Contrôle vision et laser des produits métallurgiques J-Pierre CHAMBARD HOLO3

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1 Contrôle vision et laser des produits métallurgiques J-Pierre CHAMBARD HOLO3 Nous reprenons dans cet article un des thèmes présentés lors de la journée organisée par l ATTT (Association technique du traitement thermique) à NOGENT qui était consacrée à la «modélisation des déformations dues aux traitements thermiques- Effets thermomécaniques» : la numérisation 3D par voie optique. Cet article ne se veut pas exhaustif par rapport aux techniques optiques de numérisation car il s agit d un domaine en pleine effervescence. Nous nous limiterons ici aux techniques que l on rencontre de plus en plus dans l industrie et qui utilisent le principe de triangulation. Le principe de triangulation Le principe de triangulation est un principe géométrique simple qui utilise les propriétés du triangle (voir fig1 ). A partir de la connaissance de la longueur de base et des deux angles α et β, il est possible de déterminer la hauteur H du triangle. D une manière plus générale, la connaissance de ces deux angles et de la base permet de déterminer la position du point M. Dans les capteurs basés sur ce principe les points A et B représentent soit un émetteur de lumière, soit un récepteur. Le point M est le point de la surface de l objet vu par le capteur. M d1 H d2 d1.cos(α)+d2.cos(β) = b d1.sin(α) = d2.sin(β) A α Base b β B H = d1.sin(α) Figure 1 : Principe de triangulation Une déclinaison simple de ce principe est le capteur ponctuel de triangulation laser. Un des points de la base est un émetteur laser donnant une direction (angle α par exemple) fixe. L autre point est un récepteur de type PSD ou CCD. Ce type de capteur est fréquemment utilisé pour mesurer des pièces au défilé (mesure d épaisseur) ou pour contrôler la présence ou l absence d un objet, insert, etc. Une utilisation plus élaborée de ce principe de triangulation est le plan laser qui est obtenu par une optique spécifique ou par balayage du faisceau laser dans un plan. Le récepteur est un récepteur matriciel type CCD (voir fig 2). Du fait de la numérisation d une ligne complète à

2 chaque acquisition caméra, la vitesse de numérisation est plus importante que celle du capteur ponctuel. Cette technologie est intéressante pour mesurer des sections de profilés, ou de numériser complètement des pièces lorsque le capteur est associé à un mouvement. Camera Plan Image obtenue Figure 2 : Principe du capteur plan laser La numérisation par lumière structurée : principe La lumière structurée est une extension du principe du plan laser. Plutôt que de projeter une seule ligne, nous allons ici projeter dans l espace un réseau de lignes parallèles (voir fig 3). La caméra observe la déformation d un réseau de franges parallèles projetées sur un objet et modulées par son relief. Le réseau déformé est ensuite comparé numériquement à un réseau de référence : le calcul du déphasage existant entre ces deux réseaux permet de déterminer la distance de chaque point de la surface par rapport à la caméra : ainsi, aux coordonnées X et Y de chaque pixel caméra, le logiciel de traitement peut associer la valeur de la coordonnée Z. Pour permettre le calcul du déphasage quel que soit la forme du relief (variation brusque d altitude, surface discontinue ) plusieurs réseaux de franges, d abord d un pas grossier puis de plus en plus fins, sont projetés successivement sur l objet. Chaque pixel de la caméra équivaut à un point de mesure. Une matrice CCD de 1024x1024 pixels fournit ainsi un nuage de plus de 1 million points. La résolution de la mesure dépend de la taille du champ observé et de l angle α existant entre les directions de projection et d observation. Lorsque tous les paramètres du montage sont figés, une procédure de calibration très précise est appliquée au système de mesure afin de déterminer les facteurs d échelle dans les trois directions X, Y et Z. Après quoi, le dispositif est prêt à numériser l objet placé dans le volume de mesure étalonné. La procédure d étalonnage n est plus à mettre en œuvre tant que le montage n est pas modifié.

3 Camera Projecteur Y 1 Y 2 Z 1 X 1 Z 2 X 2 Volume commun à un pixel de la camera et un pixel du projecteur Figure 3 : Principe de la lumière structurée Pour permettre la réalisation des mesures sur des sites industriels, la caméra et le projecteur peuvent être intégrés dans un système compact, aisément transportable et pré-calibré pour le volume de mesure choisi : cela devient un capteur 3D. Ce dispositif peut être monté sur un pied photo ou monté dans une cabine d essai lors de contrôle répétitifs de pièces de série. L intérêt de cette technologie réside dans la grande quantité de données obtenue dans un temps très court (une dizaine de secondes pour 1 million de points) qui ouvre des applications dans l analyse de surface (manque matière ou surplus matière) et dans le contrôle dimensionnel. Le raccordement de vues : Le capteur 3D numérise la surface visualisée par la caméra. Lorsque l objet entier est mesuré, il est nécessaire de multiplier les prises de vues pour enregistrer toutes les faces de la pièce. Les nuages de points enregistrés dans chaque vue sont ensuite recombinés ; c est à dire replacés dans le même repère X,Y,Z et additionnés entre eux pour reconstituer la forme extérieure de l objet. La recombinaison des nuages peut s effectuer de différentes manières : Raccordement sur sphères : Des sphères sont positionnées autour de l objet et numérisées avec la vue. Pour être raccordées entre elles, les deux vues doivent présenter trois sphères communes. Un logiciel spécifique calcule le centre de gravité des sphères et applique un changement de repère à l un des nuages pour que les centres de gravité viennent coïncider deux à deux. Raccordement sur nuages de points : Les deux vues à raccorder présentent des zones numérisées communes permettant d appliquer le changement de repère : zone plane, trou de perçage, arête du bord de pièce Il convient de définir les six degrés de liberté pour exécuter l opération.

4 Raccordement automatisé : Pour permettre de raccorder automatiquement les vues entre elles, la pièce étudiée est montée sur une table de rotation et/ou de translation. Entre chaque enregistrement, la pièce subit un mouvement défini: la valeur connue du mouvement permet d appliquer aussitôt le changement de repère au nuage numérisé. Pour des temps de cycle courts lors de contrôle série il est bien sûr également possible de disposer plusieurs capteurs 3D autour de l objet afin d en numériser les différentes faces. Dans ce cas, un étalonnage va permettre de définir les référentiels relatifs de chaque capteur qui seront utilisés pour raccorder automatiquement les différents nuages de points. Figure 4 : Nuage de points numérisé et maillé Document Holo3 Exploitation du nuage numérisé : Le fichier de points traduisant la forme de la pièce peut être exploité sous toutes ses formes : reconstruction de surface et création d un fichier CAO, contrôle dimensionnel de pièce, comparaison de pièces, usinage direct à partir du fichier de points Dans ce cas, il est également possible d appliquer un facteur d échelle pour la copie d objet. Le nuage de points peut être filtré, triangulé et converti en fichier CAO pour faciliter le travail du bureau d étude dans le cas de dessins de pièces complexes. Si le temps d acquisition d une vue numérisée est de quelques secondes pour l obtention de plusieurs centaines de points de mesure, l exploitation du nuage peut prendre dans certains cas plusieurs heures en fonction de la complexité du travail demandé. Le contrôle dimensionnel : La numérisation de l objet permet bien sûr de connaître la position des points de la surface et de calculer les cotes exactes : distance entre deux points, altitude entre deux plans, angle

5 formé par deux arêtes, etc Ces mesures peuvent être directement comparées aux cotes fournies par le plan de la pièce. Avant de réaliser la cotation, des lignes primitives sont calculées à partir des points du nuages : droite représentant un axe de perçage, point d intersection fictif entre deux arêtes, etc et les cotations s effectuent à partir de ces primitives. Figure 5 : Cotation sur un nuage de points numérisé Document Holo3 Autobar Packaging La comparaison : Il est fréquent d avoir à comparer deux pièces entre elles. Il peut, par exemple, s agir d une pièce de référence servant de modèle et d une pièce de série tirée de la production. : après numérisation, les deux nuages de points sont superposés et les différences d altitude sont représentées sous la forme d une cartographie couleur avec une échelle de correspondance. Cette représentation, très conviviale, facilite l interprétation du résultat de comparaison, car les couleurs traduisent immédiatement les écarts de forme entre les pièces. Le résultat de la comparaison est étroitement lié au mode opératoire : la superposition des deux nuages peut être globale, c est à dire en considérant tous les points du nuage et en réalisant le changement de repère de sorte que les écarts soient les plus faibles possible, ou ponctuelle lorsque les zones superposées sont prédéfinies (points de fixation de la pièce, plan d appui ). Dans ce cas, le changement de repère est calculé en ne tenant compte que de ces petites zones, dites de référence, pour lesquelles les écarts sont très faibles ; ailleurs, les différences de forme sont mises davantage en évidence.

6 Profil pièce 1 Profil pièce 2 Profil pièce 1 Profil pièce 2 Zones de référence Superposition globale : les écarts entre les deux pièces sont les plus faibles possible Superposition ponctuelle : les écarts entre les deux pièces sont quasi nuls au niveau des zones de référence et plus importants ailleurs Figure 6 : Deux stratégies de superposition de données avant comparaison Les deux comparaisons fournissent un résultat très différents bien que les nuages soient identiques, c est pourquoi une concertation entre l opérateur réalisant les mesures et l utilisateur final de ces mesures est indispensable. Le même type de comparaison peut être effectué entre un nuage de points et un fichier CAO. Le client fourni une pièce d intérêt et le fichier CAO ayant servi à son élaboration (usinage, moulage ) : le travail consiste alors à numériser la pièce et à comparer les deux fichiers. Ainsi, il est possible de mettre en évidence des erreurs de fabrication ou des dépassements de tolérance. Figure 7 :Comparaison nuage de point fichier CAO Document Holo 3 - Faurecia Figure 8 :Résultat de la comparaison avec échelle de correspondance. Document Holo 3 - Faurecia Les limitations du procédé de mesure : Lorsque la surface étudiée présente des reliefs importants, des zones d ombre apparaissent en raison de l angle α entre la projection et l observation des franges. Ces zones ne seront pas numérisées. D autre part il s agit d une méthode optique. Il faut donc être vigilant sur l environnement lumineux du capteur et éviter les éclairages extérieurs trop puissants. La nature de la surface à numériser est également importante : les surfaces spéculaires (brillantes) seront très difficilement numérisées de même que les surfaces présentant de grandes variations de réfectivité (noir mat et blanc par exemple).

7 Lors de la numérisation sur un site industriel, d autres facteurs extérieurs peuvent également dégrader la précision de mesure. L amplitude des vibrations parasites pouvant provenir de machines situées à proximité ne doit pas engendrer des vibrations du capteur ou de la pièce à numériser qui soit supérieures à la résolution du capteur. La durée de l acquisition étant de quelques secondes, le montage mécanique doit rester stable pendant ce laps de temps. Intérêt économique d une solution de numérisation optique Les caractéristiques principales des procédés optiques de numérisation, qui les différencient du palpage traditionnel, sont les suivantes : - grande densité de points : une numérisation (c est à dire une prise de vue) peut fournir jusqu à 1 million de points. - Rapidité du procédé : la durée d une numérisation est de quelques secondes. - Absence de contact avec la pièce. Ces seules caractéristiques techniques en font des procédés de choix dans un certain nombre d applications : - pièces peu rigides : mousses, caoutchouc, plastiques - reconstruction de surfaces complexes où une grande densité de points est nécessaire. - Temps de contrôle limité. Au-delà de cette analyse purement technique, un intérêt économique évident se dégage dans le cas d applications de contrôle dimensionnel pour des séries de pièces. Aujourd hui, ce type de contrôle est réalisé par gabarit ou par banc de contrôle spécialisé, dédié à un type de pièce. Lorsqu un nouveau modèle de pièce entre en fabrication, ces bancs de contrôle doivent être remplacés, ce qui implique des coûts et des délais de réalisation. Dans le cas de capteurs optiques, l adaptation à un nouveau type de pièce se fera par configuration logicielle uniquement. Enfin, un grand nombre de points de mesure peut être suivi, sans implication au niveau du coût du système ou du temps de contrôle. La faisabilité économique du contrôle série à 100 % devient alors réelle.

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