Brevet FR2613265A1 — publié le 19881007

La présente invention a pour objet un dispositif mécanique permettant la reconnaissance automatique de profils de type en V et notamment de lignes de soudure devant constituer des joints à souder. L'enregistrement des données mathématiques relevées au cours de la reconnaissance du profil des joints permet, à l'aide d'un calculateur électronique, de programmer automatiquement le suivi, par une torche à souder, de joints intervenant dans l'assemblage ou la réalisation de pièces industrielles. Il est ainsi possible de réaliser, de manière automatique, le soudage de joints, et de manière plus générale, de programmer automatiquement le suivi d'un profil par un outil approprié pour réaliser ensuite une pièce selon le profil reconnu. Jusqu'à présent, l'automatisation du soudage de joints de forme complexe était subordonnée à une étude géométrique des lignes de soudure et impliquait des calculs suivis d'écriture de logiciels, souvent longs et coûteux, de pilotage d'un robot de soudage. Les dispositif ou robots connus actuellement n'ont, en outre, pas donné satisfaction car ils ne permettent pas d'enregistrer des données suffisantes pour que la torche de soudure soit parfaitement guidée afin de réaliser une liane de soudure correcte, entre deux pièces industrielles, et notamment lorsque la ligne de soudure n'est pas rectiligne ou circulaire. Le dispositif mécanique de reconnaissance objet de la présente invention permet, grâce à un logiciel de commande établi une fois pour toutes, d'automatiser le soudage de points de joints de géométrie complexe sans aucun calcul préliminaire. Les joints reconnus sont du type en V (ou X) et peuvent décrire une courbe gauche dans l'espace. L'invention trouve une application particulièrement intéressante au soudage de pièces d'épaisseur supérieure à 20 mm. Conformément à l'invention, le dispositif mécanique de reconnaissance automatique de profils de type en V et notamment de joints pour pièces industrielles, plus particulièrement pour pièces comportant un joint continu selon une courbe gauche dans l'espace, à l'aide d'un robot pouvant être commandé suivant des mouvements orthogonaux et circulaires donnant cinq degrés de liberté au moins, un capteur relié à un calculateur électronique étant prévu pour chacun des degrés de liberté du dispositif mécanique est caractérisé en ce que, pour la reconnaissance du profil et donc l'enregistrement des coordonnées dans l'espace de points successifs formant le profil, on fixe, à la place de l'outil d'usinage et notamment de la torche pour la soudure, un mécanisme présentant un élément central animé d'au moins quatre degrés de liberté et présentant à sa partie inférieure des volets articulés l'un à l'autre suivant le sens de déplacement du dispositif et reliés par des moyens appropriés à des capteurs de façon à permettre de déterminer leur inclinaison, puis deux galets placés de part et d'autre de l'élément central assurant le contact et le guidage du dispositif dans le joint à reconnaitre, les informations recueillies par les capteurs du dispositif étant envoyées au calculateur qui commande les cinq degrés de liberté du robot, de façon à amener chaque fois la portion de profil située sous le dispositif dans une position répondant aux conditions suivantes a) le plan bissecteur du profil est vertical, b) la tangente au profil est dans le plan horizontal, c) l'axe principal du dispositif est sur la ligne d'accostage des parois du profil. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. 1 est une vue en perspective schématique d'un robot faisant application et muni d'un support positionneur portant la pièce d'ouvrage. La fig. 2 est une vue en perspective, è grande échelle, du dispositif mécanique et montre les mouvements relatifs des différentes pièces du dispositif. Les fig. 3 et 4 sont des représentations schématiques du dispositif, respectivement vu de face et vu de côté, et montrent différents degrés de liberté du dispositif mécanique de reconnaissance conforme à l'invention. Les fig. 5a et 5b sont de vues schématiques explicatives du fonctionnement du dispositif mécanique de l'invention. A la fig. 1, on a représenté schématiquement le support positionneur 1 de la pièce d'ouvrage qui se compose d'un socle 2 présentant, à sa partie supérieure, un axe de rotation 3. Le support positionneur 1 peut également pivoter autour de son axe central 4, sur lui-même, et ainsi le support positionneur 1 comporte deux degrés de liberté en rotation suivant les deux axes orthogonaux 3 et 4. Les deux degrés de liberté sont désignés paros 1 et C 2. Des dispositifs moteurs, non représentés, permettent de commander les mouvements du support positionneur 1. Comme cela est également représenté à la fig. 1, le dispositif mécanique de reconnaissance de pièces d'ouvrage et qui sera détaillé à l'aide de la fig. 2 est monté en 5 à l'extrémité d'une potence ou support 6 devant normalement maintenir ensuite une torche de soudure lorsque la pièce d'ouvrage, montée sur le support positionneur 1, se compose de deux pièces jointes h souder,ce qui est plus particulièrement prévu en liaison avec l'invention. L'extrémité basse du dispositif mécanique de reconnaissance 5 est ainsi en contact avec le joint au cours de la reconnaissance automatique de celui-ci. Le support 6 comprend également des moyens permettant un déplacement longitudinal suivant la flèche double x, une translation transversale suivant la flèche double y et un déplacement vertical suivant la flèche double z. Le repère d'espace dans lequel on se place pour les différentes mesures de position du joint est ainsi le repère (0, x, y, z), le point 0 étant le point d'intersection des deux axes 3 et 4 de rotation du support positionneur 1. Le rôle essentiel du dispositif mécanique de reconnaissance 5 conforme à l'invention est de transmettre à un calculateur électronique la position, par rapport au repère (0, x, y, z), de l'élément de joint avec lequel il est en contact à un moment donné, ainsi que l'orientation de l'élément de joint dans l'espace, définie par trois angles notés respectivement 6 ,dH et dv. - 0 est l'angle que fait, dans un plan horizontal, (voir fig. 1) la tangente au joint avec la droite Ox du repère ; - dH (fig. 5a) mesure l'horizontalité de l'é- lément de joint ; et - dV (fig. 5b) mesure l'inclinaison du plan bissecteur par rapport à la verticale. En se reportant maintenant à la fig. 2, en liaison avec les fig. 3 et 4, on voit l'ensemble du dispositif automatique de reconnaissance 5 qui est monté sur le bras 6a du support 6 de la fig. 1 à l'aide d'une liaison à déplacement vertical. Cette liaison possède un degré de liberté, non représenté à la figure 2, qui peut être intégré indifféremment dans le bras 6a ou dans le dispositif mécanique 5. La mesure du déplacement vertical est réalisée par un capteur C non représenté, la tige 9 du dispositif automatique de reconnaissance 6 supporte une pièce de section rectangulaire 10 possédant un degré de liberté 0 autour de l'axe Ai de la tige 9. Le guidage de la pièce 10 autour de l'axe Ai de la tige est réalisé par un roulement à billes interne à la tige 9.Un capteur C1 permet une mesure de l'angle La pièce 10 est reliée à une pièce 11 de section semblable et qui peut se déplacer par rapport à cette dernière de t A2 suivant un axe A2 orthogonal à l'axe Ai, le guidage étant effectué par l'intermédiaire d'une table sur roulement interposé entre les pièces 10 et 11. Un capteur C2 permet une mesure de déplacement A A2. Un élément en forme d'étrier 12 est articulé sur la pièce 11 par un axe 13 parallèle à A2 et peut tourner de dH (voir fig. 5a) autour le cet axe. Un capteur C3 permet une mesure de la rotation dH. Un élément de forme prismatique 16 est monté mobile avec l'étrier 12 et peut subir un mouvement ascendant dz. Un ressort de rappel placé entre l'élément mobile 16 et l'étrier 12 ramène l'élément mobile 16 en position basse. Le guidage de l'élément 16 par rapport à l'étrier 12 est assuré par une table sur roulement vertical. Un capteur C4 ,non représenté pour ne pas surcharger le dessin, permet une mesure du déplacement dz. Une pièce 17 se déplace transversalement suivant dA2 par rapport à l'élément prismatique 16. Le guidage transversal de la pièce 17 par rapport à l'élément 16 est réalisé par une table sur roulement montée entre la pièce 17 et l'élément 16. Un capteur C5 permet une mesure du déplacement dA2. L'extrémité inférieure de la pièce 17 porte deux volets de palpage 20, 21 épousant la forme du joint et qui sont reliés à leur base par un axe 22 qui glisse dans le fond du joint ou du profil à reconnaitre. Un ressort de torsion 23 (fig. 4) tend à écarter l'un de l'autre les deux volets de palpage 20, 21 selon les flèches f1 et ~2. Les volets de palpage 20, 21 mesurent l'angle formé par la direction de chacun d'eux et la verticale. Dans le cas de la présente invention, ces deux mesures sont déterminées par la longueur d'enroulement sur une poulie de fils d'acier reliés à l'extrémité haute des volets 20, 21. Deux capteurs C6, C7 dont seul C6 est représenté, permettent la mesure de ces angles. Un calcul permet de connaitre à partir de ces valeurs l'ouverture exacte du chanfrein ainsi que l'inclinaison du joint (voir fig. 5b). Enfin, des galets 18, 19 sont montés sur roulements à billes de façon à être mis en contact avec la partie de la pièce d'ouvrage ou le joint à reconnaître. Les galets 18, 19 peuvent tourner autour d'axes verticaux A3 et A4 montés à rotation dans l'étrier 12 et ils suivent l'étrier 12 dans son mouvement. Des capteurs C8 et Cg (voir fig. 2) mesurent la position des galets 18, 19 par rapport aux axes A3 et A4. Il y a lieu de noter que les diverses mesures de distance ou d'angle mentionnées ci-dessus sont données par les capteurs C à Cg. Les capteurs C à Cg peuvent autre des potentiomètres, des codeurs ou tout autre système analogique ou numérique, et ils sont reliés électriquement d'une manière connue en soi à un calculateur électronique central permettant d'intégrer toutes les valeurs ou paramètres mesurés, et également de les mémoriser. Si l'on examine les fig. 3 et 4 qui montrent schématiquement le bras 6a du support 6 portant le dispositif mécanique de reconnaissance 5 conforme h l'invention, on voit les différents mouvements de rotation et de translation dont il a été question ci-dessus. Ainsi - le mouvement ascendant de l'élément 16 suivant dz permet de tenir compte de la convexité du joint - le déplacement transversal de la pièce 17 suivant dA2 permet de tenir compte de la courbure du joint dans un plan tangent au joint ; - les volets de palpage 20, 21 permettent de connaître l'ouverture exacte du joint en chaque point et, par conséquent, d'envisager la mise en place d'un changement de passe automatique au cours du soudage ou de l'opération d'usinage suivant l'opération de reconnaissance effectuée ; - la mesure des rotations de la pièce 10 par rapport à la tige 9 et de l'étrier 12 par rapport à la pièce 11, respectivement suivant 9 et dH, ainsi que la mesure des angles donnée par les volets 20 et 21, déterminent l'orientation dans l'espace de l'élément de joint sous les volets, de même que l'ouverture du joint. Le dispositif de reconnaissance de joint 5 conforme à l'invention peut équiper des robots de soudage possédant un nombre de degrés de liberté supérieur à cinq. Comme cela a été indiqué ci-dessus, la pièce d'ouvrage présentant le joint à reconnaître est fixée sur le dispositif de positionnement de la fig. 1 et, au départ, on détermine a priori le premier élément du joint à partir duquel va s'effectuer la reconnaissance automatique. Ce point étant défini, on agit sur les deux rotations dl, 2 du robot à l'aide d'une commande manuelle de façon à amener les pièces à souder dans une position telle que les deux conditions suivantes soient approximativement vérifiées : - le plan bissecteur de l'élément de joint considéré est vertical - la tangente au joint est horizontale. L'opération ci-dessus étant effectuée, on déplace ensuite la potence du robot constitué par la partie droite de la fig. 1 et sur laquelle est fixé le dispositif mécanique de reconnaissance 5, de façon à l'amener en contact avec l'élément de joint considéré. Cette opération s'effectue également à l'aide d'une commande manuelle. Les déplacements se font suivant les axes x, y, z dans le repère (O, x, y, z) de la fig. 1, le point 0 étant, comme on l'a vu plus haut, le point d'intersection des deux axes 3 et 4 de rotation du support positionneur 1. Les différentes opérations ci-dessus étant effectuées, il est alors possible de procéder à la reconnaissance automatique du joint. Au cours d'une première opération, le dispositif mécanique de reconnaissance de joint relève, au moyen de ses capteurs, l'orientation et la position de l'élément de joint avec lequel il est en contact. Les trois angles dH et dV définissant l'orientation du joint sont donnés directement par les capteurs C1, C3, C6 et C7 équipant le dispositif. La position dans l'espace de l'élément de joint est quant à elle déterminée en fonction de la position présente de la potence, des dimensions mécaniques du dispositif et des valeurs données par les divers capteurs. Dans une seconde opération, les différentes valeurs des capteurs équipant le dispositif sont envoyées au calculateur électronique qui reçoit également les cinq paramètres définissant la position présente du robot, à savoir C 1rO( 2 x, y, z. Le calculateur électronique détermine ensuite en fonction des informations ci-dessus la position et l'orientation dans l'espace de l'élément de joint situé sous les volets de palpage. On procède alors à une troisième opération dans laquelle, après lecture des différents capteurs, le calculateur électronique effectue un traitement mathématique permettant de savoir quelles sont les consignes à envoyer aux cinq degrés de liberté du robot pour recaler l'ensemble de façon à satisfaire exactement aux conditions suivantes a) le plan bissecteur de l'élément de joint est vertical ; b) la tangente à l'élément de joint est horizon tale ; c) l'axe principal du dispositif est sur la ligne d'accostage des pièces à souder et, en général, des parois latérales du profil à reconnaître. Après calcul, les diverses consignes sont envoyées aux cinq degrés de liberté du robot. Cette opération est effectuée après des calculs mathématiques comportant des matrices de rotation. Il est à signaler qu'au cours de cette dernière opération, le dispositif mécanique de reconnaissance est piloté de façon à rester en contact avec l'élément de joint reconnu. Il y a lieu également de noter que les conditions mentionnées ci-dessus en a, b et c ne sont pas strictement impératives et qu'elles peuvent être légèrement différentes de celles indiquées. Dans une quatrième opération, on procède à l'enregistrement des cinq paramètres définissant la position du robot en vue de les reproduire au cours du soudage, ou en général de l'usinage d'une pièce de profil semblable au profil reconnu. Il y a lieu de noter que, pour effectuer le soudage, l'axe principal de la torche de soudage qui sera montée sur le robot colncidera avec l'axe du dispositif mécanique de reconnaissance conforme à l'invention. Il en sera de même pour l'outil d'usinage utilisé à la place de la torche de soudage. Finalement dans une cinquième opération, on relève l'orientation 9 du joint par le capteur C1 du dispositif. On rappelle à ce sujet que définit la position du joint dans le plan horizontal. Le calculateur électronique commande ensuite la potence du robot de manière à amener le dispositif mécanique de reconnaissance un peu en avant dans la directeur du joint. Ce déplacement élémentaire s'effectue dans le plan horizontal, et on n'asservit donc que les mouvements en x et y de la potence. A la suite de cette opération, le dispositif est placé sur un nouvel élément de joint qui ne répond plus aux conditions a, b, c ci-dessus. Il reste alors à recommencer les diverses opérations précédentes jusqu'à la reconnaissance complète du joint. A la suite des opérations précédentes, le programme de travail (c'est-à-dire, dans une application préférée de l'invention, le programme de soudage) est donc enregistrée sous la forme d'une trajectoire constituée de points successifs mis en mémoire lors de la reconnaissance automatique du joint. Pour la restitution d'un mouvement continu et régulier, un logiciel procède à une interpolation des points enregistrés ainsi qu'au lissage de la courbe représentative du joint. On peut ainsi moduler la vitesse de reconnaissance du joint, le pas définissant les divers déplacements élémentaires, la vitesse de restitution du programme et la finesse de lissage des courbes correspondant aux variations de chaque degré de liberté du robot. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit en détail car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Dispositif mécanique de reconnaissance automatique de profils de type en V et notamment de joints pour pièces industrielles, plus particulièrement pour pièces comportant un joint continu selon une courbe gauche dans l'espace, à l'aide d'un robot pouvant être commandé selon des mouvements orthogonaux et circulaires donnant cinq degrés de liberté au moins, un capteur relié à un calculateur électronique étant prévu pour chacun des degrés de liberté du dispositif mécanique, est caractérisé en ce que, pour la reconnaissance du profil et donc l'enregistrement des coordonnées dans l'espace de points successifs formant le profil, on fixe, à la place de l'outil d'usinage et notamment de la torche pour la soudure, un mécanisme (5) présentant un élément central (17) animé d'au moins quatre degrés de liberté et présentant à sa partie inférieure des volets (21, 22) articulés l'un à l'autre suivant le sens de déplacement du dispositif et reliés par des moyens appropriés à des capteurs C6, C7 de façon à permettre de déterminer leur position en inclinaison, puis deux galets (18, 19) placés de part et d'autre de l'élément central (17) assurant le contact et le guidage du dispositif dans le profil à reconnaître, les informations recueillies par les capteurs du dispositif étant envoyées au calculateur qui commande les cinq degrés de liberté du robot. de façon à amener chaque fois une portion de profil dans une position répondant aux conditions approximatives suivantes a) le plan bissecteur du profil est vertical, b) la tangente au profil est dans le plan horizontal, c) l'axe principal du dispositif est sur la ligne d'accostage des parois du profil. 2 - Dispositif mécanique de reconnaissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de l'angle de chaque volet (20 ou 21) est obtenue par la longueur d'enroulement sur une poulie de fils d'acier reliés à l'extrémité de ces volets. 3 - Dispositif mécanique de reconnaissance suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les volets (20, 21) sont reliés à des moyens à ressort (23) tendant à les écarter l'un de l'autre et sont disposés à la base de l'élément central (17) pouvant se déplacer transversalement (dA2) par rapport à une partie (16) montée mobile avec un étrier (12) et pouvant subir un mouvement ascendant (dz) rappelé par ressort, les galets (18, 19) pouvant tourner autour d'axes (A3, A4) sensiblement verticaux et étant montés sur l'étrier (12) qui est lui-même monté à rotation (dH) sur une première pièce (11) se déplaçant latéralement (4A2) par rapport à une seconde pièce (10), la pièce (10) étant mobile en rotation (5) autour d'une tige (9) mobile verticalement. 4 - Dispositif mécanique de reconnaissance suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un capteur C1 mesure la rotation (8 ) de la pièce (10) par rapport à la tige (9), un capteur C2 mesure une translationt A2 de la pièce (10) par rapport à la pièce (11), un capteur C3 mesure la rotation dH de l'étrier (12) par rapport à la pièce (11), un capteur C4 mesure le déplacement vertical dz de la partie (16) par rapport à l'étrier (12), un capteur C5 mesure la translation dA2 de l'élément central (17) par rapport à la pièce (16), deux capteurs (C6, C7) mesurent l'ouverture de chaque volet (21, 22) par rapport à la verticale, deux capteurs (C8, Cg) mesurent respectivement la position en rotation des deux galets (18, 19) par rapport aux axes (A3 et A4), un capteur C mesurant le déplacement vertical de l'ensemble du dispositif par rapport au bras (6a) du support (6). 5 - Dispositif mécanique de reconnaissance suivant l'une des revendications 1 à. 4, caractérisé en ce que la pièce (10) et la tige (9) sont reliées en rotation à l'aide de roulements à billes, la pièce (10) et la pièce (11) sont reliées l'une à l'autre en translation par une table à roulement, l'étrier (12) est relié en rotation d'axe horizontal à la pièce (11) par un roulement à billes, la partie (16) est reliée en translation verticale à l'étrier (12) par une table de roulement, l'élément (17) est relié en translation à la partie (16) par une table de roulement, les volets (20, 21) sont reliés à la base de l'élément (17), les galets (18, 19) étant montés en rotation verticale sur l'étrier (12). 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est remplacé par une pièce d'usinage pour la reproduction du profil reconnu. 7 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est remplacé par une torche de soudure pour le soudage de joints pour pièces industrielles.