Brevet FR2679025A1 — publié le 19930115

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle d'une surface Elle s'applique en particulier à la détection d'un manchon positionné dans un tube ou de variations de forme de la surface interne du tube, ou encore au contrôle de la position d'un outil par rapport à une surface. Pour positionner automatiquement un outil par rapport à un objet, il est connu de prendre pour réfé- rence des caractéristiques géométriques de la surface de l'objet, par exemple la position de son bord Les défauts de la surface de l'objet peuvent conduire à des positionnements erronés de l'outil par rapport à cet objet Il est donc utile d'identifier les caractéristiques géomé- triques de la surface d'un objet pour déceler, soit un défaut de cette surface, soit une caractéristique géomé- trique propre à l'objet Mais ceci est difficile à réali- ser lorsque la surface de l'objet est peu accessible pour un opérateur, comme dans le cas de la surface interne d'un tube. L'invention a notamment pour but d'identifier des caractéristiques géométriques d'une surface, même lors- qu'elle est difficilement accessible. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle d'une surface caractérisé en ce qu': on envoie un faisceau laser, émis par une tête laser déplaçable, sur une portion de référence de la surface à contrôler ; on détermine un seuil qui est fonction de la différence d'intensité entre un faisceau de lumière rélevé sur le faisceau laser incident et un faisceau de lumière prélevé sur le faisceau laser réfléchi par la portion de surface de référence et rétrodiffusé dans la tête laser ; on déplace, l'une par rapport à l'autre, la tête laser et la surface à contrôler suivant une direc- tion perpendiculaire à la normale de la portion de surface de référence ; et on mesure les variations de la différence d'intensité des faisceaux prélevés par rapport au seuil. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: on filtre les faisceaux prélevés de façon à obtenir des faisceaux filtrés d'intensités lumineuses à peu près équivalentes ; on convertit les faisceaux filtrés en signaux électriques ; on détermine le seuil en fonction des signaux électriques ; on mesure les variations de la différence entre les signaux électriques par rapport au seuil ; on compense électriquement le seuil pour lui donner une valeur de référence nulle ; on envoie le faisceau laser sur la portion de référence de la surface à contrôler en le focalisant sur cette surface. Le procédé précité est appliqué au contrôle du positionnement d'un manchon à l'intérieur d'un tube, en étant caractérisé en ce qu': on envoie le faisceau laser sur la surface interne du tube qui forme la surface de référence pour la détermination du seuil ; et on déplace la tête laser suivant l'axe du tube. Le procédé précité est également appliqué au contrôle du diamètre intérieur d'un tube, en étant caractérisé en ce qu' : on envoie le faisceau laser sur une portion de référence de la surface interne du tube pour déterminer le seuil ; et on fait tourner la tête laser autour de l'axe du tube. Le procédé précité est également appliqué au contrôle du positionnement d'un robot ou d'un bras télémanipulateur, caractérisé en ce que la perte de focalisation du faisceau laser sur la surface à contrôler est liée à une position erronée du robot ou du bras télémanipulateur et la variation de la différence entre les signaux électriques, par rapport au seuil, résultant de cette perte de focalisation, commande une opération de sécurité. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisée en ce qu'il comprend : une source laser ; une fibre optique conduisant le faisceau laser jusqu'à la tête laser déplaçable, laquelle envoie le faisceau laser sur la surface à contrôler et capte le faisceau laser réfléchi par cette surface pour le ren- voyer, au moins partiellement, dans la fibre optique ; une lame séparatrice disposée sur le trajet du faisceau laser permettant le prélèvement d'un faisceau de lumière du faisceau laser incident et d'un faisceau de lumière du faisceau laser réfléchi ; des moyens de comparaison des deux faisceaux prélevés. Lesdits moyens de comparaison comprennent : deux séries de filtres disposées sur les trajets respectifs des faisceaux prélevés par la lame séparatrice ; deux photo-diodes, éclairées respectivement par les faisceaux prélevés par la lame séparatrice, conver- tissant ces faisceaux en signaux électriques ; et un voltmètre différentiel à seuil, alimenté par les signaux électriques des photo-diodes. Suivant d'autres caractéristiques du dispositif: le voltmètre comporte des moyens de compen- sation électrique ; le voltmètre comporte une sortie délivrant un signal qui est fonction des variations des mesures du voltmètre par rapport au seuil ; la tête laser comporte un dispositif optique de collimation et de focalisation du faisceau laser et un miroir renvoyant radialement, par rapport à l'axe de la tête laser, le faisceau laser sur la surface à contrôler, le dispositif comprenant des moyens d'entraînement de la tête en translation et/ou en rotation. Des exemples de réalisation de l'invention vont être décrits plus en détail ci-dessous en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un dispo- sitif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion; la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale de la tête laser de ce dispositif, disposée à l'intérieur d'un tube dans une première position ; la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 montrant la tête laser dans une deuxième position à l'intérieur du tube ; la figure 4 est une vue à grande échelle prise en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2, montrant la tête laser dans deux positions différentes à l'intérieur du tube ; la figure 5 illustre une autre application du procédé selon l'invention. On voit à la figure 1 un dispositif 10 de con- trôle de la surface interne il d'un tube 12 Ce disposi- tif 10 comprend une source laser 14 émettant un faisceau de contrôle de faible puissance, qui est conduit par une fibre optique 16 jusqu'à une tête laser 18, de forme générale cylindrique, centrée à l'intérieur du tube 12, suivant l'axe X-X de celui-ci Cette tête 18 focalise le faisceau laser sur la face interne du tube 12 La tête laser 18 est montrée plus en détail aux figures 2 et 3 et sera décrite ultérieurement. Une partie du faisceau laser est réfléchie par la surface interne 11 du tube 12 et renvoyée dans la tête laser 18 et la fibre optique 16, dans le sens opposé au faisceau laser incident. Une lame séparatrice 20 est disposée sur le trajet du faisceau laser, en étant inclinée à 450 par rapport à celui-ci Cette lame 20 permet de prélever une partie Fi du faisceau laser incident et une partie Fr (généralement la totalité) du faisceau laser réfléchi. Les faisceaux Fi,Fr passent respectivement à travers des séries de filtres 22,24 destinées à réduire l'intensité de ces faisceaux et à équilibrer, à peu près, ces inten- sités entre-elles Les faisceaux Fi,Fr filtrés sont envoyés sur des photo-diodes 26,28 délivrant des signaux électriques Si,Sr qui sont fonction de leur éclairement. Ces signaux électriques Si,Sr sont envoyés dans un voltmètre différentiel à seuil 30 Ce voltmètre 30 comporte des moyens de compensation électrique, de type connu, non représentés sur les figures, permettant d'annuler l'écart entre les signaux électriques Si,Sr, 25 pour affiner l'équilibrage réalisé préalablement sur les sceaux Fi,Fr par les séries de filtres 22,24 Le voltmètre 30 comporte également une sortie 32 pour envoyer un signal de commande qui est fonction des variations des mesures du voltmètre. On décrira maintenant, en regard des figures 2 et 3, l'utilisation de ce dispositif de contrôle 10 pour la détection de la position d'un manchon de réparation dans un tube de générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression Dans ce cas, la tête laser 18 est la tête de soudage laser de ce manchon, et le faisceau laser de contrôle est un faisceau auxiliaire. On voit aux figures 2 et 3 le tube 12 contenant la tête laser 18 et un manchon 34 dont on a représenté une tranche d'extrémité 35 On voit à la figure 2 que la tête laser 18 est délimitée par une paroi 36 de forme générale tubulaire à l'intérieur de laquelle est disposée l'extrémité distale 38 de la fibre optique 16 Cette fibre optique émet un faisceau en direction d'un disposi- tif optique 40 comprenant plusieurs lentilles juxtaposées 40 A,40 B,40 C pour collimater et focaliser le faisceau La fibre optique 16 est portée par un manchon 42 de façon à être positionnée suivant l'axe X-X de la tête laser 18, qui coïncide avec l'axe X-X du tube 12 Le faisceau 15 focalisé par le dispositif optique 40 est renvoyé radia- ent par un miroir 44, incliné à 45 , vers l'extérieur de la tête laser, à travers une fenêtre latérale 46 de celle-ci. La tête laser 18 est montée sur une canne, de type connu, non représentée sur les figures, comportant des moyens de déplacement en rotation et en translation. On voit aux figures 2 et 3 comment la tête laser 18 du dispositif de contrôle 10 est mise en oeuvre pour déterminer la position du manchon 34 dans le tube 12. cela, on détermine la position de la tranche d'ex- trémité 35 du manchon, qui forme un épaulement à l'inté- rieur du tube Comme on le voit à la figure 2, on focali- se, dans un premier temps, le faisceau laser sur la face interne 11 du tube 12, qui sert de référence pour le réglage du voltmètre De la lumière est réfléchie par cette surface et renvoyée par le miroir 44 à travers le dispositif optique 40 et la fibre optique 16 On règle le voltmètre de manière à compenser l'écart éventuel entre les signaux électriques Si,Sr correspondant respective- ment aux faisceaux lasers incident et réfléchi On détermine ainsi un seuil nul caractéristique de la surface interne du tube 12 sur laquelle le faisceau laser est focalisé Dans un deuxième temps, on déplace axiale- ment la tête laser dans le tube jusqu'à ce que le faisceau laser éclaire la surface interne 47 du manchon 34, comme cela est montré sur la figure 3 La discontinuité des surfaces internes du tube 12 et du manchon 34 provo- que une variation de la focalisation du faisceau laser incident et une variation de la quantité de lumière réfléchie Ces variations optiques conduisent à une variation de la mesure du voltmètre par rapport au seuil. L'opérateur en déduit la position du manchon dans le tube, qui est fonction du déplacement axial de la tête laser dans le tube Dans de nombreux cas de détection de la position du manchon, la variation de la quantité de lumière réfléchie est due essentiellement aux différences des caractéristiques de réflexion des surfaces internes du tube 12 et du manchon 34 En effet, la surface interne 11 du tube 12 est généralement usagée et sale, donc peu réfléchissante, et la surface interne 47 du manchon 34 est neuve et propre, donc très réfléchissante. La figure 4 montre comment la tête laser 18 du dispositif de contrôle 10 est mise en oeuvre pour déceler une variation du diamètre intérieur du tube 12 Dans ce cas, le faisceau laser est, dans un premier temps, focalisé sur une portion de référence de la surface interne du tube Dans ces conditions, on règle le seuil du volmètre à zéro à l'aide des moyens de compensation électrique Dans un deuxième temps, on fait tourner la tête laser 18 autour de son axe X-X Sur la figure 3 on a montré une discontinuité de la surface interne 11 formant une saillie radiale 48 à l'intérieur du tube 12. Cette saillie 48 provoque, comme dans le cas précédent, une variation de la mesure du voltmètre par rapport au seuil. Le dispositif de contrôle 10 peut être utilisé pour contrôler d'autres types de surfaces Il permet, par exemple, de détecter les changements des caractéristiques de réflexion d'une surface. Comme illustré à la figure 5, le dispositif de contrôle 10 peut également être utilisé pour contrôler le positionnement d'un robot ou d'un bras télémanipulateur 50 Pour cela, le faisceau laser est focalisé sur une surface de référence 52 choisie de telle façon que la perte de focalisation du faisceau laser soit liée à une position erronée du robot ou du bras télémanipulateur La sortie 32 du voltmètre 30 permet, en cas de variation excessive de la mesure du voltmètre par rapport au seuil, de commander, via une alarme appropriée 54, une opération de sécurité, par exemple l'arrêt du fonctionnement du robot ou du bras télémanipulateur, ou l'arrêt d'un faisceau laser opérationnel. L' invention permet de déceler automatiquement des caractéristiques géométriques de la surface d'un objet en opérant en aveugle L'invention permet également d'en- voyer un signal de commande qui déclenche automatiquement une opération de sécurité pour protéger l'opérateur ou pour éviter la dégradation d'un objet, en cas d'anomalie de positionnement d'un outil par rapport à celui-ci. . REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle d'une surface, caractérisé en ce qu': on envoie un faisceau laser, émis par une tête laser ( 18) déplaçable, sur une portion de référence de la surface à contrôler ( 11) ; on détermine un seuil qui est fonction de la différence d'intensité entre un faisceau de lumière (Fi) prélevé sur le faisceau laser incident et un faisceau de lumière (Fr) prélevé sur le faisceau laser réfléchi par la portion de surface de référence et rétrodiffusé dans la tête laser ; on déplace, l'une par rapport à l'autre, la tête laser ( 18) et la surface à contrôler ( 11) suivant une direction perpendiculaire à la normale de la portion de surface de référence ; et on mesure les variations de la différence d'intensité des faisceaux prélevés (Fi,Fr) par rapport au seuil. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu': on filtre les faisceaux prélevés (Fi,Fr) de façon à obtenir des faisceaux filtrés d'intensités lumineuses à peu près équivalentes ; on convertit les faisceaux filtrés (Fi,Fr) en signaux électriques (Si,Sr) ; on détermine le seuil en fonction des signaux électriques (Si,Sr) ; et on mesure les variations de la différence entre les signaux électriques (Si,Sr) par rapport au seuil. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on compense électriquement le seuil pour lui donner une valeur de référence nulle. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on envoie le faisceau laser sur la portion de référence de la surface à contrôler ( 11) en le focalisant sur cette surface. 5 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes appliqué au contrôle du positionnement d'un manchon ( 34) à l'intérieur d'un tube ( 12), caracté- risé en ce qu': on envoie le faisceau laser sur la surface interne ( 11) du tube ( 12) qui forme la surface de réfé- rence pour la détermination du seuil ; et on déplace la tête laser ( 18) suivant l'axe (X-X) du tube ( 12). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4 appliqué au contrôle du diamètre intérieur d'un tube ( 12), caractérisé en ce qu': on envoie le faisceau laser sur une portion de référence de la surface interne ( 11) du tube ( 12) pour déterminer le seuil ; et on fait tourner la tête laser ( 18) autour de l'axe (X-X) du tube ( 12). 7 Procédé selon les revendications 2 et 4 prises ensemble appliqué au contrôle du positionnement d'un robot ou d'un bras télémanipulateur ( 50), caractérisé en ce que la perte de focalisation du faisceau laser sur la surface à contrôler est liée à une position erronée du robot ou du bras télémanipulateur ( 50) et en ce que la variation de la différence entre les signaux électriques, par rapport au seuil, résultant de cette perte de focali- sation, commande (en 54) une opération de sécurité. 8 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : une source laser ( 14) ; une fibre optique ( 16) conduisant le faisceau laser jusqu'à la tête laser ( 18) déplaçable, laquelle envoie le faisceau laser sur la surface à contrôler ( 11) et capte le faisceau laser réfléchi par cette surface ( 11) pour le renvoyer, au moins partiellement, dans la fibre optique ( 16) ; une lame séparatrice ( 20) disposée sur le rajet du faisceau laser permettant le prélèvement d'un faisceau de lumière (Fi) du faisceau laser incident et d'un faisceau de lumière (Fr) du faisceau laser réflé- chi ; et des moyens ( 22 à 30) de comparaison des deux faisceaux prélevés (Fi,Fr). 9 Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que lesdits moyens de comparaison compren- nent: deux séries de filtres disposées sur les trajets respectifs des faisceaux (Fi,Fr) prélevés par la lame séparatrice ( 20) ; deux photo-diodes ( 26,28), éclairées respecti- vement par les faisceaux (Fi,Fr) prélevés par la lame séparatrice ( 20), convertissant ces faisceaux en signaux électriques (Si,Sr) ; et un voltmètre différentiel à seuil ( 30), ali- menté par les signaux électriques (Si,Sr) des photo- diodes ( 26,28). 10 Dispositif selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le voltmètre ( 30) comporte des moyens de compensation électrique. 11 Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le voltmètre ( 30) comporte une sortie ( 32) délivrant un signal qui est fonction des variations des mesures du voltmètre par rapport au seuil. 12 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 8 à 11, caractérisé en ce que la tête laser ( 18) comporte un dispositif optique ( 40) de collimation et de focalisation du faisceau laser et un miroir ( 44) renvoyant radialement, par rapport à l'axe (X-X) de la tête laser, le faisceau laser sur la surface à contrôler ( 11), le dispositif comprenant des moyens d'entraînement de la tête en translation et/ou en rotation.