Brevet FR2601128A1 — publié le 19880108

La présente invention se rapporte à un rugosimètre à source laser pour l'analyse et le contrôle de la microgéométrie des surfaces mécaniques, notamment l'état de surface des pièces usinées. Le contrôle rugosimétrique de surface et, plus généralement, le contrôle de la microgéométrie des surfaces mécaniques s' avèrent de la plus haute importance en production industriel le continue ou semicontinue. En effet, la qualité de l'état de surface d'un produit permet de garantir, d'emblée et de façon certaine, des propriétés fonctionnelles. Par ailleurs, son contrôle peut servir de commande à un asservissement agissant sur les divers paramètres régissant le procédé de fabrication en vue de la maîtrise de la qualité en ce qui concerne la surface. Bien entendu, le seul contrôle de la rugosimétrie de surface ne suffit pas à maîtriser totalement le procédé mais, selon le type de produit, il convient parfaitement en apportant une aide notable dans la conduite de sa fabrication. Ce besoin se fait sentir dans tous les domaines mécaniques où il apparaît important de pouvoir connaître la qualité de surface pendant ou après usinage en vue de son traitement ultérieur. Ce besoin a donné naissance à de nombreuses réalisations de rugosimètres utilisant divers principes. Nous ne nous intéressons ci-après qu'aux rugosimètres optiques, les rugosimètres mécaniques ne présentant aucune analogie avec celui de l'invention en ce qui concerne les moyens mécaniques et les performances. En effet, un des objectifs visés par l'invention concerne la précision de détection des défauts ou d'un état de rugosité qui permet d'envisager son utilisation pour le contrôle de l'état de surfaces planes sortant d'usinage, afin d'apprécier avec grande précision la qualité du fini superficiel des pièces. L'art antérieur comprend divers types de rugosimètres optiques que nous pouvons regrouper en plusieurs catégories distinctes déterminées par l'association de moyens et les modes de réalisation et de fonc t i onnement. Il existe différentes méthodes dtinter- férométrie holographique adaptées à la mesure de rugosité des surfaces de qualité optique. Tout d'abord, les ensembles de mesure utili- sant l'interférométrie holographique simple. Dans ces ensembles, on éclaire la surface à analyser par une première composante d'un faisceau de lumière cohérente, une deuxième composante qui n' a pas été influencée par la surface forme un hologramme de celle-ci sur un matériau photosensible. On fait interférer une surface parfaitement polie avec la surface à mesurer. Cette méthode, très précise, est réservée à des rugosités très faibles de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Par ailleurs, ces ensembles de mesure présentent les inconvénients de la méthode de mesure par interférence, à savoir : difficulté d'analyse et d'interprétation en milieu industriel, quasi impossibilité d'utilisation en mouvement continu et mise en oeuvre d'un matériel onéreux. D'autres ensembles de mesures procèdent par la corrélation temporelle ou spectrale ou par interférométrie granulaire en utilisant la granularité laser. Ces ensembles fonctionnent dans la gamme dix microns-millimètre qui ne concerne pas l'invention. L'état de la technique peut par ailleurs être illustré par les brevets suivants. Selon le brevet français nO 2465993 , déposé par le CENTRE DE RECHERCHE METTALURGIQUE, on éclaire la surface à analyser ou à contrôler par un faisceau laser et on détermine l'angle d'ouverture ou l'intensité du faisceau réfléchi ou d'une partie de ce faisceau pour obtenir une indication sur le degré rugosimétrique de la surface. Selon une variante de cette invention, on reçoit le faisceau réfléchi sur un obturateur en mouvement comportant des alternances de zones opaques et de zones transparentes et on mesure la composante alternative du signal fourni. Ce système met en oeuvre des moyens mécaniques à éléments tournants sur le trajet du signal qui ne permettent pas d'envisager un emploi fiable en milieu industriel. D'autres dispositifs, comme ceux décrits dans le brevet français nO 2343222 au nom de l'A.N.V.A.R., font appel à des ensembles optiques à miroirs multiples permettant d'obtenir des rayons incidents et réfléchis parallèles pour déterminer, par mesure des flux spéculaires del'échantillon, le critère de rugosité. Un autre appareil, objet du brevet français nO 2439976 au nom de FIAT, comprend un laser éclairant l'échantillon à travers un miroir semi-transparent, un miroir oscillant et une lentille cylindrique. Un photomultiplicateur monté à l'extrémité de la ligne optique reçoit le faisceau réfléchi. Le signal de sortie est converti dans un convertisseur analogique numérique et délivré à plusieurs circuits de mémorisation et à un calculateur qui affiche en chiffres les caractéristiques de rugosité. Dans cet exemple, le balayage de la surface est provoqué par le miroir pivotant entraîné en mouvements oscillants par un dispositif électromagnétique. Cette caractéristique constitue la faiblesse de cet ensemble dont la fiabilité n'est pas assurée. Par ailleurs, le photomultiplicateur amplifie les signaux parasites et conduit à des erreurs de mesure. La présente invention a pour but de remédier à ces différents inconvénients en proposant un rugosimètre à source laser de grande précision d'utilisation aisée, offrant une mesure ou un controle immédiat et un temps de réponse faible. A cet effet, la mesure de rugosimétrie conforme à l'invention se montre remarquable en ce que l'on forme et on analyse la transformée de Fourier optique du faisceau retour : réfléchi, diffracté et diffusé par la zone élémentaire éclairée à analyser, que l'on acquiert et l'on analyse l'image formée sur une matrice par échantillonnage matriciel puis traitement numérique. Le rugosimètre destiné à la mise en oeuvre du procédé ci-dessus se caractérise en ce qu'il comprend une source laser envoyant son faisceau sur uÀe zone élémentaire à mesurer selon un axe d'analyse perpendiculaire à la surface à analyser et à travers un collimateur et un miroir semi-transparent placé sur les trajets des faisceaux incident et retour, d'un dispositif optique convergent recevant le faisceau retour formé du faisceau réfléchi, diffracté et diffusé par la zone élémentaire éclairée pour la formation de la transformée de Fourier optique sur un réseau de détection de l'image, réseau relié à une unité informatique pour l'acquisition et l'analyse de l'image. Le rugosimètre selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport à ceux existant dans l'art antérieur I II n'existe aucun faisceau de référence, les mesures s'effectuent en direct aucun réglage ou calage initial sur une pièce échan tiglon ; aucun déplacement du faisceau par rapport à la pièce pour créer un balayage . aucun contact avec le produit, par conséquent aucune perturbation engendrée ; possibilité d'analyser en surface. De façon générale, l'originalité de la mise en oeuvre des moyens constitutifs permet de fournir des grandeurs caractéristiques nouvelles des surfaces mécaniques en lieu et place des critères classiques qui, eux, sont sans liaison avec les propriétés fonctionnelles des surfaces contrôler rapidement la constance de la qualité de production. Par ailleurs, les essais ont montré l'étendue exceptionnelle de la gamme de mesure de rugosité avec ce type d'appareil qui s'étend de 0,05 à 2 microns pour la lumière visible et de 2 à 10 microns pour la lumière infrarouge couvrant largement les rugosités rencontrées couramment dans le domaine des industries mécaniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après effectuée à titre d'exemple sur un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins accompagnants, dessins dans lesquels . La figure 1 est une vue schématique il lustrant le principe du rugosimètre selon l'invention, dans la quelle les irrégularités de la pièce ont été forte ment agrandies . la figure 2 est une vue schématique de la chaîne com posant le rugosimètre selon l'invention, dans laquelle on forme l'image sur un réseau de détection à transfert de charges . la figure 3 est le schéma synoptique de la chaîne de mesure . la figure 4 est le schéma synoptique complet du sys tème d'exploitation . Les figures 5 à 7 sont des représentations graphiques de transformées optiques caractéristiques et de leur distribution d'intensité lumineuse correspondant à diverses rugosités - figure 5 rugosité faible - figure 6 rugosité moyenne - figure 7 rugosité plus importante. . les figures 8 et 9 sont les représentations graphi ques des distributions en intensités et fréquences correspondant à une ligne d'analyse sur la transfor mée de Fourier optique de la zone élémentaire de mesure: - la figure 8 est la représentation graphique du profil de la transformée de Fourier optique selon une ligne caractéristique de la matrice de détection - la figure 9 est le spectre de rugosité corres pondant au profil de la figure 8. L'invention procède de l'application de la transformée de Fourier optique obtenue en projetant un faisceau laser chargé après réflexion, diffraction et diffusion contre une surface à travers un ensemble optique convergent. Dans les cas envisagés, il s'agit notamment d'un faisceau laser envoyé perpendiculairement et réfléchi, diffracté et diffusé par une surface 1 immobile ou en mouvement, défilement continu ou autre, selon une zone élémentaire 2 de mesure correspondant à l'impact du faisceau laser d'étendue faible, de l'ordre 2 2 du mm ou du cm I I s'agit de surfaces diverses : tôles à la sortie des laminoirs, surfaces optiques, miroirs et autres, pièces de précision après usinage ou traitement de surface mais aussi des formes d'extrémité : bords ou arêtes d'outils de coupe, bords d'attaque de forets et autres, pour lesquelles on opère en éclairage rasant. Chaque variation ou disparité élémentaire dans l'état de surface de la zone élémentaire 2 analysée par rapport à l'état de surface estimé parfait, ctest-à-dire lisse et d'une grande uniformité, constitue une source de diffraction et de diffusion. La transformée de Fourier optique du faisceau retour image directement le phénomène réflexion-diffraction -diffusion du faisceau laser sur la surface à mesurer et permet d'obtenir un spectre de rugosité ou toute autre valeur caractéristique utile de la rugosité ou de la microgéométrie de surface moyennant un traitement numérique approprié. Ainsi la distribution en intensité du signal dans le plan de Fourier est liée à la microgéométrie de surface et, par conséquent, à I 'état de surface d'une pièce mécanique à contrôler. La méthode d'analyse selon l'invention convient pour un matériau opaque, ou semi-opaque c'est-à-dire susceptible de réfléchir un faisceau incident de lumière, ce qui est le cas des pièces mécaniques usinées mais aussi des matériaux translucides tels que le verre. Le procédé de mesure et d'analyse est décrit ci-après simultanément avec l'appareil. On éclaire en continu sur une surface 1, mécanique ou optique ou autre, une zone élémentaire 2 2 de mesure dont l'étendue peut varier de quelques mm à quelques cm2, sur la surface 1 à analyser ou à contrôler par un faisceau de lumière cohérente 3 émis par une source laser 4 et agrandi par un collimateur 5 puis envoyé à travers un miroir semi-transparent 6 sur ladite surface 1 à analyser. La source laser 4 est disposée de préférence transversalement par rapport à l'axe d'analyse 7 perpendiculaire à la surface à analyser ou tout au moins à la zone élémentaire 2 déterminant la direction du faisceau. Le miroir semi-transparent 6 dévie le fais ceau 3 et l'envoie selon un faisceau incident 8 en direction frontale contre la surface 1 à analyser perpendiculairement à la zone élémentaire 2 de mesure. Le faisceau retour 9 est la composition des faisceaux, réfléchi, diffracté et diffusé. II est dit chargé car porteur des informations sur l'état de surface au niveau de la zone de mesure 2. I I traverse selon l'axe d'analyse 7 le miroir 6 et un dispositif optique convergent 10 ou une lentille holographique formant dans son plan focal la transformée de Fourier optique de la zone élémentaire 2 de mesure de la surface 1 à analyser ou à contrôler. Au plan focal du dispositif convergent 10 ou plan de Fourier se trouve formée une image virtuelle ou réelle constituant la transformée de Fourier optique de la zone élémentaire 2 de mesure qui impressionnera un réseau de détection 11, formé de capteurs optoélectroniques, image qui sera transmise directement ou numérisée et transmise à un ensemble d'acquisition d'image exploité par une unité informatique 12. La surface 1 à analyser ou à contrôler est immobile ou en mouvement par exemple en défilement comme indiqué par des flèches sur la figure 1. La formation réelle ou virtuelle de l'image au plan de Fourier est suivie d'une détection optoélectronique puis d'une phase d'acquisition et d'analyse d'image. A titre illustratif on a représenté sur les figures 5, 6 et 7 les images recueillies au plan de Fourier pour divers états de rugosité mesurables avec le rugosimètre selon l'invention une rugosité faible, inférieure à 0,5 micron, par exemple un miroir (figure 5), avec un pic d'intensité étroit, traduisant la réflexion parfaite ; une rugosité moyenne de l'ordre du micron (figure 6), avec un pic d'intensité moins marqué, traduisant une réflexion spéculaire et diffuse une rugosité supérieure, par exemple de quelques microns (figure 7), avec un maximum très arrondi traduisant une réflexion diffuse. Les images de Fourier sont des taches concentriques plus ou moins diffuses qui sont numérisées et analysées par le système informatique 12. Selon une première variante, on forme au plan focal l'image réelle de Fourier sur un plan de visualisation 13, par exemple sur un écran translucide 14 en étroite liaison ou contact avec un réseau 15 de détecteurs, par exemple à photodiodes en disposition matriciel le que l'on scrute par un échantillonnage matriciel. L'image peut également être captée et transmise en signal vidéo par une caméra vidéo 16 à rétine sensible 17 équipée d'un réseau matriciel de détecteurs à transfert de charges dits C.C.D. On procède ensuite à la phase d'acquisition numérique de l'image. L'image est numérisée par un bloc de numérisation du type convertisseur analogique/numérique 18 et stockée dans une mémoire tampon 19 faisant partie d'une interface 20 en liaison avec un signal de référence provenant de l'émetteur laser à travers un bloc de détection 21. L'image numérisée est analysée et traitée numériquement dans l'unité informatique 12 comprenant une unité de traitement numérique performante 22 ou un microordinateur équipé d'une interface vidéo 23 dans le cas d'une caméra vidéo fonctionnant à partir d'un logiciel spécifique de traitement d'image en vue d'obtenir un histogramme de rugosité pour chaque ligne de balayage ou d'échantillonnage d'analyse de l'image de Fourier ou spectre de rugosité, ctest-à-dire la représentation spatiale de la rugosité selon la figure 9 à partir des variations corrélatives d'intensité. Selon le cas, on pourra rendre compte du résultat par une imprimante alphanumérique 24 ou graphique ou une table traçante 25 avec visualisation supplémentaire à l'écran 26. Bien entendu, les résultats seront stockés sur disquette ou disque magnétique 27. Ils seront exprimés sous diverses formes utiles à leur exploitation industrielle. Ainsi, on peut prévoir une sortie numérique de commande 28 permettant d'agir par un circuit approprié sur les commandes des caractéristiques physiques et industriel les de production, notamment celles conditionnant la qualité. En raison de certaines exigences d'exploitation on envisage la comparaison permanente avec les caractéristiques de rugosité d'un étalon de rugosité mises en mémoire en vue d'un asservissement en qualité. Selon les essais déjà effectués on peut supposer que le temps d'acquisition et d'analyse ne dépassera pas quelques mi I I isecondes. I I est possible d'envisager dans ces conditions un contrôle sur un produit en mouvement à des vitesses importantes, même supérieures à dix mètres par seconde. Un exemple d'application pratique peut être trouvé dans le contrôle de l'état de surface des pièces mécaniques usinées. L'invention décrite ci-dessus pourra varier légèrement, subir des modifications simples et directes, substitutions par des éléments et moyens équivalents, adjonctions d'éléments inopérants et autres altérations sans apport inventif, sans pour autant sortir du cadre de la présente protection. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination d'un état de microgéométrie de surface et notamment d'une rugosité par exploitation d'un faisceau de lumière cohérente ayant interagi avec une zone élémentaire (2) d'une surface à analyser, objet ou pièce mécanique, et ayant été modulée par elle, caractérisé en ce que l'on envoie sur la zone élémentaire (2) à mesurer de la surface (1) d'un objet, pièce mécanique ou autre, un faisceau laser (3), que l'on forme à l'aide d'un dispositif optique convergent (10) la transformée de Fourier optique du signal laser provenant de la zone élémentaire (2) de mesure à partir du faisceau laser réfléchi (9), que l'on impressionne un réseau matriciel de détection (11) avec l'image existant au plan focal du dispositif convergent (10), que l'on scrute l'image ainsi formée par un réseau de détection d'image à échantillonnage matriciel, que I l'on numérise l'image, que l'on enregistre l'image dans une mémoire tampon, que l'on traite et analyse cette image par une unité informatique (12) pour établir un spectre de rugosité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on compare les caractéristiques de rugosité de la surface à analyser avec celles de l'étalon de rugosité préalablement enregistrées en mémoire de l'unité informatique (12). 3. Rugosimètre à source laser pour l'analyse et le contrôle des défauts de microgéométrie de surface, notamment des surfaces mécaniques caractérisé en ce qu il se compose d'une source laser (4) envoyant son faisceau sur la zone élémentaire (2) à mesurer selon un axe d'analyse (7) perpendiculaire à la surface (1) à analyser et à travers un collimateur (5) et un miroir semi-transparent (6) placé sur les trajets des faisceaux incidents (8) et retour (9), d'un dispositif optique convergent (10) recevant le faisceau retour (9) formé du faisceau réfléchi, diffracté et diffusé par la zone élémentaire (2) éclairée pour la formation de la transformée de Fourier optique sur un réseau de détection (11) de l'image, réseau relié à une unité informatique (12) pour l'acquisition et l'analyse de l'image. 4. Rugosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif optique convergent (10) est une lentille holographique. 5. Rugosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réseau de détection d'image (11) est une matrice de capteurs optoélectroniques. 6. Rugosimètre selon la revendication 5 caractérisé en ce que le réseau de détection d'image est une matrice de photodiodes. 7. Rugosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réseau de détection (11) est une caméra vidéo (16) reliée à l'unité informatique (12) par une interface vidéo (23). 8. Rugosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la caméra (16) est une caméra à rétine sensible (17) formée par un réseau de détecteurs à transfert de charge et à échantillonnage matriciel. 9. Rugosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réseau de détection est suivi d'un bloc de numérisation (18) relié à une mémoire tampon (19) et à une interface (20). 10. Rugosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'unité informatique (12) comprend une unité de traitement numérique ou un micro-ordinateur (22) équipé d'une interface (23) et/ou (20) et d'au moins une table traçante ou imprimante graphique (25) en vue de visualiser un histogramme de rugosité ainsi qu'une sortie numérique (28) de commande.