Brevet FR2718522A1 — publié le 19951013

DISPOSITIF POUR EFFECTUER LA MESURE D'UN PROFIL SUR UNE SURFACE PLANE. L'invention concerne un nouveau dispositif destiné à permettre la réalisation de la mesure de profils, en creux ou en relief sur une surface plane. Plus spécifiquement, l'invention propose un dispositif susceptible de mesurer et de déterminer les caractéristiques d'un bourrelet au sein d'une feuille de papier ou carton. Bien que plus particulièrement décrite avec un dispositif de mesure des caractéristiques du bourrelet d'une feuille de papier ou de carton, l'invention ne saurait se limiter à cette seule application, et tout dispositif susceptible de permettre la mesure de tout profil en creux ou en relief par rapport à une surface plane est couvert par la portée de la présente invention. De manière définie, le bourrelet est constitué par la déformation résiduelle d'une feuille de carton ou de papier sous l'action d'un outil de rainage constitué d'une matrice, dénommée contre-partie et d'un poinçon, dénommé filet raineur, de forme correspondante. Le rainage des feuilles de carton ou de papier est destiné à permettre le pliage desdites feuilles en vue de la réalisation notamment d'emballages.Cette technique est aujourd'hui largement connue, de sorte qu'il n'y a pas lieu de la décrire ici plus en détail. Bien que largement connue et utilisée, cette technique présente dans son application quelques imperfections. En effet, les utilisateurs de celleci souhaitent pouvoir disposer d'un organe ou d'un dispositif susceptible de permettre le contrôle de la qualité et de l'uniformité du bourrelet obtenu, afin justement soit de corriger l'action des outils de rainage utilisés, soit d'éliminer les feuilles de carton à bourrelets impropres ou de caractéristiques incorrectes, pour justement permettre de faciliter l'opération ultérieure de pliage, voire de collage. Or, actuellement, le conducteur de la machine au niveau de laquelle sont montés les outils de rainage, conduit sa machine avec comme seule référence de qualité l'appréciation visuelle du bourrelet. Compte-tenu des dimensions de celui-ci, à savoir typiquement une largeur comprise entre 700 gm et 2 millimètres, et une hauteur comprise entre 10 am et 200 grm, on conçoit la relativité d'une telle appréciation, de sorte que ce contrôle visuel n'est pas aujourd'hui satisfaisant. L'objet de l'invention est de proposer un appareil ou dispositif susceptible de mesurer de manière beaucoup plus précise les différentes caractéristiques de ce bourrelet, et notamment sa hauteur par rapport au plan général de la surface de la feuille carton de papier, sa largeur et éventuellement son décentrage, c'est à dire sa symétrie ou sa non- symétrie par rapport à la médiatrice de la courbe plus ou moins parabolique du profil. Ce dispositif pour effectuer en continu ou isolément la mesure d'un profil en creux ou en relief ménagé ou réalisé au sein d'une surface plane d'un matériau diffusant se caractérise en ce qu'il comprend - une tête de mesure préhensile, comprenant: une source de lumière associée à une lentille - objectif, destinée à transformer le faisceau issu de la source en une image en forme de raie lumineuse, perpendiculaire au profil à mesurer 30. un organe de focalisation de la lumière retrodiffusée par la surface ainsi éclairée, et notamment par le profil; une caméra matricielle, au niveau de laquelle est focalisée ladite lumière rétrodiffusée, transformant les signaux analogi- ques reçus en signaux numériques; - un ensemble de traitement connecté à la tête de mesure compre- nant un calculateur, et destiné à partir des signaux numériques transmis par la caméra, à extraire au moins l'une des caractéristiques définissant le profil, à savoir sa hauteur définie par rapport au plan de référence constitué par la surface elle-même, sa largeur et/ou son décentrage. En d'autres termes, l'invention consiste, par des moyens optiques et électroniques, à déterminer de façon simple et aisée les caractéristiques du profil, et à obtenir celles-ci de manière quasiment instantanée. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, permettant d'éviter la réflexion spéculaire, l'orientation du faisceau lumineux issu de la source lumineuse s'effectue selon un angle d'incidence voisin de l'angle de Brewster correspondant à l'indice du matériau. Pour une feuille de papier ou de carton, cette valeur d'incide est de l'ordre de 1,5, l'angle de Brewster étant voisin de 56. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la source de lumière est polarisée rectilignement et sa direction de polarisation est parallèle au plan d'incidence des ravons lumineux sur le matériau.25 Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la caméra matricielle est constituée par une caméra associée à un circuit à transfert de charges, dont la définition est au moins égale à 512 x 512 pixels, et avantageusement munie d'un règlage du gain électronique.30 Selon l'invention, l'ensemble des différents éléments constitutifs de la tête de lecture sont centralisés au sein d'un boîtier de forme parallélipipédique, dont on réduit avantageusement les dimensions en ménageant un miroir entre l'organe de focalisation et la caméra. L'organe de traitement comprend avantageusement un organe de restitution sensoriel destiné à permettre la visualisation des informations extraites de la caméra par ledit ensemble, voire la représentation graphique du profil analvsé. Avantageusement, cet ensemble du traitement est constitué par un micro-ordinateur du type compatible ou autre. De manière plus spécifique, l'invention concerne un dispositif pour effectuer la mesure en continu ou isolément d'un profil en relief constitué par un bourrelet réalisé au sein d'une feuille de papier caractérisé en ce qu'il comprend: - une tête de mesure préhensile comprenant une source de lumière collimatée constituée par une diode laser, associée à une lentille plano-cvlindrique, destinée à trans- former le faisceau laser issu de la diode laser en une ligne per- pendiculaire au bourrelet, dont on cherche à mesurer les carac- téristiques; un objectif, destiné à focaliser la lumière rétrodiffusée par la feuille de papier ainsi éclairée; une caméra matricielle associée à un circuit de transfert die char- ges, au niveau de laquelle est focalisée ladite lumière rétro- diffusée, et transformant les signaux analogiques reçus en si- gnaux numériques; - un ensemble de traitement connecté par un monocâble coaxial à la tête de mesure, constitué par un micro-ordinateur intégrant un calculateur, destiné à partir de signaux numériques transmis par la caméra à extraire les caractéristiques définissant le profil, notamment sa hauteur, sa largeur et son décentrage; - un écran vidéo, destiné à permettre le positionnement du profil et le centrage de la tête de mesure par rapport au bourrelet. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexees.10 La figure 1 est une représentation schématique du principe du fonctionnement du dispositif conformément à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique de la tête de mesure du dispositif conforme à l'invention. La figure 3 est une représentation schématique en coupe d'une feuille de carton munie d'un bourrelet, et matérialisant les différentes caractéristiques mesurées. La description qui suit se rapporte plus particulièrement à un dispositif destiné à mesurer et déterminer les caractéristiques géométriques, d'un bourrelet d'une feuille de papier ou carton. Ainsi que cela a déjà été rappelé en préambule, cet exemple de réalisation est uniquement indicatif, mais ne saurait en aucun cas être considéré comme limitatif.25 On a représenté très schématiquement le principe de fonctionne- ment de l'installation du dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif est fondamentalement constitué de deux parties distinctes, respective- ment une tête de mesure (3), décrite en détail ultérieurement en liaison30 avec la figure 2, et un ensemble de traitement (4), éventuellement associé à un organe de restitution sensorielle et typiquement un écran vidéo (7). La tête de mesure (3), ainsi qu'on peut l'observer sur la figure 1 est de taille facilement préhensile, de telle sorte à pouvoir être manipulée aisément et mise en place également facilement pour permettre d'aboutir à la mesure recherchée. Typiquement, tous les éléments qui la composent sont sélectionnés avec un souci de réduction maximum de la taille de cette tête de mesure et de faible poids (3). Celui-ci est typiquement de 500 à 800 grammes. Cette tête de mesure (3) comprend fondamentalement un boîtier (18) de forme10 parallélépipédique, fermée sur toutes ses faces à l'exception de sa base, destinée à venir se positionner en regard de la feuille de papier ou de carton au niveau du bourrelet, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement. Elle comprend tout d'abord une source de lumière collimatée (8) et notamment une diode laser de faible puissance, typiquement inférieure à 3 mW, émettant un rayonnement électromagnétique dans le domaine du visible, par exemple à 675 nanomètres. De fait, compte-tenu du choix de la longueur d'onde et de la puissance émise, on peut utiliser la tête de mesure en toute sécurité, vérifier de manière simple les tests de20 fonctionnement et favoriser le positionnement de la tête (3) au niveau du papier (1). Cette diode laser est alimentée au moven d'une alimentation stabili- sée miniature, fonctionnant sur une tension compatible avec les tensions disponibles avec l'ensemble de traitement décrit en détail ci-après. Le faisceau issu de la diode laser (8) traverse ensuite une lentille plano-cylindrique de distance focale - 6,35 mm, dont la fonction réside dans la transformation dudit faisceau laser en un faisceau (10) se30 traduisant au niveau du bourrelet (2) analysé en une ligne (11) perpendiculaire audit bourrelet. Le faisceau (12), rétrodiffusé par le bourrelet et la feuille de papier éclairée par cette ligne (11), transite à travers un objectif (13) de distance focale de 12,5 mm, focalisant ce faisceau (12) sur la matrice d'une caméra (15), typiquement une caméra CCD ou à transfert de charges, présentant une définition au moins égale à 512 x 512 pixels. Avantageusement et dans un souci de compactage, on interpose entre l'objectif (13) et la caméra (15) un miroir (14) orienté sensiblement à o par rapport au faisceau émergent (12). Par construction, la distance entre la lentille plano-cylindrique (9) et la surface de la feuile de papier à analvser détermine la longeur de la ligne lumineuse (11) d'éclairage du bourrelet. Parallèlement, l'angle d'émission et de réception du faisceau respectivement (10) et (12) par rapport au plan de la feuille est déterminé pour éviter au maximum la réflexion spéculaire. Pour le papier et le carton, cet angle est d'environ 56-. Enfin, la tête de mesure comporte un bouton poussoir (17), actionné par l'utilisateur, destiné à permettre l'acquisition des données, c'est à dire l'accuisition et le traitement par le micro-ordinateur associé d'une image video. De par sa structure, cette tête de mesure présente une grande stabilité et est en outre conçue de telle sorte à être étanche à la poussière, et ce pour ne pas s'exposer à l'environnement externe l'intérieur de la tête, à l'exception de la surface externe de l'objectif (13) et de la lentille plano- cylindrique (9), l'accès à ces deux surfaces étant en outre facilité pour en assurer le nettoyage éventuel. assurer le nettoyage éventuel. L'ensemble de traitement (4) est destiné à exploiter les informations acquises par la caméra (15), et qui transitent à son niveau par le biais du câble coaxial (16). Typiquement, cet ensemble de traitements est constitué par un micro-ordinateur du type compatible PC, intégrant un clavier (6) et un écran (5), permettant l'installation du logiciel de traitement des données acquises. L'acquisition de l'image captée par la caméra s'effectue au moven d'une carte d'acquisition et de traitement intégré dans le micro- ordinateur. La synchronisation entre la caméra et la carte est assurée par la carte elle-même sur le signal vidéo reçu. Cette numérisation est effectuée sur 8 bits qui permet d'avoir 256 niveaux de gris différents. Le logiciel intégré au micro-ordinateur est destiné à déterminer les trois grandeurs caractéristiques suivantes du bourrelet - tout d'abord, la largeur l de ce bourrelet; - sa hauteur h; - et enfin son décentrage fi, le décentrage étant constitué par le décalage du point maximum de hauteur hi du bourrelet par rapport à la médiatrice du segment de droite s'étendant entre les deux points de référence de mesure de la largeur. Pour ce faire, le logiciel intégré dans le micro-ordinateur recherche l'ensemble des points qui marquent le plan de la feuille. Puis, il procède à la recherche et à un stockage des points lumineux qui matérialisent la forme du bourrelet. Ces points forment une courbe qui suit la forme du bourrelet. Cette courbe étant légèrement perturbée par la surface rugueuse du papier, le logiciel effectue alors un filtrage discret du premier ordre de la courbe ainsi obtenue. Enfin, il procède à la détermination des caractéristiques de la forme analysée, notamment sa hauteur h, sa largeur L et son décentrage ô, à partir d'une identification du début et de la fin du bourrelet, selon un modèle paramétrable. Par exemple, les seuils définissant le début et la fin du bourrelet sont détectés lorsque les points mesurés dépassent de 40 Ulm en ordonnée par rapport au plan de référence déjà déterminé et correspondant au plan supérieur de la feuille (1). De ces deux seuils on peut ainsi déduire la largeur I et le décentrage d. Ces trois résultats s'affichent au niveau de l'écran (5) dLu micro- ordinateur. Ainsi donc, lorsque le conducteur de la machine de rainurage veut procéder à une analvse de bourrelets, il positionne la tête de mesure (3) sur la feuille (1) au niveau du bourrelet (2), ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 1, puis par le biais du bouton poussoir (17), il procède au déclenchement de la mesure, le positionnement de la tête de mesure sur l'échantillon étant en outre facilité par l'écran vidéo (7). Après chaque mesure, l'opérateur peut avoir selon son désir, soit une présentation résumée de la mesure, qui comprend: - le rappel des gabarits fixés (hauteur, largeur, décentrage et tolérance) - les trois résultats issus de la mesure (hauteur l, largeur I et décentrage D); - les alarmes éventuelles de non conformité des mesures par rapport aux gabarits fixés; soit ces mêmes résultats assortis d'un tracé du profil du bourrelet et des variables ayant paramétrer des mesures. La durée d'une telle mesure est d'environ 3 secondes, avec un microordinateur fonctionnant avec un processeur de 386-16 Mégahertz. Il permet ainsi de contrôler de manière simple aisée et particulièrement rapide le profil du bourrelet. Ainsi qu'on l'a annoncé en préambule, il peut également permettre le contrôle des matrices qui permettent la réalisation de ces creux. Bien que dans l'exemple décrit, le dispositif de l'invention fonctionne de manière discrète, un tel dispositif est bien entendu adaptable au fonctionnement en continu, notamment sur une chaîne de fabrication d'emballages préalablement à leur pliage. Par ailleurs, le grossissement et donc la précision de la mesure peut être modifiable en fonction des objectifs ou lentilles utilisés, ou du nombre de pixels, et donc de la résolution de la caméra. t REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour effectuer en continu ou de manière discrète la mesure d'un profil en creux ou en relief ménagé ou réalisé au sein d'une surface plane d'un matériau diffusant, caractérisé en ce qu'il comprend: - une tête de mesure préhensile (3), comprenant: une source de lumière (8), associée à une lentille - objectif (9), destinée à transformer le faisceau issu de la source (8) en une image en forme de raie lumineuse (11), perpendiculaire au profil (2) à mesurer; un organe de focalisation (13) de la lumière rétrodiffusée (12) par la surface (1) ainsi éclairée, et notamment par le profil (2); une caméra matricielle (15), au niveau de laquelle est focalisée ladite lumière rétrodiffusée (12), transformant les signaux ana- logiques reçus en signaux numériques - un ensemble de traitement (4) connecté à la tête de mesure (3), comprenant un calculateur, et destiné à partir des signaux numériques transmis par la caméra (15), à extraire au moins l'une des caractéristiques géométriques définissant le profil (2). 2/ Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques déterminées sont constituées par la hau- teur h définie par rapport au plan de référence constitué par la surface ana- lysée (1), sa largeur L et son décentrage _, défini par le décalage du point maximum de hauteur h du profil par rapport à la médiatrice du segment de droite s'étendant entre les deux points de référence de mesure de la largeur. 3/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de lumière (8) est polarisée rectilignement, et en ce que sa direction de polarisation est parallèle au plan d'incidence des rayons lumineux sur ledit matériau. 4/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'orientation du faisceau lumineux (10) issu de la source lumineuse (8) s'effectue selon un angle d'incidence ct dont la valeur est voisine de l'angle de Brewster pour le matériau diffusant (1). / Dispositif de mesure selon la revendication 4, dans lequel la surface analysée est constituée par du papier ou du carton, caractérisé en ce que l'angle d'incidence du faisceau incident sur ladite feuille est voisin de 56 degrés. 6/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que la caméra matricielle (15) est constituée par une caméra associée à un circuit à transfert de charges, dont la définition est au moins égale à 512 x 512 pixels, et avantageusement munie d'un réglage du gain électronique. 7/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que l'ensemble des différents éléments (8, 9, 13, 15) constitutifs de la tête de lecture sont centralisés au sein d'un boitier (18) de forme parallélépipédique, intégrant un organe de déclenchement (17) de la mesure. 8/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on interpose entre la caméra (15) et l'organe de focalisation (13) un miroir, positionné sensiblement à 45 du faisceau émergent (12). 9/ Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'organe de traitement (4) comprend un organe de restitution sensorielle (5, 7), destiné à permettre la visualisation des informations extraites de la caméra (15) par ledit ensemble, voire la représentation graphique du profil analysé. / Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'ensemble du traitement (4) est constitué par un micro-ordinateur du type compatible ou autre. 11/ Dispositif pour effectuer la mesure en continu ou de manière discrète d'un profil en relief constitué par un bourrelet (2) réalisé au sein d'une feuille de papier ou carton (1), caractérisé en ce qu'il comprend - une tête de mesure préhensile (3) comprenant: une source de lumière collimatée (8) constituée par une diode laser, associée à une lentille plano-cylindrique (9), destinée à transformer le faisceau laser issu de la diode laser en une ligne perpendiculaire (11) au bourrelet (2), dont on cherche à mesu- rer les caractéristiques; un objectif (13), destiné à focaliser la lumière rétrodiffusée par la feuille de papier ou de carton (1) ainsi éclairée une caméra matricielle (15) associée à un circuit de transfert de charges, au niveau de laquelle est focalisée ladite lumière réflé- chie, et transformant les signaux analogiques reçus en signaux numériques; - un ensemble de traitement (4) connecté par un monocâble coaxial (16) à la tête de mesure (3), constitué par un micro- ordinateur intégrant un calculateur, destiné à partir de signaux numériques transmis par la caméra à extraire les caractéristiques géométriques définissant le profil, notamment sa hauteur h, sa largeur! et son décentrage d; - un écran vidéo (7), destiné à permettre le positionnement du profil et le centrage de la tête de mesure par rapport au bourrelet.