanomètres, un réflecteur cylindrique disperse la lumière de façon asymétrique, comme le montre la figure 5. En positionnant le réflecteur cylindrique 34 sur un côté de l'outil 20, l'appareil optique de la présente invention présente l'avantage que le réflecteur
cylindrique 34 disperse la lumière de façon asymétrique.
Autrement dit, en positionnant le réflecteur cylindrique 34 sur un côté de l'outil 20, et non devant l'outil (comme dans la technique antérieure), il reste possible de satisfaire à la condition que la raie de lumière soit coupée en deux par la ligne de déplacement, et essentiellement perpendiculaire à cette ligne. De plus, ce résultat peut être obtenu sans utiliser aucun miroir additionnel ni lentille et autres objets pour modifier le chemin optique du plan de lumière 30 réfléchi par le réflecteur cylindrique 34. Le réflecteur cylindrique 34 est positionné de telle sorte que le faisceau 33 de rayons de lumière parallèles soit parallèle au côté arrière du réflecteur cylindrique 34, et parallèle à l'axe normal du réflecteur cylindrique 34. En se référant à la figure 6, le réflecteur cylindrique 34 comporte un axe principal 50 qui est perpendiculaire à la face supérieure 52 du réflecteur cylindrique 34, et un axe longitudinal 54 perpendiculaire à une face latérale 56 du réflecteur cylindrique 34. Un axe normal 58 est défini comme étant normal à l'axe principal 50 et à l'axe longitudinal 54. Dans la présente invention, le faisceau parallèle 33 est dirigé de façon à être
parallèle à l'axe normal 58.
-15- La figure 7 est une vue de dessus, partiellement en pointillés, qui représente schématiquement les positions relatives de la source de lumière 32, du réflecteur cylindrique 34 et de la caméra 42 en fonction de l'outil 20. Comme le montre la figure 7, la raie de lumière 31, qui est projetée sur la pièce à usiner 26, est coupée en deux par la ligne de déplacement, laquelle est représentée par la flèche B, et est également essentiellement perpendiculaire à la ligne de déplacement. Comme le montre la figure 7, la nature asymétrique du plan de lumière 30 réfléchi par le réflecteur cylindrique 34, et le positionnement du réflecteur cylindrique 34 sur un côté de l'outil 20 déterminent la raie de lumière résultante 31 qui est coupée en deux par la ligne de déplacement, et de
façon essentiellement perpendiculaire à celle-ci.
La localisation spécifique de la raie de lumière 31 est une fonction du diamètre du faisceau 33 de rayons de lumière parallèles, du rayon de courbure du réflecteur cylindrique 34 et de la longueur du chemin optique. En général, il est souhaitable de positionner la raie de lumière environ à 76 mm en avant de l'extrémité 22 de l'outil 20 le long de la ligne de déplacement. De plus, la caméra 42 est positionnée de telle sorte que son champ visuel soit coupé en deux par la raie de lumière, et que le point central de la raie de lumière soit à l'intersection de la ligne de déplacement et corresponde au centre du champ visuel. I1 faut noter que lorsque l'outil 20 se déplace, la position relative de la caméra 42 et de la raie de lumière 31, l'une par rapport à l'autre, est fixe, du fait de la position relative de la caméra 42 et du réflecteur cylindrique 34 sur l'outil 20. C'est -16- pourquoi, même si l'outil est incliné d'un certain angle, ceci n'affectera pas la précision de l'image créée par la caméra 42. Dans la réalisation préférée, l'outil 20 devrait être orienté à moins de 25 degrés par rapport à la perpendiculaire à la surface de la
pièce à usiner 26.
L'appareil optique de la présente invention est plus compact que les appareils antérieurs, puisque la source de lumière 32 et le réflecteur cylindrique 34 ne sont pas positionnés devant l'outil 20, mais au contraire sont positionnés sur le côté et derrière l'outil 20 (voir figure 7). Comme conséquence, un outil sur lequel est monté l'appareil de suivi optique de la présente invention est capable d'être utilisé dans des espaces exigus. Par exemple, il est parfois nécessaire de souder un joint jusqu'à un endroit contre un mur ou une cloison. Puisque seule la caméra 42 de l'appareil optique de la présente invention est positionnée en avant de l'outil 20, il est possible de déplacer l'outil
dans des espaces limités.
Un autre aspect de l'appareil optique de la présente invention est relatif aux problèmes décrits plus haut d'appareils de soudage employant des systèmes suiveurs de joints, dans lesquels les stries dans l'image créée par la caméra peuvent être confondues avec la raie de lumière projetée sur la surface de travail. La figure 8 est une vue schématique d'une image, similaire à la figure 3 mais représentant le type de stries causées par des trainées d'étincelles qui peuvent apparaître sur l'image de la raie de lumière 31 et peuvent conduire à des calculs erronés dans les trois
dimensions pour la raie de lumière 31. -17- La présente invention fournit un filtre à auto-corrélation pour
effectuer le filtrage de trainées d'étincelles basé sur les facteurs suivants: -(1) les caméras à semi-conducteurs ne présentent pratiquement pas de retard d'une trame à l'autre (rétention de signal); -(2) toute trainée d'étincelles existe dans seulement une trame de télévision; et (3) les images de la raie de lumière sont à peu près constantes d'une trame à l'autre, excepté pour des
discontinuités soudaines de joint.
Basé sur ces facteurs, l'appareil de la présente invention essaie de séparer l'image de la raie de lumière et les trainées d'étincelles, en mesurant l'auto-corrélation pour l'image dans le temps. Les trainées d'étincelles ont des fonctions d'auto-corrélation qui décroissent très rapidement comme une fonction du retard ou décalage de temps, et sont en fait presque des impulsions. Au contraire, les fonctions d'autocorrélation de la raie de lumière diminuent lentement, de sorte qu'un calcul en temps réel d'une auto-corrélation dans le temps peut séparer les signaux de la raie de lumière et des trainées d'étincelles dans les images de télévision obtenues en utilisant des caméras à semi-conducteurs. Cette auto-corrélation est exécutée avec des cadences de
trame de télévision (c'est-à-dire 30 fois par seconde).
Il faut noter que le retard d'une caméra vidéo troublerait la distinction entre l'image de la raie lumineuse et les trainées d'étincelles, et par conséquent une telle caméra ne conviendrait pas pour
être utilisée comme analyseur.
En se référant à la figure 9, un filtre à -18- auto-corrélation 60 selon la présente invention réalise un filtrage à auto-corrélation en temps réél, utilisant un matériel qui fonctionne avec des cadences de trame de télévision. Dans cette réalisation, la caméra 42 est une caméra de télévision à semi-conducteurs et le filtre à autocorrélation 60 comporte un convertisseur vidéo analogique/numérique 62 pour convertir un signal d'image produit par la caméra 42 en un signal numérique d'image. Le convertisseur vidéo analogique/numérique 62 est connecté à un multiplicateur pixel/pixel 64 et à deux mémoires intermédiaires de trame vidéo 66 et 68. Un moyen de commutation comporte un microprocesseur 70 qui commande des commutateurs 72 et 74 de façon à commander l'entrée de données vers les mémoires intermédiaires de trame vidéo 66 et 68 et la sortie de ces données venant de ces mémoires intermédiaires. Dans l'état représenté en figure 9, un signal numérique d'image représentant la trame vidéo actuelle (seconde trame vidéo) est transmis au multiplicateur pixel/pixel 64 et à la mémoire intermédiaire 66 de trame vidéo. En même temps, la trame vidéo précédente (première trame vidéo) est extraite de la mémoire intermédiaire 68 de trame vidéo, de sorte que le multiplicateur pixel/pixel 64 multiplie la trame vidéo actuelle (seconde trame vidéo) par la trame vidéo précédente (première trame vidéo), et fournit un signal numérique d'image filtré correspondant à une image qui ne contient pas les stries qui apparaissent en figure 8. Autrement dit, le signal numérique d'image filtré correspondra à l'image montrée en figure 3. A la fin de l'analyse de trame vidéo actuelle, les connexions des commutateurs 72 et 74 sont inversées, de sorte que la prochaine trame vidéo (troisième trame vidéo) est fournie à la mémoire intermédiaire 68 de trame vidéo, tandis -19- que la deuxième trame vidéo est fournie au multiplicateur pixel/pixel 64 pour la multiplication avec la troisième trame vidéo. Ainsi, le multiplicateur pixel/pixel 64 multiplie toujours la. trame vidéo actuelle par la précédente trame vidéo (c'est-à-dire celle décalée dans le temps). Cette disposition procure une nouvelle image décalée en auto-corrélation pour chaque trame vidéo, et de cette façon, donne un filtre
contre les trainées d'étincelles en temps réél.
En utilisant le filtre à auto-corrélation 60 de la figure 9, l'appareil optique de la présente invention est capable de produire une image nette telle que celle montrée en figure 3, au lieu d'une image déformée présentant des stries telle que celle montrée en figure 8. De plus, le filtre à auto-corrélation 60 de la figure 9 convient pour son utilisation avec tous types d'appareils qui emploient des caméras pour analyser et créer une image, et n'est pas limité à la réalisation spécifique représentée en figure 4. Par exemple, on peut désirer réajuster des machines existantes à souder des joints continus du type ayant la caméra positionnée de façon adjacente à l'extrémité de la torche. En modifiant de cette manière ce type de machine à souder des joints continus, les distorsions causées par des trainées d'étincelles peuvent être éliminées de l'image
reçue de la raie de lumière.
Alors que l'appareil optique de la présente invention a été décrit en relation avec son utilisation avec une machine à souder des joints continus, il peut aussi être employé sur tous types d'outil nécessitant un appareil optique pour suivre la course d'un outil le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner. Par exemple, en plus de son utilisation avec -20- une torche pendant une opération de soudage avec un robot, l'appareil optique de la présente invention peut être employé dans des applications de coupage au chalumeau, de scellage et de collage. De plus, alors que le filtre à auto-corrélation 60 de la présente invention a été décrit en fonction de son utilisation avec une machine à souder des joints continus, ce filtre peut être connecté pour filtrer tout signal numérique d'image, quand on désire éliminer des signaux transitoires (c'està-dire du type impulsions) d'une image, pour clarifier cette image. Ainsi, le filtre à auto-corrélation 60 de la présente invention peut être utilisé avec un appareil optique pour tous types d'outil travaillant dans un environnement produisant des étincelles, de la poussière, des rognures ou tous autres types de matériaux qui auraient tendance à se déplacer à travers le champ visuel d'un analyseur
et déformer une image produite par l'analyseur.
Il est bien entendu que la description qui précède
n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif, et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de la
présente invention.
-21-
Claims (21)
1. Appareil optique pour suivre la course d'un outil (20) le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner (26), l'outil (20) ayant un premier côté sur son avant le long de la ligne de déplacement, un deuxième côté sur son arrière le long de la ligne de déplacement, et un troisième côté essentiellement perpendiculaire à la ligne de déplacement, ledit appareil étant caractérisé par le fait qu'il comprend: - une source de lumière (32) pour fournir un faisceau de rayons de lumière parallèles (33), ladite source de lumière (32) étant montée sur l'outil (20) de façon adjacente au deuxième côté de l'outil (20), - un réflecteur cylindrique (34) positionné dans la course du faisceau de rayons de lumière parallèles -(33) et monté de façon adjacente au troisième côté de l'outil (20), pour réfléchir au moins une partie du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) de façon à projeter une raie de lumière (31) sur la pièce à usiner (26) devant l'outil (20), ledit réflecteur cylindrique (34) étant positionné en fonction du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) et de la ligne de déplacement, de sorte que la raie de lumière (31) projetée soit essentiellement coupée en deux par la ligne de déplacement, et - des moyens pour créer une image de la raie de lumière
(31) projetée sur la pièce à usiner (26).
2. Appareil optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de création -22- d'image comprennent: - une caméra (42) montée sur l'outil et orientée dans une direction telle qu'elle est tournée en sens opposé par rapport à la pièce à usiner (26); et - des moyens pour réfléchir dans ladite caméra une image d'une partie de la pièce à usiner (26) comprenant
la raie de lumière (31) projetée.
3. Appareil optique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit réflecteur cylindrique
(34) comporte une pièce cylindrique convexe en verre.
4. Appareil optique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite source de lumière
(32) comporte une diode laser.
5. Appareil optique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le faisceau de rayons de lumière parallèles (33) a un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 mm, et dans lequel ladite diode laser a
un niveau de puissance compris entre 5 et 20 mW.
6. Appareil optique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'outil (20) est une machine à souder des joints continus, ayant une torche avec une extrémité (22) et une coupelle (24) pour gaz de protection montée sur ladite torche de façon adjacente à l'extrémité (22) de la torche, et que ledit réflecteur cylindrique (34) est monté sur le. troisième côté de la machine à souder des joints continus (20), de façon
adjacente à la coupelle (24) pour gaz de protection.
7. Appareil optique selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens (60) pour filtrer l'image de la raie de lumière -23-
(31) créée.par ladite caméra (42).
8. Appareil optique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite caméra (42) crée un signal d'image correspondant à l'image de la raie de lumière (31), et que lesdits moyens de filtrage (60) comprennent: - un convertisseur analogique/numérique (62), couplé à ladite caméra (42), pour recevoir le signal d'image de ladite caméra (42) et pour créer un signal numérique d'image; - un circuit multiplicateur (64) couplé audit convertisseur analogique/numérique (62); - un premier et un second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68), chacun ayant une entrée et une sortie; et - des moyens de commutation (72) et (74), connectés audit convertisseur analogique/numérique (62), audit circuit multiplicateur (64) et aux entrées et sorties des premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68), de façon à connecter de manière sélective l'entrée de l'un desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68) audit convertisseur analogique/numérique (62) pour recevoir le signal numérique d'image représentant une trame vidéo actuelle, tout en connectant simultanément la sortie de l'autre desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68) audit circuit multiplicateur (64) pour fournir audit circuit multiplicateur (64) un signal numérique d'image mis en mémoire, représentant une trame vidéo antérieure, de sorte que le circuit multiplicateur (64) multiplie le signal numérique d'image représentant la trame vidéo actuelle par le signal numérique d'image mis en mémoire représentant la trame vidéo précédente, -24- ledit circuit multiplicateur (64) fournissant en sortie
un signal numérique d'image filtré.
9. Appareil optique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ladite caméra (42) comporte
une caméra à semi-conducteurs.
10. Appareil optique pour suivre la course d'une machine (20) à souder des joints continus le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner d'n (26), la. machine (20) à souder des joints continus ayant un premier côté sur son avant le long de la ligne de déplacement, un deuxième côté sur son arrière le long de la ligne de déplacement, et un troisième côté essentiellement perpendiculaire à la ligne de déplacement, ledit appareil étant caractérisé par le fait qu'il comprend: - une source de lumière (32) pour fournir un faisceau de rayons de lumière parallèles (33), ladite source de lumière (32) étant montée sur la machine (20) à souder des joints continus de façon adjacente au deuxième côté de la machine (20) à souder des joints continus, - un réflecteur cylindrique (34) positionné dans la course du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) et monté de façon adjacente au deuxième côté de la machine (20) à souder des joints continus, pour réfléchir au moins une partie du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) de façon à projeter une raie de lumière (31) sur la pièce à usiner (26) devant la machine (20) à souder des joints continus, ledit réflecteur cylindrique (34) étant positionné en fonction du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) et de la ligne de déplacement, de sorte que la raie de lumière (31) projetée soit essentiellement coupée -25- en deux par la ligne de déplacement, et - des moyens pour créer une image de la raie de lumière
(31) projetée sur la pièce à usiner (26).
11. Appareil optique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que lesdits moyens de création d'image comprennent: - une caméra (42) montée sur la machine (20) à souder des joints continus et orientée dans une direction telle qu'elle est tournée en sens opposé par rapport à la pièce à usiner (26); et - des moyens pour réfléchir dans ladite caméra (42) une image d'une partie de la pièce à usiner (26)
comprenant la raie de lumière (31) projetée.
12. Appareil optique selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit réflecteur cylindrique
(34) comporte une pièce cylindrique convexe en verre.
13. Appareil optique selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la source lumineuse (32)
comporte une diode laser.
14. Appareil optique selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le faisceau de rayons de lumière parallèles (33) a un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 mm, et que ladite diode laser a un niveau
de puissance compris entre 5 et 20 mW.
15. Machine (20) à souder des joints continus pour effectuer une opération de soudage le long d'une ligne de déplacement sur une pièce à usiner (26), caractérisée par le fait qu'elle comprend: - une torche ayant un premier côté sur son avant le long de la ligne de déplacement, un deuxième côté -26- sur son arrière le long de la ligne de déplacement, et un troisième côté essentiellement perpendiculaire à la ligne de déplacement; - une source de lumière (32) pour fournir un faisceau de rayons de lumière parallèles (33), ladite source de lumière (32) étant montée sur ladite torche de façon adjacente au deuxième côté de ladite torche, - un réflecteur cylindrique (34) positionné dans la course du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) et monté de façon adjacente au troisième côté de ladite torche, pour réfléchir au moins une partie du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) de façon à projeter une raie de lumière (31) sur la pièce à usiner (26) devant ladite torche, ledit réflecteur cylindrique (34) étant positionné en fonction du faisceau de rayons de lumière parallèles (33) et de la ligne de déplacement, de sorte que la raie de lumière (31) projetée soit essentiellement coupée en deux par la ligne de déplacement, et - des moyens pour créer une image de la raie de lumière
(31) projetée sur la pièce à usiner (26).
16. Appareil optique selon la revendication 15, caractérisé par le fait que lesdits moyens de création d'image comprennent: - une caméra (42) montée sur ladite torche et orientée dans une direction telle qu'elle est tournée en sens opposé par rapport à la pièce à usiner (26); et - des moyens pour réfléchir dans ladite caméra (42) une image d'une partie de la pièce à usiner (26)
comprenant la raie de lumière (31) projetée.
17. Appareil optique selon la revendication 16, caractérisé par le fait que ledit réflecteur cylindrique
(34) comporte une pièce cylindrique convexe en verre.
-27- 18. Appareil optique selon la revendication 17, caractérisé par le fait que ladite source lumineuse
(32) comporte une diode laser.
519. Appareil optique selon la revendication 16, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus des moyens (60) pour filtrer l'image de la raie de lumière
(31) créée par ladite caméra (42).
20. Appareil optique selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ladite caméra (42) crée un signal d'image correspondant à l'image de la raie de lumière (31), et que lesdits moyens de filtrage (60) comprennent: - un convertisseur analogique/numérique (62), couplé avec ladite caméra (42), pour recevoir le signal d'image de ladite caméra (42) et pour créer un signal numérique d'image; - un circuit multiplicateur (64) couplé audit convertisseur analogique/numérique (62); - un premier et un second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68), chacun ayant une entrée et une sortie; et - des moyens de commutation (72) et (74), connectés audit convertisseur analogique/numérique (62), audit circuit mutiplicateur (64) et aux entrées et sorties des premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68), de façon à connecter de manière sélective l'entrée de l'un desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68) audit convertisseur analogique/numérique (62) pour recevoir le signal numérique d'image representant une trame vidéo actuelle, et à connecter simultanément la sortie de l'autre desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68) audit circuit - 28 multiplicateur (64) pour fournir audit circuit multiplicateur (64) un signal numérique d'image mis en mémoire, représentant une trame vidéo précédente, de sorte que le circuit multiplicateur (64) multiplie le signal numérique d'image représentant la trame vidéo actuelle par le signal numérique d'image mis en mémoire représentant la trame vidéo précédente, ledit circuit multiplicateur (64) fournissant en sortie
un signal numérique d'image filtré.
21. Appareil optique selon la revendication 20, caractérisé par le fait que les moyens de commutation (72) et (74) comprennent:
- un micro-processeur (70) pour créer un signal de commu-
tation;
- un premier commutateur (72), couplé audit micro-
processeur (70), au convertisseur analogique/numérique (62) et aux entrées desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68), de façon à connecter de manière sélective l'une des entrées desdits premier et second circuits de mémoires intermédiaires (66) et (68) audit convertisseur analogique/numérique (62), en relation avec le signal de commutation; et - un second commutateur (74), couplé au microprocesseur (70), au circuit multiplicateur (64) et aux sorties
desdits premier et second circuits de mémoires intermé-
diaires (66) et (68), de façon à connecter de manière sélective l'une des sorties desdits premier et second
circuits de mémoires intermédiaires audit circuit multi-
plicateur, en relation avec le signal de commutation.
22. Appareil optique selon la revendication 21, caracté-
risé par le fait que ledit circuit multiplicateur
comprend un multiplicateur de type pixel/pixel.
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