Brevet FR2460752A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne la commande du déplacement d'un outil sur une pièce sur laquelle un travail doit être effectué. Il est généralement nécessaire, lorsqu'un travail doit être effectué sur une pièce, qu'il s'agisse d'une opération de soudure, d'usinage, de découpe ou analogue, de déplacer un outil sur cette pièce selon une trajectoire définie, cette trajectoire étant déterminée selon un système de référence rapporté à ladite pièce, la commande étant normalement complétée par la détermination de l'o- rientation de l'outil. S'il s'agit d'une opération effectuée sur machine, le contrôle de la position de l'outil est assuré de manière simple si la pièce peut être positionnée de façon précise par rapport à la machine et si l'outil est porté par cette dernière. Toutefois, il existe de nombreux cas dans lesquels un travail doit être effectué sur des pièces indépendantes. L'opération est alors rendue encore plus délicate lorsque la trajectoire de l'outil peut varier en fonction de la position relative de deux pièces, comme cela est le cas par exemple quand il s'agit de souder des tôles. Dans un tel cas, il n'est pas possible bien entendu d'effectuer un repérage de la position du point de travail simultanément au travail de l'outil et au même point. Par ailleurs, une détection réalisée par un capteur placé immédiatement devant l'outil, à son voisinage immédiat, et lié mécaniquement et rigidement à cet outil représente une solution peu satisfaisante, difficilement utilisable par exemple pour des travaux de soudure. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients et d'apporter une solution à ce problème. L'invention est matérialisée dans un procédé pour la commande automatique d'un outil se déplaçant sur une pièce, caractérisé en ce qu'on détecte, à une distance donnée en avant de l'outil, la position du point de travail requis sur la pièce relativement à un référentiel défini-par rapport à cette pièce, on mémorise la position de ce point de travail en fonction des coordonnées dans le référentiel correspondant à cette détection, et on utilise l'information mémorisée pour positionner l'outil relativement au même référentiel quand cet outil a franchi cette distance donnée le séparant du point de détection. Suivant un mode de mise en oeuvre judicieux, applicable lorsque le profil de travail de l'outil sur la pièce présente une périodicité, on effectue la détection des points de travail sur cette pièce en avant de l'outil à une distance de celui-ci correspondant au pas de cette périodicité. Cette solution est applicable à la fois lorsqu'un outil effectue un travail selon un profil présentant une périodicité sur une pièce plate, et lorsque la pièce elle-même présente un profil récurrent, ou bien encore lorsque les deux conditions sont réunies. L'outil et un capteur sont alors associés dans leurs déplacements selon les trois axes du référentiel et également de façon judicieuse dans leur orientation relativement à la pièce. Pour des raisons pratiques, la détection effectuée en avant de l'outil est une détection point par point, livrant une information mémorisable pour chaque point de détection. Or le déplacement de l'outil est, le plus souvent, nécessairement un déplacement continu. Ainsi, la série de points de détection par le capteur doit être convertie en une courbe de déplacement de l'outil. Toutefois, même si les points de détection sont relativement rapprochés, il résulterait de la simple transformation d'une série de points en une trajectoire d'outil reliant ces points entre eux un mouvement souvent irrégulier de cet outil, aboutissant à un travail non satisfaisant, en particulier si un point aberrant, dû à un "accident" de la pièce, est rencontré lors de la détection. Il va de soi que, dans ce cas, l'outil s'écarterait alors de sa courbe de déplacement correcte pour couvrir ce point aberrant. Suivant une autre particularité de l'invention, on remédie à cet inconvénient en soumettant les infor mations mémorisées correspondant aux points de détection à une optimisation, afin de convertir une série d'informations ponctuelles mémorisées en une courbe d'optimisation évitant les points aberrants. Une telle optimisation est une opération en soi connue, pouvant être réalisée par des méthodes classiques, par exemple par la méthode des moindres carrés. On commande alors le déplacement de l'outil selon la courbe d'optimisation ainsi obtenue. Lors d'un travail effectué sur une pièce, le déplacement de l'outil par rapport à un système de référence défini par rapport à la pièce est le plus souvent connu de façon approximative. On peut ainsi, pour un travail donné, déterminer à l'avance lès informations relatives à la position théorique de chaque point de détection dans le système. Suivant une autre particularité de l'invention, on détecte alors, à chaque point de détection, l'écart dudit point par rapport au profil théorique connu, et on mémorise les informations d'écarts ainsi obtenues. Ceci simplifie de façon importante les opérations de mémorisation, d'optimisation et de lecture de la courbe pour la commande de l'outil. L'invention concerne, sous un autre aspect, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ainsi défini ni pour la commande du déplacement d'un outil sur une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un support associé à des moyens pour sa fixation sur la pièce afin de définir un système de référence relativement à ladite pièce, des moyens supportant l'outil de façon mobile à partir dudit support, associés à des moyens commandant le déplacement de cet outil, un capteur pour la détection des points de travail sur la pièce, des moyens pour supporter ce capteur à partir dudit support à une distance donnée en avant de l'outil si l'on considère le sens de travail et pour déplacer ledit capteur selon le profil de travail en maintenant cette distance donnée relativement à l'outil, et au moins une mémoire recevant du capteur les informations correspondant aux points de travail détectés, ainsi que des moyens prélevant ces informations à la mémoire pour la commande du déplacement de l'outil. Suivant un mode de réalisation judicieux, afin de tenir compte comme indiqué précédemment de la détection ponctuelle réalisée par le capteur et pour sa conversion en déplacement continu de l'outil évitant les points aberrants, des moyens sont prévus pour appliquer à la mémoire un algorithme d'optimisation, en convertissant ainsi la succession d'informations mémorisées en une courbe d'optimisation qui est lue par les moyens prélevant à cette mémoire les informations pour la commande du déplacement de l'outil. Suivant une réalisation pratique paraissant avantageuse, et afin de permettre un travail en continu, le dispositif comporte au moins deux mémoires, le capteur étant relié à lune de ces mémoires pour l'accumulation des informations ponctuelles, tandis que les moyens de lecture assurant la commande de l'outil sont reliés à l'autre mémoire, ayant subi une optimisation. Suivant une variante, on pourrait prévoir par exemple trois mémoires, l'une étant reliée au capteur et une autre aux moyens de commande de l'outil, tandis que les moyens fournissant un algorithme d'optimisation sont reliés à la mémoire intermédiaire. Dans chacun de ces cas, des moyens de commutation sont prévus pour inverser les connexions établies. Cette disposition fournit pour l'outil un "horizon" suffisant, évitant toute dispersion et les défauts de trajectoire. En effet, les moyens de commande du déplacement de l'outil prélèvent alors à la mémoire intéressée des informations qui ont été optimisées sur une distance correspondant par exemple à la moitié ou au tiers de la distance entre le capteur et l'outil, selon les nombres des mémoires prévues. Bien que le procédé et le-dispositif suivant l'invention soient applicables à de nombreux domaines de l'industrie, chaque fois qu'un outil doit être déplacé selon une trajectoire précise par rapport à une pièce et qu'on ne dispose pas d'un référentiel extérieur défini à la fois par rapport à la pièce et par rapport à un support d'outil, leur application est particulièrement intéressante pour la soudure de pièces, notamment de tôles. Ils présentent un avantage par exemple dans leur application au soudage de tôles gaufrées ou autrement profilées, dont le profil peut présenter une périodicité, notamment pour le soudage de joints aboutés ou se chevauchant. La soudure de tels joints était en effet, jusqu'ici, effectuée à la main par des ouvriers soudeurs. On conçoit qu'il s'agit dans ce cas d'un travail exigeant l'intervention d'ouvriers qualifiés, mais par ailleurs astreignant, en particulier dans certaines applications comme la réalisation de cuves de grandes dimensions destinées au transport de gaz liquéfiés, qui exigent pour leur fabrication la réalisation de joints soudés sur des longueurs de joints importantes. L'invention apporte une solution à ce problème par l'automatisation de l'opération de soudure. La description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, donné à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. La Fig. 1 est une représentation schématique en perspective montrant un domaine d'application possible de l'invention. La Fig. 2 est une représentation schématique montrant la position d'un capteur par rapport à l'outil suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, appliqué à l'application illustrée par la Fig. 1. La Fig. 3 est un schéma montrant le mode d'exploitation des informations servant à la commande de l'outil. Sur la Fig. 1, on a représenté un domaine d'application possible de l'invention. Celle-ci est utilisée dans le cas présent pour la soudure automatique de tôles se chevauchant. Le joint de soudure doit, dans ce cas, suivre exactement le bord 1 de la tôle supérieure 2, qui chevauche la tôle 3, en formant un cordon de soudure assurant l'étanchéité du joint. Un problème de ce genre se pose par exemple pour la réalisation de cuves telles que celles servant au transport de gaz liquéfiés. Les tôles 2 et 3 sont ici profilées pour fournir une meilleure résistance mécanique et pour compenser les dilatations thermiques.Dans un tel cas, compte tenu des dimensions des tôles et des conditions de travail, un point quelconque O du joint à réaliser ne peut être défini en position que par rapport à un système de référence constitué par les tôles elles-mêmes, comme indiqué sur la Fig. 1 par le système X, Y, Z. La position de l'outil doit donc être commandée par rapport à ce référentiel, en y ajoutant une commande d'orientation e relativement à la pièce. Sur la Fig. 2, on a montré schématiquement en section droite une tôle gaufrée 4 à profil périodique ou récurrent sur laquelle une opération de soudure doit avoir lieu. L'outil est constitué dans ce cas par une torche de soudure, indiquée schématiquement en 5. Suivant l'invention, il est prévu en avant de la torche 5, si l'on considère son sens de déplacement, un capteur indiqué en 6, qui est lié à la torche 5 en ce qui concerne leur écartement relatif, comme indiqué schématiquement en 7. On voit que, suivant un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, le capteur 6 est alors séparé de la torche 5 d'une distance "d" correspondant au pas du profil de la tôle à souder 4. Ainsi, le capteur et la torche suivent conjointement le profil récurrent de la tôle, ce qui facilite à la fois le maintien de leur écartement relatif et la commande de la position de l'outil dans le référentiel. On décrira maintenant le mode de commande de la torche 5 en regard de la Fig. 3. Suivant ce mode de mise en oeuvre de l'invention, il est prévu trois mémoires indiquées en Ml, M2 et M3. Dans la condition représentée, le capteur 6 est relié à la mémoire Ml, tandis que la mémoire M2 est liée à un système d'optimisation 7 dont le rôle sera décrit plus loin, la mémoire M3 étant par ail leurs reliée à un dispositif 8 pour la commande de la torche 5. Pour le soudage, le capteur 6 est déplacé le long du joint à souder, qui peut être notamment le joint à chevauchement l représenté sur la Fig. 1. En une série de points successifs, dont l'écartement peut être de quelques millimètres et est défini en fonction du travail à réaliser et notamment des caractéristiques du profil des tôles (ces points peuvent être plus rapprochés pour un profil plus tourmenté ou plus serré), la position du capteur 6 est chaque fois définie par rapport au référentiel X, Y, Z indiqué précédemment, qui est lui-même défini par rapport aux tôles à souder en montant le capteur 6 sur un support, indiqué schématiquement en 9 sur la Fig. 2, adapté sur les tôles de toute manière désirée, par exemple au moyen de ventouses ou dé façon analogue. Cette définition de position s'effectue sous forme d'une information émise par le capteur et déterminant en conséquence sa position momentanée dans le référentiel. Les informations successives ainsi fournies sont appliquées dans le cas présent à la mémoire MI, où elles sont accumulées. On supposera pour l'explication du procédé que les mémoires M2 et M3 avaient été remplies au préalable d'une manière analogue à partir d'informations successives fournies par le capteur et accumulées dans ces mémoires. Comme indiqué schématiquement sur la Fig. 3, les informations successives fournies par le capteur correspondent à une série de points. Or on comprend que ces points peuvent ne pas représenter une ligne ou courbe régulière, du fait par exemple d'un bord de tôle qui n'est pas parfaitement régulier ou même du fait de la présence d'un point d'agrafage de la tôle préalablement au soudage, selon une méthode usuelle pour maintenir les tôles dans une position relative désirée au moment de la soudure. Il résulte alors de la présence de tels "accidents" des points aberrants qui, s'ils étaient directement exploités pour la commande de la torche 5, fourni raient tin déplacement irrégulier de cette torche, c'està-dire finalement une soudure défectueuse. Pour tenir compte de ce problème, le contenu de la mémoire M2 est soumis à une optimisation. Les techniciens spécialisés dans ce domaine peuvent, en fonction du problème posé, réaliser aisément des moyens d'application à la mémoire considérée d'un algorithme d'optimisation par l'une des méthodes usuelles. Ainsi, dans cette mémoire M2, les informations ponctuelles accumulées sont converties en une courbe d'optimisation, qui a été désignée par 10 sur la Fig. 3. On supposera ici que la mémoire M3 a été soumise à une telle optimisation. L'information qu'elle renferme peut être alors exploitée directement pour la commande de la torche. Cette information est prélevée à cette mémoire M3 par le dispositif 8, qui la convertit en un déplacement de la torche 5 selon cette courbe 10 dans le référentiel considéré. Ici encore, on concevra aisément un dispositif prélevant cette information et la convertissant en une commande de#déplacement. La disposition décritefournit ainsi pour la torche un "horizon" qui, dans le cas présent, est égal au tiers de la distance séparant le capteur de la torche. En effet, à chaque temps de déplacement, la torche dispose d'une courbe mémorisée définissant à l'avance son déplacement, courbe résultant de l'optimisation indiquée ci-avant et portant sur les informations accumulées dans l'une des trois mémoires, en constituant ainsi l'horizon de cette torche, c'est-à-dire le déplacement qu'elle subira sur la distance considérée. On comprendra également que des moyens sont pré vus pour faire alterner les liaisons entre le capteur, le système d'optimisation et le dispositif de commande de l'outil, d'une part, et les mémoires, d'autre part, ou bien pour transférer de façon séquentielle les informations entre les mémoires pour la réalisation des trois stades décrits ci-avant, à savoir l'accumulation des informations ponctuelles fournies par le capteur, la définition d'une courbe d'optimisation à partir des infor mations accumulées remplissant une mémoire, et la lecture de la courbe d'optimisation ainsi définie pour commander le déplacement de la torche. En chaque point de détection, on détermine également l'orientation du capteur 6, qui. est également mémorisée et appliquée à la commande de la torche 5 au temps approprié, afin de compléter le système de commande. Comme déjà indiqué, une solution préférentielle consiste, afin de simplifier les calculs, à définir à l'avance un profil de consigne pour le capteur, à appliquer ce profil audit capteur, et à faire détecter par celui-ci les écarts par rapport audit profil, qui constituent les informations mémorisées. D'autres modifications peuvent être apportées aux modes de mise en oeuvre décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la commande automatique d'un outil se déplaçant sur une pièce, caractérisé en ce qu'on détecte, à une distance donnée en avant de l'outil, la position du point de travail requis sur la pièce relativement à un référentiel défini par rapport à cette pièce, on mémorise la position de ce point de travail en fonction des coordonnées dans le référentiel correspondant à cette détection, et on utilise l'information mémorisée pour positionner l'outil relativement au même référentiel quand cet outil a franchi cette distance donnée le séparant du point de détection. 2.- Procédé suivant la revendication 1, applicable lorsque le profil de travail sur la pièce présente une périodicité, caractérisé en ce qu'on effectue la détection des points de travail sur cette pièce en avant de l'outil à une distance de celui-ci correspondant au pas de cette périodicité. 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue la détection à l'aide d'un capteur et on associe l'outil et le capteur dans letir déplacement selon les trois axes du référentiel et de préférence dans leur orientation relativement à la pièce. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes selon lequel on effectue en avant de l'outil, à l'aide d'un capteur, une détection point par point, caractérisé en ce qu'on soumet les informations mémorisées correspondant aux points de détection à une optimisation afin de convertir une série d'informations ponctuelles mémorisées en une courbe d'optimisation, et on commande alors le déplacement de l'outil selon la courbe d'optimisation ainsi obtenue. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, applicable lorsque le déplacement théorique de l'outil peut être défini à l'avance, caractérisé en ce qu'on détecte chaque fois, à l'aide du capteur, les écarts entre la position théorique et la position réelle de travail, et on mémorise les informations d'écarts obtenues. 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, pour la commande du déplacement d'un outil sur une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un support associé à des moyens pour sa fixation sur la pièce, afin de définir un système de référence relativement à ladite pièce, des moyens supportant l'outil de façon mobile à partir dudit support, associés à des moyens commandant le déplacement de cet outil, un capteur pour la détection des points de travail sur la pièce, des moyens pour supporter ce capteur à partir dudit support à une distance donnée en avant de l'outil si l'on considère le sens de travail et pour déplacer ledit capteur selon le profil de travail en maintenant cette distance donnée relativement à outil, et au moins une mémoire recevant du capteur les informations correspondant aux points de travail détectés, ainsi que des moyens prélevant ces informations à la mémoire pour la commande du déplacement de l'outil. 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour appliquer à la mémoire un algorithme d'optimisation afin de convertir la succession d'informations ponctuelles mémorisées en une courbe d'optimisation pouvant être prélevée à la mémoire pour la. commande du déplacement de l'outil. 8.- Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux mémoires, le capteur étant relié à l'une de ces mémoires pour l'accumulation des informations ponctuelles fournies, tandis que les moyens de lecture assurant la commande de l'outil sont reliés à l'autre mémoire ayant subi une optimisation. 9.- Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est prévu trois mémoires dont l'une est à un instant donné reliée au capteur, tandis qu'une autre est reliée aux moyens de commande de ltou- til, les moyens fournissant un algorithme d'optimisation étant reliés à la mémoire intermédiaire. 10.- Dispositif suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que des moyens de commutation sont prévus pour inverser les liaisons entre les mémoires, d'une part, et le capteur, les moyens d'optimisation et les moyens de lecture pour la commande de l'outil, d1au- tre part.