Brevet FR2641607A1 — publié le 19900713

SYSTEME DE RELEVE DE LA SURFACE D'UNE PIECE A DISTANCE PAR UN CAPTEUR OPTIQUE, NOTAMMENT D'UN AUGET DE TURBINE PELTON DESCRIPTION L'invention se rapporte à un système de relevé de La surface d'une pièce à distance par un capteur optique et peut notamment être appLiquée au reLevé des augets de turbines PeLton ou d'autres aubages de roue. ElLe peut etre utilisée dans un cycLe d'entretien en usine dont L'etape de meulage a été décrite dans Le brevet français de numéro d'enregistrement 87 18479, pour repérer par exempLe l'importance de L'usure sur la face interne des augets ou Les surépaisseurs qui ont été rajoutées sous forme de métal d'apport avant de refaire un profil correct au moyen du meulage. Il est aLors possible dans Le premier cas de proceder â un régLage automatique du robot de soudage et, dans Le second cas, d'ajuster Les trajectoires des différentes passes de meulage. L'invention peut également etre mise en oeuvre sur site, La roue n'étant pas demontee, et permet de mesurer rapidement son usure. IL est cependant clair que L'invention n'est pas Limitée à cette pièce particuLière ni à ces utiLisautions. La nécessité d'accéder à des pièces compLiquels rend particuLièrement avantageux un capteur optique monté à L'extrémité d'un bras mobiLe deformabLe. Ce capteur se compose pLus précisément d'un émetteur Lumineux et d'un recepteur d'images placés sur deux parties différentes du bras. Au cours d'une mesure, ces deux parties du bras restent à une position fixe L'une par rapport à l'autre, seuls Les éLéments antérieurs du bras etant déplaces, mais cette position ne peut etre déterminée directement avec une précision suffisante et doit d'ailleurs être retrouvee à chaque mise sous tension du bras, où le réglage de cette position est modifié. Un objet essentiel de l'invention consiste donc à permettre un étalonnage precis et facile d'un tel capteur. L'invention est caractérisée sous sa forme la- plus générale par un bras mobile deformable, un capteur optique constitué d'un moyen d'iLlumination d'un plan et d'une caméra à direction de visée oblique par rapport au plan d'illumination, Le moyen d'illumi- nation et la caméra étant portes par Le bras, et une mire munie d'un motif de repérage par le capteur optique. Le motif de repérage est constitué dans la réalisation préférée de points réfléchissant la lumière situés dans un plan. L'emploi d'un capteur optique permet de relever la cartographie d'une pièce rapidement, sans contact avec celle-ci, mais impose par contre de connaStre leur position relative avec précision. Il est hors de question de prevoir un dispositif à demeure sur Le site. Une pièce subissant un cycle d'entretien en usine reste si possible sur le meme support et passe successivement devant tous les appareils, en particulier devant ceLui qui porte Le capteur optique. Leurs supports ne peuvent donc etre ni soLidaires ni meme à une distance connue avec précision. Le capteur optique permet cependant une saisie d'informations de positionnement par rapport à La pièce à L'aide de motifs de repérage soLidaires de La pièce, qui Lui servent de réference et consistent notamment en surfaces planes, motifs ponctuels ou lignes droites. On va maintenant décrire pLus en détail une réalisation préférée de L'invention à L'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif - la figure 1 est une vue genéra;-e des composants de l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté analogue à la figure 1 ; et - Les figures 3 à 6 illustrent le fonctionnement du capteur optique. La figure 1 représente une roue de turbine Pelton 1 munie sur sa circonférence d'augets 2 à intervalles angulaires égaux dont il faut relever Le profil des faces internes et externes. On a représente ici l'utilisation de l'invention en atelier : la roue 1 est positionnee sur un systeme qui comprend en particulier un plateau 3 porteur de deux chevalets 4 et 5 supportant les extrémités d'un arbre horizontal 6. L'arbre 6 tourne sous L'action d'un moteur ou de façon manuelle et est empeché de se déplacer axialement à l'aide d'une crête circonférentielle 7 complémentaire de gorges 8 établies sur des rouleaux de support 9 assujettis aux chevalets 4 et 5. L'arbre 6 est muni d'un flasque fixe 10, et la roue 1 est enfilée par son moyeu le long de l'arbre 6 jusqu'à pouvoir boulonner sa jante sur Le flasque 10. L'appareil destiné à effectuer Les relevés des augets 2 comprend en particulier un bras articulé 15 coulissant devant La roue I -parallélement à L'arbre 6- sur un chariot supérieur 16. Le chariot supérieur 16 coulisse vers la roue 1 et en s'éloignant d'elle au-dessus d'un chariot inférieur 17. Aucun lien mécanique n'existe entre les chariots 16 et 17 et Le plateau 3, et il n'est guère possible d'utiliser la connaissance éventuelle des déplacements relatifs de ces grosses pièces pour calculer la position relative de La roue 1 et du bras 15 avec une précision suffisante. On constate à l'ai de de la figure 2 que le bras 15 est composé d'abord d'un support 18 en forme de caisson qui repose sur le chariot supérieur 16 et qui porte un premier tronçon 19 vertical et pivotant grace à une premiere liaison à tourillon 20. L'extremité supérieure du premier tronçon 19 porte une première articulation 24 autour de laquelle tourne un deuxième tronçon 21. Le deuxième tronçon 21 est prolongé par un troisième tronçon 22 lui-même prolongé par une caméra 23. Le deuxième et le troisième tronçons 21 et 22 sont reliés par une deuxième articulation 25, le troisième tronçon 22 et la caméra 23 par une troisième articulation 26. Les axes des articulations 24, 25 et 26 sont parallèles et horizontaux.Les articulations 25 et 26 sont plus précisément pourvues de liaisons à tourillon 27 et 28 permettant au troisième tronçon 22 et à la caméra 23 de pivoter. Le bras articulé 15 est donc déformable et pourvu de six degres de liberte par rapport au support 18, ce qui lui confère une grande souplesse et la possibilité d'effectuer des relevés de surfaces difficiles d'accès de la roue 1 telles que la face interne des augets 2. Il est commandé automatiquement par ordinateur, en mode enchainé ou pas à pas. Chacun de ses degres de liberté est muni de capteurs de dépla- cement. La figure 6 montre que le bras articulé 15 est muni à l'extrémité du deuxième tronçon 21, non loin de la deuxième articulation 25, d'une tête de Laser 30 -par exemple à l'hélium-néon- qui projette un faisceau d'illumination plan 31 et constitue avec La caméra 23 un capteur optique.La caméra 23 a sa direction de visee oblique par rapport au faisceau d'illumination plan 31, ce qui fait qu'eLle peut distinguer, après éventuellement avoir été orientée autour de la troisième articulation 26, la trace 32 produite par L'intersection du plan d'illumination 31 avec la face interne d'un auget 2. la position de la trace 32 sur L'image de la caméra 23 qui apparaît sur une console graphique d'ordinateur -non representée- est connue dans le référentiel du bras articulé 15 grâce à une calibration de l'ensemble réglable formé du bras articulé 15, de la caméra 23 et du laser 30. Cette calibration est obtenue à L'aide de la mire 40 représentée schématiquement figures 1 et 2. On constate que la mire 40 se compose d'un plateau 41 porteur d'un motif de repérage constitué de points 42 reflechissant La lumière emise par La tete de laser 30. Les points 42 sont situes dans le meme plan et sur au moins deux Lignes de ce plan, si bien qu'ils peuvent etre illuminés simultanément par une orientation appropriée et unique du faisceau d'illumination plan 31. Les points 42 sont avantageusement à l'extrémité de piges qui les séparent Légèrement du plateau 41. Ils peuvent être groupés en motifs très différents ; Leur nombre peut egalement varier largement et ils sont ici au nombre de neuf situés aux coins et au centre d'un carre ainsi qu'au centre de ses côtés. Pour effectuer la caLibration du capteur, on commence par orienter par tdtonnements Le bras articule 15 vers La mire 40 préalablement installée et immobilisée à proximité du bras articulé 15. La mire 40 peut etre par exemple fixée au support 18 par une série de profilés 46 soudés ou vissés pour permettre ou non son démontage. On règle la position et L'orientation de la tete de laser 30 jusqu'à ce que l'observateur constate que le faisceau 31 ilLumine tous Les points rbflé- chissants 42. La camera 23 est alors mise en action et L'image formée sur L'ecran est traitée par ordinateur pour pouvoir déduire des emplacements des points sur L'écran Les positions de ces points par rapport à la caméra 23. La calibration du capteur n'est cependant pas terminée car on ne connaît pas avec précision les positions relatives de la caméra 23 et du laser 30, séparés par plusieurs articulations, à la mise sous tension du bras articulé 15. L'indétermination qui subsiste peut être levée par une rotation et une translation du capteur optique sans modifier la position du plan d'illumination 31.On peut, pour plus de clarté, definir un repère d'outil Gxyz dont ltori- gine G et deux axes x et y appartiennent au plan d'iLlumination 31 : le repère d'outil est donc lie au laser 30. Une action sur les degres de liberté du bras 15 situés entre le support 18 et le laser 30 se traduit par une rotation ou une translation du capteur optique et du repère d'outil, ou une superposition des deux. Les figures 3 et 4 montrent que L'analyse de l'évolution de l'image des points 42 sur l'écran fournit des déplacements de rotation dr42 et de translation dt42 dont les premiers permettent de retrouver le centre de rotation du capteur optique, confondu avec l'origine G du repère d'outil, et dont les seconds indiquent la direction d'un axe y du repère d'outiL auquel ils sont parallèles. On obtient finalement la position du repère d'outil dans Le champ de vision de la caméra 23, c'est-à-dire la position de La caméra 23 par rapport au laser 30. La mire 40 est ensuite retiree et le processus peut se dérouler automatiquement. Aucune action ne se produit sur les degres-de liberté entre le Laser 30 et la caméra 23. Les autres parties du bras articulé 15 sont déplacées et déformées suivant des trajectoires enseignées auparavant en fonction de La forme de l'auget 2 pour que le plan d'illumination 31 forme des traces 32 successives sensiblement parallèles sur les faces interne et externe de l'auget 2. La caméra 23 fournit des images de ces traces 32 et l'ordinateur calcule pour un certain nombre de points des traces leurs positions par rapport à la position du repère d'outil au moment où l'image de la trace concerne est prise.Comme les déplacements du bras articulé 15 sont mesures par les capteurs de deplacement, L'ordinateur mémorise Les positions successives du repère d'outil et peut finalement fournir une image tridimensionnelle de l'auget 2 qui peut être utilise pour déduire en particulier les ecarts, dus à l'usure par exemple, par rapport à une forme idéale d'auget. Une image tridimensionnelle de precision suffisante peut être obtenue en se servant de motifs de repérage bien définis sur la surface de l'auget. Les inventeurs effectuent ainsi (figure 5) des reconstitutions des positions du plan d'auget 50 qui constitue le sommet du rebord d'auget, du plan de taquets 51 qui constitue la face externe radiale de L'auget et de l'arête médiane 52 qui separe ta face interne de l'auget 2 en deux creux de chaque côte de la roue 1. Quelques traces 32 coupent ces surfaces planes et cette ligne droite et fournissent des points utilisés comme références de reconstitution du reste de l'auget. Une utilisation plus éLaborée du système consiste à verifier l'implantation correcte des augets 2 sur la roue 1. Une calibration supplémentaire est alors nécessaire car la position de la roue 1 n'est pas connue par rapport au bras 15, et de plus des rotations de la roue 1 sont nécessaires pour amener successivement les augets 2 devant le bras 15, dont la longueur est trop faible pour atteindre tous les points de la roue 1. Des perçages 70 (figure 2) ont eté operes sur la jante de la roue 1, avantageusement à pas égaux à ceux des augets 2 et sur une même circonférence. Si la constitution de la roue 1 ne s'y prête pas, on peut cependant adopter d'autres motifs de repérage ou des emplacements de perçage irréguliers, quoique l'étalonnage de la roue 1 puisse alors être plus compliqué. On fait donc tourner la roue 1 autour de l'arbre 6 de manière que les perçages 70 passent successivement devant Le plan d'illumination 31, où ils apparaissent comme une interruption de faible longueur des traces 32. Le bras articulé 15 reste immobile au cours de ces passages. L'analyse des positions des différentes interruptions sur l'écran permet de déduire les erreurs de coaxialité de l'axe de la roue 1 et de L'arbre 6 qui la supporte, ainsi que la position exacte de la roue 1 par rapport au bras 15. La reconstitution de l'emplacement des augets 2 sur la roue 1 s'effectue en comparant la position de chaque auget 2, et notamment de ses motifs de repérage 50, 51 et 52, par rapport à celle du perçage 70 qui lui est associé. L'ordinateur peut finalement reconstituer la forme réelle de La totalité des zones utiles de la roue. It peut également superposer cette forme avec une forme idéale de roue pour détecter les imprécisions d'implantation d'augets et déterminer les corrections à apporter à chaque auget, sous forme d'adjonction de métal d'apport ou au contraire de surépaisseurs à meuler, pour faire coincider autant que possible la forme idéale et La forme réelle de la roue. Le système conforme à l'invention n'est donc pas seulement un moyen commode de cartographie d'une pièce mais peut devenir un auxiliaire efficace d'une channe d'usinage ou d'entretien de cette pièce. Ses mesures peuvent être exploitées directement par des machines à commande numérique. L'homme peut cepen dant intervenir à tout moment en suivant l'apparition des resultats sur une console graphique pour sélectionner la stratégie d'usinage qui suit, par exemple en n'ordonnant une rectification de la forme ou de la position des augets que pour ceux qui sont les moins satisfaisants, ou en n'ordonnant que des rectifications partielles pour chaque auget, sans se soucier de parvenir exactement à l'auget idéal. Une très bonne précision est obtenue quoique le bras articulé 15 soit constitue de plusieurs parties articulées et qu'il ne soit pas lie à la roue 1. REVENDICATIONS 1. Système de relevé de la surface d'une pièce (1) immobilisable sur un support (3 à 6), caractérisé en ce qu'il comprend un bras mobile déformable (15), un capteur optique constitue d'un moyen d'illumination (30) d'un plan (31) et d'une caméra (23) à direction de visée oblique par rapport au plan d'illumination, le moyen d'illumination et la caméra étant portés par le bras, et une mire (40) munie d'un motif de repérage (42) par le capteur optique. 2. Système de relevé de la surface d'une pièce suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la caméra (23) est réglable par rapport au plan d'illumination (31). 3. Système de relevé de la surface d'une pièce suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le motif de repérage est constitue de points coplanaires réfléchissant la lumière. 4. Système de relevé de la surface d'une pièce suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bras (15) est indépendant du support (3 à 6), la pièce (1) étant alors munie de motifs de repérage par le capteur optique. 5. Système de relevé de La surface d'une pièce suivant la revendication 4, caractérisé en ce que Les motifs de repérage de la pièce comprennent des surfaces planes (50, 51) ou des Lignes droites (52). 6. Système de relevé de La surface d'une pièce suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les motifs de repérage de la pièce comprennent des groupes de points (70). 7. Application du système de relevé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes à l'inspection ou à L'entretien de roues à aubages sur site ou en atelier.