Brevet FR2528570A1 — publié le 19831216

On sait que pour travailler correctement sur des pièces mécaniques au moyen de machines-outils automatiques ou au moyen de robots, comme c'est le cas par exemple des robots utilisds pour le soudage, il est très utile de connattre avec précision, même de façon localisée, la géométrie de la pièce sur laquelle doit s'effectuer le travail. Or, la présente invention se propose d'atteindre cet objectif et couvre un procédé permettant la reconnaissance et la restitution du profil d'une section quelconque localisée d'une pièce mécanique sur laquelle un travail doit être effectué automatiquement au moyen d'un équipement approprié. L'invention couvre également les moyens pour la mise en oeuvre de ce procédé ainsi que leur application au pilotage automatique des outils destinés au travail à réaliser sur ladite section tels que, notamment, au pilotage automatique des torches ou des robots utilisés pour le soudage. Le procédé conforme à l'invention est essentiel lement.caract8risé par le fait qu'il consiste - à disposer d'une source lumineuse dont le faisceau de rayons est dirigé vers la surface de la pièce à observer - à interposer partiellement dans ledit faisceau, entre la source et ladite surface à observer, une plaquette dont un bord droit (parfaitement dressé) définit un plan de transition de lumière, l'intersection de ce plan de transition avec la surface à observer définissant à son tour une ligne de transition clair-sombre représentant le profil de la pièce - à disposer d'un capteur d'images dont le champ de vision inclut, d'une part, une longueur donnée de ladite plaquette et, d'autre part, ladite ligne de transition ;; - à identifier le bord droit de la plaquette, dont la position et la longueur sont connues par rapport à un référenciel extérieur au capteur d'images pour étalonner en échelle et en position l'ensemble de l'image vue par ledit capteur à à reconnattre la position géométrique de chaque point de la ligne de transition clair-sombre vue par le capteur sur la surface à observer par rapport au bord droit de la plaquette pris comme référence à à utiliser un système de traitement et de mémorisation des signaux reçus du capteur pour restituer les coordon nées géométriques de chaque ligne observée dans ledit référenciel de mesure ; et - en déplaçant le système de mesure (source, plaquette, capteur d'images) le long de la surface à observer, à effectuer une succession de mesures décalées du profil, et à restituer en trois dimensions la géométrie de la surface dans la zone observée. Suivant d'autres caractéristiques et pour une mise en oeuvre avantageuse de ce procédé - la source sera caractérisée par le fait qu'il soit possi ble de trouver au moins un plan passant par cette source, tel que, en dehors de la zone source, les rayons au voisinage du plan soient quasi parallèles à ce plan ou contenus dans celui-ci - la source lumineuse peut être de tout type approprié, et en particulier une source linéaire du type diose laser - la plaquette est constituée par une pièce rectangulaire dont la face dirigée vers la source lumineuse est en un matériau réfléchissant diffusant dont le bord droit définissant le plan de transition de lumière a une longueur connue ou bien comporte une zone en un matériau réfléchis- sant diffusant le long dudit bord droit, intercalée entre deux zones en un matériau absorbant la lumière, la valeur de l'intervalle entre ces deux zones étant connue - la source et la plaquette seront placées de telle sorte que le bord droit de la plaquette soit compris dans un des plans caractéristiques de la source, lequel corres pondra donc au plan de transition - le référenciel de mesure est constitué par le support mécanique de l'ensemble source lumineusé, plaquette, capteur d'images - la source et la plaquette sont placées de telle façon que le plan de transition soit incliné par rapport à la surface à observer d'un angle quelconque mais avantageu sement égal à 450 - pour une mesure précise, les positions de tous les points photosensibles-détectables du capteur d'images devront être connues avec une grande précision, si bien que le capteur sera avantageusement une matrice de points du type CCD l'axe de l'optique du capteur est placé de préférence perpendiculairement au plan de transition défini par le faisceau lumineux et le bord droit de la plaquette - le support mécanique de l'ensemble constituant le réfé renciel de mesure est monté de façon à pouvoir se déplacer parallèlement à la surface de la pièce à observer, l'axe du capteur d'images restant perpendiculaire au plan de transition de lumière un système électronique de traitement à microprocesseur de type connu est associé au capteur d'images pour permettre la reconstitution du profil observé et sa mémorisation par plans géométriques successifs, ce système étant lui-mame associé de façon connue en soi à un autre système électronique pour permettre le pilotage et la commande du support mécanique de référence ainsi que le pilotage et la commande d'un outil de travail ou d'une machine-outil. D'autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant le,procédé selon l'invention - la figure 2 est un schéma correspondant à la figure 1 tel que vu par le capteur d'images - la figure 3 est une vue explicative de l'invention la figure 4 est un schéma d'un mode réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre l'invention. En se référant à ces dessins, on a illustré en perspective sur la figure 1 une pièce dont la surface à observer 2 a un profil tel que celui représenté sur cette figure. Une source lumineuse 1 dirige sur cette surface un faisceau de rayons dont l'axe est désigné par la référence A. Sur le trajet de ce faisceau est interposée une plaquette 3 dont le bord droit 4 définit un plan de transition de lumière 5. L'intersection de ce plan de transition avec la surface à observer 2 définit à son tour une ligne de transition clair-sombre 6 qui représente la géométrie de la surface aux points considérés. Sur les figures 1 et 2, les parties ombrées représentent les zones éclairées. Par ailleurs, un capteur d'images de tout type approprié, à points photosensibles 7 avantageusement du type connu sous le nom de capteur CCD, est placé, par rapport à la plaquette 3 et à la surface à observer 2, de manière que son champ de vision inclut une partie au moins de la plaquette 3, d'une part, et la ligne de transition 6, d'autre part, et que, par ailleurs, l'axe de son optique (B) soit perpendiculaire au plan de transition 5. L'ensemble source lumineuse 1, plaquette 3 et capteur d'images 7 est monté sur un support mécanique commun 8 (tel qu'illustré schématiquement sur la figure 4). La plaquette 3 est réalisée de manière que toute sa surface dirigée vers la source lumineuse soit en un matériau réfléchissant la lumière et la diffusant ou bien réalisée de manière à présenter, comme illustré sur les figures 1 et 2, une zone principale centrale 3a réfléchissante diffusante intercalée entre deux zones absorbantes 3b. Le facteur essentiel relatif à cette plaquette est que, dans le premier cas, on connaisse de façon précise la valeur de la longueur (L) du bord droit 4 et, dans le second, la valeur de cette longueur dans l'intervalle compris entre les deux zones absorbantes 3b. La connaissance de cette longueur constitue un des éléments principaux pour la mise en oeuvre de l'invention car l'identification de ce bord droit 4, dont la position et la longueur sont connues pour constituer un premier référenciel, sert à étalonner en échelle et en position l'ensemble de l'image observée par le capteur 7 (tel que visible sur la figure 2 sous l'angle d'observation ss ) par rapport au support mécanique 8 qui constitue alors un référenciel de mesure. Un autre facteur essentiel pour l'obtention d'une mesure précise est celui relatif au capteur d'images. Il faut en effet que ce dernier, du type à points photosensibles, comme indiqué précédemment, soit tel que les positions géométriques de tous les points photosensibles, les uns par rapport aux autres, soient connues de façon précise. Ainsi, ce seul capteur d'images, non dtalonné en position mécanique, constitue le référenciel dans lequel s'effectuent les mesures. L'équipement de traitement, en reconnaissant la position et la dimension de la plaquette dans le réf éren- ciel que constitue le capteur d'images, pourra établir la conversion des mesures fournies par ce réfdrenciel, en mesures dans le référenciel support mécanique, seul accessible simplement et connu de l'extérieur. Les mesures sont donc restituables dans le référenciel support, indépendamment des variations de position du capteur d'images et/ou de son optique. Le support mécanique 8 est réalisé de manière à pouvoir se déplacer parallèlement à la surface 2 à observer. C'est ainsi par exemple que la figure 4 illustre le cas d'un montage~rdalisé à l'instar d'un chariot suspendu se déplaçant le long d'un rail-guide 9. On notera aussi que, telles que les positions du capteur d'images et de la source lumineuse ont été définies (axe du capteur perpendiculaire au plan de transition), le plan de l'image (plan de transition) est à une distance constante du capteur d'images quelle que soit la hauteur du support mécanique par rapport à la surface à observer. L'optique du capteur peut donc être ajustée au mieux afin d'obtenir une excellente définition de l'image en tous points du champ d'observation. Quant à la source lumineuse, on fera observer que pour une bonne mise en oeuvre de l'invention les rayons lumineux du faisceau émis et dirigés vers la surface à observer doivent être contenus dans au moins un plan formé par l'axe de cette source et par le bord droit 4 de la plaquette 3 et dans tout plan voisin non sécant de ce dernier. C'est une raison pour laquelle on choisira de pré férence une source linéaire du type de celle engendrée, par exemple, par une diode laser et on placera la "ligne d'émission" de cette source parallèlement au bord droit 4 de la plaquette 3.Le plan ainsi formé pourra faire, avec la surface à observer, un angle (q) (dit Hangle d'incidence" ou angle d'inclinaison du plan de transition) compris entre quelques degrés et 900 t de préférence cet angle sera de 450. Pour la mise en oeuvre de l'invention, il est également prévu un système de traitement et de mémorisation (non représenté sur les dessins) des signaux reçus du capteur. Le système de traitement restitue les coordonnées géométriques de chaque "ligne de transition clair-sombre" observée dans le réfkrenciel support mécanique. La mémorisation d ces valeurs permet la restitution des profils des sections droites de la même surface. Afin de mieux comprendre l'invention, on se référera à la figure 3 qui est un schéma explicatif. Pour un souci de simplification, le profil de la pièce à observer n'est pas celui des figures 1 et 2 mais plutôt celui correspondant à la demi-section droite représentée sur la partie I de cette figure 3. Lorsque pour l'observation de la surface 2 de cette pièce, on applique l'invention, le faisceau de rayons lumineux F émis sous un angle d'incidence oLde de 450 (voir partie II de la figure 3) définit une ligne de transition HIB. La position en hauteur de chacun des points de cette ligne de transition par rapport à la plaquette 3 dont on connatt l'altitude de référence R- peut o être facilement connue par les valeurs tB, tI, AH.En ce qui concerne les autres données de la géométrie du profil on remarquera en examinant la partie III de la figure 3 (qui est une vue perpendiculaire à la partie Il et qui correspond à ce qui est observé par le capteur 7) que la ligne CD est celle qui correspond à la demi-image du bord droit 4 de la plaquette 3, bord droit dont la longueur est connue avec précision. Cette connaissance sert de référence dimensionnelle. La ligne de transition observée est figurée par la ligne EFGJ. Du fait que la position géométrique de chacun des points photosensibles du capteur est parfaitement connue, il est possible de connaître les valeurs H' PI, PB par rapport à la référence CD.La position et la distance de chacun des points de la ligne EFGJ par rapport à cette référence peuvent ainsi être parfaitement déterminées à partir du moment où l'on a identifié la ligne CD par sa position et sa longueur et que l'on a étalonné en échelle et en position l'ensemble de l'image observée par le capteur 7. Cet étalonnage se fait par rapport au référenciel de mesure que constitue le support mécanique 8, compte tenu que l'on connatt également l'angle d'incidence (w;) du front de transition de lumière. Toutefois, on notera que l'image observée (ligne EFGJ) n'est pas une section droite. Pour reconstituer celle-ci, on effectuera une succession de mesures de plans décalés (par translation du support mécanique de l'ensemble) sur une longueur de déplacement correspondant au moins à e B H On comprendra aisément que tout système de calcul, de traitement et/ou de mémorisation de tout type approprié ne nécessitant pas être représenté et décrit ici, peut être u'tilisé selon l'invention. Un tel système devra bien entendu être adapté au fait que l'image de la surface à observer est déterminée en zones claires et zones sombres et que seules les positions des fronts de transitions devront être mémorisées et traitées.On comprendra aussi que l'on peut associer à de tels systèmes des systèmes de commande automatique d'une machine-outil ou d'un outil, par exemple une torche de soudage. On notera tout particulièrement qu'un ensemble réalisé selon l'invention permet de ne pas tenir compte des écarts de position et d'orientation du capteur d'images ou même des rapports de grossissement et des écarts de position de l'optique qui lui est associée. On peut donc remplacer tout ou partie de ces ensembles sans contraintes particulières de positionnement et de réglage des pièces concernées. Le positionnement mécanique précis de la source de lumière par rapport à la plaquette se réalise facilement avec une diode laser puisque par construction, la position gdomdtrique de la source par rapport à son boîtier est réalisée avec une excellente précision. Par ailleurs, la distance du plan de l'image à l'optique du capteur étant invariante quelle que soit la position du capteur par rapport à l'objet et en particulier son altitude, il est possible d'avoir constamment une parfaite définition de l'image sur le capteur. En outre, les composants pouvant être utilisés et les ensembles électroniques qui leur sont associés conduisent à prévoir un capteur de taille réduite, l'unité de traitement pouvant en être totalement indépendante et déportée. Un autre avantage du capteur réside dans ce qu'aucun composant mécanique mobile n'est utilisé ; le système étant entièrement statique présente une excellente robustesse aux chocs. L'invention trouve de nombreuses applications telles que dans le soudage automatique, le suivi de profil pour tout traitement de surface, le contrôle de qualité des pièces, le contrôle de position des pièces dans un assemblage, l'usinage automatique et autres applications ndsessi- tant la connaissance préalable du profil d'une pièce en vue de la commande d'un outil approprié. Il va du reste de soi que la présente invention n'a été décrite qu'd titre purement explicatif et nullement limitatif et que toute modification utile pourra y être apportée sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant la reconnaissance et la restitution du profil d'une section localisée de pièces variées, caractérisé par le fait qu'il consiste - à disposer d'une source lumineuse dont le faisceau de rayons est dirigé vers la surface de la pièce à observer ; - à interposer dans ledit faisceau une plaquette entre cette source et ladite surface à observer, de manière à définir avec le bord droit de cette plaquette un plan de transi tion de lumière, l'intersection de ce plan de transition avec la surface à observer définissant à son tour une ligne de transition clair-sombre - à disposer d'un capteur d'images dont le champ de vision inclut, d'une part, une longueur donnée de ladite plaquet te, et, d'autre part, ladite ligne de transition ;; - à identifier le bord droit de la plaquette dont la posi tion et la longueur sont connues pour étalonner en échelle et en position l'ensemble de l'image observée par le capteur par rapport à un référenciel de mesure connu ; - à reconnattre la position géométrique de chaque point de la ligne de transition clair-sombre vue par le capteur sur la surface à observer par rapport au bord droit de la plaquette pris comme référence ; - à utiliser un système de traitement et de mémorisation des signaux reçus du capteur pour restituer les coordonnées gdomdtriques de chaque ligne observée dans ledit référen- tiel de mesure ; et - en déplaçant le système de mesure (source, plaquette, capteur images) le bng de la surface à observer, à effectuer une succession de mesures décalées du profil et à restituer en trois dimensions la géométrie de la surface dans la zone observée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source est elle-même caractérisée par le fait qu'il soit possible de trouver au moins un plan passant par cette source tel que, en dehors de la zone source, les rayons au voisinage du plan soient quasi parallèles à ce plan ou contenus dans celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la source et la plaquette seront placées de telle sorte que le bord droit de la plaquette soit compris dans un des plans caractéristiques de la source, lequel correspondra donc au plan de transition. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on place la source lumineuse et la plaquette de telle façon que le plan de transition lumineux soit incliné par rapport à la surface à observer d'un angle compris entre quelques degrés et 900, avantageusement 450. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on place l'axe de l'optique de capteur selon un angle pris avantageusement perpendiculaire au plan de transition lumineux défini par le faisceau lumineux et le bord droit de la plaquette. 6. Moyens pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisés par le fait qu'ils consistent en un support commun (8) sur lequel sont montés ladite source lumineuse (1), ladite plaquette (3) et ledit capteur d'images (7), ledit support étant muni d'un dispositif (9) permettant son déplacement parallèlement à la surface de la pièce à observer (2), cet ensemble étant en relation avec un système électronique de traitement des données reçues par le capteur, de mémorisation et de commande des déplacements du support et/ou de l'outil. 7. Moyens selon la revendication 6, caractérisés par le fait que la plaquette est constituée par une pièce rectangulaire dont la face dirigée vers la source lumineuse est en un matériau réfléchissant diffusant et dont la dimension du bord droit définissant le plan de transition de lumière a une valeur connue ou bien comporte une zone en un matériau réfléchissant diffusant le long dudit bord droit, intercalée entre deux zones en un matériau absorbant la lumière, la valeur de l'intervalle entre ces deux zones étant connue. 8. Moyens selon la revendication 6 oW 7, caractérisés par le fait que la source lumineuse est de tout type approprié mais elle est de préférence choisie parmi les sources linéaires de type diode laser qui constitue une ligne d'émission lumineuse. 9. Moyens selon la revendication 8, caractérisés par le fait que lorsque cette source définit une ligne d'émission lumineuse, cette ligne est placée parallèlement audit bord droit de la plaquette. 10. Moyens selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisés par le fait que le capteur d'images (7) à points. photosensibles est avantageusement du type CCD. 11. Application du procédé et des moyens selon les revendications 1 - 10 dans le soudage automatique, le suivi de profil pour traitement de surface, le contrôle de qualité des pièces, le contrale de position des pièces dans un assemblage, l'usinage automatique et autres applications nécessitant la connaissance préalable du profil d'une pièce en vue de la commande d'un outil approprié.