Brevet FR2712080A1 — publié le 19950512

METHODE DE CONTROLE DE L'ETAT DE SURFACE D'UNE FACE D'UN SOLIDE ET DISPOSITIF ASSOCIE. La présente invention concerne une méthode de contrôle de l'état de surface d'une face d'un solide. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de cette méthode et destiné aussi bien à un équipement d'assistance à un opérateur qu'à une installation de contrôle automatique. On est souvent amené à contrôler, pour diverses raisons, l'état de surface d'une ou de plusieurs faces d'un solide. C'est le cas en particulier du combustible nucléaire Iaminé. Une variété de combustible nucléaire des réacteurs expérimentaux est constituée par des plaques sandwich d'aluminium insérant un coeur fait d'un mélange d'uranium et d'aluminium. Le procédé de fabrication de ces plaques consiste à laminer ensemble quatre composants : un noyau compacté d'aluminium et d'uranium enchâssé dans un cadre et recouvert de deux plaques formant couvercle. Bien que très industriel, ce procédé de fabrication fait appel à beaucoup d'opérations manuelles et de savoir-faire qui entraînent en conséquence des variations dans la qualité de la fabrication. Or, ces produits étant particulièrement sensibles, ils nécessitent des caractéristiques très précises qui sont imposées par les utilisateurs. Ces exigences de qualité induisent des contrôles interne et externe des plaques de combustible. Le contrôle interne est réalisé par des machines spéciales faisant usage d'ultrasons ou de rayons X. Le contrôle est réalisé automatiquement et donne lieu à des procès-verbaux intégrant des mesures quantitatives et calibrées. Le contrôle externe est réalisé jusqu'à présent de manière visuelle par des opérateurs qualifiés. La technique de mise en oeuvre consiste à observer les deux surfaces d'une plaque en lumière rasante, tout en manipulant cette plaque, et à repérer les défauts de surface. Ceux-ci sont des trous ou des rayures dont la profondeur ne doit pas excédeer 100 pm. Lorsqu'un défaut de surface apparaît suspect à l'opérateur, celui-ci place la plaque sous l'objectif d'un microscope et évalue la profondeur maximum du trou ou de la rayure qu'il a précédemment repéré. Les plaques possédant des caractéristiques hors norme sont mises au rebut. Certains utilisateurs ont des exigences particulièrement strictes, ce qui implique un contrôle supplémentaire effectué par une autre équipe. Ce contrôle externe, entièrement confié à l'appréciation humaine, présente de nombreux inconvénients. Il est fastidieux et lassant à cause de la concentration et de l'acuité qu'il exige. Sa fiabilité dépend de l'état de vigilance qui est variable dans le temps et entre opérateurs. Dans le cas d'un deuxième contrôle, lorsque la qualité tend vers 100%, il devient pratiquement impossible de maintenir la vigilance nécessaire à la détection du défaut rarissime ou d'imposer objectivement les limites d'acceptation. Les mesures visuelles ne laissent en outre aucune trace quantitative et objective pouvant étayer un procès-verbal de contrôle. L invention permet d'améliorer le contrôle des états de surface et s'applique aussi bien à un équipement utilisé par un opérateur qu a une installation de contrôle automatique. Les conditions d'observation sont améliorées par des prises de vue des surfaces à contrôler, ces prises de vue étant soit présentées sur écran vidéo à un poste de contrôle, soit traitées numériquement dans le cas d'une installation de contrôle automatique. L'utilisation d'un palpeur optoélectronique permet d'obtenir des mesures objectives et quantitatives de profondeur, ces mesures étant enregistrables. L'invention a donc pour objet une méthode de contrôle de l'état de surface d'une face d'un solide pour repérer les défauts de forme susceptibles de s'y trouver, consistant - à effectuer une observation de la face du solide afin de repérer les zones susceptibles de constituer les défauts, - à effectuer une observation desdites zones par l'intermédiaire de moyens de grossissement optique, - à évaluer la taille de ces zones pour déterminer, par comparaison à une taille limite donnée impliquant l'existence d'un défaut, si lesdites zones sont ou non des défauts, caractérisée en ce que - les observations se font par l'intermédiaire de prises de vue, - l'évaluation de la taille des zones susceptibles de constituer des défauts est réalisée par mesure au moyen d'un palpeur optoélectronique. L'observation de la face du solide se fait avantageusement sous un éclairage rasant et multidirectionnel. De préférence, les prises de vue se font en vidéo et en deux étapes successives, une première étape dite d'analyse grand champ permettant de repérer rapidement toutes les zones susceptibles de constituer des défauts et une seconde étape dite d'analyse petit champ qui ne concerne que les zones repérées à la première étape, l'analyse petit champ constituant l'observation par les moyens de grossissement. La mesure faite au moyen du palpeur optoélectronique peut être enregistrée. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de cette méthode de contrôle comprenant - des moyens de réception du solide permettant une présentation de la face du solide à observer, - des moyens d'éclairement de ladite face, - une caméra vidéo grand champ pour l'observation de ladite face, - une caméra vidéo petit champ pour l'observation de ladite face, - des moyens de traitement des signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo, ces moyens de traitement fournissant des informations sur les défauts de forme susceptibles de se trouver sur ladite face, - un palpeur optoélectronique commandé par des moyens de commande recevant lesdites informations. Ce dispositif peut comprendre en outre des moyens d'élimination des poussières susceptibles de se trouver sur ladite face. Les moyens de réception peuvent comporter un plateau de translation du solide permettant le déplacement de ladite face selon deux axes croisés. Le plateau de translation peut assurer le déplacement de ladite face selon l'un des deux axes pour la caméra vidéo grand champ et selon les deux axes pour la caméra vidéo petit champ et pour le palpeur optoélectronique. En vue d'un contrôle par un opérateur, les moyens de traitement des signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo peuvent comprendre deux moniteurs, l'un pour visualiser la vue filmée par la caméra vidéo grand champ et l'autre pour visualiser la vue filmée par la caméra vidéo petit champ. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre des moyens d'affichage des valeurs mesurées par le palpeur optoélectronique. Les moyens de réception comportant un plateau de translation du solide permettant le déplacement de ladite face selon deux axes croisés, le dispositif peut comprendre des moyens de pilotage de ce plateau selon ces axes fonctionnant en mode manuel ou en mode automatique. Il peut comprendre des moyens d'enregistrement des positions des zones susceptibles de constituer des défauts de forme et des mesures du palpeur. En vue d'un contrôle automatique, le dispositif peut être pourvu d'un système de gestion informatique qui traite les signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo, repère à partir de ces signaux les zones susceptibles de constituer des défauts de forme, commande le palpeur optoélectronique et analyse les mesures données par le palpeur. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est illustrative de la méthode de contrôle d'une face d'une plaque pour repérer d'éventuels défauts de forme, selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues, respectivement de profil et de dessus, d'une plaque à contrôler éclairée en lumière rasante selon une direction, - la figure 4 est un schéma synoptique d'un dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode de contrôle selon l'invention et utilisable pour une assistance à un opérateur, - la figure 5 est un schéma synoptique d'un dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode de contrôle selon l'invention et utilisable pour un contrôle automatique. La figure 1 montre une plaque 1 dont on veut contrôler l'état de surface de sa face 2 en procédant d'abord par observation de la face. Selon l'invention cette observation se fait par l'intermédiaire de prises de vue. Une solution satisfaisante consiste à utiliser deux caméras vidéo, l'une pour effectuer une analyse grand champ et l'autre pour effectuer une analyse petit champ. La caméra grand champ 3 permet de repérer et de localiser chaque défaut potentiel rapidement et avec une précision par exemple de l'ordre de 200 um. La caméra petit champ 4 ne traite que les zones de l'image grand champ comportant des zones suspectées. Elle permet une analyse et une localisation très précise, par exemple une précision de l'ordre de 20 pm. La face à observer est éclairée par un équipement d'éclairement rasant et multidirectionnel constitué de plusieurs sources lumineuses créant un éclairage homogène. Celui-ci agit sur les discontinuités d'état de surface en suréclairement ou en ombre, formant des contrastes locaux qui seront des indices de repérage. Les figures 2 et 3 illustrent ce type d'éclairement pour une seule lampe 5. Dans ce cas, la caméra 3 capte une image du défaut 6, soumis à cet éclairement, comprenant une zone sombre 7 et une zone claire 8. Pratiquement on utilisera quatre sources lumineuses disposées selon des directions perpendiculaires. La caméra vidéo grand champ 3, dans cet exemple de réalisatioon, couvre la largeur de la plaque 1, c' est-à-dire une surface telle que celle portant la référence 9 sur la figure 1. Cette surface peut faire 100 mm sur 70 mm. La caméra vidéo petit champ 4 couvre une surface 10 inférieure à la surface 9. Cette surface peut faire 12 mm sur 9 mm. Le dispositif comprend un palpeur optique 11 de type focodyne (c'est-à-dire à asservissement de tache focale d'une diode laser) dont le diamètre du faisceau de mesure est beaucoup plus petit que la taille des zones considérées comme des défauts. Le type d'éclairement utilisé donne d'excellents résultats sur les défauts en creux mais est très sensible aux poussières pouvant se déposer sur la plaque. On utilisera donc une unité d'élimination des poussières par exemple par brossage et aspiration. La plaque est disposée sur un plateau de translation 12 à deux axes perpendiculaires X et Y motorisés ce qui permet de connaître précisément la position de la plaque par rapport à un point de référence. On peut pour cela se servir de l'angle de rotation des moteurs d'entraînement des axes ou d'un codeur incrémental. Le déplacement du plateau 12 est réglé par un organe de pilotage des axes. La plaque peut être maintenue sur le plateau 12 par dépression. Elle peut être déplacée selon l'axe X sous la caméra grand champ 3 et selon les axes X et Y sous la caméra petit champ 4 ainsi que sous le palpeur 11. Pour un poste de contrôle par opérateur correspondant au schéma de la figure 4, le dispositif peut être complété par deux moniteurs vidéo différents, un moniteur 13 pour l'image transmise par la caméra grand champ 3 et un moniteur 14 pour l'image transmise par la caméra petit champ 4. Un dispositif d'affichage 15 permet la lecture des valeurs mesurées par le palpeur 11. Le contrôle se déroule alors de la façon suivante. L'opérateur observe sur le moniteur vidéo "grand champ" la plaque éclairée et mise en défilement rapide par l'organe de pilotage des axes 18, devant la caméra grand champ 3 qui est fixe. Lorsqu'il détecte une trace suspecte, il arrête le défilement et pointe sur l'écran 13 l'endroit repéré. Puis il continue le défilement rapide jusqu'au bout de la plaque. Au retour, la plaque positionne automatiquement dans le petit champ de la caméra 4 les endroits précédemment pointés. L'opérateur observant le moniteur vidéo petit champ" 14 confirme ou non les défauts et lance la procédure de mesure grâce à l'organe de commande 16 du palpeur optique 11. Les valeurs des mesures et la localisation des défauts sont enregistrées par l'enregistreur 17 pour l'édition d'un procès-verbal de contrôle. Dans une installation de contrôle automatique correspondant au schéma de la figure 5, l'équipement précédent est complété par un système de traitement informatique 19. Ce système gère l'installation, traite les signaux vidéo transmis par les caméras 3 et 4, effectue le diagnostic automatique et analyse les mesures du palpeur 11. Un procès-verbal de contrôle est également édité. Pour la détection automatique, la méthode de mise en oeuvre peut se résumer de la manière suivante. Un premier défilement rapide est réalisé suivant une succession de prises de vue dont le champ correspond à celui de la caméra grand champ. Les défauts et les poussières restantes apparaissent en blanc sur un fond gris. Un premier traitement par morphologie mathématique consiste à extraire le fond de l'image. Celui-ci est ensuite soustrait à l'image d'origine qui ne laisse plus apparaître que les défauts. Un deuxième défilement positionne les défauts sous la caméra à petit champ. Chaque image est traitée pour localiser avec précision ces défauts et positionner le palpeur. Le palpeur effectue alors un relevé de profil du défaut et un calcul de maximum est réalisé sur la série de mesures. A titre d'exemple on a réalisé une installation de contrôle automatique à partir des éléments suivants. Un calculateur de type INTEL 80386 à 25 MHz a été utilisé, auquel on a adjoint une carte permettant l'acquisition et le traitement d'images 512 x 512 points codés sur 8 bits (soit 256 niveaux de gris). La platine motorisée permettant le déplacement grand champ est constituée de deux tables perpendiculaires ayant une course de 120 mm, une résolution de 1 pm et une vitesse de déplacement de 2 mm/s. L'éclairage de la plaque est réalisé par deux générateurs de lumière froide accouplés à deux fibres optiques. On obtient ainsi quatre sources de lumière homogènes. La plaque test mesurant 70 x 780 mm, il a été nécessaire de traiter huit grands champs par face. Avant chaque analyse grand champ, la plaque a été nettoyée à l'alcool puis soufflée à l'air comprimé pour éliminer le maximum de traces et de poussières. L'analyse grand champ a pour but de localiser les défauts pouvant exister sur la plaque. La caméra acquiert un champ de 100 x 70 mm. Sur cette image, les défauts apparaissent en blanc sur fond gris. La binarisation de l'image (défauts blancs sur fond noir) est effectuée par des méthodes de morphologie mathématique. L'image est d'abord érodée (N fois) puis dilatée (N fois). On obtient ainsi l'image n 2 d'où les défauts ont été éliminés. Cette image est soustraite à l'image initiale, puis le résultat est seuillé. Le nombre N d'érosions et de dilatations ainsi que la hauteur du seuil sont des paramètres facilement modifiables par l'utilisateur. L'image binarisée est filtrée de manière à éliminer les taches dont la surface est inférieure à un seuil déterminé. Si l'image binaire ainsi obtenue ne laisse apparaître aucun défaut (taches blanches), le champ suivant est amené sous la caméra et la phase d'analyse grand champ est relancée. Dans le cas contraire, le centre de chaque tache est calculé puis positionné sous l'objectif de la caméra petit champ. L'analyse petit champ sert à déterminer avec une grande précision le déplacement du micro-palpeur optique. La caméra petit champ est équipée d'un objectif examinant un champ d'une surface de 12 x 9 mm (soit une résolution de l'ordre de 20 pm). L'acquisition petit champ est réalisée de manière analogue à l'acquisition grand champ. Le traitement des petits champs prend deux formes distinctes suivant le type d'image. Si l'image comprend un défaut de taille importante (rayure large ou trou de gros diamètre), son histogramme comporte deux pics distincts, le premier dans les faibles niveaux de gris correspondant aux défauts, le second dans le blanc correspondant au fond de l'image. On peut donc calculer à partir de cet histogramme un seuil permettant de binariser l'image de façon globale. Dans le cas contraire, un traitement local est mis en oeuvre. Si l'histogramme n'a pas permis de calculer un seuil de binarisation (défauts de trop petite taille, manque de contraste, inhomogénéité de l'éclairage...), un algorithme de traitement par zones est mis en oeuvre. Cet algorithme travaille par comparaison de zones. Vingt-cinq profils intégrés horizontaux de douze lignes se recouvrant partiellement sont calculés sur l'image. Ces profils permettent de définir un profil maximum et minimum de l'image. Un seuillage sur la différence des profils maximum et minimum permet de calculer la position du défaut sur l'axe des X. Un profil intégré vertical de la fenêtre [(Xd,0) ; (Xf,512)] est ensuite calculé sur l'axe de Y. La fenêtre [(Xd,Yd) ;(Xf,Yf)] encadrant le défaut est ainsi déterminée avec précision. Toutes les parties hors fenêtre de l'image sont mises à zéro, puis les fenêtres sont binarisées. On aboutit ainsi à une image binaire comme dans le cas du traitement global. Un défaut est assimilé à un trou si son rapport longueur/largeur est compris entre l-a et l+a. La valeur de a étant un paramètre du système défini par l'utilisateur. Dans ce cas, deux mesures de profondeur perpendiculaires passant par le centre du trou sont calculées grâce au déplacement via une platine motorisée d'un micro-palpeur optique. Les défauts n'étant pas assimilés à des trous sont pris en compte comme étant des rayures. La recherche de la profondeur d'une rayure est effectuée en calculant la profondeur maximum d'une série de mesures. Si la longueur de la rayure est inférieure à 5 mm, on calcule un profil tous les millimètres, sinon tous les 2,5 mm. La binarisation de l'image petit champ effectuée, une analyse de surface et de rotondité des défauts permet de les classer et de sélectionner un mode de recherche optimum de leur profondeur. REVENDICATIONS 1. Méthode de contrôle de l'état de surface d'une face (2) d'un solide (1) pour repérer les défauts de forme susceptibles de s'y trouver, consistant - à effectuer une observation de la face du solide afin de repérer les zones susceptibles de constituer les défauts, - à effectuer une observation desdites zones par l'intermédiaire de moyens de grossissement optique, - à évaluer la taille de ces zones pour déterminer, par comparaison à une taille limite donnée impliquant l'existence d'un défaut, si lesdites zones sont ou non des défauts, caractérisée en ce que - les observations se font par l'intermédiaire de prises de vue, - l'évaluation de la taille des zones susceptibles de constituer des défauts est réalisée par mesure au moyen d'un palpeur optoélectronique (11). 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'observation de la face du solide se fait sous un éclairage rasant et multidirectionnel. 3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les prises de vue se font en vidéo et en deux étapes successives, une première étape dite d'analyse grand champ permettant de repérer rapidement toutes les zones susceptibles de constituer des défauts et une seconde étape dite d'analyse petit champ qui ne concerne que les zones repérées à la première étape, l'analyse petit champ constituant l'observation par les moyens de grossissement. 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend l'enregistrement de la mesure faite au moyen du palpeur optoélectronique (11). 5. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de réception du solide (1) permettant une présentation de la face du solide à observer, - des moyens d'éclairement de ladite face, - une caméra vidéo grand champ (3) pour l'observation de ladite face, - une caméra vidéo petit champ (4) pour l'observation de ladite face, - des moyens de traitement des signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo, ces moyens de traitement fournissant des informations sur les défauts de forme susceptibles de se trouver sur ladite face, - un palpeur optoélectronique (11) commandé par des moyens de commande recevant lesdites informations. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'élimination des poussières susceptibles de se trouver sur ladite face. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de réception comportent un plateau de translation (12) du solide permettant le déplacement de ladite face selon deux axes croisés. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le plateau de translation (12) assure le déplacement de ladite face selon l'un des deux axes pour la caméra vidéo grand champ et selon les deux axes pour la caméra vidéo petit champ et pour le palpeur optoélectronique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que, en vue d'un contrôle par un opérateur, les moyens de traitement des signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo (3, 4) comprennent deux moniteurs, l'un (13) pour visualiser la vue filmée par la caméra vidéo grand champ et l'autre (14) pour visualiser la vue filmée par la caméra vidéo petit champ. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'affichage (15) des valeurs mesurées par le palpeur optoélectronique. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que, les moyens de réception comportant un plateau de translation du solide permettant le déplacement de ladite face selon deux axes croisés, le dispositif comprend des moyens de pilotage (18) de ce plateau selon ces axes fonctionnant en mode manuel ou en mode automatique. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'enregistrement (17) des positions des zones susceptibles de constituer des défauts de forme et des mesures du palpeur. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que, en vue d'un contrôle automatique, il est pourvu d'un système de gestion informatique (19) qui traite les signaux de sortie délivrés par les caméras vidéo (3, 4), repère à partir de ces signaux les zones susceptibles de constituer des défauts de forme, commande le palpeur optoélectronique (11) et analyse les mesures données par le palpeur.