Brevet FR2677755A1 — publié le 19921218

La présente invention concerne un dispositif pour le calage d'un robot par rapport à une ligne de production en vue d'accomplir des opérations techniques de précision telles par exemple la découpe par laser de pièces d'automobiles. On sait que l'installation d'un robot sur une ligne de production nécessite une étape première de calage précis de ce robot avant sa mise en service et cette opération de calage consiste à identifier l'espace de travail du robot dans son repère propre. Cette condition est généralement satisfaite en réalisant une localisation tridimensionnelle précise de points caractéristiques de cet espace dans le référentiel du robot. Le calage de robots a été effectué jusqu'à maintenant en utilisant des méthodes de mesures par contacts mécaniques (palpeurs micrométriques) sur des cubes étalon. Cette méthode de calage connue a pour inconvénients majeurs d'être limitée du point de vue précision de calage et de nécessiter de nombreuses interventions de l'opérateur. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif pour le calage d'un robot par rapport à une ligne de production en vue d'accomplir des opérations techniques de précision telles que par exemple la découpe par laser, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois sphères de précision liées à une zone de travail de la ligne de production et servant de cibles d'identification ou de localisation de la zone de travail, un ensemble monté sur un bras du robot comprenant un appareil de mesure de distances à télémètre optique et des moyens de déplacement en coordonnées cartésiennes ou polaires de l'appareil de mesure de façon que ce dernier balaie les surfaces des sphères et fournisse des valeurs de distances entre les points de la calotte sphérique de chaque sphère et un plan de référence de l'appareil de mesure et définissant ainsi les coordonnées de ces points dans le référentiel du robot, un moyen calculateur déterminant les coordonnées dans le référentiel du robot des centres des sphères, et un moyen de commande du déplacement du robot repositionnant ce dernier à partir des coordonnées calculées des centres des sphères. Le moyen calculateur précité est programmé pour déterminer les coordonnées des centres des sphères par une approximation par les moindres carrés. Le moyen calculateur est également programmé pour corriger l'incertitude sur la valeur calculée de coordonnées de chaque centre de sphère par une méthode de calcul direct ou une interpolation parabolique. Selon un mode de réalisation, l'appareil de mesure précité est du type télémètre à mesure ponctuelle et les moyens de déplacement en coordonnées cartésiennes comprennent deux tables perpendiculaires à déplacement commandés en translation micrométriques. Les deux tables précitées sont entralnées respectivement par deux axes de deux moteurs électriques à commande numérique solidaires du robot. Avantageusement, le dispositif comprend de plus un moyen de centrage de l'axe optique du faisceau de l'appareil de mesure sur l'origine des coordonnées des points précités et constitué par une caméra vidéo, de préférence à capteur du type CCD (charged coupled device : dispositif à charges couplées), placée dans l'axe optique du faisceau et couvrant l'amplitude de translation des deux tables suivant les axes OX et OY, le centrage étant obtenu lorsque les amplitudes de déplacement du point d'impact du faisceau incident sur le tube de la caméra vidéo suivant les deux sens d'un même axe OX ou OY sont identiques. Selon un autre mode de réalisation, l'appareil de mesure précité est du type télémètre à balayage linéaire et les moyens de déplacement en coordonnées polaires comprennent un moteur pas à pas sur lequel est monté l'appareil de mesure et dont l'axe de rotation est confondu avec le point médian de la ligne de mesure du télémètre. Avantageusement, le dispositif comprend de plus un moyen de réglage du centrage de l'axe de rotation du moteur pas à pas au point médian précité et utilisant une caméra vidéo, de préférence à capteur du type CCD, analysant la trajectoire de la ligne de mesure relativement à l'axe de rotation du moteur. Le moyen de commande précité repositionne plusieurs fois le robot après un mouvement de retrait préétabli de ce dernier et le moyen calculateur détermine un point moyen de calage du robot pour un cycle de N repositionnements. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 représente en perspective le dispositif de calage d'un robot conforme à l'invention ; - la figure 2 représente les coordonnées des points de surface d'une sphère dans le repère (O,X,Y,Z) - la figure 3 représente la méthode de détermination de la distance d'un point de la surface d'une sphère au plan de référence de l'appareil télémètrique utilisé dans le dispositif de l'invention ;; - les figures 4A et 4B définissent respectivement une méthode de calcul direct et une interpolation parabolique corrigeant l'incertitude sur la valeur calculée de coordonnées de chaque centre d'une sphère - la figure 5 représente un dispositif à caméra vidéo permettant le positionnement de l'appareil télémètrique au centre du repère (O,X,Y) ; - la figure 6A représente le balayage angulaire d'une sphère de précision par rotation du télémètre du type à balayage ligne et les figures 6B et 6C représentent respectivement un réglage correct de concentricité de l'axe de rotation du moteur d'entrainement de l'appareil télémètrique avec le point médian de la ligne de mesure du télémètre et un défaut d'excentricité de cet axe de rotation relativement au point médian de la ligne de mesure ; et - les figures 7A et 7B représentent respectivement un centrage approximatif de l'appareil télémètrique relativement à une sphère de calage et l'ajustement de l'appareil télémètrique dans sa zone de linéarité de mesure. En se reportant à la figure 1, le dispositif pour le calage d'un robot 1 par rapport à une ligne de production en vue d'accomplir des opérations techniques de précision telles que la découpe par laser de pièces d'automobiles ou l'usinage de telles pièces, comprend au moins trois sphères de métrologie 2,3,4 et de très haute sphéricité utilisées comme cibles de localisation dans le référentiel du robot d'une zone de travail 5 de la ligne de production. Les sphères 2,3,4 sont portées par des pieds 6 solidaires de la zone de travail 5. Dans la mesure où la détermination directe d'un point dans l'espace en trois dimensions par un instrument de mesure n' est pas possible, l'invention contourne cette difficulté en considérant chaque sphère de métrologie 2,3,4 qui contient un point spécifique unique à savoir son centre. Ainsi, le dispositif peut être adapté pour effectuer un ensemble de mesure en surface sur une partie de la sphère (calotte sphérique) afin d'extraire par un calcul de régression multidimensionnelle le centre réel de chaque sphère. A cet effet, le dispositif de l'invention comprend de plus un ensemble 7 monté sur le bras 8 du robot 1 et comprenant un appareil de mesure de distances à télémètre optique permettant de déterminer, sans contact, la distance entre un point de la calotte sphérique d'une sphère 2,3,4 et un plan de référence propre à l'appareil de mesure et des moyens de déplacement en coordonnées cartésiennes ou polaires de l'appareil de mesure de façon que ce dernier puisse balayer les surfaces des sphères et fournir les valeurs de distance entre les points de la calotte sphérique de chaque sphère et le plan de référence de l'appareil de mesure, pour définir ainsi les coordonnées de ces points dans le référentiel du robot 1.Le dispositif comprend un moyen calculateur 9 intégré par exemple dans le robot 1 et déterminant les coordonnées dans le référentiel du robot des centres des sphères 2,3,4 et un moyen de commande 10 logé également dans le robot 1 pour le repositionner à partir des coordonnées calculées des centres des sphères 2,3,4. En adoptant le plan de référence du télémètre 9 comme plan (X,Y) du repère (O,X,Y,Z), chaque point Pi de coordonnées Xi,Yi,Zi de la calotte sphérique d'une sphère 2,3,4 est défini dans ce repère comme représenté en figure 2. Les coordonnées Xi,Yi étant connues à priori, la composante Zi est déterminée par mesure ponctuelle avec le télémètre 9 comme schématisé en figure 3. Le balayage des surfaces de chaque sphère 2,3,4 par l'appareil de mesure 11 sous la commande des moyens de déplacements de l'ensemble 7 permet ainsi de saisir un ensemble de points Pi (Xi,Yi,Zi) de la calotte sphérique de chaque sphère avec i = 1 à N et cet ensemble est mémorisé dans un moyen mémoire associé au calculateur 9 qui détermine le centre correspondant C (Xc,Yc,Zc) de chaque sphère étalon prise comme cible. Le nuage de N points Pi (Xi,Yi,Zi) est par définition un ensemble de points appartenant à une même sphère de rayon connu à priori et de centre C (Xc,Yc,Zc). Il s'agit alors de déterminer les coordonnées de chaque centre C (Xc,Yc,Zc) dans le repère (O,X,Y,Z). Le calculateur 9 est programmé pour calculer les coordonnées dans le référentiel du robot 1 du centre C de chaque sphère 2,3,4 en utilisant une approximation par les moindres carrés sur ce nuage de points. Pour minimiser l'erreur quadratique E2, l'expression du rayon R de chaque sphère à partir des points Pi (Xi,Yi,Zi) s'écrit R2 = 1/N(#xi2) + 1/N(#yi2) +1/N(tzi ) avec les coordonnées des points Pi (Xi,Yi,Zi) définies par xi = Xi - Xc yi = Yi - Yc zi = Zi - Zc L'erreur quadratique ei2 en un point Pi (Xi,Yi,Zi) s'écrit ei2 = (xi2 + yi2 + zi2 R R ) d'où l'expression de l'erreur totale E2 La recherche des valeurs Xc,Yc et Zc qui minimisent cette erreur par rapport au centre de la sphère passe par la résolution du système d'équation suivant tE Oxc = bE2 / byc = tE2 /bzc = 0. Le calculateur 9 est adapté pour résoudre le système d'équation ci-dessus pour en déduire les coordonnées Xc,Yc et Zc du centre C de chaque sphère 2,3,4. Le nuage de points de la calotte sphèrique de chaque sphère 2,3,4 analysée par balayage du télémètre 11 dans le plan (X,Y) présente une particularité de répartition. En effet, la calotte sphérique est vue par le télémètre suivant une direction unique et l'ensemble des points ainsi obtenu est situé dans une zone qui est décentrée par rapport au centre de la sphère. Le centre d'inertie de ces points ne se trouve pas dans le voisinage du centre de cette sphère. En conséquence, la distribution des points dans l'espace n'est pas équirépartie et le calcul de la coordonnée Zc est biaisée. Cette coordonnée est corrigée par un calcul supplémentaire d'interpolation effectué par le calculateur 9. Pour effectuer cette interpolation, deux méthodes sont proposées. La première méthode de correction est celle dite par calcul direct. Les coordonnées Xc et Yc du centre C d'une sphère étant calculées, il s'agit de déterminer la composante Zc. Au cours du balayage de la calotte sphèrique de la sphère, le point le plus proche du plan de référence est détecté puis mémorisé. Ce point Pmin est défini par ses coordonnées Xmim, Ymin et Zmin. Connaissant le rayon réel R de la sphère ainsi que les coordonnées Xc et Yc, le calculateur 9 calcule Zc exact en utilisant la cosphéricité. En effet, les deux points Pmin (Xmin,Ymin, Zmin) et C (Xc,Yc,Zc) appartiennent à la meme sphère. La valeur exacte de Zc est déduite en considérant le point de projection du centre C de la sphère sur la surface dans la direction de l'axe optique du télémètre, parallèle à l'axe OZ comme représenté en figure 4A, qui est une schématisation dans le plan X-Z. La correction de Zc (Zmin,R) est obtenue par Zc = (Zmin + R) -#Z ce cui donne l'expression finale en développant #Z : Zc = Zmin t (R2 2 (x2 +t y2 avec a X = (Xc - Xmin) et Ay =(Yc - Ymin) La seconde méthode de correction est dite par interpolation parabolique. La méthode précédente de calcul direct suppose la détermination de Pmin en cours de balayage du télémètre 11. Ce calcul attribue ainsi à la valeur de Zc la même précision que celle permise par le télémètre 11. Pour améliorer cette précision, on s'affranchit du calcul du point Pmin pour la détermination de la composante Zc du centre C de chaque sphère 2,3,4.Le balayage de la calotte sphérique est effectué avec un pas d'échantillonnage Ax ett y. Après le calcul des coordonnées du centre C de la sphère 2,3,4 par l'approximation par les moindres carrés, les coordonnées Xc et Yc sont comprises dans un voisinage de quatre points du maillage représenté en figure 4B et tel que Xi Yi La composante Zc est déduite du calcul d'interpolation parabolique dans ce voisinage et effectué par le calculateur 9. En effet, les quatre points adjacents et le point de projection du centre sur la surface de la sphère 2,3,4 appartiennent à la même sphère de rayon R. La valeur de Zc est une fonction de Zi, Zi+l, Zj,Zj+l qui s'écrit Zck = (Zk + R) #ÊZk ce qui donne avec # X = (Xk-Xk+1) et #Y = (Yk (Xk-Xk+1) et k = I à 4 La valeur finale de Zc est une moyenne des interpolations paraboliques sur le voisinage. Zc = 1/4#Zck k=1 à 4 Cette méthode de détermination de Zc s'affranchit des distorsions éventuelles par un calcul local et améliore par conséquent la précision du télémètre 11. Etant donné la finesse du maillage de la surface sphérique étalon de chaque sphère avec un pas#x etny y comme expliqué ci-dessus, le mouvement de balayage du télémètre ne peut être effectué par le robot et deux agencements sont utilisés pour permettre au télémètre de balayer la calotte sphérique de chaque sphère selon le type de télémètre utilisé. Le premier agencement de balayage utilise, en combinaison avec un télémètre à mesure ponctuelle, un montage en X-Y de deux tables de translation micrométriques perpendiculaires entraînées respectivement par deux moteurs électriques à commande numérique dont les axes à pas micrométriques entraînent en translation respectivement les deux tables sur l'une desquelles est monté le télémètre 11. Cet agencement, monté au bras 8 du robot 1, permet de réaliser un maillage de la surface de chaque sphère 2,3,4 en effectuant un ensemble de mesures point par point avec une résolution spatiale ajustable. La grande précision de positionnement des tables micrométriques, atteignant une résolution de 0,1 microns et une précision de perpendicularité des axes X-Y de plus ou moins 5 x 10 5 radians permet d'obtenir une bonne précision spatiale du maillage. Le montage de l'ensemble constitué par le télémètre 11 et la table X-Y sur le flasque du bras 8 du robot 1 nécessite un positionnement précis de l'origine des coordonnées des points du maillage par rapport au dernier axe du robot. L'origine du repère (O,X,Y) qui correspond au zéro numérique des tables de translation micrométriques, doit être positionné par rapport à cet axe du robot et confondu avec l'axe optique de projection du télémètre 11. A cet effet, le dispositif de l'invention comprend de plus un moyen de centrage de l'axe optique du faisceau du télémètre sur l'origine des coordonnées des points du maillage et constitué par une caméra vidéo 12, de préférence du type CCD, placée dans l'axe optique TT du faisceau de projection du télémètre 11 et couvrant l'amplitude de translation, symbolisée par la double flèche A comme indiqué en figure 5 suivant les axes X et Y.Pour réaliser le centrage de l'axe optique TT sur le zéro du repère X-Y successivement suivant les directions X et Y, la position du spot du faisceau incident frappant le tube de la caméra 12 est détecté au cours de chaque balayage sur l'axe X et sur l'axe Y. Le centrage est réalisé lorsque les amplitudes de déplacements du spot suivant les deux sens sont identiques, c'est-à-dire lorsque l Xmin = = l Xmax et tYminl = Ymax Après ce réglage, l'axe optique TT du télémètre 11 est confondu avec le zéro numérique de l'agencement de translations micrométriques X-Y. Une précision de 1 micron sur le positionnement de l'axe optique est possible avec la caméra CCD et un objectif en montage macro. Le second agencement permet de déplacer en coordonnées polaires le télémètre 11 du type à balayage ligne. Ce type de télémètre mesure simultanément les distances suivant une ligne entre le plan de référence du télémètre et la surface analysée. Cette acquisition multiple des distances simplifie la méthode précédente de balayage en X-Y. Deux modes de balayage de ce second agencement sont possibles - translation suivant la direction perpendiculaire à la ligne de mesure du télémètre - balayage angulaire par rotation du télémètre avec un pas angulaire autour d'un axe normal à la surface. Dans ce cas, une rotation d'amplitude de 1800 permet de couvrir la surface sphérique comme montré en figure 6A.Ce type de maillage produit un nuage de points Pi (ri, Oi), où ri est l'abscisse et Oi l'angle polaire, étant donné que chaque point de la ligne de mesure L dispose d'une abscisse ri connue. Selon ce second agencement de balayage, le télémètre 11 est monté sur un moteur tournant pas à pas, dont l'axe de rotation doit être confondu avec le point médian M de la ligne de mesure L du télémètre 11. Ce centrage est obtenu à l'aide d'une caméra vidéo externe, de préférence du type CCD, mettant en évidence tout défaut d'excentricité comme représenté aux figures 6B et 6C, cette dernière montrant que lorsque la ligne de mesure L est décalée par rapport à l'axe de rotation du moteur, la trajectoire de cette dernière n'est pas circulaire. L'analyse par la caméra vidéo de cette trajectoire corrige le positionnement du télémètre 11 sur l'axe du moteur d'entraînement. Afin d'obtenir une localisation significative du centre de chaque sphère de calage 2,3,4, il est indispensable que celle-ci présente une trés haute sphéricité puisque la précision de localisation est une fonction de cette sphéricité. A cette fin, les sphères de contrôle de métrologie permettent une telle précision de sphéricité. A titre indicatif, la précision de sphéricité garantie pour les sphères en carbures est de l'ordre de 2,5 microns. L'utilisation de ces sphères comme cibles optiques pour la technique de télémètrie utilisée dans l'invention impose de plus un critère de réflectivité et de diffusion du faisceau du télémètre en surface. Ces propriétés sont obtenues par un choix judicieux du matériau et du traitement électrochimique appliqué (anodisation blanc mat). La technologie actuelle permet d'obtenir une précision de sphéricité pour chaque sphère 2,3,4 de 5 microns.Compte tenu de la résolution recherchée, le diamètre adapté pour la méthode de télémètrie et de maillage de surface sphérique est de 20 mm. La procédure de calage du robot se décompose en deux étapes consécutives comprenant une prélocalisation d'approche et une routine de calage détaillées maintenant. Pour assurer un maillage de la calotte sphérique de chaque sphère 2,3,4 centrée dans le domaine de balayage et garantir un fonctionnement du télémètre 11 dans sa zone de linéarité, une étape de prépositionnement est effectuée par un centrage approximatif du télémètre 11 (spot de rayonnement visible) par l'opérateur au moyen de la commande manuelle du robot 1 comme représenté en figure 7A, et un déclenchement de la commande du télémètre 11 pour localiser le point P (O,O,Z) de la calotte sphérique d'une sphère entre Zmin et Zmax comme représenté en figure 7B. Une fois la calotte positionnée, le télémètre 11 est ajusté dans sa zone de linéarité de mesure. Une fois accomplie la prélocalisation ci-dessus, la procédure de maillage et de calcul du centre C (Xc,Yc,Zc) de chaque sphère est déclenchée. Après mémorisation de la position du centre C calculé par le calculateur 9, un cycle de repositionnement du robot 1 est effectué par le moyen de commande de déplacement de celui-ci. Ce cycle permet d'intégrer dans la précision de calage la répétabilité de repositionnement du robot après un mouvement de retrait préétabli du robot 1. Pour un cycle de N repositionnements du robot 1, le point moyen de calage C (Xc,Yc,Zc) est ainsi obtenu Xc = 1/N Xck Yc = 1/N Yck Zc = 1/N Zck avec k = 1 à N L'écart type ~ de dispersion des coordonnées est calculé. La précision de localisation obtenue par le montage à tables de translation X-Y Microcontrôle MR50 est de 10 microns, ce qui correspond à la précision en Z du télémètre optique. L'optimisation des sources d'erreurs telles que les tolérances mécaniques de montage du dispositif de balayage, la précision du télémètre, la sphéricité des sphères de calage, permet d'obtenir une précision inférieure à 10 microns. Le dispositif de calage de robot par télémètrie optique décrit ci-dessus permet de positionner avec précision le repère outil du robot dans le volume de travail, ce qui assure une programmation exacte des trajectoires du robot, aussi bien en apprentissage en ligne qu'en programmation hors ligne et cette précision est améliorée par le calcul d'interpolation proposé ci-dessus. La procédure de calage est automatisée et réduit ainsi le taux d'interventions de l'opérateur au simple tâche initiales d'approche du robot dans la zone de mesure. Par le dispositif de calage conforme à l'invention et en tenant compte de la répétabilité de repositionnement, le calage du robot 1 peut être obtenu avec une précision inférieure à 10 microns et ceci correspond à la tolérance recherchée en programmation hors ligne et dans des applications de précision telles que l'usinage ou la découpe par laser. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le calage d'un robot (1) par rapport à une ligne de production en vue d'accomplir des opérations techniques de précision telles par exemple la découpe par laser, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois sphères de précision (2,3,4) liées à une zone de travail (5) de la ligne de production et servant de cibles d'identification ou de localisation de la zone de travail (5), un ensemble (7) monté sur un bras (8) du robot (1) comprenant un appareil de mesure de distances à télémètre optique (11) et des moyens de déplacement (10) par coordonnées cartésiennes ou polaires de l'appareil de mesure (11) de façon que ce dernier balaie les surfaces des sphères (2,3,4) et fournissent des valeurs de distances entre des points de la calotte sphérique de chaque sphère (2;3;;4) et un plan de référence (P) de l'appareil de mesure (11) pour définir ainsi les coordonnées de ces points dans le référentiel du robot (1), un moyen calculateur (9) déterminant les coordonnées dans le référentiel du robot (1) des centres (C) des sphères (2,3,4), et un moyen de commande du déplacement du robot (1) repositionnant ce dernier à partir des coordonnées calculées des centres (C) des sphères (2,3,4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen calculateur (9) précité est programmé pour déterminer les coordonnées des centres (C) des sphères (2,3,4) par une approximation par les moindres carrés. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen calculateur (9) est également programmé pour corriger l'incertitude sur la valeur calculée de coordonnées de chaque centre (C) de sphère (2;3;4) par une méthode de calcul direct ou une interpolation parabolique. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'appareil de mesure (11) précité est du type télémètre à mesure ponctuelle et les moyens de déplacement en coordonnées cartésiennes comprennent deux tables perpendiculaires à déplacements commandés en translation micrométriques. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux tables précitées sont entraînées respectivement par deux axes de deux moteurs électriques à commande numérique solidaires du robot (1). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de centrage (12) de l'axe optique du faisceau de l'appareil de mesure (11) sur l'origine des coordonnées des points précités et constitué par une caméra vidéo (12), de préférence du type CCD, placée dans l'axe optique du faisceau et couvrant l'amplitude de translation des deux tables suivant les axes OX et OY, le centrage étant obtenu lorsque les amplitudes de déplacements du point d'impact du faisceau incident sur le tube de la caméra vidéo (12) suivant les deux sens d'un même axe OX ou OY sont identiques. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'appareil de mesure (11) précité est du type télémètre à balayage linéaire et les moyens de déplacement en coordonnées polaires comprennent un moteur pas à pas sur lequel est monté l'appareil de mesure (11) et dont l'axe de rotation est confondu avec le point médian (M) de la ligne de mesure (L) du télémètre (11). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de réglage du centrage de l'axe de rotation du moteur pas à pas au point médian précité et utilisant une caméra vidéo, de préférence du type CCD, analysant la trajectoire de la ligne de mesure (L) relativement à l'axe de rotation du moteur. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de commande précité repositionne plusieurs fois le robot (1) après un mouvement de retrait préétabli de ce dernier et le moyen calculateur (9) détermine un point moyen de calage du robot pour un cycle de N repositionnements.