Brevet FR2628671A1 — publié le 19890922

La présente invention a trait d'une façon générale au positionnement automatique d'outils et concerne plus particulièrement un dispositif de télé-manipulation équipé de moyens de positionnement fin perfectionnés, notamment pour l'entretien et la réparation des tubes dans un générateur de vapeur de centrale nucléaire du type à eau sous pression. On connaît déjà dans la technique antérieure des moyens pour intervenir à distance sur les extrémités inférieures des tubes d'un générateur de vapeur, au niveau de sa plaque tubulaire. Ainsi, il est connu d'effectuer un accostage d'une extrémité de tube donnée à l'aide d'un porte-outil, en vue notamment d'une opération de réparation, en commandant les déplacements du porte-outil à partir de données préalablement connues et représentatives de la position sur la plaque tubulaire du tube à accoster. Un inconvénient grave dé cette solution réside cependant dans le fait que la position des tubes n'est jamais connue avec une grande précision. Et en pratique, les données de coordonnées dont on dispose pour la commande du déplacement ne permettent pas d'obtenir une précision absolue d'accostage meilleure que I mm. Dans le même temps, les outils qui équipent de tels dispositifs de télémanipulation, tels que des outils de découpage et de soudage de métaux, etc. ., destinés à pénétrer dans le tube considéré, exigent une précision d'accostage bien supérieure pour opérer correctement, typiquement une précision absolue de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm. Et il n'existe actuellement aucun moyen pour effectuer l'accostage avec la précision requise, ce qui se traduit par une qualité médiocre de la réparation effectuée. La présente invention vise à pallier ces inconvénients de la technique antérieure et à proposer un dispositif qui soit équipé de moyens de positionnement fin lui permettant d'opérer selon la précision requise A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de télémanipulation, notamment pour la réparation des tubes des générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires à eau sous pression, du type comprenant un support d'outil, des moyens de déplacement du support d'outil au moins dans un plan parallèle à une plaque sur laquelle affleurent les extrémités des tubes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de positionnement fin du support d'outil par rapport à un tube donné, qui comprennent - une caméra dirigée vers la plaque tubulaire et d'axe essentiellement parallèle à celui des tubes;; - des moyens d'éclairement de la zone visée par la caméra, aptes à définir par contraste le contour intérieur de l'extrémité dudit tube donné; et - des moyens de numérisation, de calcul et de commande reliés à la caméra et propres à extraire dudit contour visualisé des données représentatives de la position du centre du tube par rapport à un référentiel lié au support d'outil, et à commander lesdits moyens de déplacement Dour centrer le support d'outil sur le tube. Des aspects préférés du dispositif de l'invention sont les suivants - le support d'outil est un chariot porte-outil déplaçable en translation sur un bras lui-même déplaçable en rotation autour d'un centre de ladite plaque, - le support d'outil est placé à l'extrémité d'un robot à au moins deux degrés de liberté monté rigidement sur l'ouverture dite "trou d'homme" formée dans la paroi d'un générateur de vapeur, - le centrage du tube sur le support d'outil est effectué par une première translation amenant l'axe de la caméra sur le centre du tube et par une seconde translation substituant au droit du tube l'axe d'outil à l'axe de la caméra, - les moyens d'éclairage comprennent un tube fluorescent circulaire situé à proximité de la plaque et centré sur l'axe de la caméra, - les moyens d'éclairage comprennent une pluralité de sources lumineuses ponctuelles situées à proximité de la plaque et régulièrement réparties autour de l'axe de la caméra, - les moyens de numérisation et de calcul sont propres à calculer les coordonnées du centre de gravité du contour visualisé par rapport à l'axe de la caméra, - la caméra et les moyens de -numérisation et de calcul opèrent avec une résolution de l'ordre de 500 points par 500 points, la précision du positionnement fin étant de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm. D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en plan d'un bras télémanipulateur équipé conformément à la présente invention; - la figure 2 est une vue de détail en élévation d'une partie du bras de la figure 1; - la figure 3 est une vue de détail en plan de la partie de la figure 2; - la figure 4 est un schéma-bloc de l'architecture des moyens de positionnement conformes à l'invention, et, - la figure 5 est une vue en coupe schématique d'ensemble d'une variante de réalisation de l'invention. En référence tout d'abord aux figures 1 à 3, l'invention va être décrite en liaison avec le positionnement précis d'un outil de réparation au droit de l'extrémité inférieure, au niveau de la plaque tubulaire, d'un tube de générateur de vapeur de centrale nucléaire à eau sous pression Dans l'exemple décrit, l'invention est appliquée à un télémanipulateur 10 comprenant dans son ensemble trois composants principaux, à savoir une plaque de tête 12, un rail porteur 14 et un bras 16. La plaque de tête 12 est fixée au centre de la plaque tubulaire inférieure 20 d'un générateur de vapeur, par des attaches conventionnelles pénétrant dans des tubes du générateur, et supporte en pivotement autour d'un axe A une première extrémité du bras 16. A la plaque de tête est associé un codeur de position angulaire (non représenté). Le rail porteur 14 s'étend circulairement à la périphérie de la plaque tubulaire 20, en étant fixé a celleci préférentiellement de la même manière que la plaque de tête 12. Sur le rail est supportée de façon coulissante l'autre extrémité du bras 16. Ce bras est constitué d'une poutre rigide rectiligne parallèle à la plaque tubulaire 20, qui supporte un chariot porte-outil 18 en translation le long de celle-ci. Un codeur de position linéaire est associé aux moyens de déplacement dudit chariot. Ainsi, le chariot porte-outil 18 est apte à se déplacer, par le jeu combiné de la rotation du bras 16 et de sa translation sur ce dernier, dans un plan P parallèle à la plaque tubulaire 20 du générateur de vapeur, au-dessous de celle-ci. Il peut ainsi desservir, par commande d'entrainement appropriée, l'ensemble des extrémités de tubes du faisceau du générateur de vapeur. De préférence, les motorisations en R (translation du chariot 18) et en e (rotation du bras 16) sont intégrées audit bras 16, l'entraînement du chariot pouvant s'effectuer par exemple par pignons et chaîne et l'entramement du bras par un motoréducteur situé sur l'axe de rotation A Le chariot porte-outil 18 est conçu pour que l'on puisse y fixer rigidement selon les cas soit un sousporteur introducteur d'outil, soit directement un outil. De préférence, les divers composants d'entrai- nement et de transmission sont conçus de façon à assurer une précision absolue de positionnement de l'ordre de + 0,02 mm en R et de + 0,1 mm à la périphérie en e soit 0,2' d'arc, ceci dans des conditions de charge nominale. Un télémanipulateur tel que décrit ci-dessus est connu et fabriqué par la Société Field Automation sous la référence XL 16. Comme on l'a indiqué en introduction, malgré la précision satisfaisante inhérente à un tel télémanipulateur, il subsiste néanmoins une impossibilité d'accoster une extrémité de tube 22 déterminée avec la précision de 0,1 à 0,3 mm requise pour effectuer un travail de réparation convenable. Ceci est dû au fait que l'on ne connaît qu'avec une grande imprécisìon les coordonnées des différents tubes de la plaque tubulaire par rapport au pseudo-centre de celle-ci, matérialisé par l'axe A de rotation du bras 16. Ainsi, le dispositif de télémanipulation comporte selon l'invention des moyens de positionnement fin complémentaires. Conformément d la présente invention, ces moyens comprennent tout d'abord une caméra 30 montée sur le porteoutil 18 et dont l'axe de visée Aô est essentiellement parallèle à l'axe des tubes de la plaque tubulaire,soit encore parallèle à l'axe Ao de l'outil. De préférence, la caméra est fixée rigidement au porte-outil, de telle manière que soit connue avec une précision élevée, par exemple de l'ordre de + 0,02 mm, la distance D entre l'axe Ao de l'outil et l'axe Ac de la caméra, ceci à des fins expliquées plus loin. La caméra 30 est avantageusement du type CCD (Charge Coupled Device) avec une définition de 500 points en horizontal par 500 points en vertical. Elle est équipée d'un objectif grand angle 31 d'une focale de 25 mm et d'une bague-allonge 31'- de 15 mm, et est montée sur le chariot porte-outil 18 de manière à être distante d'environ 10 cm de la plaque tubulaire 20. De la sorte, on obtient une image du trou correspondant à l'extrémité de tube 22 considérée représentant environ 75% la taille de l'image, en hauteur et en largeur. Bien entendu, les valeurs ci-dessus sont données à titre d'exemple non limitatif. Afin d'assurer un contraste élevé entre le trou 22 et les bords voisins de la plaque tubulaire 20, il est prévu selon l'invention des moyens assurant un éclairage concentrique rasant des bords du trou. Dans une première réalisation, ces moyens peuvent consister en un tube fluorescent circulaire, par exemple de type "Cîrcline", d'une puissance adaptée à la sensibilité de la caméra 30 (par exemple quelques dizaines de watts) et d'un diamètre de l'ordre de 25 cm, le tube étant placé à environ 1 cm de la plaque. Un tel tube fluorescent est représenté schématiquement sur les figures 2 et 3 et désigné par la référence 32. Ainsi, l'image observée par la caméra 30 se compose d'une partie de bordure de forte luminosité, correspondant au bord de la plaque tubulaire, fortement éclairé, entourant le trou, et une partie centrale circulaire, sombre, correspondant au trou. Selon l'invention, il est en outre prévu une machine de vision reliée à la sortie de la caméra CCD 30 et schématiquement indiquée en 34 sur la figure 4. Cette machine est apte à numériser l'information de sortie de la caméra 30, par exemple sur 512 points en horizontal par 512 points en vertical, et ceci avec 64 niveaux de gris, ces valeurs n'étant pas à considérer dans un sens limitatif. A partir des informations numérisées, la machine est en outre apte'à calculer le barycentre du cercle sombre visualisé, correspondant avec une très bonne précision à son centre géométrique. Plus précisément, le calculateur intégré à la machine commence par extraire de l'image numérisée le contour à fort contraste visualisé, puis effectue un calcul paramétrique sur le contour observé pour en déterminer le centre de gravité d'une façon connue en soi. Une machine de vision convenant bien pour cette application est la machine VISIOSAT fabriquée par la Société ALLEN BRADLEY/ROBOTRONICS, Etats-Unis d'Amérique. Une telle machine est capable d'effectuer les opérations précitées en une durée de l'ordre de 500 ms. Ainsi, la machine de vision est capable de fournir en sortie des données réprésentatives du décalage réel qui existe, après l'accostage grossier du tube 22 considéré, entre l'axe Ac de la caméra, qui est lié géométriquement au chariot porte-outil 18, et l'axe réel du tube. Des essais conduits par la Demanderesse avec la machine telle que décrite ont permis de constater que l'on pouvait en théorie obtenir ces données de décalage avec une résolution de l'ordre de cinq fois la taille d'un point de l'image, soit une résolution supérieure à 0,02 mm. Et en tenant compte de la réalité, selon laquelle l'assemblage de la plaque tubulaire avec les extrémités de tubes est conventionnellement effectué à l'aide de cordons de soudure de régularité variable rentrant dans le trou, le système décrit permet concrètement d'obtenir une résolution de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm selon la qualité des cordons de soudure, ce qui correspond convenablement au but recherché. Les données représentatives du décalage précité, extraites par la machine de vision 34, sont transmises à l'unité de commande 36 du dispositif de télémanipulation. Et ce dernier procède en deux temps : tout d'abord, le chariot porte-outil 18 est commandé en R, e par les motorisations MR, Me conformément aux données de décalage pour déplacer la caméra 30 de telle manière que son axe Ac coïncide, avec la précision précitée, avec l'axe réel du trou 22; puis le chariot 18 est commandé de façon à effectuer la translation de D + 20 um qui sépare l'axe Ac de la caméra de l'axe Ao de l'outil, de manière à venir substituer à la caméra 30 l'outil (non représenté), pour effectuer les opérations de réparation souhaitées. En résumé, le télémanipulateur associé au dispositif de positionnement fin décrit opère selon les étapes suivantes: a) déplacement du chariot porte-outil en fonction des coordonnées approximatives préalablement connues du trou 22 à réparer (positionnement grossier), de manière à amener la caméra 30 sensiblement au droit du tube 22 à réparer; b) éclairage contrastant de la zone de visée de la caméra, numérisation de l'image à fort contraste incluant le contour de l'intérieur du tube, extraction paramétrique du centre de gravité dudit contour, correspondant au centre du tube; et c) déplacement du chariot porte-outil, en deux étapes ou le cas échéant en une seule étape globale, tinté grant le décalage mesuré du centre du tube par rapport au centre (axe Ac) de la caméra et le décalage connu du centre de l'outil (axe Ao) par rapport au centre de la caméra (axe Ac), afin de centrer l'outil sur le tube. On a représenté schématiquement sur la figure 5, un autre type de dispositif de télémanipulation auquel les moyens de positionnement fin de la présente invention peuvent également s'appliquer. Un tel dispositif est constitué par un robot 40, ayant par exemple jusqu'd huit degrés de liberté, dont la base est fixée fermement par bridage à l'ouverture dite "trou d'homme" 26 formée dans la région inférieure de la paroi 24 du générateur de vapeur. La procédure de positionnement fin est pour l'essentiel identique à celle que l'on a décrite ci-dessus, la différence majeure résidant dans la commande particulière du robot pour effectuer les positionnements. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et illustrées sur les dessins. En particulier, le type de caméra, de moyens d'éclairage et de machine de vision pourront largement varier sans sortir du cadre de l'invention. A cet égard, les moyens d'éclairage peuvent comprendre en variante un ensemble de sources ponctuelles situées à grande proximité de la plaque tubulaire 20 et régulièrement réparties autour de l'axe de la caméra, ou encore un faisceau de fibres optiques dont les extrémités viendront tangenter ladite plaque, autour du trou d'extrémité du tube 22. Enfin, on peut mentionner un avantage de la présente invention selon. lequel le centrage fin sur le tube considéré s'effectue sans contact physique avec le tube ou la plaque tubulaire et sans nécessité de pénétrer dans le tube. On évite ainsi les inconvénients des palpeurs mécaniques conventionnels. REVENDICATIONS 1. Dispositif de télémanipulation, notamment pour la réparation des tubes (22) des générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires à eau sous pression, du type comprenant un support d'outil (18), des moyens de déplacement du support d'outil au moins dans un plan parallèle à une plaque (20) sur laquelle affleurent les extrémités des tubes - une caméra (30) dirigée vers la plaque tubulaire et d'axe (Ac) essentiellement parallèle à celui des tubes; - des moyens d'éclairement (32) de la zone visée' par la caméra, aptes à définir par contraste le contour intérieur de l'extrémité dudit tube donné; et - des moyens de numérisation, de calcul et de commande (34, 36) reliés à la caméra et propres ~9 ex- traire dudit contour visualisé des données représentatives de la position du centre du tube par rapport à un référentiel lié au support d'outil, et à commander lesdits moyens de déplacement pour centrer le support d'outil (18) sur le tube (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support d'outil est un chariot porteoutil (18) déplaçable en translation sur un bras (16) luimême déplaçable en rotation autour d'un centre de ladite plaque. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support d'outil (18) est placé à l'ex- trémité d'un robot à au moins deux degrés de liberté (40) monté rigidiement dans l'ouverture dite "trou d'homme" (26) formée dans la paroi (24) d'un générateur de vapeur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le centrage du tube sur le support d'outil est effectué par une première translation amenant l'axe (Ac) de la caméra (30) sur le centre du tube (22) et par une seconde translation substituant au droit du tube l'axe d'outil (Ao) à l'axe (Ac) de la caméra. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'éclairage (32) comprennent un tube fluorescent circulaire situé à proximité de la plaque (20) et centré sur l'axe (Ac) de la caméra. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'éclairage (32) comprennent une pluralité de sources lumineuses ponctuelles situées à proximité de la plaque (20) et régulièrement répartis autour de l'axe (Ac) de la caméra. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de numérisation et de calcul (34) sont propres à calculer les coordonnées du centre de gravité du contour visualisé par rapport à l'axe de la caméra. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la caméra (30) et les moyens numérisation et de calcul (34) opèrent avec une résolution de l'ordre de 500 points par 500 points, la précision du positionnement fin étant de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm.