Brevet FR2734630A1 — publié le 19961129

La présente invention concerne un dispositif de contrôle de la géométrie et de l'état de surface pour tous éléments mécaniques plans annulaires, appartenant à des installations industrielles, tels que les portées d'étanchéité de clapets et vannes des circuits primaires de réacteurs nucléaires. A l'occasion des opérations de maintenance sur site, un certain nombre d'éléments de ce type sont visités, pour vérification et, si nécessaire, remise en état à l'aide d'une machine de rectification appropriée. On doit donc contrôler leur géométrie et leur état de surface, en liaison avec l'usinage à effectuer en cas de défauts de planéité ou de rugosité. A ce jour, aucun dispositif de contrôle intégré n'est mis à disposition de l'opérateur, pour vérifier l'avancement et la qualité des opérations de rectification effectuées. Ceci impose fréquemment le démontage des équipements pour vérifier leur état de surface par la méthode traditionnelle dite "au bleu", qui est une méthode manuelle, longue et exposant dans le cas de centrales nucléaires inutilement et dangereusement l'opérateur à un environnement radioactif. De plus, cette méthode de contrôle empirique est peu fiable, car attachée à une estimation visuelle réalisée dans des conditions difficiles. Il peut en résulter un mauvais diagnostic de l'état de la surface, ce mauvais diagnostic ayant souvent des conséquences importantes sur la durée des opérations de maintenance. Il existe donc le besoin d'un dispositif de contrôle évitant les inconvénients majeurs de la méthode "au bleu", et permettant donc une vérification rapide, précise, fiable et d'interprétation aisée, de la géométrie et de l'état de surface des éléments mécaniques visités, ceci sans danger pour le personnel. La présente invention vise à satisfaire ce besoin, en s'orientant vers une solution technique de mesure par palpage optique de précision, sans contact mécanique, évitant toute intervention majeure de l'opérateur. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un dispositif de contrôle de la géométrie et de l'état de surface d'éléments plans annulaires tels que les portées d'étanchéité de clapets et de vannes, le dispositif comportant, pour l'analyse de la surface annulaire théoriquement plane de l'élément concerné, un bras de mesure rotatif, monté tournant et entrainé en rotation autour de l'axe central de cette surface annulaire, le bras de mesure rotatif portant un capteur optique mobile radialement, de manière à balayer l'ensemble de ladite surface annulaire au cours d'une rotation du bras de mesure sur au moins un tour complet, le capteur optique étant relié à des moyens d'acquisition et de mise en forme de ses signaux, eux-mêmes reliés à des moyens d'affichage et/ou d'enregistrement des mesures effectuées au cours du balayage de ladite surface annulaire, pour en faire une exploitation immédiate ou ultérieure. Le dispositif de contrôle proposé repose donc sur un système de mesure optique, sans contact, associé à une unité mécanique de balayage de la surface à contrôler. Ce montage mécanique adaptable notamment à chaque type de clapet, permet une fixation rapide du dispositif, dont la mise en place peut être effectuée par un seul opérateur. Le capteur utilisé vient "lire" la surface à analyser, sur toute sa circonférence et toute sa largeur utile, correspondant notamment à la portée d'un clapet, de façon à recueillir une image topographique, exploitable par traitement informatique, de l'ensemble de la portée de siège. Une électronique de traitement et de pilotage, associée aux moyens mécano-optiques du dispositif, assure l'échantillonnage des mesures et le transfert sur moyens informatiques des mesures recueillies, les résultats des mesures pouvant être interprétés en temps réel. Ces résultats peuvent être enregistrés sur bande magnétique (bande vidéo), ou édités sur papier, en restituant une image topographique de la surface analysée qui pourra être exploitée ultérieurement et attachée à la maintenance de l'élément à contrôler concerné. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, l'unité de pilotage électronique du dispositif est directement supportée, sans adaptation particulière, sur le bâti d'une machine de rectification de portées d'étanchéité de clapets et de vannes, déjà en place sur le clapet ou la vanne. Après une mise en place très simple du dispositif sur l'élément à contrôler, par verrouillage dans son orifice circulaire, l'ensemble des opérations de commande des mouvements et de lecture des mesures est automatiquement effectué, par pilotage à distance. Plusieurs possibilités sont offertes pour le pilotage des mouvements du capteur optique relativement à la surface annulaire à analyser. Selon un premier mode de réalisation, le bras de mesure rotatif est prévu pour décrire une multiplicité de tours, autour de son axe de rotation coïncidant avec celui de l'élément tel que portée à contrôler, le capteur optique étant, lors des tours successifs du bras de mesure, déplacé radialement par pas successif s vers l'intérieur ou vers l'extérieur, de manière à décrire des tours concentriques et balayer ainsi la totalité de la surface annulaire de l'élément à contrôler. Selon un deuxième mode de réalisation, le bras de mesure rotatif est prévu pour décrire un seul tour, autour de son axe de rotation coïncidant avec celui de l'élément tel que portée à contrôler, le capteur optique étant déplacé radialement selon un mouvement de va-et-vient, sur la largeur de l'élément à contrôler, au cours du tour unique du bras de mesure, pour balayer ainsi la totalité de la surface annulaire de l'élément à contrôler, selon une ligne ondulée ou en créneaux. Cette deuxième possibilité s'avère la plus avantageuse, tant sur le plan mécanique que sur le plan de la gestion des mesures. En ce qui concerne la mesure optique proprement dite, qui doit être ici une mesure topographique de précision, diverses techniques connues par elles-mêmes sont envisageables, en particulier : mesure par capteur micro-interférométrique, mesure par triangulation laser, ou capteur par focalisation laser, ces deux dernières techniques étant particulièrement adaptées au contrôle de planéité de la portée d'un clapet, et pouvant être retenues dans des modes de réalisation préférés de l'invention. Avantageusement, le dispositif de contrôle objet de l'invention comprend une unité de pilotage, qui pilote notamment, de façon coordonnée, les moteurs électriques d'entraînement du bras de mesure rotatif et du capteur optique à déplacement radial, de manière à balayer la totalité de la surface annulaire de l'élément tel que portée d'étanchéité à contrôler, et qui transmet les données correspondant à l'acquisition des mesures effectuées par le capteur optique. Le dispositif peut encore comprendre deux capteurs optiques, qui sont en liaison avec l'unité de pilotage, et sont utilisés pour déterminer la largeur de l'élément tel que portée d'étanchéité à contrôler, donc à balayer optiquement. Dans l'ensemble, on obtient grâce à l'invention un dispositif permettant, sans intervention majeure de la part de l'opérateur, d'alterner des opérations de rectification de surface de portée d'étanchéité et des opérations successives de contrôle de la même surface, pour arriver à un travail bien maîtrisé. De plus, la mise en oeuvre pratique de la mesure est ici facilitée par l'échange rapide de l'équipement d'usinage et du bras de mesure. Tous les inconvénients de la méthode traditionnelle "au bleu", très empirique et subjective du fait des conditions dans lesquelles elle est pratiquée, se trouvent supprimés par le dispositif de contrôle objet de l'invention, lequel permet une mesure qualifiée, répétitive et précise, entièrement automatisable, et fournissant des données directement exploitables par un système informatique. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de ce dispositif de contrôle de la géométrie et de l'état de surface d'éléments mécaniques tels que portées d'étanchéité de clapets et de vannes Figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de contrôle conforme à la présente invention Figure 2 montre la position du dispositif de contrôle objet de l'invention, en cours d'utilisation, sur un clapet Figure 3 est une vue de face schématique du bras de mesure et du capteur optique, appartenant au dispositif de l'invention Figure 4 est un schéma illustrant un premier mode de balayage, utilisable avec ce dispositif ; Figure 5 est un schéma illustrant un deuxième mode de balayage utilisable avec le même dispositif ;; Figure 6 est une représentation schématique d'un capteur par triangulation laser, utilisable dans le dispositif objet de l'invention. La figure 1 représente, très schématiquement, une portée d'étanchéité annulaire 1 d'un clapet, en cours de contrôle par le dispositif objet de l'invention. Ce dispositif comprend un capteur optique 2, qui balaye toute la surface annulaire théoriquement plane de la portée 1. Le capteur optique 2, relié à une unité de mesure 3 assurant l'acquisition et le conditionnement des signaux, est supporté par une structure mécanique 4 mobile, actionnée par des moyens moteurs désignés globalement par le repère 5. Une unité de pilotage 6 est reliée d'une part aux moyens moteurs 5, pour assurer leur commande de façon coordonnée, et est reliée d'autre part à l'unité de mesure 3, pour assurer la synchronisation des mesures et pour recueillir les données numériques représentant les valeurs mesurées. L'unité de pilotage 6 est reliée, par une liaison série 7, à un micro-ordinateur 8 (ou unité de traitement informatique équivalente) auquel elle transfère les valeurs mesurées associées aux coordonnées des points correspondants de la portée 1 à contrôler.Le microordinateur 8 permet de stocker et de visualiser et/ou éditer, sous forme d'image graphique sur un écran 9 ou sur un support en papier. Dans cet ensemble l'unité de pilotage 6, réalisée sur la base d'un microprocesseur, joue un rôle de synchronisation, en coordonnant les moyens moteurs 5, et elle sert aussi à acquérir et mettre en forme les signaux correspondant aux valeurs mesurées, en déchargeant ainsi le micro-ordinateur 8 de ces tâches, celui-ci ne gérant donc que la partie graphique d'exploitation des mesures et leur stockage. La figure 2 montre comment le dispositif de contrôle 10 est mis en place sur l'orifice circulaire d'un clapet 11, pour le contrôle de la portée d'étanchéité 1 du siège de ce clapet 11. La figure 3 représente la structure mécanique 4, qui supporte le capteur optique 2 et assure son déplacement de manière à balayer la surface annulaire de la portée 1. La structure mécanique 4 comprend un bras de mesure rotatif 12, monté tournant autour d'un axe 13 qui coïncide avec l'axe central de la portée 1. Sur le bras de mesure rotatif 12 est monté, mobile radialement, un chariot 14 qui supporte le capteur optique 2. Les moyens moteurs, ici non représentés, comprennent un premier moteur électrique pas à pas pour l'entraînement en rotation du bras de mesure 12 autour de l'axe central 13, et un deuxième moteur électrique pas à pas pour l'entraînement en translation du chariot 14 le long du bras de mesure 12. L'unité de pilotage 6 mentionnée plus haut assure donc le pilotage de ces deux moteurs électriques, qui anime la structure mécanique 4 déplaçant le capteur optique 2. Plus particulièrement, comme l'illustre la figure 4, la commande des moteurs de cette structure mécanique 4 peut être telle que la portée annulaire 1 soit balayée selon des cercles concentriques, depuis la bordure circulaire extérieure 15 de la portée 1 jusqu'à sa bordure circulaire intérieure 16. Dans ce cas, l'ensemble bras de mesure 12 - capteur 2 effectue un grand nombre de rotations complètes autour de l'axe central 13, le chariot 14 étant rapproché de cet axe 13 selon un pas prédéterminé, à chaque tour du bras 12. Au cours de chaque tour décrit par le bras 12 selon un mouvement continu, le capteur optique 2 effectue un nombre prédéterminé de mesures réparties sur une circonférence. Selon une autre possibilité, illustrée par la figure 5, la commande des moteurs animant la structure mécanique 4 est telle que la portée annulaire 1 soit balayée entièrement au cours d'une rotation du bras de mesure 2 sur un seul tour. Pendant cette rotation, le chariot 14 est déplacé radialement selon un mouvement de va-et-vient, symbolisé par une flèche 17, de telle sorte que le capteur optique 2 décrive une trajectoire 18 ondulée ou en créneaux, entre la bordure circulaire extérieure 15 et la bordure circulaire intérieure 16 de la portée 1. Le tour unique du bras 12 est notamment décrit ici selon un mouvement discontinu, avec un pas angulaire prédéterminé. Pour chaque position angulaire d'arrêt du bras 12, le capteur optique 2 est déplacé radialement, sur toute la largeur de la portée 1, et il effectue un nombre prédéterminé de mesures réparties sur cette largeur. Quelle que soit la procédure de balayage utilisée, la géométrie de la portée d'étanchéité 1 est définie ainsi par un grand nombre de points de mesure, identifiés par leurs coordonnées radiales et angulaires, la valeur mesurée en chaque point par le capteur 2 représentant la "hauteur" à laquelle se trouve ce point sur la surface contrôlée. A titre d'exemple, la figure 6 montre sous forme de schéma de principe un capteur optique 2 par triangulation laser, utilisable dans le dispositif objet de l'invention pour mesurer la hauteur d'un point P de la portée d'étanchéité 1. Un laser semi-conducteur 19 fixe, commandé par un circuit 20, émet perpendiculairement au plan de la portée 1 une lumière focalisée par une lentille de projection 21, et pointée sur le point P1 à mesurer, de manière à former un point lumineux sur la surface de la portée 1. La lumière, réfléchie et dispersée en ce point P1 est focalisée par une lentille plan image 22, d'axe oblique, en un point C1 de la surface d'un détecteur de position au silicium 23, relié à un amplificateur 24. Lorsque se présente (au cours du balayage) une variation de hauteur de la surface analysée, donc une variation de distance au capteur 2, le point d'impact du rayon laser émis change de position, passant par exemple en P2, et l'image de ce point change aussi de place pour passer en C2 sur le détecteur de position 23. La position du point d'impact P du rayon laser sur la surface de la portée 1 peut donc être déterminée en mesurant la position de l'image C correspondante sur le détecteur 23. En particulier, toute variation de hauteur du point P sur la surface observée, au cours du balayage, se traduit par un déplacement équivalent de l'image C sur le détecteur 23, et génère un signal électrique de mesure (amplifié en 24) proportionnel à cette variation. Ainsi, le capteur optique 2 permet de contrôler la géométrie de la portée d'étanchéité 1, et d'en apprécier l'état de surface (rugosité), en détectant les éventuels défauts à éliminer ensuite par usinage. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif de contrôle de la géométrie et de l'état de surface pour portées d'étanchéité de clapets et de vannes qui a été décrite cidessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en ayant recours à tous moyens équivalents, notamment pour le capteur optique qui pourrait aussi être un capteur par focalisation laser, et, bien entendu, ce dispositif est utilisable pour le contrôle de portées d'étanchéité sur des clapets et vannes de type autre que celui illustré sur la figure 2, et plus généralement pour le contrôle de tous éléments mécaniques analogues, plans et de forme annulaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de la géométrie et de l'état de surface d'éléments plans annulaires tels que portées d'étanchéité de clapets et de vannes, caractérisé en ce qu'il comporte, pour l'analyse de la surface annulaire théoriquement plane de l'élément concerné (1), un bras de mesure rotatif (12), monté tournant et entraîné en rotation autour de l'axe central (13) de cette surface annulaire, le bras de mesure rotatif (12) portant un capteur optique (2) mobile radialement de manière à balayer l'ensemble de ladite surface annulaire au cours d'une rotation du bras de mesure (12) sur au moins un tour complet, le capteur optique (2) étant relié à des moyens d'acquisition et de mise en forme (3,6) de ses signaux, eux-mêmes reliés à des moyens d'affichage et/ou d'enregistrement (8,9) des mesures effectuées au cours du balayage de ladite surface annulaire, pour en faire une exploitation immédiate ou ultérieure. 2. Dispositif de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de pilotage électronique du dispositif est directement supportée sur le bâti d'une machine de rectification de portées d'étanchéité de clapets et de vannes, et en ce que la fixation dudit dispositif (10) est faite par verrouillage dans l'orifice circulaire de l'élément contrôlé. 3. Dispositif de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bras de mesure rotatif (12) est prévu pour décrire une multiplicité de tours, autour de son axe de rotation (13) coïncidant avec celui de l'élément tel que portée à contrôler (1), le capteur optique (2) étant, lors des tours successifs du bras de mesure (12), déplacé radialement par pas successifs vers l'intérieur ou vers l'extérieur, de manière à décrire des tours concentriques et balayer ainsi la totalité de la surface annulaire de l'élément à contrôler (1). 4. Dispositif de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bras de mesure rotatif (12) est prévu pour décrire un seul tour, autour de son axe de rotation (13) coïncidant avec celui de l'élément tel que portée à contrôler (1), le capteur optique (12) étant déplacé radialement selon un mouvement de va-et-vient (flèche 17), sur la largeur de l'élément à contrôler (1), au cours du tour unique du bras de mesure (12), pour balayer ainsi la totalité de la surface annulaire de l'élément à contrôler (1), selon une ligne ondulée ou en créneaux (18). 5. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur optique (2), porté par le bras de mesure rotatif (12), est un capteur micro-interférométrique. 6. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur optique (2), porté par le bras de mesure rotatif (12), est un capteur de mesure par triangulation laser (19 à 24). 7. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur optique (2), porté par le bras de mesure rotatif (12), est un capteur par focalisation laser. 8. Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de pilotage (6), qui pilote notamment les moteurs électriques d'entraînement (5) du bras de mesure rotatif (12) et du capteur optique (2) à déplacement radial, de manière à balayer la totalité de la surface annulaire de l'élément tel que portée d'étanchéité (1) à contrôler, et qui transmet les données correspondant à l'acquisition des mesures effectuées par le capteur optique (2). 9. Dispositif de contrôle selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend encore deux capteurs optiques utilisés pour la détermination de la largeur de l'élément tel que portée d'étanchéité (1) à contrôler, qui sont en liaison avec l'unité de pilotage (6).