Brevet FR2622968A1 — publié le 19890512

Procédé et dispositif pour effectuer le contrôle dimension- nel d'une pièce par voie optoélectronique La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique. Comme on le sait, il est d'une importance fondamentale de pouvoir effectuer des contrôles dimensionnels précis sur des pièces mécaniques produites par une ligne de montage. On pense, par exemple, au domaine de la construc- tion des véhicules automobile, de plus en plus automatisé, dans lequel il convient de maintenir sous un contrôle constant toutes les pièces qui sont mises en mouvement, à un rythme sans cesse plus élevé-, le long d'une ligne de montage. Dans le passé, le contrôle dimensionnel de la production de l'industrie automobile était généralement effectué à l'aide de calibres statiques traditionnels qui, bien évidemment, étaient mal adaptés à des contrôles à grande échelle. On a également développé des machines de mesure flexibles qui sont capables d'exécuter des programmes de mesure différenciés par modèle et par nombre de points mesurés sur chaque modèle. De telles machines, bien qu'elles permettent une amélioration sensible des prestations par rapport aux techniques antérieures, sont particuliè- rement coûteuses, nécessitent une manutention précise et constante et sont encore relativement lentes dans l'acquisition des données et par suite ne peuvent être affectées qu'à des essais statistiques exécutés sur la base.de plans d'échantillonnage prédéfinis. On a développé récemment des méthodes de mesure de type optoélectronique propres à être utilisées pour contrôler des caractéristiques prédéfinies de toutes les pièces en production. Selon ces méthodes, on mesure, à l'aide d'appareils optoélectroniques, des écarts des points de la pièce à contrôler par rapport aux points correspon- dants d'une pièce témoin appelée communément "master model". Les résultats de ces mesures dépendent naturelle- ment de la position et de la reproductibilité de la pièce témoin, ainsi que du positionnement de la pièce à contrôler par rapport au dispositif de relevé à l'instant o le relevé est réalisé. En outre, les résultats ne sont pas fournis en coordonnées absolues (celles rapportées à la pièce elle-même et indiquées sur le plan). Le but de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique, permettant d'évaluer toutes les pièces appartenant à une production entière au cours de leur mouvement sur une ligne de production et fournissant des données dimensionnelles en un système de référence absolue (par exemple le système de référence même de la pièce). En outre, les données précitées ne doivent pas dépendre, au moins entre certaines limites de tolérance, de l'orientation et du positionnement des pièces à contrôler sur la ligne de production. Ce but est atteint selon l'invention par un procédé pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations essentielles suivantes: - on dispose une pluralité de têtes de mesure tridimension- nelles de type optoélectronique dans une structure de support, de façon à connaître les positions relatives des têtes par rapport à ladite structure; - on positionne les têtes sur la pièce, de façon que des points de référence prédéfinis et des points à contrô- ler prédéfinis de la pièce soient encadrés par les têtes de mesure; - on relève, pour chacun desdits points, des premières coordonnées rapportées au système de référence de la tête de mesure; et - on convertit les premières coordonnées en des secondes coordonnées rapportées à un système de référence unique solidaire de la pièce à l'aide de transformations par rotation et translation appliquées aux premières coordon- nées. L'invention a également pour objet un dispositif pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend - une multiplicité de têtes de mesure de type optoélectro- nique affectées chacune à un ou plusieurs points à mesurer de la pièce et ancrées à une structure de support; - des premiers moyens de mémoire de paramètres de calibrage. de chacune des têtes de mesure par rapport à ladite struc- ture; et - une unité de traitement et de calcul reliée aux têtes de mesure et aux premiers moyens de mémoire, ladite unité étant propre à convertir des premières coordonnées relevées par chacune des têtes de mesure et rapportées à un système de référence associé à celle-ci en des secondes coordonnées rapportées à un système de référence unique solidaire de la pièce. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après d'un exemple de réalisation, et des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une partie d'un dispositif selon l'invention dans un exemple d'appli- cation; - la figure 2 est une représentation schématique par blocs d'une partie essentiellement électronique du dispo- sitif de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques d'éléments d'une pièce à contrôler considérée dans différents systèmes de référence; - la figure 5 est un organigramme d'une forme possible de réalisation d'un programme principal d'une unité arith- métique de traitement illustrée dans le schéma de la figure 2; et - la figure 6 est un organigramme agrandi relatif essentiel- lement à un bloc de l'organigramme de la figure 5. On se réfère en particulier à la figure 1, dans laquelle la référence 10 indique dans son ensemble un dispositif propre à effectuer le contrôle dimensionnel en séquence de pièces mécaniques 11 supportées au moyen d'une bande transporteuse 12 qui fait partie d'une ligne de montage (non représentée). Le dispositif 10 comprend un certain nombre de têtes de mesure 15 identiques, supportées par une structure 16 essentiellement constituée par une traverse 17 dont les extrémités opposées sont supportées par des montants 18 fixés rigidement au sol. Le dispositif 10 comprend en outre une unité électronique de traitement 20, présen- tant des entrées/sorties respectives reliées aux têtes de mesure 15, et munie d'une unité d'introduction 21 (dans le cas particulier un clavier) et de deux unités de sortie 22,23 (respectivement une unité vidéo et une imprimante). En se référant particulièrement à la figure 2, chaque tête de mesure 15 comprend essentiellement une caméra de télévision 25, un dispositif 26 générateur d'un faisceau laser 27, dont la puissance optique émise est réglable de façon continue et un dispositif d'illumination 28 à rayons infrarouges muni lui aussi d'un réglage continu de la puissance optique émise et réalisé avantageusement au moyen d'une pluralité de diodes lumineuses (non repré- sentées) disposées par exemple selon une couronne circulai- re autour de l'objectif de la caméra 25. L'unité de traitement 20 est constituée essentiellement par une unité 29 qui remplit la double fonction d'interface et de pré-traitement (filtrage, comparaison, etc.) des signaux provenant de la caméra 25 de chaque tête de mesure 15, par une unité 30 de traitement et de calcul, et par une pluralité de mémoires 31,32,33,34 qui sont représentées distinctes les unes des autres seulement par commodité. A la figure 3 est illustrée à plus grande échelle et en perspective une vue schématique d'une tête de mesure et de la partie correspondante de la pièce 11, dans laquelle on a, à titre d'exemple, fait apparaître un trou 35 dont on désire faire effectuer le relevé par la tête 15 précitée. Xh, Yh,Zh indiquent le système de référence de la tête de mesure 15 par rapport auquel celle-ci relève les valeurs des coordonnées du barycentre du trou 35, valeurs obtenues en combinant les indications obtenues en relevant, au moyen de la caméra 25, l'image sans le faisceau laser 27 et l'image avec ce faisceau laser, lequel présente une section transversale essentiel- lement laminaire de façon à produire sur la surface de la pièce 11 une trace 37. A la figure 4 est illustrée une partie de la pièce 11 comportant le trou 35 et trois points de référence 41,42 et 43, ainsi qu'un jeu de trois systèmes de référence Xmeas,Ymeas,Zmeas;Xref,Yref,Zref, etXmod,Ymod,Zmod. Le premier système de référence Xmeas,Ymeas,Zmeas est celui associé à l'ensemble des têtes de mesure 15 et à la structure de support 16. Le second système de référence Xref,Yref,Zref est celui engendré par les trois points de référence 41,42,43 soli- daires de la pièce 11. Le troisième système de référence Xmod,Ymod,Zmod est celui utilisé par le constructeur de la pièce 11 pour indiquer toutes les cotes des points et/ou des caractéris- tiques saillantes de celle-ci. Comme il sera expliqué plus loin, les valeurs des coordon- nées du barycentre du trou 35 sont converties par pas successifs en des coordonnées respectives rapportées à ces systèmes de façon à obtenir des valeurs de coor- données rapportées uniquement à la pièce 11. En bref, le procédé proposé par la présente invention pour effectuer le contrôle dimensionnel de la pièce 11 par voie optoélectronique requiert l'exécution des opéra- tions essentielles suivantes: - on dispose les têtes de mesure 15 dans la structure de support 16 de façon à connaître les positions relatives des têtes par rapport à la structure; - on positionne l'ensemble 10 sur la pièce 11 de façon que des points de référence prédéfinis et des points à contrôler prédéfinis de celle-ci soient encadrés par les têtes de mesure 15; - on relève, pour chacun des points précités, des premières coordonnées rapportées au système de référence Xh,Yh,Zh de la tête de mesure 15 correspondante; et - on convertit les premières coordonnées en des secondes coordonnées rapportées à un système unique de référence Xmod, Ymod,Zmod solidaires de la pièce 11 au moyen de transformations par rotation et translation appliquées aux premières coordonnées. On précise en outre qu'avant de relever les premières coordonnées, il est nécessaire de traiter, au moyen d'algo- rithmes de triangulation appropriés, les informations obtenues à partir des différentes caméras 25, dans le but d'extraire les caractéristiques physiques intrinsèques des objets à mesurer, par exemple le barycentre d'un trou. De telles opérations sont facilitées par l'emploi de dispositifs d'illumination à rayons infrarouges, afin d'obtenir une meilleure caractérisation des images et par suite une reconnaissance plus facile et plus rapide de celles-ci, laquelle reconnaissance se produit sur le plan de la caméra et fournit ainsi une mesure bidimension- nelle du point examine. La séquence détaillée des opérations exécutées sous le contrôle de l'unité de traitement 20 pour effectuer le contrôle dimensionnel de la pièce 11, en particulier pour relever les coordonnées du barycentre du trou 35, est décrite ci-après, en se référant particulièrement aux figures 5 et 6. On arrive tout d'abord à un bloc 50 qui a pour fonction de faire enregistrer par chacune des caméras 25 l'image correspondante en présence du faisceau laser 27 émis par le dispositif 26 correspondant. Parallèlement, la prise de la même image sans faisceau laser est effectuée grâce au bloc 51. Les résultats des deux prises de vues ci-dessus sont envoyés à un bloc 52 qui en effectue la différence de façcon à obtenir comme résultat les seules informations relatives à la trace 37 (voir figure 3). On arrive ensuite à un bloc de traitement 53 dans lequel sont effectués des prétraitements de l'image obtenue dans le but de mieux mettre en évidence les zones d'intérêt (dans le cas présent le contour du trou 35). Dans ces conditions de fonctionnement, il est nécessaire que les générateurs de faisceau laser soient réglés de façon à obtenir le relief optique maximal de la trace lumineuse 37 sur la surface de la pièce 11. Plus particulièrement, le bloc 53 traite l'image dérivant des différentes trace laser 37 consécutives à la projec- tion des plans laser sur la pièce 11 en translation au- dessous des têtes de mesure 15 et fournit, pour chaque segment de traces laser 37, les valeurs des coordonnées du barycentre, les coordonnées des points du contour, les valeurs de l'aire et des moments de premier et deuxième ordres. Connaissant les coordonnées des.segments de lame laser rapportées au repère identifié (dans le cas présent, le trou 35), on passe au bloc de calcul 54, lequel, tenant compte du fait que chaque point du faisceau laser 27 doit se situer sur le plan de son dispositif générateur 26, reconstruit la position spatiale du point recherché au moyen d'un algorithme de triangulation défini par l'ensemble d'équations suivant: Equations perspectives de chaque caméra 26: (x-xt)*all+(y-yt)*a21+(z-zt) *a31 xi = f * -- (1) (x-xt)*al3+(y-yt)*a23+(z-zt)*a33+f (x-xt)*al2+(y-yt) *a22+(z-zt)*a32 yi = f * (2) (x-xt)*al3+(y-yt)*a23+(z-zt)*a33+f Equation du plan laser: O =A*x + B*y + C*z + D (3) o: xi,yi = coordonnées de l'image des points d'intérêt de la lame laser; x,y,z = coordonnées spatiales inconnues dans le système de référence (Xh,Yh,Zh) de la tête de mesure; aij = cosinus directeurs de la matrice de rotation du système de référence de la caméra par rapport au système de référence de la tête de mesure; xt,yt,zt = translations caméra-tête de mesure; f = distance focale de la caméra; A,B,C,D = coefficients du plan de lumière du projecteur laser définis dans le système de référence de la tête de mesure. Les valeurs de aij; xt,yt,zt; f; A,B,C,D sont relatives à des données de calibration de chaque tête de mesure et sont rendues disponibles au moyen d'un bloc de mémoire auquel correspond par exemple la mémoire 31 dans le schéma de la figure 2. La solution des équations (1), (2) et (3) fournit les valeurs cherchées pour les coordonnées x,y,z des points d'intérêt de la lame laser. Les valeurs ainsi obtenues permettent, au moyen d'un autre bloc de traitement 56, l'identification de la coor- donnée z du trou 35, liée à la coordonnée z de la lame par les relations géométriques déterminées par les caracté- ristiques du détail encadré. On arrive ensuite à un bloc 57 qui a pour fonction, au cas o la pièce 11 ne serait pas correctement positionnée, d'apporter à l'aide d'un algorithme approprié les adapta- tions nécessaires à la valeur de la coordonnée calculée, déduisant la valeur de la coordonnée zpt utilisée par un bloc suivant 58. Du bloc 57, on arrive à un bloc de calcul 58 ayant une première entrée o sont disponibles les données de cali- bration de la tête de mesure contenues dans le bloc 55. Une seconde entrée du bloc 58 est reliée à la sortie d'un ensemble de blocs 60,61,62 disposés en série, qui déterminent respectivement le déroulement des opérations suivantes: bloc 60: acquisition, au moyen de la caméra 25, de l'image illuminée par le dispositif d'illumination 28; bloc 61: traitement de l'image obtenue avec le dispositif d'illumination 28; bloc 62: calcul des coordonnées de la cible (trou 35) dans le plan image. Le bloc 58 a pour fonction de résoudre le système d'équa- tions prospectives suivant. Equations prospectives de chaque caméra 26: (xpt-xt)*all+(ypt-yt)*a21+ (zpt-zt)*a31 xipt = f* xpt-xt)*al3+(ypt-yt)*a23+(zpt-zt)*a33+f (xpt-xt)*al2+(ypt-yt)*a22+(zpt-zt) *a32 yipt = f* -- (xpt-xt)*al3+(ypt-yt)*a23+(zpt-zt)*a33+f o xipt,yipt = coordonnées de l'image du- barycentre du trou; xpt,ypt,zpt = coordonnées spatiales du trou dans le système de référence (Xh,Yh,Zh) de la tête de mesure; f = distance focale de la caméra. Les résultats de la transformation perspective opérée par le bloc 58 apparaissent dans un bloc de mémoire 65. Ensuite, en tenant compte de la position de chaque tête de mesure 15 par rapport à la structure 16 (position mémorisée dans un bloc 66, auquel correspond une position de mémoire indiquée par 32 dans le schéma de la figure 2), dans un bloc 67, on transforme les valeurs xpt,ypt,zpt en les valeurs Xmeasp,Ymeasp,Zmeasp relatives au système de référence de base Xmeas,Ymeas,Zmeas (figure 4) commun à toutes les têtes de mesure 15, et on transmet ces valeurs à un bloc de mémoire 68 (figure 6) qui fait partie d'un bloc 70 de traitement et de calcul. Référence étant faite particulièrement à l'organigramme de la figure 6 (qui constitue une dilatation de l'organi- gramme de la figure 5) et à la figure 4, on procède essen- tiellement à la conversion des coordonnées Xmeasp,Ymeaspy Zmeasp relatives au barycentre du trou 35 en des coordon- nées correspondantes rapportées à un système de référence (Xmod,Ymod,Zmod) propre à la pièce 11, en suivant la procédure exposée ci-dessous à l'intérieur d'un bloc de traitement et de calcul 70. En particulier, on définit tout d'abord un système de mesure (Xref,Yref,Zref) solidaire de la pièce 11 en rele- vant sur ce dernier les coordonnées des trois points de référence 41,42, 43 cités plus haut (voir figure 4), au moyen d'une commande produite par un bloc 71. Ces trois points définissent un plan sur lequel on place par exemple les axes Xref,Yref,Zref. L'axe Zref est choisi perpendiculairement au plan précité et de façon à rencon- trer ce plan en coincidence de l'un de ces points (par - exemple le point 42). Le nouveau système de référence étant défini, à travers une transformation géométrique de type classique effectuée au moyen d'un bloc de calcul 72, on arrive à un bloc 73 dans lequel apparaissent les coordonnées du trou 35 (Xrefp,Yrefp,Zrefp) dans le dernier système de référence défini. Ce système est certes solidaire de la pièce 11. Cependant, comme il ne coincide généralement pas avec le système de référence (Xmod,Ymod,Zmod) utilisé par le constructeur ou par le dessinateur de la pièce 11 pour définir les coordonnées (Xmodp,Ymodp, Zmodp) du trou , on réalise une nouvelle transformation géométrique. Cette dernière est effectuée dans un bloc de calcul 75, en utilisant les données théoriques relatives aux coordon- nées des points de référence fournies par le constructeur de la pièce 11 et mémorisées dans un bloc 76, groupées par exemple avec les données théoriques relatives aux coordonnées des points (trou 35, etc) soumis à contrôle dimensionnel. Les données contenues dans le bloc 76 concour- rent à définir, dans un bloc 77, la corrélation entre le système de référence (Xref,Yref,Zref) basé sur les points de référence 41,42,43 et le système de référence théorique (Xmod,Ymod,Zmod) de la pièce 11. Le résultat de la transformation géométrique des coordon- nées Xrefp,Yrefp,Zrefp effectuée au moyen du bloc 75 détermine comme résultat la définition des coordonnées Xmodp,Ymodp,Zmodp relevées par le dispositif 10 et repor- tées dans le système de mesure adopté par le dessinateur ou par le constructeur de la pièce 11. Ces coordonnées sont rendues disponibles dans un bloc de mémoire 78 d'o on peut les prélever pour les faire apparaître sur l'unité vidéo 22 ou sur l'unité imprimante 23. En outre, les coor- données mémorisées dans le bloc 78 sont comparées à l'inté- rieur d'un bloc 79 aux valeurs théoriques mémorisées dans le bloc 76, de façon à obtenir une éventuelle indica- tion relative à l'écart qu'elles présentent par rapport aux valeurs théoriques correspondantes. Les avantages procurés par la présente invention ressortent clairement de l'exposé du procédé et du dispositif. Avant tout, étant observé que le dispositif 10 peut effec- tuer le contrôle dimensionnel d'une pièce en un temps extrêmement limité et, de toute façon, inférieur à la cadence normale d'avance des pièces le long de la ligne de production, il apparaît immédiatement que ce dispositif peut être utilisé pour évaluer du point de vue dimensionnel toutes les pièces appartenant à une production entière pendant leur mouvement le long de cette ligne. En outre, la possibilité d'obtenir des données dans le système de référence du constructeur ou du dessinateur des pièces rend extrêmement facile l'utilisation de ces données. Enfin, la création d'un système de référence basé sur le relevé de points de référence prédéfinis disposés sur la pièce permet d'exécuter des mesures correctes même quand la pièce est déplacée par rapport à une position préférée de mesure, ce qui est sans aucun doute avantageux par rapport au dispositif qui utilise le procédé de mesure prévoyant la comparaison avec une pièce étalon (master model) comme décrit ci-dessus. Enfin, des'modifications et des variantes peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits sans sortir de l'invention. Par exemple, les têtes de mesure pourraient être modifiées pour comporter l'emploi de plusieurs caméras, dispositifs d'illumination laser et dispositifs d'illumination à rayons infrarouges et non. Par ailleurs, les opérations exécutées en séquence par l'unité de traitement 20 et illustrées dans les organigrammes des figures 5 et 6 peuvent être modifiés tout en conservant le principe de fonctionnement décrit. Enfin, le nombre des points de référence sur la pièce 11 pourrait être supérieur à trois. Revendications 1. - Procédé pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations essentielles suivantes: - on dispose une pluralité de têtes de mesure tridimension- nelles (15) de type optoélectronique dans une structure de support (16) de façon à connaître les positions rela- tives des têtes (15) par rapport à ladite structure (16); - on positionne les têtes sur la pièce (11) de façon que des points de référence prédéfinis (41,42,43) et des points à contrôler prédéfinis (35) de la pièce soient encadrés par les têtes de mesure (15); - on relève, pour chacun desdits points (41,52,43,35), des premières coordonnées rapportées au système de réfé- rence de la tête de mesure (15); et - on convertit les premières coordonnées en des secondes coordonnées rapportées à un système de référence unique solidaire de la pièce (11) à l'aide de transformations par rotation et translation appliquées aux premières coordonnées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une opération de définition du système de référence solidaire de la pièce par relevé desdits points de référence prédéfinis (41,42,43) de la pièce (11). 3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que chaque tête de mesure (15) comprend au moins un dispositif d'illumination à lumière laser et au moins une caméra de télévision, et en ce que le procédé - comprend une opération de relevé subdivisée en au moins deux phases au cours desquelles le relevé des premières coordonnées est effectué par la caméra de télévision, respectivement en présence et en l'absence de la lumière émise par le dispositif d'illumination à lumière laser. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, chaque tête de mesure comprenant au moins un dispositif d'illumination auxiliaire, ladite opération de relevé prévoit une phase durant laquelle le relevé des coordonnées est effectué par la caméra de télévision en présence du seul rayonnement émis par le dispositif d'illumination auxiliaire. 5. - Dispositif pour effectuer le contrôle dimensionnel d'une pièce par voie optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend: - une multiplicité de têtes de mesure (15) de type optoé- lectronique affectées chacune à un ou plusieurs points à mesurer de la pièce (11) et ancrées à une structure de support (16); - des premiers moyens de mémoire de paramètres de calibrage de chacune des têtes de mesure (15) par rapport à ladite structure (16); et - une unité de traitement et de calcul (20) reliée aux têtes de mesure (15) et aux premiers moyens'de mémoire, ladite unité étant propre à convertir des premières coor- données relevées par chacune des têtes de mesure (15) et rapportées à un système de référence associé à celle-ci en des secondes coordonnées rapportées à un système de référence unique solidaire de la pièce (11). 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des têtes de mesure (15) comprend au moins une caméra de télévision et au moins un dispositif (26) générateur d'un faisceau de lumière laser (27). 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la caméra de télévision (25) présente un axe de prise propre qui forme un angle prédéfini avec un axe du faisceau laser (27). 8. - Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le faisceau laser (27) présente une section transversale essentiellement laminaire. 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que chacune des têtes de mesure (15) comprend au moins un dispositif d'illumination addi- tionnel (28). 10. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que ladite structure (16) comporte une traverse (17) supportant les têtes de mesure (15). 11. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 10, caractérisé en ce que l'unité de traitement (20) comprend des moyens de mémorisation de données des coordon- nées théoriques desdits points de la pièce (11) rapportées au système de référence solidaire de la pièce (11). 12. - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de comparaison des coor- données relevées aux coordonnées théoriques et de production d'indications relatives à l'écart des premières par rapport aux secondes. 13. - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de visualisation (22,23) des coordonnées relevées et/ou dudit écart. 14. - Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de visualisation comprennent au moins une unité vidéo (22) et/ou au moins une unité im- primante (23).