FR3035207A1 - Dispositif modulaire de mesure sans contact et systeme de mesure et de controle correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure sans contact d'un objet ou d'une partie d'un objet, tel une pièce mécanique, comprenant : - des premiers moyens de support dudit objet ; - des moyens de mesure solidaires d'un bâti, lesdits moyens de mesure comprenant au moins un module de mesure constitué d'une source d'émission d'un faisceau lumineux sur l'objet, et d'un capteur optique orienté vers l'objet et apte à détecter le faisceau lumineux réfléchi par l'objet, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des deuxièmes moyens de support dudit module de mesure solidaires dudit bâti et comprenant des moyens pour déplacer d'une manière réglable ledit module de mesure par rapport à l'objet.

Description

1 Dispositif modulaire de mesure sans contact et système de mesure et de contrôle correspondant 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine général de la mesure dimensionnelle de pièces mécaniques de différents types. L'invention concerne plus particulièrement une structure métrologique pour la réalisation de contrôle tridimensionnel de précision, par exemple. 2. Solutions de l'art antérieur Certains domaines industriels tels que l'aéronautique, l'automobile, l'horlogerie ... imposent que chaque pièce composant une structure soit réalisée avec une très grande précision dans ses dimensions ou sa forme. Il est donc nécessaire de prévoir un contrôle dimensionnel de chacune de ces pièces afin de savoir si elles respectent bien les tolérances de fabrication requises. Un tel contrôle est généralement effectué sur la chaine de fabrication. De façon connue, il peut être effectué manuellement par un opérateur. Toutefois, l'inspection visuelle des pièces ne répond ni aux cadences de production élevées, ni aux exigences de qualité de certains domaines industriels, l'aéronautique notamment, certains défauts restant difficilement repérables à l'oeil nu.

On connaît également des méthodes mécaniques de contrôle automatisé, telles que les dispositifs de palpation, pour acquérir les dimensions et la forme d'une pièce, puis les contrôler. Toutefois, ces dispositifs de palpation sont complexes, peu flexibles et mal adaptés à des pièces de petites dimensions. En outre, le temps nécessaire au relevé des points de la pièce à contrôler par le palpeur est relativement important. Des dispositifs de mesure à base de sources laser et de détecteurs peuvent également être mis en oeuvre pour recréer la forme tridimensionnelle d'une pièce, puis la contrôler. Ce type de dispositifs nécessite toutefois un montage de contrôle particulier et une procédure d'étalonnage complexe pour chaque type de pièce à contrôler. 3035207 2 3. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de solutionner les faiblesses de ces techniques antérieures de mesure et de contrôle dimensionnel.

5 L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure sans contact d'un objet ou d'une partie d'un objet, tel une pièce mécanique, comprenant : des premiers moyens de support dudit objet ; des moyens de mesure solidaires d'un bâti, lesdits moyens de mesure 10 comprenant au moins un module de mesure constitué d'une source d'émission d'un faisceau lumineux sur l'objet, et d'un capteur optique orienté vers l'objet et apte à détecter le faisceau lumineux réfléchi par l'objet. De façon générale, un tel dispositif de mesure est destiné à un type particulier de pièces à contrôler, et l'utilisateur doit par conséquent posséder autant de dispositifs 15 de mesure que de types de pièces à contrôler. Selon l'invention, ledit dispositif comprend en outre des deuxièmes moyens de support dudit module de mesure solidaires dudit bâti et comprenant des moyens pour déplacer d'une manière réglable ledit module de mesure par rapport à l'objet. Le dispositif de mesure conforme à l'invention ne présente donc pas cet 20 inconvénient. En effet, le dispositif de mesure conforme à l'invention est modulaire et permet à l'utilisateur de mesurer plusieurs types de pièces avec la même machine, uniquement en changeant (facilement et rapidement) la configuration du dispositif de mesure. Le dispositif métrologique modulaire de l'invention permet de numériser en 25 trois dimensions des pièces mécaniques de différents types pour la réalisation de contrôle métrologique dimensionnel de précision, par exemple. La structure du dispositif métrologique permet une mise en configuration rapide de plusieurs modules de mesure (tri)dimensionnelle sans contact, ces modules pouvant être espacés autour de la pièce à contrôler, par exemple. Pour ce faire, chaque module 30 de mesure est monté sur un système de positionnement comportant plusieurs degrés de liberté.

3035207 3 Ces modules de mesure permettent la génération d'un nuage de points représentatifs de la pièce sous la forme de coordonnées spatiales de points dans un espace à trois dimensions. Cet ensemble de points déterminés dans les trois dimensions de l'espace peut 5 ensuite être traité pour obtenir la forme (ou profil) tridimensionnelle de la pièce et contrôler la forme volumétrique et/ou plusieurs dimensions (ou cotes) de la pièce dans le cadre d'un contrôle qualité. Un tel dispositif de mesure est particulièrement adapté à la mesure tridimensionnelle de précision de pièces en grande série. Il permet à l'utilisateur de 10 contrôler plusieurs types de pièces avec ce même dispositif, uniquement en changeant (facilement et rapidement) la configuration des modules de mesure du dispositif de mesure. En particulier, les deuxièmes moyens de support comprennent un rail monté sur le bâti et coopérant avec un chariot mobile solidaire dudit module de mesure. Ainsi, le 15 positionnement du chariot sur le rail permet le réglage de la hauteur « h », parallèlement à l'axe longitudinal du dispositif de mesure, par rapport à la pièce. Selon un aspect particulier, les deuxièmes moyens de support comprennent un support d'inclinaison, ou un élément de support, du module de mesure par rapport à l'objet. Par exemple, le support d'inclinaison est choisi parmi une pluralité de supports 20 présentant des inclinaisons différentes. Selon une caractéristique particulière, le support d'inclinaison comprend des moyens de paramétrage de l'inclinaison. Selon un aspect particulier, les deuxièmes moyens de support comprennent une cale d'épaisseur fixée entre le chariot mobile et le support d'inclinaison. Par exemple, la cale d'épaisseur est choisie parmi une pluralité de cales d'épaisseurs différentes.

25 Selon un aspect particulier, les deuxièmes moyens de support comprennent une plaque de fixation dudit module de mesure montée sur le support d'inclinaison. Par exemple, la plaque de fixation est choisie parmi une pluralité de plaques présentant des moyens de fixation du module de mesure permettant des orientations différentes du module de mesure par rapport à l'objet.

30 Différents types de cales, d'éléments de support et de plaques de fixation, peuvent être utilisés pour fixer et orienter le module de mesure par rapport à la pièce à 3035207 4 contrôler, de façon à permettre une configuration du ou des capteurs optimale pour la pièce à contrôler. Selon une caractéristique particulière, le bâti est de forme cylindrique, les premiers moyens de support de l'objet étant disposés au centre du bâti et les moyens 5 de mesure disposés autour de l'objet. La forme cylindrique du dispositif de mesure permet par exemple la mise en oeuvre de plusieurs modules de mesure et le paramétrage de leur positionnement autour de la pièce à mesurer et contrôler. Selon une variante, les premiers moyens de support de l'objet sont mobiles en rotation par rapport au bâti pendant la mesure, le module de mesure étant fixe.

10 Selon une autre variante, les premiers moyens de support de l'objet sont fixes par rapport au bâti pendant la mesure, le module de mesure étant mobile. L'invention concerne, par ailleurs, un système de mesure et de contrôle dimensionnel d'un objet ou d'une partie d'un objet, tel une pièce mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure dudit objet ou d'une partie 15 dudit objet tel que décrit précédemment, des moyens de traitement des mesures acquises par ledit dispositif de mesure afin d'obtenir au moins une grandeur représentative d'une dimension et des moyens de contrôle dimensionnel dudit objet ou d'une partie dudit objet. Par exemple, un tel système est destiné à la mesure et au contrôle de pièces 20 dont la mise en rotation, ou la mise en rotation des capteurs autour de la pièce, permette l'acquisition de la forme de la pièce par les capteurs, comme par exemple des pièces annulaires, ou des pièces telles qu'une bague hexagonale, un écrou, une roue dentée, une pièce de révolution, un cylindre plein ou creux... 4. Liste des figures 25 D'autres caractéristiques et avantages de la technique décrite apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de mesure selon un mode de réalisation de l'invention ; 30 les figures 2A et 2B sont des vues en coupe partielle du dispositif de mesure de la figure 1 montrant un des modules de mesure positionné selon deux positions angulaires distinctes ; 3035207 5 la figure 3 est une vue partielle d'un dispositif de mesure conforme à l'invention montrant le montage du module de mesure sur le support correspondant ; la figure 4 illustre différents exemples de cales, d'éléments de support et 5 de plaques de fixation pouvant être mises en oeuvre dans le support d'un module de mesure ; les figures 5A et 5B sont des vues schématiques, latérales et du dessus respectivement, d'un module de mesure d'un dispositif de mesure conforme à l'invention et d'une pièce à mesurer/contrôler. 10 5. Description On présente en relation avec les figures 1 à 5B un dispositif de mesure, ou bloc métrologique, 1 sans contact, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Un tel dispositif de mesure est associé à des moyens de traitement des mesures (non représentés) dans un système pour la mesure tridimensionnelle et le contrôle de 15 précision des dimensions de pièces mécaniques de différents types. Le dispositif de mesure 1 est constitué, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, d'un bâti, ou châssis, 11 et d'un porte-objet 12 qui est monté mobile en rotation par rapport au châssis 11. Le porte-objet 12 sert à maintenir une pièce mécanique, ou objet, 2 à contrôler.

20 Le bâti 11 comprend une paroi 111 cylindrique qui est fermée à son extrémité inférieure par un fond 112 circulaire. Comme cela est visible sur les figures 2A et 2B, le porte-objet 12 est disposé au centre du fond 112 et est monté mobile en rotation autour de l'axe vertical Z du repère cartésien tridimensionnel XYZ (dit "repère machine"), l'axe Z correspondant à l'axe longitudinal du bâti 11.

25 Sur la figure 1, le dispositif de mesure 1 met en oeuvre quatre supports 4A, 4B, 4C, 4D d'un module de mesure 3 dimensionnelle sans contact. Chaque support 4A, 4B, 4C, 4D est configurable ou modulable en fonction de la pièce 2 à contrôler, qui est ici une bague de roulement à bille. La figure 3 illustre la structure du support 4A, étant entendu que les autres 30 supports 4B, 4C et 4D présentent une structure identique. Le support 4A comporte un rail 41 vertical fixé de façon amovible sur la surface intérieure de la paroi 111, le rail 41 s'étendant parallèlement à l'axe Z.

3035207 6 Un chariot 43 est monté coulissant selon l'axe Z sur le rail 41 (la hauteur entre le fond 112 et le chariot 43 est référencée "h') et peut être verrouillé en position par des coins de serrage, par exemple (sa course le long du rail 41 étant limitée par une butée de réglage 42). C'est sur ce chariot 43 qu'un module de mesure 3A est monté.

5 Plus précisément, le chariot 43 porte une cale 44 de forme parallélépipédique sur laquelle est montée un élément de support 45. L'élément de support 45 présente, ici, une surface inclinée (référencée 451 sur la figure 4) sur laquelle est assemblée une plaque de fixation 46 (et d'orientation) du module de mesure 3A. Dans la plaque de fixation 46, qui est de forme parallélépipédique, sont percés 10 plusieurs trous de fixation qui offrent à l'utilisateur plusieurs possibilités d'orientation du module de mesure 3A par rapport à la pièce 2 à contrôler. Sur la figure 1, du fait de la forme cylindrique du bâti 11, les supports 4A, 4B, 4C, 4D sont disposés autour de la pièce 2 à mesurer et contrôler. On note que la surface inclinée 451 de l'élément de support 45 des supports 4B, 4C, 4D est orientée vers la 15 pièce 2, tandis que la surface inclinée 451 de l'élément de support 45 du support 4A est orientée dans la direction opposée. Les éléments 44, 45, 46 du support 4A du module de mesure 3A sont configurables selon le type de pièce 2 à contrôler. Différents types de cales 44, d'éléments de support 45 et de plaques de fixation 46, illustrés sur la figure 4, peuvent 20 être utilisés pour fixer et orienter le module de mesure 3A par rapport à la pièce 2. Ces éléments 44, 45, 46 sont choisis de façon à ce que le capteur de mesure utilisé puisse acquérir la zone que l'on souhaite mesurer. Il est à noter également que le nombre de capteurs dépend du nombre de zones visualisables par ces derniers. Par ailleurs, si une pièce donnée à contrôler nécessite un angle tout à fait 25 particulier, il est possible de réaliser les éléments 44, 45 et 46 en une seule pièce, une telle mise en oeuvre permettant que l'ensemble monté sur le rail puisse être changé rapidement. Par exemple, lorsqu'une pluralité de cales est nécessaire pour obtenir la configuration souhaitée, il est possible de réaliser une seule cale qui intègre l'ensemble 30 des angles obtenus par la pluralité de cales utilisées pour la configuration choisie. De même, un élément de support 45 spécifique peut être créé pour obtenir une configuration particulière, ainsi qu'une plaque de fixation 46.

3035207 7 On note sur la figure 4 que les cales 44 sont d'épaisseur variable, et que l'inclinaison de la surface inclinée 451 des éléments de support 45 est variable (elle peut varier de 00 à 90°). On note également sur la figure 4 que les plaques de fixation 46 présentent chacune une pluralité de fixations qui permettent une orientation autour 5 d'un axe perpendiculaire à la face de la plaque. Comme illustré en figures 5a et 5b, on distingue cinq paramètres de réglage du module de mesure 3 par rapport à la pièce 2, à savoir : - un paramètre de positionnement du module de mesure 3 autour de la pièce 2, à savoir l'angle « 0 » qui est mesuré dans le plan XY autour de l'axe Z dans le 10 repère cartésien XYZ, et - quatre paramètres "h", "d", "a", " p " propres à l'acquisition des données de mesure et de contrôle. Ces paramètres servent à la calibration initiale du dispositif de mesure 1, qui sera complétée par la suite avec l'artéfact de calibration, comme décrit ci-après.

15 Comme illustré sur les figures 5A et 5B, le positionnement du chariot 43 sur le rail 41 permet le réglage de la hauteur « h » (parallèlement à l'axe longitudinal du dispositif de mesure 1) du module de mesure 3A par rapport à la pièce 2, et plus précisément entre le point d'origine du repère cartésien X'Y'Z' (dit "repère objet") et le point d'origine du repère cartésien X"Y"Z" (dit "repère capteur").

20 La forme cylindrique fermée du dispositif de mesure 1 permet la mise en oeuvre de plusieurs modules de mesure 3A à 3D et le paramétrage de leur positionnement autour de la pièce 2 à mesurer et contrôler. La cale 44 permet de régler la distance « d » entre la pièce 2 et le module de mesure 3A, et plus précisément entre le point d'origine du repère cartésien X'Y'Z' (dit 25 "repère objet") et le point d'origine du repère cartésien X"Y"Z" (dit "repère capteur"). L'élément de support 45 permet le réglage de l'angle d'inclinaison « a » entre la pièce 2 et le module de mesure 3A, et plus précisément entre le plan X'Y' et le plan Y"Z". La plaque de fixation 46 permet le réglage de l'angle d'orientation « p » dans le plan Y"Z" autour de l'axe X" du module de mesure 3A par rapport à la pièce 2.

30 En d'autres termes, la solution de l'invention offre trois axes de modularité permettant d'influer sur cinq paramètres de réglage, le paramètre "h" étant fonction de la positon du chariot 43 sur le rail 41, le paramètre « 0 » étant fonction de la positon du 3035207 8 rail 41 sur le bâti 11 et les paramètres "d", "a", " 13 " étant fonction du choix des éléments 44, 45, 46 interchangeables du support 4A. Le module de mesure 3A est, dans cet exemple, un module laser de mesure de distance fonctionnant selon le principe de la triangulation. De façon connue, un tel 5 module de mesure est apte à mesurer une distance par calcul angulaire. Il couvre, par ailleurs, une grande plage de mesure et présente une haute résolution. Le module de mesure 3A comprend une source (ou émetteur) laser fixe, sous la forme d'une diode laser par exemple, qui projette un point (ou une ligne) laser sur la pièce 2 à mesurer et un capteur (récepteur) fixe, sous la forme d'un détecteur de type 10 CCD (pour "charge-coupled device" en anglais, ou "dispositif à transfert de charge" en français) ou CMOS (pour "Complementarity metal-oxide-semiconductor" en anglais ou "semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire") par exemple. La source laser et le capteur sont situés sur la même face 31A du module de mesure 3A, la face 31A étant orientée vers la pièce 2.

15 Les autres modules de mesure 3B à 3C sont, de préférence, identiques. Lorsque le porte-objet 12 (et donc la pièce 2) est mis en rotation, le faisceau laser émis par la source est réfléchi sur la surface de la pièce 2 dont on désire connaitre la position ou l'éloignement par rapport à la source (c'est-à-dire par rapport au module de mesure 3A). La lumière réfléchie atteint le capteur sous un angle qui est fonction de 20 la distance. La position du faisceau réfléchi sur le capteur ainsi que la distance séparant la source et le capteur du module de mesure 3A, permettent de déduire des informations de distance pour chaque point acquis. Autres aspects et variantes Le dispositif de mesure 1 met ainsi en oeuvre plusieurs modules de mesure 25 destinés à générer un nuage de points représentatifs de la pièce à contrôler, sous la forme de coordonnées de points dans un espace à trois dimensions. Le temps nécessaire au relevé des points est relativement court (entre 1 et 30 millions de points, selon le nombre de modules de mesure, ces points étant acquis dans un intervalle de temps compris entre 1 s et 1,5 s).

30 L'ensemble de points saisis/relevés dans les trois dimensions de l'espace est ensuite être traité pour acquérir et contrôler la forme volumétrique de la pièce 2 (la 3035207 9 forme intérieure d'une bague, par exemple) dans le cadre d'un contrôle qualité de la pièce 2. Pour ce faire, le système conforme à l'invention met en oeuvre un logiciel de traitement du nuage de points et de représentation tridimensionnelle de la pièce 2 à 5 contrôler à partir des mesures issues des modules de mesure 3A à 3D. Il est possible de contrôler une ou plusieurs dimensions de la pièce 2. A titre d'exemple, il est possible de contrôler la hauteur de la pièce 2 avec deux modules de mesure, un module mesurant la face supérieure de la pièce 2 et un autre module mesurant la face inférieure de la pièce 2. La valeur mesurée est comparée à une valeur 10 de consigne. Un tel système de contrôle s'intègre aisément dans une ligne de production. Le dispositif de mesure 1 est flexible, en ce sens qu'il est aisément reconfigurable pour la production et le contrôle de nouvelles pièces. On note qu'un calibrage du dispositif de mesure 1 est nécessaire après chaque 15 modification de sa configuration. Ce calibrage est réalisé en positionnant une pièce « artéfact » en lieu et place de la pièce à mesurer et en réalisant une acquisition avec le ou les capteurs mis en oeuvre. Le résultat de cette acquisition est utilisé pour définir la position des capteurs dans le repère de la machine. Le dispositif de mesure 1 est précis, fiable, permet des mesures rapides, et 20 permet des qualités de mesure optimales (sans dégrader les performances de contrôle). Ainsi, le dispositif de mesure 1 offre une qualité de mesure supérieure ou égale à dix micromètres. Il permet l'acquisition complète de la géométrie d'un objet de forme complexe, et notamment de bagues de différents diamètres.

25 Par ailleurs, le nombre de modules de mesure n'est pas limité à l'exemple illustré précédemment. Ainsi, ce nombre peut être supérieur ou inférieur à 4. Les rails 41 peuvent être montés mobiles sur la surface intérieure du bâti 11 de façon à pouvoir être déplacés de façon circulaire autour de la pièce 2 à contrôler, puis être fixés dans la position angulaire choisie.

30 Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, l'angle « 0 » de positionnement de chaque module de mesure est un multiple de 15°.

3035207 10 Dans une variante du mode de réalisation décrit précédemment, le porte-objet 12 est fixe et c'est le bâti 11 (et donc les modules de mesure 3A à 3D) qui est mobile en rotation autour de la pièce 2. On note, par ailleurs, que la forme du bâti 11 n'est pas forcément cylindrique 5 mais peut prendre tout autre forme adaptée à la mesure tridimensionnelle d'une pièce. En outre, d'autres types de modules de mesure peuvent être mis en oeuvre.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure sans contact d'un objet ou d'une partie d'un objet, tel une pièce mécanique, comprenant : des premiers moyens de support dudit objet ; des moyens de mesure solidaires d'un bâti, lesdits moyens de mesure comprenant au moins un module de mesure constitué d'une source d'émission d'un faisceau lumineux sur l'objet, et d'un capteur optique orienté vers l'objet et apte à détecter le faisceau lumineux réfléchi par l'objet, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : des deuxièmes moyens de support dudit module de mesure solidaires dudit bâti et comprenant des moyens pour déplacer d'une manière réglable ledit module de mesure par rapport à l'objet.
2. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de support comprennent un rail monté sur ledit bâti et coopérant avec un chariot mobile solidaire dudit module de mesure.
3. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de support comprennent un support d'inclinaison dudit module de mesure par rapport à l'objet.
4. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support d'inclinaison est choisi parmi une pluralité de supports présentant des inclinaisons différentes.
5. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support d'inclinaison comprend des moyens de paramétrage de l'inclinaison.
6. 6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de support comprennent une cale d'épaisseur fixée entre le chariot mobile et le support d'inclinaison.
7. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cale d'épaisseur est choisie parmi une pluralité de cales d'épaisseurs différentes. 3035207 12
8. 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de support comprennent une plaque de fixation dudit module de mesure montée sur le support d'inclinaison.
9. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque de 5 fixation est choisie parmi une pluralité de plaques présentant des moyens de fixation du module de mesure permettant des orientations différentes du module de mesure par rapport à l'objet.
10. 10. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le bâti est de forme cylindrique, les premiers moyens de support dudit objet étant 10 disposés au centre dudit bâti et les moyens de mesure disposés autour dudit objet.
11. 11. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les premiers moyens de support dudit objet sont mobiles en rotation par rapport audit bâti pendant la mesure, ledit au moins module de mesure étant fixe.
12. 12. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que 15 les premiers moyens de support dudit objet sont fixes par rapport audit bâti pendant la mesure, ledit au moins module de mesure étant mobile.
13. 13. Système de mesure et de contrôle dimensionnel d'un objet ou d'une partie d'un objet, tel une pièce mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure dudit objet ou d'une partie dudit objet selon l'une des revendications 1 à 12, des 20 moyens de traitement des mesures acquises par ledit dispositif de mesure afin d'obtenir au moins une grandeur représentative d'une dimension et des moyens de contrôle dimensionnel dudit objet ou d'une partie dudit objet.
14. 14. Système de mesure et de contrôle selon la revendication 13, caractérisé en qu'il est destiné à la mesure et au contrôle de pièces annulaires. 25