Brevet FR2829571A1 — publié le 20030314

Système et procédé de métrologie tridimensionnelle, et micro-machine de mesure mise en oeuvre dans ce système La présente invention se rapporte à un système de métrologie tridimensionnelle pour la numérisation d'objets et de pièces mécaniques ou de pièces de tôlerie. Elle vise également un procédé de métrologie mis en oeuvre dans ce système, ainsi qu'une micromachine de mesure équipant ce système. Cette invention s'applique notamment, mais non exclusivement, dans le domaine des micro-machines de mesure dans lequel une tête de mesure est disposée à l'extrémité d'un système, d'une machine, ou d'un bras d'un robot de mesure. La tête de mesure porte un élément en forme de sphère destiné à venir en contact avec l'objet à mesurer ou à numériser. Les coordonnées successives de l'extrémité de la tête de mesure (la balle) en contact avec l'objet sont transmises vers un système de traitement d'information. La présente invention a pour objectif principal de proposer un système de métrologie permettant d'obtenir une numérisation d'objet, avec une haute précision et par une mesure en continu, le tout étant de structure moins complexe et moins coûteux que les systèmes actuels. Cet objectif est atteint avec un système de métrologie comprenant des moyens de positionnement mobile dans un macro-référentiel, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, disposée à une extrémité des moyens de positionnement mobile, une micro-machine de mesure de grande précision dotée d'une sonde de mesure mobile dans un référentiel local lié à cette micro-machine. Les moyens de positionnement mobile comprennent par exemple un portique ou pont roulant doté d'un bras de positionnement mobile, un moyen de liaison rigide étant de préférence prévu entre le portique et la micro-machine. La sonde de mesure équipant la micro-machine peut comprendre des moyens capteurs de contact, par exemple du type à jauge de contrainte, ou des moyens capteurs sans contact, par exemple du type capteur laser. Dans un mode de réalisation avantageux d'un système selon l'invention, la micromachine comprend au moins un capteur de position et au moins un actionneur pour repérer une position de la sonde dans le référentiel local. Cet actionnement est de préférence asservi en position. Des moyens électroniques de transmission de la position de la sonde vers une unité de traitement peuvent aussi être prévus au sein de la micro-machine équipant le système de métrologie selon l'invention. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé une micro-machine pour mesurer un objet, prévue pour être placée à l'extrémité de moyens de positionnement mobile au sein d'un système de métrologie selon l'invention, comprenant des moyens pour détecter un contact en un point de la surface dudit objet, et des moyens pour fournir des informations de mesure sur ledit objet dans un référentiel local lié à ladite micro-machine, caractérisée en ce que les moyens de détection de contact et les moyens de mesure sont agencés de sorte que les fonctions respectives de détection de contact et de mesure sont découplées. Cette micro-machine constitue ainsi une tête de mesure dont la précision de mesure, dans le repère associé à la tête, est supérieure à la précision du bras permettant la mise en position de cette tête de mesure. Lorsque la micro-machine selon l'invention est dotée, au titre des moyens de détection de contact, d'un stylet pourvu à une première extrémité d'une bille de contact, ce stylet peut être relié par sa seconde extrémité à une pièce de liaison glissière par rapport à une pièce de guidage. La micro-machine comprend alors en outre des moyens pour entraîner la pièce de liaison glissière le long de la pièce de guidage via des moyens de liaison d'entraînement. Ces moyens de liaison d'entraînement sont flexibles et pourvus de moyens de détection de contact qui peuvent par exemple être équipés d'une jauge de contrainte. Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de métrologie permettant la numérisation d'un objet, dans lequel on déplace le bras de mesure d'un portique de façon à placer une extrémité du bras de mesure à proximité de l'objet à mesurer, mis en oeuvre dans un système de métrologie selon l'invention, caractérisé en ce qu'on mesure les coordonnées dudit objet dans un référentiel local de grande précision au moyen d'une micro-machine de mesure, puis on transmet les coordonnées de l'objet vers une unité de traitement. La précision dans le référentiel local peut être inférieure au micron. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen détaillé d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 représente de façon schématique un système de métrologie selon l'invention ; - la figure 2 illustre suivant un axe la structure d'un mode particulier de réalisation d'un système de métrologie selon l'invention ; - les figures 3A et 3B représentent respectivement un premier et un second exemples de réalisation d'une micro-machine de mesure équipant un système de métrologie selon l'invention ; et - la figure 4 illustre plusieurs phases du processus de détection de contact mis en oeuvre dans un système de métrologie selon l'invention. Un système de métrologie S selon l'invention comprend, en référence à la figure 1, un dispositif de positionnement mobile 3, tel qu'un pont roulant ou un portique, une machineoutil, à mesurer ou un robot, permettant de positionner, à l'extrémité d'un bras de positionnement rigide 2, une micro-machine de mesure 1. Le dispositif de positionnement mobile 3 comporte des dispositifs de positionnement 30X, 30Y, 30Z permettant respectivement de positionner le bras mobile 2 suivant chacun des axes X, Y, Z d'un macroréférentiel MR lié à une structure mécanique fixe (non représentée). Ces dispositifs de positionnement peuvent par exemple être réalisés sous la forme d'actionneurs linéaires, de mécanismes à crémaillère ou à courroies et être entraînés par des moteurs pas à pas ou autre. Ils sont en outre équipés de capteurs de mesure de positionnement fournissant des données de position du bras de positionnement 2 dans le macro-référentiel MR. La micro-machine de mesure 1 comporte un corps 1 pourvu, à partir de sa face inférieure, d'un stylet 11 comportant à son extrémité inférieure une bille de contact, constituée à titre d'exemple non limitatif d'un rubis, cette bille ou ce rubis 12 venant en contact contre la surface d'une pièce P à mesurer. A la micro-machine 1 est associé un référentiel local RL. Dans un mode particulier de réalisation illustré en figure 2 pour l'un des axes X ou Y de positionnement dans le plan horizontal, le système de métrologie selon l'invention comporte un dispositif de liaison glissière 3'prévu pour être entraîné le long d'une pièce de guidage 4 par un mécanisme d'entraînement (non représenté) et comportant un système de mesure de position 31 coopérant avec une règle de mesure 40 située sur la pièce de guidage 4, un bras de positionnement 2, et à l'extrémité inférieure de ce bras, une micromachine de mesure 1 comprenant un stylet 11 pourvu à son extrémité inférieure d'une bille de contact 12 et positionable selon un axe horizontal au moyen d'un mécanisme de positionnement 14, par exemple par courroie, entraîné par un dispositif d'entraînement motorisé 16, et un système de mesure 13 pour fournir une mesure de positionnement local du stylet 11 dans le référentiel local de la micro-machine 1. Dans un premier exemple de réalisation d'une micro-machine 1A selon l'invention illustré par la figure 3A, cette micro-machine comporte une pièce de liaison glissière 14A à laquelle un stylet 11 A pourvu à son extrémité libre d'une bille de contact 12A, cette pièce de liaison glissière étant entraînée par un équipement d'entraînement 16A asservi en position le long d'une pièce de guidage 15. La position relative de la pièce de liaison glissière est fournie par un codeur linéaire 13A mettant en oeuvre une règle de mesure solidaire de la pièce de guidage. Le stylet 11 A est réalisé de façon à présenter une flexibilité suffisante permettant sa déformation lors de l'entrée en contact de la bille contre la surface de la pièce à mesurer alors que la pièce de liaison glissière 14A est toujours entraînée. Le stylet 11A est pourvu d'un détecteur de contact à jauge de contrainte 15A délivrant un signal de détection à l'équipement d'entraînement 16A qui stoppe alors l'entraînement de la pièce de liaison glissière 14A. Dans un second exemple de réalisation d'une micro-machine 1B selon l'invention illustré par la figure 1B, cette micro-machine comporte un dispositif de liaison glissière 14B prévu pour être asservi en position le long d'une pièce de guidage 13B et relié à un mécanisme d'entraînement par courroie 19 via une pièce de liaison d'entraînement 17. Le dispositif de liaison glissière 14B, qui comporte un dispositif codeur linéaire 18 coopérant avec une règle de mesure située sur la pièce de guidage 13B, est pourvue d'un stylet rigide 11 B comportant à son extrémité libre une bille de contact 12B. La pièce de liaison d'entraînement 17 est au moins partiellement flexible et pourvue d'un capteur à jauge de contrainte 15B qui délivre un signal de détection à un équipement 16B de motorisation asservie du mécanisme d'entraînement par courroie 19. On va maintenant décrire, en référence aux figures 3B et 4, la fonction de la pièce de liaison flexible 17 pour absorber l'inertie du moteur d'entraînement. Sur la figure 4 est illustrée une succession d'étapes montrant un stylet 30 venir en contact d'un objet P. Le stylet 11, portant un rubis de contact 12, est connecté à une pièce de liaison glissière 14 se déplaçant le long d'une règle 13. La pièce de liaison flexible 17, pourvue d'un détecteur de contact à jauge de contrainte 15, relie la pièce de liaison glissière 28 au mécanisme d'entraînement (M) qui procure un déplacement du stylet vers la pièce à mesurer (1). Lorsque le rubis 31 entre en contact avec l'objet 33 (II), le changement de cap de la lame flexible 17 est détecté par la capteur à jauge de contrainte qui transmet un signal d'arrêt à un système de commande du mécanisme d'entraînement (M), ce qui a pour effet de stopper le déplacement de la liaison glissière 28. L'inertie (1) de ce moteur est absorbée par la lame flexible 32 qui poursuit le mouvement en se penchant en direction du contact (III). Cette lame permet ainsi d'absorber un bras de levier important au niveau du stylet sans dégradation de la mesure. Elle permet également d'absorber de fortes accélérations. On a donc réalisé une tête de mesure par contact mécanique capable d'acquérir des points en continu et de manière autonome. Les variations locales de position des points de la surface par rapport au nominal sont compensées et mesurées grâce à une liaison glissière et un codeur linéaire. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. On peut envisager la mesure de sections de toutes natures telles que des sections circulaires ou elliptiques, par combinaison de mouvements de rotation et de translation. REVENDICATIONS 1. Système de métrologie (S) comprenant des moyens (3,30X, 30Y, 30Z) de positionnement mobile dans un macro-référentiel (MR), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, disposée à une extrémité des moyens de positionnement mobile, une micro-machine de mesure de grande précision (1) dotée d'une sonde de mesure mobile (11,12) dans un référentiel local (RL) lié à cette micro-machine (1). 2. Système (S) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de positionnement mobile (3) comprennent un portique ou pont roulant doté d'un bras de positionnement mobile. 3. Système (S) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de liaison rigide (2) entre le portique (3) et la micro-machine (1). 4. Système (S) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde de la micro-machine (1) comprend des moyens capteurs de contact (11,12). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens capteurs de contact comprennent un capteur à jauge de contrainte (15). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde de la micro-machine comprend des moyens capteurs sans contact. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens capteurs sans contact comprennent un capteur à laser. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la micro-machine (1A, 1B) comprend au moins un capteur de position (13A, 18) et au moins un actionneur (16A, 16B) pour repérer une position de la sonde (11 A, 11B) dans le référentiel local. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la micro-machine comprend en outre des moyens d'asservissement dudit actionneur. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la micro-machine comprend en outre des moyens électroniques pour transmettre une position de la sonde vers une unité de traitement. 11. Micro-machine (1, 1A, 1B) pour mesurer un objet (P), prévue pour être placée à l'extrémité de moyens de positionnement mobile au sein d'un système de métrologie selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens (15A, 15B) pour détecter un contact en un point de la surface dudit objet (P), et des moyens (13A, 18) pour fournir des informations de mesure sur ledit objet dans un référentiel local lié à ladite micro-machine (1, 1A, 1B), caractérisée en ce que les moyens de détection de contact et les moyens de mesure sont agencés de sorte que les fonctions respectives de détection de contact et de mesure sont découplées. 12. Micro-machine (1 B) selon la revendication 11, dans laquelle les moyens de détection de contact comprennent un stylet (11 B) pourvu à une première extrémité d'une bille de contact (12B), caractérisée en ce que le stylet (11 B) est relié par sa seconde extrémité à une pièce de liaison glissière (14B) par rapport à une pièce de guidage (13B) et en ce qu'elle comprend en outre des moyens (16B) pour entraîner ladite pièce de liaison glissière (14B) le long de la pièce de guidage (13B) via des moyens de liaison d'entraînement (17). 13. Micro-machine (1 B) selon la revendication 12, dans laquelle le stylet (11 B) est rigide, caractérisée en ce que les moyens de liaison d'entraînement (17) sont flexibles et sont pourvus de moyens de détection de contact (15B). 14. Micro-machine (lob) selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens de détection de contact (15B) sont reliés à des moyens de commande des moyens d'entraînement (16B). 15. Micro-machine (1 B) selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que les moyens de détection de contact comprennent au moins une jauge de contrainte (15B). 16. Procédé de métrologie permettant la numérisation d'un objet, dans lequel on déplace le bras de mesure d'un portique de façon à placer une extrémité du bras de mesure à proximité de l'objet à mesurer, mis en oeuvre dans un système de métrologie selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on mesure les coordonnées dudit objet dans un référentiel local de grande précision au moyen d'une micro-machine de mesure, puis on transmet les coordonnées de l'objet vers une unité de traitement. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la précision dans le référentiel local est inférieure au micron.