Brevet FR2796458A1 — publié le 20010119

PROCEDE ET INSTALLATION DE MESURE DE RELIEF SUR UNE FACE D'UNE PIECE AXISYMETRIQUE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un procédé et une installation de mesure de relief sur une face d'une pièce axisymétrique. Le contrôle des dimensions des pièces mécaniques est fréquemment accompli par des appareils de métrologie, palpeurs, pieds à coulisse, etc., dont la précision est cependant limitée. D'autres procédés, utilisables surtout pour les pièces de petites dimensions, consistent à les examiner par des microscopes ou d'autres éléments optiques dont l'objectif est muni de graduations ; on évalue la dimension recherchée en comptant le nombre de graduations qu'elle embrasse, mais ces procédés ne sont pas plus précis que les précédents. On a donc éprouvé le besoin de trouver une nouvelle façon de mesurer les dimensions de pièces mécaniques, et notamment les dimensions de relief sur des faces d'extrémité de pièces symétriques autour d'un axe. Un exemple de telles pièces, pour laquelle l'invention fut d'abord conçue, est une pastille de combustible nucléaire cylindrique et dont les faces d'extrémités sont pourvues d'une fossette dont on veut mesurer le diamètre et la profondeur et vérifier qu'ils sont dans les plages de tolérances admissibles. On recourt à une méthode optique pour évaluer ces dimensions, mais en utilisant un appareil beaucoup plus complexe qu'un microscope pourvu de graduations ; le procédé est essentiellement automatique et donne des résultats affectés d'imprécision de l'ordre de quelques microns ou quelques dizaines de microns, compatibles avec des tolérances strictes pour la fabrication des pièces. On verra dans la suite de la description quelles mesures permettent de satisfaire à cette exigence malgré les incertitudes inhérentes aux appareils employés et les risques de mauvaises positions des pièces pendant leur examen. Sous sa forme la plus générale, le procédé consiste à projeter un faisceau lumineux plan sur la face, à faire tourner la pièce autour de l'axe pour la placer à une série de positions angulaires, à capter des images d'un trait lumineux, intersection du faisceau et de la face, pour chacune des positions angulaires, à décomposer chacun des traits lumineux en segments, à mesurer des distances entre segments ou le long de segments, à faire des moyennes ou des sélections des distances parmi toutes les positions angulaires, et à calculer des grandeurs dimensionnelles sur la face à partir des moyennes ou des sélections des distances. D'autre part, l'installation comprend un émetteur d'un faisceau lumineux plan vers la face à examiner, une caméra dirigée vers la face en faisant un angle avec le faisceau et couplée à un moyen d'analyse, et des moyens de support de la pièce et de rotation de la pièce autour de son axe. L'invention sera décrite plus en détail au moyen des figures suivantes 1 la figure 1 illustre un support de la pièce à mesurer ; les figures 2A et 2B représentent l'ensemble de l'installation, respectivement en vue de dessus et en vue de côté ; 1 la figure 3 représente l'illumination de la face de mesure de la pièce ; 1 la figure 4 illustre une modélisation du relief mesuré ; 1 la figure 5 illustre la technique de recherche d'une dimension diamétrale juste ; 1 la figure 6 illustre une modélisation d'un trait lumineux en une ligne sans épaisseur ; 1 et la figure 7 est le dessin d'une pièce employée pour l'étalonnage de l'appareil. L'appareillage comprend d'abord des moyens de support 12 d'une pastille 1 de combustible nucléaire de forme cylindrique, qui est la pièce objet des mesures. I1 s'agit pour l'essentiel d'une paire de rouleaux 2 et 3 dont les axes sont parallèles et que la pastille 1 chevauche ; les rouleaux 2 et 3 sont montés sur un bâti 4 par des axes 5 respectifs qui leur permettent de tourner ; un moteur 6 est aussi monté sur le bâti 4 et entraîne par son arbre moteur une poulie 7 reliée à l'arrière des rouleaux 2 et 3 par une courroie sans fin 8 : la rotation de la poulie 7 produite par le moteur 6 fait tourner les rouleaux 2 et 3 d'angles égaux dans le même sens, et fait tourner la pastille 1 dans le sens opposé en roulant sur les rouleaux 2 et 3. De plus, une plaquette 9, également montée sur le bâti 4, s'étend un peu devant les rouleaux 2 et 3 et une portion de la pastille 1. Ce montage permet à la face avant 10 de la pastille 1, sur laquelle portent les mesures, d'être placée avec toute la précision nécessaire par rapport à l'appareillage puisqu'elle bute contre la plaquette 9 et que son centre est à mi- distance des rouleaux 2 et 3. Cette circonstance est exploitée, comme on le voit sur les figures 2A et 2B, en plaçant un dispositif émetteur 13 de lumière placé devant le dispositif de support 12 des pastilles 1. Cet émetteur 13 comprend une diode laser 14 émettant un rayon lumineux qu'une lentille cylindrique 15 intercepte et disperse en un faisceau plan 16 qui coïncide avec le plan de symétrie des rouleaux 2 et 3 et passe donc par l'axe central de la pastille 1, sur la face avant 10 de laquelle il se projette en un trait 17 lumineux illustré à la figure 3. L'appareillage est complété par un dispositif récepteur 18 orienté obliquement au faisceau plan 16 vers la face avant 10 de la pastille 1, et qui comprend une caméra 19 précédée d'un objectif, et d'un filtre 20. L'angle entre la direction de visée de la caméra 18 et le faisceau plan 16 est de 60 environ dans la réalisation, mais peut varier dans de larges limites. Le dispositif de support 12, le dispositif émetteur 13 et le dispositif récepteur 18 sont tous trois montés sur une platine 22 commune, posée sur un plan de travail horizontal 23 pouvant consister en une table et inclinée par des étais 24 placés d'un côté : cette disposition a pour but d'incliner les rouleaux 2 et 3 et de forcer la pastille 1 à glisser jusqu'à buter sur la plaquette 9 sans pouvoir reculer. On discute maintenant de la façon dont les mesures sont effectuées en recourant aux figures 3 à 6. La face avant 10 de la pastille 1 est munie d'une fossette en forme de cuvette 25, dont il s'agit de mesurer le diamètre extérieur et la profondeur. Le trait lumineux 17 apparaît sur l'image de la caméra sous l'aspect d'une ligne brisée 17', courbée à l'endroit de la cuvette 25, en raison de l'obliquité de visée de la caméra 18. On procède en décomposant le trait lumineux 17' en segments, ici au nombre de cinq et appelés S1 à S5, où les segments extrêmes S1 et S5 sont droits, en prolongement et correspondent aux portions de la face avant 10 hors de la cuvette 25, le segment central S3 est parallèle aux segments S1 et S5 et tangent au trait lumineux 17' à l'endroit de la partie recourbée, et les segments S2 et S4 joignent respectivement les segments S1 et S3 et S3 et S5. I1 n'est pas nécessaire que cette décomposition en segments se superpose exactement au trait lumineux 17' : dans le cas présent, on se contente de mesurer la distance h entre les segments S1 et S5 d'une part, et le segment S3 d'autre part, qui correspond à la profondeur de la cuvette 25, ainsi que la distance d entre les points de concours des segments S1 et S2 d'une part, S4 et S5 d'autre part, qui correspond à la largeur de la cuvette 25. Les points d'intersection des segments S1, S2 d'une part et S4, S5 d'autre part servent à déterminer le diamètre des fossettes : ces points d'intersection dépendent directement des pentes respectives des segments S2 et S4. De ce fait, le nombre de points de mesure (nombre de pixels) et la localisation des points de mesure utilisés pour définir les segments S2 et S4 doivent être choisis judicieusement car - si un trop grand nombre de points de mesure est pris en compte ou si les points de mesure utilisés sont trop éloignés du bord de l'intersection fossette-base de la pastille, la pente des segments S2 et S4 diminue, ce qui a pour conséquence de surévaluer le diamètre réel de la fossette ; - si un faible nombre de points de mesure est utilisé ou si ces points sont placés à proximité trop immédiate du bord de l'intersection fossette-base de la pastille, la pente des segments S2 et S4 devient trop tributaire de la forme de l'intersection fossette-base de la pastille (forme qui est le plus souvent légèrement arrondie et irrégulière), ce qui risque de donner des valeurs de diamètre de fossette par trop aléatoires. Les quantités d et h sont d'abord mesurées en comptant le nombre de points qu'elles occupent sur l'image de la caméra 18, puis converties en longueurs physiques par un système de calcul 26 branché à la caméra 18 et qui comprend essentiellement un ordinateur équipé d'un logiciel d'exploitation des images et de calcul. On préconise d'utiliser le moteur 6 pour placer la pastille 1 à un nombre important de positions angulaires différentes, seize par exemple sur une circonférence, pour chacune desquelles on procède à la mesure résumée ci-dessus ; les traits lumineux, référencés par 17a, 17b, 17c, ..., 17k, ... sur la figure 5 sont supposés passer par le centre 0 de la cuvette 25, puisque la pastille 10 est placée à une position bien déterminée sur les rouleaux 2 et 3 et que la position du faisceau plan 16 est parfaitement réglée à mi-distance d'eux ; on fait la moyenne des distances d mesurées sur chacun des traits lumineux pour en déduire le diamètre de la cuvette 25, après avoir éventuellement exclu les distances d extrêmes qui peuvent correspondre à un défaut local de la cuvette 25. La distance h est mesurée perpendiculairement aux segments S1 et S5, à mi-distance (d/2) des bords de la cuvette 25. Un autre aspect de l'invention qui concourt à une bonne précision de la mesure réside dans une analyse du trait lumineux 17' : comme la diode-laser 14 émet à plus forte intensité au centre, la lumière du faisceau plan 16 est plus intense au milieu qu'aux bords, si bien que la luminance à travers l'épaisseur du trait lumineux 17 et de son image 17' prend l'aspect de la courbe C de la figure 6, avec un maximum de luminosité vers le centre, sur un plateau P, et une décroissance assez rapide à partir de ce plateau P sur deux flancs F1 et F2. on préconise de procéder à des interpolations des courbes C de ce genre, obtenues pour un certain nombre de sections du trait lumineux 17', en écartant éventuellement les points d'image qui révèlent une luminance inférieure à un seuil bas Ll ou supérieure à un seuil haut L2, puis on recherche une parabole Pa qui approche au mieux les domaines Dl et D2 subsistant de la courbe C : on modélise alors l'image 17' du trait lumineux 17 en une ligne sans épaisseur qui passe par le point Z au sommet de la parabole Pa ; la précision obtenue est inférieure à la largeur d'un point d'image de la caméra 18, ce qui permet de calculer les positions des segments Sl à S5 avec une grande précision malgré l'épaisseur du trait lumineux 17. Un étalonnage du dispositif peut être entrepris à l'aide d'un étalon 27 représenté à la figure 7, ayant sensiblement la forme et le volume de la pastille 1 et se présentant comme elle sous forme d'un cylindre avec une face d'extrémité avant 28 pourvue d'une fossette 29, dont cependant le fond 30 est plat et le rebord 31 est usiné en tronc de cône avec une grande précision. L'étalon 27 est placé sur le support 12, les traits lumineux qui se projettent sur lui sont recueillis et analysés et les résultats obtenus sont corrigés par des facteurs de proportionnalité ou d'échelle pour donner les dimensions, connues à l'avance, de la fossette 29. Les mêmes facteurs sont exploités pour fournir les dimensions de la cuvette 25 à partir des dimensions d et h mesurées sur l'image. En pratique, on peut préférer ou ajouter un double étalonnage avec deux pastilles aux dimensions de fossette bien différenciées et différentes de celles des fossettes à mesurer, par exemple Pastille (1) : diamètre de fossette : 5,266 mm profondeur de fossette : 0,315 mm Pastille (2) : diamètre de fossette : 4,641 mm profondeur de fossette : 0,245 mm. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de relief sur une face (10) d'une pièce (1) symétrique autour d'un axe, l'axe passant par la face, caractérisé en ce qu'il consiste à projeter un faisceau lumineux plan (16) sur la face, à faire tourner la pièce autour de l'axe pour le placer à une série de positions angulaires, à capter des images d'un trait lumineux (17), intersection du faisceau (16) et de la face (10), pour chacune des positions angulaires, à décomposer chacun des traits lumineux en segments (S), à mesurer des distances (d, h) entre segments ou le long de segments, à faire des moyennes ou des sélections des distances parmi toutes les positions angulaires, et à calculer des grandeurs dimensionnelles sur la face à partir des moyennes ou des sélections des distances. 2. Procédé de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grandeurs dimensionnelles sont calculées en utilisant des facteurs de corrections résultant d'un étalonnage, dans lequel le procédé a été appliqué à une pièce (27) de relief connu et/ou à deux pastilles-étalons aux dimensions de fossettes nettement différenciées. 3. Procédé de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un calcul de position sur chaque image d'une ligne médiane (Z) du trait (17), d'après des variations d'intensité lumineuse à travers le trait, et en ce que les distances sont mesurées sur les lignes médianes. 4. Installation de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe, caractérisée en ce qu'elle comprend un émetteur (13) d'un faisceau lumineux plan vers la face, une caméra (18) dirigée vers la face (10) en faisant un angle avec le faisceau et couplée à un moyen d'analyse (26), et des moyens (12) de support de la pièce et de rotation de la pièce autour de son axe. 5. Installation de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de support et de rotation de la pièce consistent en deux rouleaux (2, 3) parallèles et inclinés, tournants, et en une butée (9) disposée devant une extrémité inclinée des rouleaux. 6. Installation de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que l'émetteur du faisceau, la caméra et les moyens de support et de rotation de la pièce sont montés sur une même platine inclinée (22). 7. Installation de mesure de relief sur une face d'une pièce symétrique autour d'un axe selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que l'émetteur de faisceau plan comprend un laser (14) et une lentille cylindrique (15) de dispersion.