FR2820822A1 - Dispositif et procede de manipulation d'un produit et de traitement d'images radiocospiques du produit pour obtenir des coupes tomographiques et utilisations - Google Patents
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Abstract
Le dispositif est réalisé sous la forme d'un ensemble qui peut être intégré à toute installation (13) de radioscopie du produit (5) et il comporte un moyen de déplacement en rotation du produit (5) autour d'un axe (5a) perpendiculaire au plan de la coupe tomographique à obtenir, une unité de commande (15, 16) du moyen de déplacement (14) du produit (5) en rotation, pour faire tourner le produit (5) autour de l'axe (5a) et une unité (16) d'acquisition et de traitement d'images comportant des moyens automatiques d'acquisition et de stockage d'images radioscopiques du produit (5) au cours du déplacement du produit (5) en rotation, sous forme numérique, et des moyens de calcul pour le traitement des images numériques et la construction de coupes tomographiques en utilisant un algorithme de calcul. On peut réaliser des contrôles de défauts ou des contrôles géométriques et dimensionnels dans des pièces mécaniques pour l'industrie automobile telles que des culasses.
Description
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L'invention concerne un dispositif et un procédé de manipulation d'un produit et en particulier d'une pièce mécanique et de traitement d'images du produit obtenues dans une installation de radioscopie, pour obtenir des coupes tomographiques du produit.
Dans certaines industries mécaniques, et en particulier dans l'industrie automobile, on développe de nouvelles pièces et de nouveaux procédés de fonderie qui nécessitent de disposer de moyens de contrôle non destructifs pour évaluer les pièces selon de nouvelles conceptions ou obtenues par les nouveaux procédés. En particulier, il est nécessaire d'effectuer des contrôles qualitatifs et quantitatifs quant au matériau de la pièce, pour déterminer la présence éventuelle de défauts ainsi que des contrôles dimensionnels et géométriques dans des zones des pièces qui peuvent être non accessibles par des moyens conventionnels, par exemple dans des cavités ou canaux internes à la pièce.
En particulier, dans le cas de pièces de fonderie en alliage d'aluminium ou en fonte utilisées pour la construction de véhicules automobiles, telles que des culasses, des carters moteurs, des vilebrequins ou des carters de colonne de direction, il peut être nécessaire d'effectuer des contrôles non destructifs ou des contrôles dimensionnels sur des lots de pièces qui ont été obtenues selon de nouvelles conceptions ou par de nouveaux procédés de coulée.
En ce qui concerne les pièces de fonderie, les défauts présents dans les pièces peuvent être détectés par radioscopie de rayons X, par gammagraphie ou encore par contrôle ultrasonore. Ces moyens de contrôle donnent des indications sur la présence ou l'absence de défauts dans la pièce mais l'appréciation de la conformité de la pièce et de l'état de santé de son matériau est surtout qualitative.
Les contrôles géométriques et dimensionnels doivent être réalisés de manière destructive, lorsqu'il s'agit de contrôler des formes et dimensions de parties internes des pièces. Dans ce cas, on réalise une découpe de pièces prélevées sur la fabrication, de manière à rendre apparents les éléments à contrôler et on utilise des outils de mesure dimensionnelle classiques tels que des pieds à coulisse ou des micromètres.
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Pour obtenir des images virtuelles de coupes d'une pièce mécanique, il est connu d'utiliser des dispositifs de tomographie industriels. De tels dis- positifs comportant une installation de radioscopie, par exemple à rayons X, des moyens de déplacement relatif de la pièce mécanique en rotation par rapport à l'installation de radioscopie et des moyens d'exploitation des images pour obtenir les coupes tomographiques sont très coûteux et sont difficilement intégrables dans un environnement de production de pièces en fonderie.
Tous les procédés de tomographie industriels reposent sur le principe d'une acquisition et d'un traitement d'images de la pièce obtenues par radioscopie.
L'installation de radioscopie comporte essentiellement une source de rayonnement, par exemple de rayons X, d'une puissance suffisante pour traverser la pièce mécanique et un écran de luminance tel qu'un amplificateur de brillance. La pièce est intercalée entre la source de rayonnement et l'écran, de manière à pouvoir être traversée par le rayonnement dont l'intensité est atténuée et modulée à la traversée de la pièce, en fonction de l'opacité ou de la densité des matériaux traversés. Le rayonnement ayant traversé la pièce produit une image sur l'écran qui est représentative de la matière traversée par le rayonnement. Généralement, une caméra analogique ou numérique permet de réaliser une acquisition des images radioscopiques formées sur l'écran.
Pour obtenir des coupes tomographiques virtuelles de la pièce, suivant des plans de coupe parallèles entre eux, on réalise l'acquisition d'images radioscopiques de la pièce suivant un très grand nombre d'orientations successives, obtenues en faisant tourner la pièce autour d'un axe perpendiculaire aux plans des coupes tomographiques.
Les images radioscopiques, sous forme numérisée, sont traitées dans un calculateur en utilisant des algorithmes qui sont tous fondés sur le même principe consistant à réaliser une transformée de Radon avec rétroprojection filtrée des images de la pièce, à partir de laquelle on réalise une reconstruction des images pour obtenir la coupe tomographique.
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On réalise au moins une image pour chacune des rotations élémentaires relatives entre la pièce et l'installation de radioscopie puis un traite- ment des images pour obtenir un synogramme, cette image intermédiaire étant ensuite reconstruite pour obtenir l'image virtuelle constituant la coupe tomographique.
Le synogramme est obtenu en juxtaposant les lignes des images correspondant au plan de coupe dans lequel on réalise la vue tomographique.
On peut réaliser plusieurs vues tomographiques correspondant à des coupes successives d'une partie de la pièce dans la direction perpendiculaire au plan de coupe, de manière à reconstituer la forme de la pièce en trois dimensions.
Le procédé de radioscopie scannerisée permettant d'obtenir des coupes à travers un corps ou objet est utilisé aussi bien dans le domaine industriel que dans le domaine médical.
Dans le cas du scanner à utilisation médicale, on fait tourner l'ensemble du dispositif de radioscopie autour du patient pour réaliser les images successives qui sont exploitées pour reconstruire les coupes tomographiques.
Dans le cas de contrôle de pièces industrielles, la pièce est généralement fixée sur un manipulateur pour son réglage de position et son déplacement en rotation.
Dans tous les cas, il est nécessaire d'utiliser des installations coûteuses et encombrantes qui sont généralement fixées à demeure dans un bâtiment réservé au contrôle.
Dans le cas où l'on désire réaliser des contrôles de pièces de fonderie, sur des échantillons en sortie de fabrication, de tels dispositifs encombrants, coûteux et installés à demeure ne sont pas adaptés.
En revanche des installations de radioscopie classiques sont généralement disponibles dans les ateliers de réalisation de pièces, pour effectuer des contrôle de défauts sur des échantillons de pièces de la fabrication.
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De telles installations présentent des performances limitées et ne permettent pas en particulier de contrôler la santé du matériau constituant la pièce, dans des plans de coupe traversant la pièce.
De même, les procédés de radioscopie classiques ne permettent pas d'effectuer des contrôles dimensionnels ou géométriques non destructifs à l'intérieur des pièces.
De manière plus générale, on ne dispose pas habituellement, sur les lignes de fabrication de produits industriels qui peuvent être par exemple des pièces ou tout autre produit, de moyens pratiques permettant d'effectuer des coupes tomographiques des produits.
Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de manipulation d'un produit et de traitement d'images du produit, pour obtenir des coupes tomographiques virtuelles dans une installation de radioscopie comportant une source de rayonnement d'une puissance suffisante pour traverser le produit, un écran de luminance sensible au rayonnement, un manipulateur de déplacement du produit intercalé entre la source de rayonnement et l'écran de luminance et une caméra d'acquisition de vues radioscopiques formées sur l'écran, ce dispositif de type polyvalent et relativement peu coûteux pouvant être associé à toute installation de radioscopie industrielle par des opérations simples et rapides, de manière à obtenir des coupes tomographiques de produits et démonté, après une campagne d'essais, pour être utilisé sur une autre installation de radioscopie, éventuellement sur un autre site industriel.
Dans ce but, le dispositif de manipulation et de traitement suivant l'invention est réalisé sous forme d'un ensemble intégrable à toute installation de radioscopie, comprenant : - un moyen de déplacement du produit en rotation autour d'un axe du produit perpendiculaire au plan des coupes tomographiques à obtenir, fixé sur le manipulateur, - une unité de commande du moyen de déplacement en rotation du produit, pour faire tourner le produit autour de son axe perpendiculaire au plan des coupes tomographiques, avec une haute précision de positionnement angulaire,
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- une unité d'acquisition et de traitement d'images comportant des moyens automatiques d'acquisition et de stockage sous forme numérique, d'images radioscopiques du produit, au cours du déplacement du produit en rotation, reliés à la caméra et au moyen de commande du déplacement du produit en rotation et des moyens de calcul automatique, pour le traitement des images sous forme numérique et la construction de coupes tomographiques, en utilisant un algorithme de calcul.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un dispositif de manipulation et de traitement suivant l'invention et son utilisation pour obtenir des coupes tomographiques virtuelles d'une pièce de véhicule automobile et en particulier d'une culasse.
La figure 1 est un schéma explicatif du fonctionnement d'une installation de réalisation de coupes tomographiques d'une pièce, sous la forme d'une installation de radioscopie scannerisée.
La figure 2 est une représentation schématique d'une installation de radioscopie à laquelle est associé un dispositif de manipulation et de traitement suivant l'invention.
La figure 3 représente une partie des composants de l'installation représentée sur la figure 2 et leur fonction, lors de l'acquisition d'images radioscopiques de la pièce mécanique.
La figure 4 est un schéma fonctionnel d'une opération d'acquisition, de traitement et de reconstruction d'images tomographiques en utilisant le dispositif suivant l'invention.
La figure 5 est une vue en élévation d'une culasse de véhicule automobile montée sur le moyen de déplacement en rotation suivant l'invention.
La figure 6 est une image radioscopique de la culasse réalisée dans une phase d'acquisition du procédé mettant en oeuvre le dispositif représenté sur la figure 2.
La figure 7 est un synogramme de la culasse correspondant aux lignes des images radioscopiques au niveau d'une coupe tomographique à réaliser.
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La figure 8A est une vue d'une coupe tomographique virtuelle reconstituée sur l'écran de l'unité de traitement du dispositif selon l'invention.
La figure 8B est une vue partielle de la coupe tomographique montrant des défauts de la culasse.
La figure 9 est une vue photographique d'un plan de découpage de la culasse, à proximité de la coupe tomographique réalisée précédemment.
La figure 10 est une vue en coupe axiale partielle et en élévation du moyen de déplacement en rotation de pièces, du dispositif selon l'invention.
Sur la figure 1, on voit une installation de radioscopie de pièces mécaniques de type classique qui comporte une source de rayons X 1, un ensemble manipulateur 2, un écran de luminescence 3 et une caméra 4.
La pièce mécanique 5 est fixée sur le manipulateur qui permet de régler la position d'un axe vertical 5a de la pièce 5 et de faire tourner la pièce 5 autour de l'axe 5a.
La source de rayons X 1 produit un faisceau de photons 1a dirigé de manière à traverser la pièce mécanique 5 qui atténue plus ou moins le rayonnement, suivant la densité des zones traversées par le rayonnement.
Le faisceau 1a, après sa traversée de la pièce 5, forme sur l'écran de luminance 3, constitué par exemple par un amplificateur de brillance, une image radioscopique dont la caméra 4 peut réaliser une acquisition totale ou partielle.
Le manipulateur 2 comporte un dispositif de mise en rotation en continu ou pas par pas de la pièce qui permet d'obtenir des images successives de la pièce sous des orientations différentes. Chacune des images successives 6a,..., 6n-1,6n peut être obtenue sous un angle d'orientation de la pièce qui varie au cours d'une rotation de la pièce, par exemple sur un tour ou un demi-tour, par pas angulaire de faible amplitude (par exemple 1 ).
Par exemple, dans le cas où l'on fait tourner la pièce d'un tour complet avec une réalisation d'une vue radioscopique tous les degrés, n = 360, de sorte qu'on réalise 360 images successives telles que représentées schématiquement sous les références 6a à 6n dans la partie inférieure de la figure 1.
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Chacune des images 6a,..., 6n est numérisée et introduite dans un calculateur, de manière qu'on puisse réaliser le traitement des images sym- bolisé par la flèche 7 sur la figure 1.
Les images radioscopiques de la pièce correspondent à un tronçon de la pièce suivant la direction axiale verticale 5a. Le plan de la coupe tomographique de la pièce à réaliser qui est un plan transversal perpendiculaire à l'axe 5a de la pièce se trouve à une certaine hauteur à l'intérieur du tronçon représenté sous différentes orientations sur les images 6a à 6n.
Les images 6a à 6n comportent, suivant leur hauteur, un certain nombre de lignes dont le nombre définit la finesse de l'image radioscopique.
Une des lignes de l'image correspond à la représentation radioscopique du plan de coupe de la pièce 5. Pendant la rotation de la pièce, on réalise des vues du plan de coupe qui sont toujours représentées par la même ligne des images 6a à 6n.
Le traitement 7 des images consiste à prélever et à juxtaposer les lignes correspondant aux plans de coupe sur chacune des images 6a à 6n pour obtenir un synogramme 8 comportant n lignes, par exemple trois cent soixante lignes constituées chacune par une ligne particulière, par exemple la ligne 288, de l'une des images.
On effectue, à partir du synogramme 8, une reconstruction de l'image de la pièce pour obtenir l'image 10 qui est une coupe tomographique virtuelle transversale de la pièce.
L'installation de radioscopie scannerisée telle que représentée sur la figure 1 est une installation complexe qui comporte, en plus des composants représentés sur la figure 1, des moyens de traitement des images de la caméra pour effectuer le traitement représenté par la flèche 7 et à partir du synogramme 8, la reconstruction d'une coupe tomographique 10 de la pièce.
La reconstruction des images à partir du synogramme est réalisée avec un algorithme utilisant une transformée de Radon avec rétroprojection filtrée, c'est-à-dire une transformation d'une projection de l'image suivie d'un filtrage de l'image et d'une transformation inverse pour réaliser un épandage des éléments de l'image et la reconstruction de la coupe virtuelle.
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Sur la figure 2, on a représenté un dispositif permettant de réaliser une radioscopie scannerisée d'une pièce mécanique, à partir d'une installa- tion de radioscopie classique et d'un dispositif de manipulation et de traitement suivant l'invention, réalisé sous la forme d'un ensemble polyvalent qui peut être associé à tout type d'installation de radioscopie de pièce mécanique pour réaliser des coupes virtuelles tomographiques des pièces mécaniques.
L'installation de radioscopie de la pièce mécanique de type classique à laquelle est associé le dispositif suivant l'invention comporte des composants qui sont utilisés dans toute installation de radioscopie, ces éléments étant désignés par les mêmes repères que les éléments de l'installation de radioscopie scannerisée représentée sur la figure 1.
Ces composants comportent en particulier une source de rayons X 1 produisant un faisceau de photons 1a, un manipulateur 2 pour les déplacements de la pièce 5 parallèlement à un plan horizontal, un écran de luminance 3 tel qu'un amplificateur de brillance et une caméra, par exemple une caméra digitale 4.
Le manipulateur 2 peut être commandé depuis un terminal 11, de manière à pouvoir déplacer la pièce 5, dans deux directions X et Y d'un plan horizontal et éventuellement dans une direction verticale Z, et à régler la position de la pièce par rapport au faisceau 1a de la source de rayons X 1.
Cette mise en position de la pièce permet en particulier d'obtenir des images d'un tronçon de la pièce 5, suivant sa direction verticale 5a dans lequel se trouve le plan de coupe tomographique perpendiculaire à l'axe 5a de la pièce. Les déplacements de la pièce par le manipulateur 2, commandé par le terminal 11, permettent également de centrer l'axe 5a de la pièce autour duquel on doit faire tourner la pièce d'un tour ou d'une fraction de tour pour obtenir les différentes images radioscopiques, par rapport au détecteur constitué par l'écran 3 et la caméra 4.
Une installation de radioscopie 13 comportant la source 1, le manipulateur 2, l'écran 3 et la caméra 4 permet d'obtenir, sous forme analogique ou digitale, suivant le type de caméra 4, l'image radioscopique d'un tronçon au moins de la pièce 5.
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Une telle installation 13 de radioscopie classique permet par exemple de faire un contrôle non destructif de défauts de fabrication dans une pièce mécanique.
La seule exigence concernant l'installation de radioscopie est que la puissance de la source de rayons X soit suffisante pour obtenir un faisceau de photons 1 a pouvant traverser la pièce 5.
Dans le cas où l'installation de radioscopie 13 est utilisée pour la réalisation de coupes tomographiques sur une pièce mécanique telle qu'une culasse de véhicule automobile, on utilise par exemple une source ayant une puissance de 260 à 450 kV. Cette puissance couramment utilisée dans les installations de radioscopie classiques permet d'obtenir des images faci- lement utilisables pour le traitement et la reconstruction de coupes tomographiques virtuelles.
Une installation de radioscopie telle que 13, utilisée pour des contrôles non destructifs de défauts sur des pièces d'une fabrication, ne comporte pas de moyens permettant de réaliser l'acquisition d'images radioscopiques successives, le traitement de ces images successives et la reconstruction de coupes tomographiques, comme l'installation représentée sur la figure 1 dont les moyens nécessaires à la réalisation de radioscopies scannerisées n'ont pas été représentés ; ces moyens intégrés à l'installation sous forme de composants fixes sont complexes et coûteux.
Sur la figure 2, on a représenté un dispositif de manipulation et de traitement d'images selon l'invention, désigné de manière générale par le repère 12, qui constitue un ensemble polyvalent pouvant être associé à toute installation de radioscopie classique dont la source de rayons X 1 présente une puissance suffisante. Le dispositif 12 suivant l'invention comporte un moyen de déplacement en rotation 14 de la pièce 5, autour de son axe 5a, une unité de commande 15 de la rotation de la pièce 5 par l'intermédiaire du moyen moteur 14 et un calculateur 16 constitué par un micro-ordinateur d'un type adapté au traitement et à la reconstitution des images tomographiques.
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Le dispositif 12 suivant l'invention peut comporter également un écran 17 de visualisation des images radioscopiques de la pièce 5 relié au micro-ordinateur 16.
Le moyen moteur de déplacement en rotation de la pièce 5 comporte en particulier un plateau tournant 14a sur lequel la pièce 5 peut être fixée dans une position réglable et un moteur couple disposé à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire 14b, de manière à être en prise avec le plateau tournant 14a pour sa mise en rotation autour d'un axe vertical de rotation suivant lequel on place l'axe de rotation 5a de la pièce 5.
Le manipulateur 2 de l'installation de radioscopie qui peut être constitué par une table élévatrice à mouvements croisés comporte une table supérieure horizontale sur laquelle on fixe le support 14b du moyen moteur de déplacement en rotation 14.
Dans une phase préalable de réglage du dispositif, on utilise le manipulateur 2 pour placer l'axe de rotation du plateau tournant 14a, suivant un axe central de l'image obtenue par la caméra de l'écran 3 du détecteur de l'installation de radioscopie. Pour cela, on dispose, suivant l'axe de rotation du plateau, une tige en matériau dense, par exemple en laiton comportant une pointe et on réalise une image radioscopique de la tige. Le réglage est réalisé de manière que la pointe se trouve sur une colonne de reconstruction de l'image.
De préférence, comme représenté sur la figure 11, le moyen de déplacement en rotation 14 de la pièce 5 qui doit permettre de réaliser en particulier des déplacements pas à pas de faible amplitude, avec un repérage de positionnement angulaire extrêmement précis, peut être constitué par un moteur couple 30 dont le rotor 30a comporte des aimants permanents et le stator 30b des bobinages dont l'alimentation est commandée électroniquement pour obtenir les rotations voulues du plateau 14a, la position précise du plateau 14a en orientation étant mesurée par un codeur de haute précision 31 associé au moteur 30, à l'intérieur du support tubulaire 14b du moyen de déplacement 14.
Le rotor 30a du moteur couple 30 comporte un support de rotor 33 de forme tubulaire sur lequel les aimants permanents 34 sont fixés. Les bobi-
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nages du stator 30b sont fixés sur un support de stator solidaire du support tubulaire 14b du moyen d'entraînement en rotation 14, en vis-à-vis des ai- mants permanents 34, en ménageant un entrefer de faible largeur.
Le plateau 14a du moyen d'entraînement en rotation 14 est rigidement solidaire du support de rotor 33 sur lequel il est fixé par l'intermédiaire d'une première couronne 35. On obtient ainsi une transmission de couple directe entre le rotor et le plateau tournant 14a et on évite d'utiliser des moyens de transmission mécanique pouvant présenter du jeu après une certaine durée de fonctionnement. On améliore ainsi les conditions de déplacement en rotation du plateau 14a et la précision de ses positions successives. Le plateau 14a est monté rotatif sur le support tubulaire 14b, par l'intermédiaire d'un seul palier à roulement 36 dont la bague interne est fixée entre le support de rotor 33 et la première couronne 35 et la bague externe, entre une seconde couronne 37 et le support tubulaire 14b, de manière que le palier 36 et le moteur 30 soient coaxiaux. La partie rotative du codeur 31 est reliée au support de rotor 33 par un accouplement 32.
Les bobinages du stator 30b sont alimentés par des moyens électroniques d'un variateur 15, de manière à faire tourner le rotor 30a et le plateau 14a pas par pas ou de manière continue. Le codeur 31 est également relié électriquement au variateur 15 et, par son intermédiaire, au micro-ordinateur 16. Le codeur 31 qui présente un très grand nombre de positions de mesure par tour (par exemple 36.000 positions/tour) permet d'une part de déterminer la position angulaire du plateau 14a et de la pièce mécanique 5 avec une très grande précision et, d'autre part, d'affiner les positions d'arrêt du plateau 14a par l'intermédiaire du variateur 15 alimentant les bobinages du stator, qui comporte une boucle de régulation.
Le plateau 14a comporte des trous filetés 38 répartis suivant sa surface pour permettre la fixation de pièces 5 de formes variées.
Le support tubulaire 14b est réalisé en deux parties pour permettre le montage du moyen d'entraînement en rotation 14.
Les moyens électroniques de commande du moteur couple et de mesure de position du plateau 14a sont reliés par un anneau 18 constitué par des fibres optiques, au micro-ordinateur 16, de manière qu'on puisse régler
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les conditions de déplacement en rotation de la pièce 5 à partir du microordinateur 16 et synchroniser la prise de vue radioscopique par l'intermé- diaire de la caméra 4 qui est également reliée au micro-ordinateur 16, avec les positions de la pièce 5 en rotation autour de son axe 5a, définies et repérées de manière précise.
Dans le cas où la caméra 4 est une caméra digitale, on transmet directement au micro-ordinateur 16 les données numériques de l'image et, dans le cas où la caméra 4 est une caméra analogique, on utilise une unité de conversion analogique digitale associée aux entrées du micro-ordinateur 16.
Sur la figure 3, on a représenté la caméra 4 d'acquisition des images radioscopiques sur l'écran de luminance 3, un écran de visualisation 17 et le manipulateur 2 sur lequel est fixé le moyen de déplacement en rotation 14 à plateau tournant 14a.
On a également représenté, sur la figure 3, sous la forme de cercles 20,21, 22 et 23, les fonctions accomplies par la caméra 4, l'écran de visualisation 17 et le moyen de déplacement en rotation 14 du manipulateur 2, lors de l'acquisition des images radioscopiques de la pièce 5 sous le contrôle du micro-ordinateur 16.
Les fonctions sont les suivantes :
20 : captage des images successives 6a,..., 6n par la caméra 4 pendant la rotation de la pièce ;
21 : affichage des images sur l'écran de visualisation 17 ;
22 : commande du moyen de déplacement en rotation 14 du manipulateur 2 en synchronisme avec la réalisation des prises de vues radioscopiques ;
23 : calcul par le micro-ordinateur 16 d'images numériques correspondant à des prises de vues successives réalisées dans une position d'orientation angulaire de la pièce 5.
20 : captage des images successives 6a,..., 6n par la caméra 4 pendant la rotation de la pièce ;
21 : affichage des images sur l'écran de visualisation 17 ;
22 : commande du moyen de déplacement en rotation 14 du manipulateur 2 en synchronisme avec la réalisation des prises de vues radioscopiques ;
23 : calcul par le micro-ordinateur 16 d'images numériques correspondant à des prises de vues successives réalisées dans une position d'orientation angulaire de la pièce 5.
Il peut être intéressant de moyenner au moins deux images réalisées dans chaque position angulaire déterminée, pour éliminer des perturbations des images de type aléatoire ou périodique.
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Sur la figure 4, on a représenté, sous la forme de rectangles 6, 7 et 9, les différentes étapes du procédé de radioscopie scannerisée mis en oeuvre par le dispositif suivant l'invention qui correspondent, respectivement, aux étapes d'acquisition 6 et de traitement d'images 7 et de reconstruction d'une coupe tomographique 9 représentées par des flèches sur le schéma de la figure 1 relative à l'utilisation de toute installation de radioscopie scannersée.
L'étape d'acquisition 6 a été décrite en regard de la figure 3 quant aux fonctions mises en oeuvre par les différents composants de l'installation, dans le cadre de l'utilisation d'une installation suivant l'invention.
L'étape de traitement 7 consiste à réaliser un synogramme 8 à partir des lignes des images 6a,..., 6n correspondant au plan de coupe tomographique à réaliser et l'étape 9 est l'étape de reconstruction par transformée de Radon qui a été décrite plus haut.
On a représenté par un rectangle 24 l'interface utilisateur du microordinateur 16 qui est accessible à l'opérateur 25 du procédé pour fixer les paramètres du procédé et commander ces différentes étapes.
Le traitement des images 6a,..., 6n pour constituer le synogramme 8 peut être réalisé aussitôt après l'acquisition d'une image et avant l'acquisition d'une image suivante, le synogramme 8 étant obtenu progressivement pendant la rotation de la pièce, par exemple sur un tour complet.
La rotation de la pièce peut être réalisée pas par pas ou de manière continue.
De manière générale, les acquisitions et les reconstructions des coupes tomographiques peuvent être réalisées en temps réel ou différé ou avec seulement la reconstruction différée.
Pour obtenir une représentation en 3D d'un tronçon de la pièce, on réalise, à partir des images radioscopiques, plusieurs synogrammes correspondant à plusieurs plans de coupe du tronçon et on reconstruit les coupes tomographiques de la pièce qui peuvent être juxtaposées pour fournir la représentation en 3D.
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De manière générale, on peut réaliser, pour chacun des tronçons de la pièce, une pluralité de synogrammes et une pluralité de coupes tomogra- phiques, à des niveaux différents.
L'opérateur 25 dispose de plus de l'écran de visualisation 17 pour vérifier le déroulement de la rotation de la pièce et des prises de vues pendant l'acquisition des images.
Sur la figure 5, on a représenté le moyen de déplacement en rotation 14 de la pièce 5 qui comporte un cylindre de support 14b et le plateau tournant 14a entraîné en rotation par le moteur couple commandé 30 disposé à l'intérieur du support tubulaire 14b.
La pièce 5 fixée sur le plateau tournant 14a, sur laquelle on désire réaliser des coupes tomographiques, est une culasse qui est placée dans une disposition verticale sur le plateau tournant 14a, c'est-à-dire avec sa direction longitudinale parallèle à la ligne de cylindres du moteur placée verticalement.
On réalise un réglage de position de la culasse 5 sur le plateau tournant, de manière que la rotation de la culasse autour d'un axe 5a confondu avec l'axe du plateau tournant assure l'obtention d'images radioscopiques complètes de la zone de la culasse à observer.
En effet, il est possible, en fonction des dimensions du détecteur constitué par l'écran et la caméra de l'installation de radioscopie, d'effectuer des prises de vues sur l'ensemble de la section transversale de la culasse ou, au contraire, sur une partie seulement de cette section. La taille de la section observable de la culasse est sensiblement égale à la taille de la zone d'acquisition du détecteur.
En fait, en dehors de la zone de la culasse qui se trouve sur chacune des images successives pendant la rotation pas à pas de la culasse autour de l'axe 5a, il existe des zones qui se retrouvent sur une partie seulement des images prises pendant la rotation pas à pas de la culasse, du fait que cette culasse ne présente pas une forme de révolution autour de l'axe 5a.
Ces zones extérieures peuvent être représentées sur les coupes tomographiques avec une netteté moindre que la zone centrale. Dans tous les cas, le logiciel de traitement des images qui est chargé dans le micro-
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ordinateur 16 permet de réaliser des coupes tomographiques partielles des pièces et de reconstituer des coupes complètes par juxtaposition des cou- pes partielles.
Sur la figure 6, on a représenté l'une des images radioscopiques 6i de la culasse obtenue pendant la rotation de la culasse, cette image correspondant à un tronçon de la culasse suivant son axe vertical 5a et comportant à peu près cent lignes d'images, entre les lignes 230 et 330.
On a également représenté en traits forts sur la figure 6 la ligne 288 qui se trouve au niveau de la coupe tomographique à réaliser.
Le dispositif de manipulation et de traitement suivant l'invention permet de réaliser un grand nombre d'images telles que 6i correspondant chacune à une position d'acquisition d'images de la culasse autour de son axe 5a, par exemple, on peut réaliser trois cent soixante images au cours d'une rotation autour de la culasse, chacune des images étant prise avec un décalage de 1 degré par rapport à la précédente. De manière plus générale, on peut effectuer des acquisitions d'images dans une pluralité de positions successives de la pièce ou du produit examiné, l'angle entre deux positions successives ayant une valeur fixe quelconque.
Chacune des positions peut être définie avec une très grande précision grâce au codeur du moyen de déplacement en rotation du plateau tournant. fi est également possible d'effectuer un nombre de pas supérieur à 360 au cours d'un tour, par exemple 3600 pas d'une amplitude d'un dixième de degré.
Il est possible également de réaliser des coupes tomographiques en faisant tourner la culasse sur un demi tour ou une fraction de tour au lieu d'un tour complet.
Comme indiqué plus haut, on peut réaliser une seule vue de la culasse dans une position angulaire définie ou, encore, au moins deux images dont on effectue une moyenne pour éliminer des perturbations.
Sur chacune des images telles que 6i représentées sur la figure 6, on prélève les données numériques relatives à une ligne (par exemple la ligne 288) et on réalise un synogramme 8 telle que représenté sur la figure 7 qui
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correspond à chacune des trois cent soixante lignes 288 des images radioscopiques 6i prises lors de la rotation d'un tour de la culasse.
Comme indiqué plus haut, une coupe tomographique 10 peut être obtenue par reconstruction à partir du synogramme 8, avec un filtrage éventuel du synogramme pour accroître la précision de certains aspects de la coupe tomographique.
Un filtrage peut être également réalisé dans l'étape de reconstruction, après une première transformée de la projection correspondant à l'image.
Sur la figure 8A, on voit une coupe tomographique 10 affichée sur l'écran 16a du micro-ordinateur 16, à la demande de l'opérateur utilisant le dispositif de radioscopie scannerisée.
Sur la figure 8B, on a représenté une partie de la coupe tomographique de la culasse montrant des défauts 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g qui sont constitués par des cavités de différentes dimensions à l'intérieur du métal de la culasse.
Par le procédé de l'invention, en réalisant des coupes tomographiques virtuelles de la pièce, on peut détecter des défauts de très faibles dimensions, par exemple une dimension de l'ordre du 1/10e de millimètre.
La résolution dimensionnelle sur les images reconstruites est principalement conditionnée par la nature de l'émission et de l'ensemble de détection du rayonnement. On peut ainsi envisager de détecter des défauts de l'ordre de quelques micromètres.
De même, en utilisant une coupe tomographique telle que représentée sur la figure 8B, on peut mesurer des dimensions de parties de la pièce totalement inaccessibles, par exemple des dimensions de canaux ou cavités internes de la pièce, avec une très bonne précision. Le rapport d'échelle entre les dimensions mesurées sur la coupe tomographique et les dimensions réelles peut être donné en utilisant la longueur mesurée sur la coupe tomographique d'un élément qui peut être mesuré directement sur la pièce.
Selon la technique antérieure, on devait effectuer une coupe par usinage de la pièce pour déceler des défauts internes répartis suivant une coupe transversale ou pour mesurer des cotes de parties internes de la pièce. Comme il est visible sur la figure 9 montrant une vue photographique
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d'une coupe réalisée par usinage de la culasse 5 dans l'environnement du plan de la coupe tomographique virtuelle 10, après l'examen radiographique, les défauts apparaissent d'une manière similaire sur la coupe virtuelle et sur la coupe réelle.
Il est possible, grâce au dispositif et au procédé suivant l'invention, d'étendre facilement le champ d'utilisation de la radioscopie au contrôle géométrique et de relier les résultats obtenus par ce contrôle avec les données fournies par les moyens de la CAO. On peut par exemple réaliser un dessin automatique de pièces à partir de relevés sur une coupe tomographique ou réaliser des comparaisons entre des pièces réelles et des pièces dessinées en CAO.
Le procédé de réalisation de coupes tomographiques utilisant le dis-
positif suivant l'invention permet donc : - de détecter et de quantifier des défauts du matériau constituant une pièce mécanique, de manière non destructive ; - d'effectuer des mesures non destructives géométriques dans des zones inaccessibles avec des moyens conventionnels ; - d'avoir une meilleure connaissance de la production des pièces mécaniques par un contrôle non destructif plus fréquent ; - d'augmenter la productivité en évitant de tronçonner des pièces pour réaliser des contrôles destructifs ; - d'étendre le champ d'utilisation de la radioscopie au contrôle géométrique en liaison avec un matériel et des logiciels de CAO.
positif suivant l'invention permet donc : - de détecter et de quantifier des défauts du matériau constituant une pièce mécanique, de manière non destructive ; - d'effectuer des mesures non destructives géométriques dans des zones inaccessibles avec des moyens conventionnels ; - d'avoir une meilleure connaissance de la production des pièces mécaniques par un contrôle non destructif plus fréquent ; - d'augmenter la productivité en évitant de tronçonner des pièces pour réaliser des contrôles destructifs ; - d'étendre le champ d'utilisation de la radioscopie au contrôle géométrique en liaison avec un matériel et des logiciels de CAO.
Le dispositif suivant l'invention est totalement indépendant de la nature des pièces ou produits à contrôler, sous réserve qu'il soit associé à une installation de radioscopie comportant une source de rayonnement suffisamment puissante pour que la pièce ou le produit soit traversée par le flux de photons.
Le dispositif est également indépendant de la taille du produit, ce qui est utile en particulier lorsque la taille de la projection radioscopique du produit est supérieure à la taille du détecteur utilisé. Dans ce cas, on réalise la reconstruction de la coupe tomographique virtuelle à l'intérieur d'un cercle de projection inscrit dans le détecteur.
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Le dispositif de manipulation du produit et de traitement d'image radioscopique peut être intégré à toute installation de radioscopie, par des opérations d'adaptation simples.
En particulier, le dispositif peut être utilisé en combinaison avec une installation de radioscopie située dans un environnement de production industrielle, telle qu'une fonderie.
L'invention ne se limite pas strictement au mode de réalisation qui a été décrit.
C'est ainsi que le moyen de déplacement en rotation du produit peut être différent du plateau tournant entraîné par un moteur couple qui a été décrit. Le manipulateur assurant le déplacement du produit peut comporter uniquement le moyen de déplacement en rotation de la pièce. Les moyens de traitement et de reconstruction des images tomographiques peuvent utiliser tout type de machine de calcul automatique et tout type de logiciel.
L'invention s'applique non seulement au contrôle radioscopique de pièces utilisées dans la construction automobile telles que des culasses, des carters de colonne de direction, des carters moteurs ou des vilebrequins réalisés par coulée d'alliage d'aluminium ou de fonte de fer, mais encore à tout produit sur lequel on veut effectuer un contrôle géométrique ou dimensionnel ou encore un contrôle de qualité matière du matériau. Toutefois, le dispositif et le procédé suivant l'invention s'appliquent surtout dans le cadre de la conception de pièces ou produits d'un type nouveau ou fabriqués par un nouveau procédé.
Le dispositif suivant l'invention permet d'équiper non seulement des installations de radioscopie à rayons X mais encore d'autres installations de radioscopie utilisant tout type de rayonnements ou toute installation de contrôle par exemple utilisant des flux de neutrons. Entre autres, le dispositif suivant l'invention peut être intégré à une cellule de synchrotron.
Si le manipulateur de l'installation de radioscopie comporte déjà un moyen de déplacement mécanique en rotation, il est possible de l'utiliser pour le déplacement du produit, lors de la mise en oeuvre de l'invention et d'éviter de le remplacer par un moyen propre au dispositif selon l'invention.
Ce moyen de déplacement est alors intégré au dispositif selon l'invention.
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De manière générale, la source de rayonnement de l'installation de radioscopie est une source émettrice de rayons X, de neutrons ou de tout autre rayonnement qui peut être atténué à la traversée du produit observé.
Claims (16)
- REVENDICATIONS 1.-Dispositif de manipulation d'un produit et de traitement d'images, pour obtenir des coupes tomographiques virtuelles du produit, dans une installation de radioscopie comportant une source de rayonnement d'une puissance suffisante pour traverser le produit (5), l'installation de radioscopie (13) comportant un écran de luminance (3) sensible au rayonnement, un manipulateur (2) pour déplacer le produit (5) intercalé entre la source de rayonnement et l'écran de luminance (3), et une caméra (4) d'acquisition d'images radioscopiques (6a,..., 6n) formées sur l'écran (3), caractérisé par le fait qu'il est réalisé sous la forme d'un ensemble (12) intégrable à toute installation de radioscopie (13) comprenant : - un moyen de déplacement (14) du produit (5) en rotation autour d'un axe (5a) perpendiculaire au plan de coupe tomographique à obtenir, fixé sur le manipulateur (2), - une unité de commande (15,16) du déplacement du produit (5) permettant de faire tourner le produit (5) autour de l'axe (5a) avec une haute précision de positionnement angulaire, - une unité d'acquisition et de traitement d'images (16) comportant des moyens automatiques d'acquisition et de stockage d'images radioscopiques du produit (5), au cours du déplacement du produit (5) en rotation, reliés à la caméra (4) et au moyen de commande (15) du déplacement de la pièce (5) en rotation et des moyens de calcul automatiques (16) pour le traitement des images radioscopiques sous forme numérique et la construction de coupes tomographiques, utilisant un algorithme de calcul.
- 2.-Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de rayonnement (1) est une source émettrice de rayons X, de neutrons ou de tout autre rayonnement qui peut être atténué à la traversée du produit.
- 3.-Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la source de rayonnement (1) est un générateur de rayons X.
- 4.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement (14) de la pièce mécanique (5) en rotation est constitué par un plateau (14a) monté tournant autour d'un<Desc/Clms Page number 21>axe sur un support tubulaire (14b), par l'intermédiaire d'un seul palier (36), et entraîné en rotation par un moteur couple (30) dont le rotor (30a) à aimants permanents est directement solidaire du plateau (14a), l'unité de commande du moyen d'entraînement en rotation (14) étant constituée par un variateur (15) comportant une électronique de commande du moteur couple (30) du moyen d'entraînement en rotation (14) reliée à un codeur (31) de mesure de la position angulaire du rotor (30a) et du plateau tournant (14a) pour le réglage de positions d'arrêt du rotor (30a) du moteur (30) et du plateau tournant (14a) ou de positions d'acquisition d'images.
- 5.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'unité d'acquisition et de traitement d'images comporte un micro-ordinateur (16) relié à la caméra (4) pour recevoir des images radioscopiques (6a,.... 6n-1,6n) sous forme numérique et comprenant un logiciel de calcul pour le traitement des images (6a,..., 6n-1) sous forme numérique pour établir au moins un synogramme (8), à partir d'au moins une ligne de chacune des images radioscopiques (6a,.... 6n, 6n-1) et pour reconstituer au moins une coupe tomographique (10) à partir de l'au moins un synogramme (8) à l'aide d'un algorithme de calcul utilisant une transformée de Radon.
- 6.-Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le micro-ordinateur (16) est relié à un variateur (15) du moyen de déplacement en rotation (14) du produit (5) pour synchroniser des prises de vues d'images radioscopiques sur l'écran de luminance (3) par la caméra (4) avec un déplacement par pas en rotation du produit (5), pour réaliser au moins une prise de vues entre chacun des pas successifs de déplacement en rotation du produit (5).
- 7.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un écran (17) de visualisation des images radioscopiques (6a,..., 6n, 6n-1) relié au micro-ordinateur (16).
- 8.-Procédé de manipulation d'une pièce mécanique et de traitement d'images radioscopiques du produit, pour obtenir des coupes tomographiques (10) du produit (5), en utilisant une installation de radioscopie (13) comportant une source de rayonnement (1) d'une puissance suffisante pour<Desc/Clms Page number 22>traverser le produit (5), un écran de luminance (3) sensible au rayonnement, un manipulateur (2) intercalé entre la source de rayonnement (1) et l'écran de luminance (3) pour le déplacement du produit (5) et une caméra d'acquisition (4) d'images radioscopiques formées sur l'écran de luminance (3), caractérisé par le fait qu'on fait tourner le produit (5) autour d'un axe (5a) perpendiculaire au plan de la coupe tomographique à réaliser, avec une haute précision de positionnement angulaire du produit (5) autour de l'axe (5a), qu'on réalise, pour chacune de positions successives du produit (5) en rotation, au moins une acquisition radioscopique pour obtenir une image radioscopique du produit sous forme numérique, qu'on traite chacune des images numériques obtenues dans les positions successives du produit (5) en rotation pour extraire au moins une ligne de l'image radioscopique et constituer au moins un synogramme (8) à partir des lignes extraites des images numériques (6a,..., 6n-1,6n) du produit (5) et qu'on réalise, par reconstruction à partir de l'au moins un synogramme (8), au moins une coupe tomographique du produit (5).
- 9.-Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on réalise l'acquisition d'au moins deux images radioscopiques pour chacune des positions successives d'acquisition en rotation de la pièce mécanique (5) et qu'on calcule une image moyenne à partir des au moins deux images radioscopiques obtenues à chaque position angulaire d'acquisition du produit (5).
- 10.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'on extrait une pluralité de lignes de chacune des images radioscopiques (6a,.... 6n, 6n-1), dans un tronçon du produit (5) s'étendant suivant l'axe (5a) pour obtenir une pluralité de synogrammes (8) et qu'on reconstruit, à partir de chacun des synogrammes (8) de la pluralité de synogrammes (8), une pluralité de coupes tomographiques du tronçon du produit (5), de manière à obtenir une représentation du tronçon du produit (5), en trois dimensions.
- 11.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait qu'on fait tourner le produit (5) autour de l'axe (5a) d'un tour complet ou d'une fraction de tour et qu'on réalise une prise de vues ra-<Desc/Clms Page number 23>dioscopiques, dans chacune d'une pluralité de positions d'acquisition d'images du produit (5).
- 12.-Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que l'angle entre deux positions d'acquisition successives (5) a une amplitude fixe déterminée.
- 13. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé par le fait qu'on réalise l'acquisition d'images radioscopiques d'une partie seulement du produit (5), en chacune des positions successives d'acquisition du produit (5), chacune des images d'une partie du produit (5) ayant la dimension maximale d'acquisition d'un détecteur d'images constitué par l'écran de luminance (3) et la caméra (4).
- 14.-Utilisation d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 13, pour la détection de défauts dans le matériau du produit (5).
- 15.-Utilisation d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 à 13, pour réaliser un contrôle géométrique ou dimensionnel de parties non accessibles par l'extérieur du produit (5).
- 16.-Utilisation d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 à 13, pour le contrôle de pièces mécaniques de l'un des types suivants : pièce de fonderie pour l'industrie automobile, culasse, carter moteur, vilebrequin, carter de colonne de direction.
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