Brevet FR2721703A1 — publié le 19951229

DISPOSITIF POUR LA MESURE DE8 DIMENSIONS D'UNE PIECE TUBULAIRE, TELLE QU'UN TUBE METALLIQUE L'invention concerne le domaine du contrôle dimensionnel des tubes, notamment des gros tubes métalliques soudés. Les fabricants de gros tubes métalliques, notamment de tubes réalisés par cintrage d'une tôle puis soudage de ses deux bords latéraux, ont besoin de réaliser un contrôle dimensionnel précis de leurs produits. Les principales grandeurs à évaluer sur ces gros tubes après la réalisation de la soudure sont - leur circonférence - leur diamètre en un grand nombre de points, ce qui donne accès à l'ovalisation du tube et permet de vérifier que son enveloppe s'inscrit bien dans un gabarit prédéterminé il faut savoir aussi localiser les endroits où le diamètre atteint ses valeurs minimale et maximale - leur épaisseur et son évolution selon la circonférence du tube, y compris au niveau du cordon de soudure ; il faut également pouvoir déterminer la forme de ce cordon, en particulier le décalage entre les deux bords de part et d'autre de la soudure - la forme de la face radiale d'extrémité et du chanfrein - l'équerrage de l'extrémité par rapport au corps du tube - la longueur du tube. Ces mesures peuvent être effectuées manuellement à l'aide d'instruments de mesure classiques tels que des mètres à ruban, des calibres de forme, etc. Mais il est clair que, dans ces conditions, une évaluation raisonnablement complète des dimensions du tube prend beaucoup de temps, et que sa précision laisse fortement à désirer. C'est pourquoi des machines permettant d'effectuer automatiquement ces mesures ont été proposées. L'une d'entre elles est décrite dans le brevet allemand DE 3816130. Le tube à mesurer est posé horizontalement sur un berceau. Face à chacune des extrémités du tube, un chariot de mesure mobile est disposé dans leur prolongement. Ce chariot de mesure comporte, comme organe principal, une tête de mesure comprenant deux potences se prolongeant l'une l'autre et pouvant être mises en rotation autour d'un axe horizontal colinéaire à l'axe du tube. A leurs extrémités libres respectives, chacune de ces potences rotatives comporte un bras de mesure horizontal terminé par une roulette.Ces deux bras de mesure peuvent coulisser l'un vers l'autre le long des potences qui les portent, de manière à ce que, lors des opérations de mesure, la roulette de l'un soit appliquée en permanence contre la paroi interne du tube et la roulette de l'autre appliquée en permanence contre la paroi externe du tube. Pendant ces opérations, la tête de mesure est mise en rotation, et les déplacements des deux bras de mesure par rapport à l'axe de la tête sont enregistrés. Un tour complet de la tête de mesure permet ainsi de construire une image continue des diamètres intérieur et extérieur du tube. On a également accès à l'épaisseur de la paroi du tube à un endroit, par calcul de la différence entre les deux mesures précédentes pour une même position angulaire des roulettes. Par ailleurs, un autre capteur détecte l'extrémité du tube, et la mesure de la distance entre ce capteur et son homologue qui équipe le chariot de mesure disposé au voisinage de l'autre extrémité du tube donne accès à la longueur du tube. L'inconvénient principal de cette machine est d'utiliser des capteurs à contact physique, assuré par les roulettes. Une précision acceptable ne peut être obtenue qu'en faisant tourner la tête de mesure à une vitesse faible, et la mesure ne peut être réalisée aussi rapidement qu'il serait souhaitable. D'autre part, les roulettes ne procurent qu'une résolution spatiale limitée, car leur contact avec le tube ne peut être rigoureusement ponctuel. Cette résolution est également limitée par la sensibilité des dispositifs mécaniques qui enregistrent les déplacements des bras de mesure. Les accidents locaux de forme, tels que ceux liés à la présence du cordon de soudure, ne sont donc pas restitués avec suffisamment de précision. Le but de l'invention est de procurer aux fabricants de pièces tubulaires, notamment de gros tubes métalliques soudés, une installation leur permettant de contrôler les dimensions de leurs produits avec une précision et une rapidité satisfaisantes. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour la mesure des dimensions d'une pièce tubulaire, telle qu'un tube métallique, caractérisé en ce qu'il comprend un berceau destiné à recevoir ladite pièce tubulaire en position horizontale, un socle fixe solidaire du sol, un chariot de mesure mobile en translation sur ledit socle selon une direction parallèle à l'axe longitudinal de ladite pièce tubulaire, une première potence solidaire dudit chariot, un support pouvant coulisser le long de ladite première potence, des moyens pour maintenir ledit support dans une position déterminée, un arbre d'axe sensiblement horizontal, soutenu par ledit support, des moyens pour mettre en rotation ledit arbre autour de son axe, des moyens pour repérer la position angulaire dudit arbre, une deuxième potence solidaire dudit arbre, un support en C comportant deux branches horizontales, ledit support en C pouvant coulisser le long d'une face de ladite potence tournée vers ladite pièce tubulaire, des moyens pour maintenir ledit support en C dans une position déterminée, deux capteurs de distance optiques disposés chacun dans une desdites branches horizontales du support en C et se faisant face, l'un desdits capteurs étant destiné à mesurer sa distance à la face externe de ladite pièce tubulaire et l'autre étant destiné à mesurer sa distance à la face interne de ladite pièce tubulaire, et des moyens de calcul pour enregistrer la position angulaire de l'arbre, la position longitudinale du support en C par rapport à l'extrémité du tube et les résultats des mesures fournies par les capteurs de distance optiques, et pour calculer les dimensions de ladite pièce tubulaire d'après les résultats desdites mesures effectuées pour différentes positions angulaires dudit arbre. Comme on l'aura compris, par rapport aux machines existantes, l'installation selon l'invention a pour principale caractéristique de remplacer les capteurs à contact physique par des capteurs optiques. Cela permet d'obtenir des mesures d'une meilleure précision tout en autorisant une simplification notable de la partie mécanique de l'installation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes - la figure 1 qui montre schématiquement un dispositif selon l'invention vu de profil, en train de mesurer les dimensions d'un tube lui-même vu en section longitudinale - la figure 2 qui montre une variante du dispositif selon l'invention, incluant un capteur à balayage laser pour la détection du bord dudit tube - la figure 3 qui montre une autre variante du dispositif selon l'invention, incluant un capteur de profil pour la détermination de la forme de la face radiale et du chanfrein dudit tube. La figure 1 schématise un dispositif selon l'invention, au cours de la mesure des dimensions d'un gros tube soudé 1. Celui-ci est placé dans un berceau 2 ayant, par exemple, une section en V ou en Y, avec son axe longitudinal XX' horizontal. Le dispositif selon l'invention comprend un socle 3 fixé au sol 4 et disposé face à l'extrémité du tube 1. Sur ce socle 3 un chariot 5 peut se déplacer selon une direction parallèle à l'axe XX' du tube 1. Il est solidaire d'une première potence verticale 6. Il comporte des moyens (non représentés) de repérage de sa position sur le socle 3. Un support 7 coulisse verticalement le long de la première potence 6 et peut être maintenu par des moyens non représentés dans une position choisie par l'opérateur en fonction du diamètre du tube 1. Ce support 7 soutient un arbre 8 à axe horizontal YY' et des moyens non représentés pour mettre cet arbre 8 en rotation. L'arbre 8 est équipé de moyens pour mesurer sa position angulaire, tels qu'un codeur angulaire 9. L'arbre rotatif 8 porte à son extrémité tournée vers le tube une deuxième potence 10 qui lui est perpendiculaire. Cette deuxième potence 10 porte sur sa face 31 tournée vers le tube 1 un support 11 en forme de C, possédant donc une branche verticale 12 et deux branches horizontales 13, 14 qui lui sont rattachées. Ladite branche verticale 12 peut coulisser le long de la deuxième potence 10 et être maintenue dans une position choisie. Chacune des branches horizontales 13, 14 du support en C 11 porte un capteur de distance optique 15, 16 et ceux-ci sont disposés de manière à se faire face.Ces capteurs optiques 15, 16 sont, par exemple, du type connu comprenant des moyens d'émission d'un faisceau laser 17, 18 de diamètre inférieur à 1 mm et une caméra non représentée pointée sur la zone dans laquelle le faisceau 17, 18 est susceptible de rencontrer la surface du tube 1 dont on désire relever les dimensions. Cette zone peut, par exemple, s'étendre entre 100 et 300 mm à partir de l'origine du faisceau 17, 18. Le champ de ces caméras est délimité en pointillés sur les figures. Les dimensions du support en C 11 sont telles que les deux capteurs optiques 15, 16 sont séparés par une distance de l'ordre de, par exemple, 400 mm. L'installation comprend enfin des moyens 19 d'enregistrement et de calcul auxquels sont reliés le codeur angulaire 9 de l'arbre rotatif 8, le chariot 5, le support en C 11 et les capteurs 17, 18, et qui peuvent recueillir et traiter les informations concernant la position angulaire de l'arbre rotatif 8, la position longitudinale du chariot 5, la position du support en C 11 sur la deuxième potence 10 et les mesures fournies par les capteurs 17, 18. Le dispositif de mesure est utilisé comme suit. Le chariot de mesure 5 est placé dans une position reculée par rapport à la future position du tube 1. Puis le tube 1 à mesurer est placé sur son berceau 2. L'arbre rotatif 8 du dispositif est ensuite placé en hauteur de manière à ce que son axe YY' soit à peu près (mais pas forcément rigoureusement) colinéaire à l'axe XX' du tube 1, puis on fait coulisser le support en C 11 sur la potence 10 de manière à ce que les deux branches horizontales 13, 14 du support en C 11 puissent ultérieurement encadrer la paroi du tube 1. Cette possibilité de coulissement permet d'effectuer avec une même installation les mesures sur des tubes de différents diamètres.Enfin, le chariot 5 est rapproché du tube 1, de façon à ce que l'un des capteurs optiques 15 puisse envoyer son faisceau laser 17 sur la surface externe 20 du tube 1, et que l'autre capteur optique 16 puisse envoyer son faisceau laser 18 sur la face interne 21 du tube 1. On dispose le chariot de mesure 5 par exemple de manière à ce que les impacts sur le tube 1 des faisceaux laser 17, 18 soient tous deux situés à environ 100 mm de l'extrémité du tube 1, de manière à se conformer aux normes en vigueur qui prévoient que les mesures relatives au diamètre des tubes soient effectuées à ce niveau. Les mesures peuvent alors commencer. Alors que l'arbre rotatif 8 et la deuxième potence 10 qui lui est solidaire sont maintenus dans leurs positions d'origine, les faisceaux laser 17, 18 de chaque capteur 15, 16 sont envoyés sur le tube 1, et leurs impacts sont localisés par les caméras intégrées aux capteurs 15, 16. On peut ainsi connaître avec précision (+ 0,1 mm environ) et enregistrer dans les moyens de calcul 19 la distance qui sépare la face 20, 21 du tube 1 concernée du capteur 15, 16, connaissant la géométrie de celui-ci. Comme on a préalablement mesuré la distance séparant les capteurs 15, 16 et que ceux-ci se font face, la différence entre cette distance et la somme des deux distances capteur 15,16-tube 1, mesurées pour une position angulaire donnée connue de l'axe rotatif 8, fournit l'épaisseur "e" du tube au lieu de mesure. Cette épaisseur "e" est immédiatement déterminée par les moyens de calcul 19. Connaissant la position du support en C 11 sur la deuxième potence 10, les moyens de calcul 19 déterminent également les distances entre les faces externe 20 et interne 21 du tube 1 et l'axe YY' de l'arbre rotatif 8. Une fois cette série de mesures effectuée, on fait tourner l'arbre rotatif 8 d'un angle 6 0 faible et connu (de l'ordre, par exemple, de 0,10), et une autre série de mesures similaires est exécutée. On explore ainsi, par pas successifs, l'ensemble de la circonférence du tube 1. Il est donc possible d'obtenir directement l'épaisseur "e" de la paroi du tube 1 en un très grand nombre de points (en fait d'une manière quasi continue si le pas 6 O est faible). D'autre part, en combinant les déterminations, effectuées pour chaque position angulaire de l'arbre rotatif 8, des distances entre les faces 20, 21 du tube et l'axe YY', les moyens de calcul 19 reconstituent une image des circonférences intérieure et extérieure du tube 1 à une distance donnée de son extrémité. Le résultat de cette reconstitution est restitué à l'opérateur sous une forme appropriée, telle qu'un tableau de mesures et une représentation sur écran 22. De cette reconstitution, on peut déduire - les circonférences interne et externe du tube 1 - des valeurs moyennes des diamètres intérieur et extérieur du tube 1 ; - les positions angulaires des zones où ces diamètres sont les plus faibles ou les plus élevés ; - le degré d'ovalisation du tube 1. Compte tenu du caractère quasi-instantané des mesures, une exploration complète d'une circonférence du tube 1 avec un pas 6 O de 0,10 peut, par exemple, être effectuée en 30 secondes environ. Si on désire obtenir ces mêmes mesures sur une autre circonférence plus proche ou plus éloignée de l'extrémité du tube 1, il suffit de translater le chariot de mesure 5 et de recommencer l'opération. Comme on l'a dit, la zone du cordon de soudure présente un intérêt particulier, et on peut souhaiter déterminer sa géométrie avec une meilleure précision que pour le restant de la circonférence du tube 1. On pourrait, par exemple, prendre un pas 68 de 0,1 uniquement au voisinage du cordon de soudure, et se contenter d'un pas 68 de 10 ou de quelques degrés sur le restant de la circonférence. Avantageusement, le support en C 11 est également muni d'un moyen de détection du cordon de soudure, de préférence connecté aux moyens de mise en rotation de l'arbre rotatif 8. Ce moyen peut être constitué par un capteur à courants de Foucault 23, qui détecte le cordon de soudure d'après ses différences structurelles avec le métal du tube.Ce capteur 23, pour fonctionner correctement, doit avoir son extrémité placée à une faible distance (quelques mm) de la surface externe 20 ou interne 21 du tube. On a donc intérêt à prévoir un moyen de réglage automatique de cette distance qui réagirait aux irrégularités de la forme de la surface du tube 1 (notamment près du cordon de soudure), et éviterait ainsi que le capteur 23 ne vienne heurter le tube 1 ou, inversement, ne s'en éloigne trop. Ce moyen de réglage peut comporter des moyens optiques, ou, plus simplement, des moyens purement mécaniques incluant un palpeur frottant contre le tube 1. Le pas 60peut ainsi être choisi en fonction des informations fournies par ce capteur 23 : dès que le capteur 23 réagit à la présence du cordon de soudure le pas 6 O est réduit à sa valeur la plus faible.Si le capteur 23 est connecté aux moyens de mise en rotation de l'arbre rotatif 8, cette réduction peut être effectuée automatiquement. Comme on l'a dit, il est aussi intéressant, pour le fabricant de tubes, de localiser précisément l'extrémité du tube 1 et de déterminer sa forme exacte, à savoir la géométrie du chanfrein 24 et l'équerrage de la face radiale 25 (c'est-à-dire l'écart par rapport à la géométrie idéale où cette face radiale 25 serait entièrement comprise dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal XX' du tube 1). Cette forme peut être déterminée en utilisant le dispositif selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit. Il faut alors effectuer des séries de mesures successives sur différentes circonférences du tube 1 séparées par une translation du chariot de mesure 5, cette translation étant d'autant plus petite que la précision recherchée est meilleure, et en tout cas pas supérieure à (à préciser). Toutefois, on imagine bien que le temps nécessaire à cette détermination précise peut paraître exagérément long, sachant que l'exploration d'une seule circonférence prend environ (à préciser) minutes, et qu'il est nécessaire d'explorer les circonférences qui s'étendent sur environ les 100 derniers mm du tube. Préférentiellement, il est donc souhaitable d'intégrer au dispositif de mesure des moyens permettant d'obtenir une image de l'extrémité du tube sans que cette obtention ne conduise à un allongement significatif de la durée des opérations de mesure. La figure 2 représente le support en C 11 modifié pour recevoir un exemple de tels moyens d'obtention d'une image de l'extrémité du tube 1. Ces moyens consistent ici en un capteur de mesure de position de bord constitué par un système à balayage à nappe laser parallèle. Un tel capteur est connu en lui-même, et est commercialisé par de nombreuses sociétés, notamment par la firme ZUMBACH et ODAC. Il comprend d'abord une partie émettrice 26 intégrée à la branche horizontale 14 du support en C 11 qui est tournée vers la face interne 21 du tube 1. Cette partie émettrice 26 envoie un faisceau laser balayant en continu la zone d'observation, que l'on pourrait donc assimiler à une série de faisceaux laser 27 alignés parallèlement à l'axe XX' du tube 1. Ce faisceau est orienté en direction d'une partie réceptrice 28. Celle-ci est intégrée à la branche horizontale 13 du support en C 11 qui est tournée vers la face externe 20 du tube 1. Ainsi, en déterminant grâce aux moyens de calcul 19 pour lesquelle de ses positions ce faisceau laser est arrêté par la face interne 21 du tube 1 et pour lesquelles il ne l'est pas, on peut localiser l'extrémité du tube 1 pour chaque position angulaire de l'arbre rotatif 8. On peut ainsi placer précisément le chariot de mesure 5 de telle façon que les capteurs de distance 15, 16 explorent bien la circonférence désirée du tube 1. On peut également déterminer l'image en trois dimensions de la face radiale 25 du tube 1 et évaluer son équerrage. En revanche, il n'est pas possible de déterminer la forme du chanfrein 24. Cette détermination est, en revanche, possible avec le dispositif représenté sur la figure 3, dans lequel le support en C 11 comporte un capteur de profil 29 intégré à sa branche verticale 12. Ce capteur de profil 29 est d'un type connu en lui-même. Il est commercialisé, notamment, par la firme PERCEPTRON (sous la référence DATACAM CONTOUR SENSORS) et MESACON (sous la référence MESAMETER DS2), et fonctionne selon le principe de la coupe optique ou de la triangulation à balayage. Dans le cas de la coupe optique, il inclut un générateur d'un plan laser 30 orienté vers l'extrémité du tube et une caméra matricielle qui capte l'image en trois dimensions de la trace du plan laser 30 sur l'extrémité du tube 1, incluant la face radiale 25 et le chanfrein 24.Les moyens de calcul 19 auxquels est relié ce capteur, peuvent ainsi reconstituer instantanément cette image, et en particulier la forme du chanfrein 24 et la position longitudinale de la face radiale 25. En répétant l'opération pour chaque position angulaire de l'arbre rotatif 8, on obtient ainsi une image complète de la face radiale 25 du tube 1 et de son chanfrein 24, et ce après un seul tour de l'arbre rotatif 8. Notons également que les capteurs que l'on vient de décrire et qui permettent de détecter les bords du tube 1 et de déterminer leur forme permettent également de repérer les positions relatives de l'extrémité du tube 1 et du support en C 11. Par cet intermédiaire, on peut réaliser un positionnement précis des capteurs de distance 15, 16 par rapport à l'extrémité du tube 1, sans qu'il soit alors nécessaire de repérer la position du chariot 5 sur le socle 3. Préférentiellement, le dispositif selon l'invention comporte deux chariots de mesure 5 équipés comme on vient de le décrire, disposés chacun face à une extrémité du berceau porte-tube 2. On peut ainsi simultanément décrire les deux extrémités du tube 1. De plus, en mesurant la distance séparant les deux chariots 5 (ou d'autres éléments qui leur sont solidaires, par exemple les supports en C 11) et en la communiquant aux moyens de calcul 19, on peut facilement déduire la longueur du tube 1, qui est aussi un paramètre intéressant à connaître. Si l'invention, dans l'exemple décrit, s'applique à la mesure des dimensions des gros tubes métalliques soudés, il est clair qu'elle peut être appliquée à d'autres types de produits de forme tubulaire, dont les dimensions sont compatibles avec celles de l'appareillage : tubes métalliques sans soudure, tubes non métalliques, etc... D'autre part, des dispositifs optiques de mesure autres que ceux exemplifiés, mais assurant les mêmes fonctions, peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour la mesure des dimensions d'une pièce tubulaire (1), telle qu'un tube métallique, caractérisé en ce qu'il comprend un berceau (2) destiné à recevoir ladite pièce tubulaire (1) en position horizontale, un socle fixe (3) solidaire du sol (4), un chariot de mesure (5) mobile en translation sur ledit socle (3) selon une direction parallèle à l'axe longitudinal (XX') de ladite pièce tubulaire (1), une première potence (6) solidaire dudit chariot (5), un support (7) pouvant coulisser le long de ladite première potence (6), des moyens pour maintenir ledit support (7) dans une position déterminée, un arbre (8) d'axe (YY') sensiblement horizontal, soutenu par ledit support (7), des moyens pour mettre en rotation ledit arbre (8) autour de son axe (YY'), des moyens (9) pour repérer la position angulaire dudit arbre (8), une deuxième potence (10) solidaire dudit arbre (8), un support en C (11) comportant deux branches horizontales (13,14), ledit support en C (11) pouvant coulisser le long d'une face (31) de ladite deuxième potence (10) tournée vers ladite pièce tubulaire (1), des moyens pour maintenir ledit support en C (11) dans une position déterminée, deux capteurs de distance (15,16) optiques disposés chacun dans une desdites branches horizontales (13,14) du support en C (11) et se faisant face, l'un (15) desdits capteurs étant destiné à mesurer sa distance à la face externe (20) de ladite pièce tubulaire (1) et l'autre étant destiné à mesurer sa distance à la face interne (21) de ladite pièce tubulaire (1), et des moyens de calcul (19) pour enregistrer la position angulaire de l'arbre (8), la position longitudinale du support en C (11) par rapport à l'extrémité de la pièce tubulaire (1), la position du support en C (11) sur la deuxième potence (10), et les résultats des mesures fournies par les capteurs de distance optiques (15,16), et pour calculer les dimensions de ladite pièce tubulaire (1) d'après les résultats desdites mesures effectuées pour différentes positions angulaires dudit arbre (8). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits capteurs optiques (15,16) comportent chacun des moyens d'émission d'un faisceau laser (17,18) et une caméra orientée sur la zone dans laquelle est susceptible de se trouver l'impact dudit faisceau (17,18) sur ladite pièce tubulaire (1). 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter le cordon de soudure d'un tube métallique soudé. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter le cordon de soudure d'un tube métallique soudé comportent un capteur à courants de Foucault (23). 5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit support en C (11) comporte des moyens pour obtenir une image de l'extrémité de la pièce tubulaire (1). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour obtenir une image de l'extrémité de la pièce tubulaire (1) comportent un capteur de mesure de position de bord à balayage laser parallèle (26,27,28) connecté auxdits moyens de calcul (19). 7) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour obtenir une image de l'extrémité de la pièce tubulaire (1) comportent un capteur de profil (29) connecté auxdits moyens de calcul (19). 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit capteur de profil (29) est du type fonctionnant selon le principe de la coupe optique et comprend un générateur d'un plan laser (30) et une caméra matricielle captant la trace dudit plan (30) sur l'extrémité de la pièce tubulaire (1). 9) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit capteur de profil (29) est du type fonctionnant selon le principe de la triangulation à balayage. 10) Dispositif pour la mesure des dimensions d'une pièce tubulaire (1), caractérisé en ce qu'il comporte deux dispositifs selon l'une des revendications 1 à 9, disposés chacun face à une extrémité dudit berceau (2), et comportant des moyens pour mesurer la distance entre les deux extrémités de ladite pièce tubulaire (1).