Brevet FR2919396A1 — publié le 20090130

- 1- " Boîtier et système de prise de vue, notamment pour le contrôle de qualité de cordon de soudure." La présente invention est relative à un boîtier et un système de prise de vue, notamment pour le contrôle de qualité de cordon de soudure. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine automobile où l'on utilise de nombreuses pièces soudées dans la construction des véhicules. Toutefois, l'invention est d'un cadre plus large io puisqu'elle peut s'appliquer à tout domaine où l'on souhaite surveiller la dérive des opérations de soudage. D'une façon générale, il est important de contrôler régulièrement l'évolution des cordons de soudures de façon à détecter le plus tôt possible toute dérive de l'appareil réalisant les soudures. Ce contrôle consiste à 15 mesurer des caractéristiques géométriques des cordons et à vérifier qu'elles restent dans une gamme de valeurs autorisées. Selon l'art antérieur, dans les laboratoires de contrôle qualité, on utilise une loupe binoculaire associée à une caméra et à un micro-ordinateur pour visualiser un cordon de soudure sur un échantillon. En 20 pratique, la loupe binoculaire est disposée au dessus de l'échantillon. Cette loupe binoculaire comporte des manettes pour réaliser la mise au point et le zoom de façon manuelle. Et lorsqu'on souhaite mesurer les dimensions du cordon de soudure, on doit impérativement indiquer dans l'application logicielle au sein du micro-ordinateur quel est le grandissement utilisé sur 25 la loupe binoculaire. Par ailleurs, ces applications logicielles sont généralistes donc peu commodes d'utilisation. En fait, l'utilisation de la loupe binoculaire présente de nombreux inconvénients suivants : - l'échantillon doit être placé correctement sous la loupe 30 binoculaire ; sa forme et son maintient dans l'axe de prise de vue peuvent rendre difficile la netteté. - la mise au point de l'échantillon se fait manuellement (monter/descendre la tête optique de la loupe binoculaire, refaire la mise au point macro/micro), 35 - l'éclairage doit être orienté pour avoir un bon contraste, - 2- - la calibration (l'étalonnage) est choisie manuellement au niveau de l'application logicielle de façon à correspondre au grandissement utilisé sur la loupe, d'où une source d'erreurs potentielles. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau système de prise de vue simple d'utilisation. Un autre but de l'invention est d'améliorer la qualité et la précision des mesures. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un boîtier de prise de vue, notamment pour le contrôle de la qualité d'un cordon de io soudure ; ce boîtier comprenant : - un plan de mesure apte à recevoir un échantillon à visualiser, - un dispositif caméra disposé en dessous du plan de mesure et apte à visualiser l'échantillon ; on dit que ce dispositif caméra est disposé de façon inversée, c'est-à-dire que l'échantillon va être visualisé par le 15 dessous ; - des moyens d'alimentation du dispositif caméra qui peuvent être une batterie ou une alimentation secteur ; et - des moyens de connexion entrée/sortie pour récupérer les images capturées par le dispositif caméra et commander ce dispositif 20 caméra. En choisissant un dispositif caméra suffisamment compact, on peut ainsi réaliser un boîtier compact, portable et éventuellement autonome. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif caméra comporte une caméra équipée d'un zoom motorisé indexé et d'une 25 lentille achromatique pour éviter toute distorsion. En pratique, cette lentille achromatique complémentaire est portée par une optique que l'on visse à la sortie d'une caméra CCD standard. Par ailleurs, la distance entre la lentille achromatique et le plan de mesure est sensiblement égale à la distance focale de cette lentille 30 achromatique. Le boîtier selon l'invention est conçu de telle sorte que la géométrie est fixe. En d'autres termes, la distance entre l'échantillon et la caméra reste fixe. Avantageusement, le dispositif caméra comporte une caméra zoom motorisé indexé et de préférence autofocus. La mise au point est réalisée 35 de façon automatique, on ne perd plus de temps à manipuler manuellement les manettes d'une loupe binoculaire. 2919396 - 3- Par ailleurs, le calibrage du système suit automatiquement la position du zoom. Selon l'invention, la caméra est de type analogique. On utilisera de préférence une caméra haute résolution pour notamment travailler sur un 5 large éventail de cordons de soudure, par exemple depuis 50mm jusqu'à 6mm plein cadre. Dans ces conditions, la précision de mesure peut atteindre 1/100ème Par ailleurs, on peut aussi prévoir que le dispositif caméra intègre une caméra numérique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens de io connexion (connecteurs et cartes électroniques) comportent des moyens de conversion analogique-numérique et numérique analogique pour permettre la connexion de la caméra à une unité de traitement distant. Avantageusement, le boîtier selon l'invention comporte un éclairage annulaire constitué de diodes électroluminescentes disposées tout autour 15 de la lentille de sortie du dispositif caméra. Avec un tel éclairage on assure une excellente homogénéité de la lumière sur l'échantillon lors de la prise de vue. On évite tout problème d'orientation de la source lumineuse. Selon l'invention, le plan de mesure est une plaque comprenant une vitre, de préférence traitée antireflet, placée dans l'axe de l'objectif du 20 dispositif caméra. Cette vitre peut être en saphir (anti-rayures). Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un système de contrôle de cordon de soudure comprenant : - un boîtier de prise de vue, ce boîtier étant apte à photographier un cordon de soudure sur un échantillon, 25 - une unité de traitement associée à un écran d'affichage et reliée au boîtier de prise de vue avec ou sans fil ; cette unité de traitement logeant une application logicielle de contrôle de cordon de soudure. Avantageusement, le boîtier de prise de vue et l'unité de traitement sont reliés par une liaison USB ou FIREWIRE permettant le transfert 30 d'images capturées depuis le boîtier de prise de vue vers l'unité de traitement, et le transfert de signaux de commande depuis l'unité de traitement vers le boîtier de prise de vue. Le boîtier de prise de vue peut éventuellement être alimenté par ailleurs via la connexion USB. De préférence, l'application logicielle de contrôle de cordon de 35 soudure comporte des outils dédiés permettant la mesure de 4-caractéristiques de chaque cordon de soudure photographié et la sauvegarde de ces caractéristiques de façon à constituer un historique. Cette application logicielle de contrôle de cordon de soudure comporte de préférence un module de mesure d'épaisseur permettant : - l'affichage automatique de quatre traits, rectilignes ou circulaires, sur l'image d'un cordon photographié en cours de mesure, matérialisant les côtes essentielles de la pièce à mesurer. - le déplacement de trois desdits traits de façon à déterminer l'épaisseur d'une pièce de l'échantillon et la profondeur de pénétration io effective du cordon dans cette même pièce ; la profondeur de pénétration minimum du cordon dans cette pièce étant placé automatiquement selon les caractéristiques du cordon. Le système comporte en outre une mire étalon destinée à être visualisée par le boîtier de prise de vue de façon à réaliser 15 automatiquement l'étalonnage de l'application de mesure. Pour ce faire, sur toute l'étendue de la gamme des grandissements, le système est auto calibré et ce compte tenu de la géométrie de mesure qui est fixe (distance entre la caméra et le plan de mesure de l'objet). L'utilisateur est dès lors libéré de toutes les contraintes liées à la prise de vue. 20 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un boîtier de prise de vue selon la présente invention, 25 - La figure 2 est une vue schématique en coupe d'un boîtier de prise de vue selon la présente invention, - La figure 3 est une vue d'un échantillon à visualiser, cet échantillon étant constitué par deux pièces soudées, et - La figure 4 est une vue schématique d'un système de contrôle de 30 qualité de cordon de soudure. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire le boîtier et le système de prise de vue selon la présente invention pour le contrôle de qualité de cordon de soudure d'un échantillon. 35 Sur les figures 1 et 2, on voit un boîtier de prise de vue 1 destiné à visualiser un échantillon 2. Ce boîtier 1 est constitué par un caisson 3 fermé 2919396 - 5- comprenant deux chambres : une chambre supérieure 4 et une chambre inférieure 5. Ces deux chambres sont délimitées notamment par trois plaques horizontales 6, 7 et 8. La plaque horizontale supérieure 6 est un plan de prise de vue sur lequel l'échantillon 2 peut être posé. Plus 5 précisément, ce plan de prise de vue 6 comporte dans sa partie centrale une vitre 9 traitée antireflet. La vitre 9 se trouve dans l'axe de l'objectif d'une caméra 10 analogique avec zoom motorisé indexé et autofocus disposée dans le boîtier de prise de vue 1. La caméra 10 est maintenue fixe dans une position verticale au moyen de la plaque centrale 7. Cette position io verticale consiste à disposer l'objectif de la caméra 10 vers le haut en direction du plan de prise de vue 9. On dit que la caméra 10 est en position inversée, elle pointe vers le haut. La caméra 10 est une caméra zoom haute résolution avec mise au point automatique. Elle est miniaturisée, couleur ou noir et blanc et permet 15 de réaliser des prises de vue avec une grande fluidité. La sortie de cette caméra est pourvue d'une optique 11 dotée d'une lentille achromatique 12. La distance entre les deux plaques 6 et 7 correspond à la distance focale, en l'occurrence 10cm, de la lentille 12 qui présente par ailleurs un diamètre de 3cm. 20 Pour éclairer correctement l'échantillon 2 lors d'une prise de vue, l'optique 11 est dotée d'un anneau de diodes électroluminescentes (DEL) 13 disposées tout autour de la lentille achromatique 12. Les DELs 13 sont donc dirigées vers le plan de prise de vue 6. Dans la chambre inférieure 5, on distingue un module d'alimentation 25 14 qui peut être une batterie rechargeable ou un transformateur pour se connecter à une prise secteur 110/220 volts ou autre. A partir de cette alimentation 14, partent de nombreux câbles d'alimentation (non représentés) vers les éléments électriques du boîtier de prise de vue tels que par exemple la caméra 10 et les DELs 13. 30 Le boîtier de prise de vue 1 comporte également des moyens de connexion à une unité de traitement distant comme on le verra sur la figure 4. Ces moyens de connexions peuvent être adaptés pour permettre une communication avec ou sans fil. En l'occurrence, ces moyens de connexion comprennent un convertisseur 15 de type USB-RS232 permettant à l'unité 35 de traitement distant de transmettre des consignes vers la caméra 10. Ces 2919396 - 6- consignes peuvent être le réglage du zoom, du contraste, de la luminosité ou éventuellement du focus. Ces moyens de connexion comprennent également une carte 16 de conversion analogique-numérique permettant le transfert des signaux 5 acquis par la caméra 10 vers l'unité de traitement distant. La carte électronique 17 est une carte pour piloter les DELs 13, en allumage (on/off) et en intensité au moyen par exemple d'une molette (non représentée) accessible de l'extérieur. On va maintenant décrire en référence aux figures 3 et 4, un io système dédié au contrôle de cordon de soudure selon l'invention. La figure 3 illustre l'échantillon 2 qui est le résultat d'une soudure de deux pièces 2a et 2b, deux barreaux connectés en angle droit. L'élément 2c est un cordon obtenu à l'issue de la soudure. Ce cordon 2c pénètre plus ou moins dans les deux pièces 2a et 2b et présente une forme bombée. 15 La géométrie du cordon 2c joue un grand rôle dans la tenue à la fatigue des assemblages soudés. Pour suivre l'évolution des cordons, on se propose de mesurer les caractéristiques géométriques de chaque cordon. Pour ce faire, on dépose l'échantillon 2 sur la vitre 9 du boîtier de prise de vue 1 en prenant bien soin de placer l'échantillon à plat sur cette vitre. 20 D'une façon générale, l'échantillon est découpé et poli puis attaqué chimiquement selon une coupe permettant de visualiser le cordon dans son épaisseur à l'intérieur des deux pièces 2a et 2b. Pour mesurer les caractéristiques du cordon 2c, on place donc l'échantillon sur la vitre 9, et on commande l'allumage de l'éclairage du 25 boîtier de prise de vue 1 ainsi que la mise en route de la caméra 10. L'image captée par la caméra 10 est visualisée en temps réel sur l'écran de visualisation d'une unité de traitement qui est un ordinateur portable 18 ou tout autre unité de traitement équivalent. Cet ordinateur portable est doté de moyens logiciel et matériel conventionnels pour un micro-ordinateur 30 performant et communiquant. En particulier, il comporte deux connecteurs USB reliés respectivement aux convertisseurs 15 et 16 du boîtier de prise de vue 1. Cet ordinateur 18 comporte en outre une application logicielle dédiée pour le suivi de la qualité des cordons de soudures. Cette application logicielle permet le contrôle dimensionnel des 35 cordons de soudure et un suivi statistique des dérives de la technique de soudure. Elle intègre un module Administration protégé par mot de - 7- passe et permettant d'établir l'ensemble du cahier des charges d'un échantillon avec la définition des côtes d'acceptation pour chaque cordon ainsi que la sélection des outils de mesures appropriés. Elle intègre également un module Mesure accessible par tous les utilisateurs préalablement identifiés et possédant un mot de passe.ùCe module permet la gestion de la caméra 10, la sélection d'un cordon, les mesures interactives, les comparaisons aux tolérances, la sauvegarde des résultats et l'impression d'un rapport ... Avant de réaliser toute mesure, l'application logicielle doit être io étalonnée. En fait, l'étalonnage est réalisé une fois pour toute. La présente invention permet un auto-étalonnage ou auto-calibrage au moyen d'une mire. Cette mire est un peigne, c'est-à-dire, une plaque blanche sur laquelle est gravée une graduation millimétrée en noir : chaque trait noir est espacé de Imm. L'auto-calibrage consiste à placer la mire sur la vitre 9 15 et à faire varier automatiquement le zoom motorisé de la caméra 10 du grandissement le plus faible au plus élevé. A chaque pas de zoom, l'application logicielle calcule l'interligne entre traits consécutifs de la mire, et effectue l'étalonnage du fait que l'interligne est égale à Imm. Pour réaliser la mesure, on visualise le cordon de soudure sur une 20 image figée puis on réalise des mesures telles que par exemple la mesure des profondeurs de pénétration, largeur de pénétration, hauteur de gorge.... On trace quatre traits, les deux traits extrêmes délimitant l'épaisseur de la pièce 2b. Puis, on déplace l'un des deux traits centraux au niveau de la profondeur de pénétration effective, l'autre trait central relatif 25 à la profondeur de pénétration minimum étant placé automatiquement en fonction de l'épaisseur de la tôle mesurée et en fonction des critères définis dans le mode administrateur. Le trait relatif à la profondeur de pénétration minimum n'est pas repositionnable. Les calculs sont effectués de façon automatique et tiennent compte 30 de la position du zoom dont chaque point a été calibré lors de l'installation. Pour chaque cordon étudié une image et un rapport d'expertise sont créés. Les mesures sont également sauvegardées dans des fichiers cumulatifs pour une exploitation statistique des résultats. 35 La présente invention propose donc un système dédié, intégré et auto calibré. L'application logicielle est 100% dédié au contrôle des cordons 2919396 - 8- de soudure. Les mesures usuelles sont prédéfinies de façon à simplifier l'utilisation et améliorer la productivité dans un laboratoire. L'application logicielle propose également un historique complet des mesures effectuées. Le boîtier de prise de vue présente de nombreuses caractéristiques 5 avantageuses. L'échantillon est placé sur le boîtier par sa face plane. La caméra intégrée dans le boîtier est autofocus avec un zoom motorisé indexé et piloté à distance par l'application logicielle. L'éclairage est également intégré et homogène. io 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. i0 REVENDICATIONS 1. Boîtier de prise de vue comprenant : - un plan de mesure apte à recevoir un échantillon à visualiser, 5 - un dispositif caméra disposé en dessous du plan de mesure et apte à visualiser ledit échantillon, - des moyens d'alimentation du dispositif caméra et, - des moyens de connexion entrée/sortie pour récupérer les images capturées par le dispositif caméra et commander ce dispositif caméra. 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif caméra comporte une caméra équipée d'une lentille achromatique. 3. Boîtier selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance 15 entre la lentille achromatique et le plan de mesure est sensiblement égale à la distance focale de cette lentille achromatique. 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif caméra comporte une caméra avec zoom 20 motorisé. 5. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la caméra est de type analogique. 25 6. Boîtier selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de connexion comportent des moyens de conversion analogique-numérique et numérique analogique pour permettre la connexion de la caméra à une unité de traitement numérique distant. 30 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un éclairage annulaire constitué de diodes électroluminescentes disposées tout autour de la lentille de sortie du dispositif caméra. i0- 10 - 8. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan de mesure est une plaque comprenant une vitre placée dans l'axe de l'objectif du dispositif caméra. s 9. Boîtier selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vitre est traitée antireflet. 10. Boîtier selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vitre est en saphir. 11. Système de contrôle de cordon de soudure comprenant : - un boîtier de prise de vue selon l'une quelconque des revendications précédentes, ce boîtier étant apte à photographier un cordon de soudure sur un échantillon, 15 - une unité de traitement associée à un écran d'affichage et reliée au boîtier de prise de vue ; cette unité de traitement logeant une application logicielle de contrôle de cordon de soudure. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le 20 boîtier de prise de vue et l'unité de traitement sont reliés par une liaison permettant le transfert d'images capturées depuis le boîtier de prise de vue vers l'unité de traitement, et le transfert de signaux de commande depuis l'unité de traitement vers le boîtier de prise de vue. 25 13. Système selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'application logicielle de contrôle de cordon de soudure comporte des outils dédiés permettant la mesure de caractéristiques de chaque cordon de soudure photographié et la sauvegarde de ces caractéristiques de façon à constituer un historique. 30 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'application logicielle de contrôle de cordon de soudure comporte un module de mesure d'épaisseur permettant : - l'affichage automatique de quatre traits sur l'image d'un cordon 35 photographié en cours de mesure, 2919396 - 11- - le déplacement de trois desdits traits de façon à déterminer l'épaisseur d'une pièce de l'échantillon et la profondeur de pénétration effective du cordon dans cette même pièce ; la profondeur de pénétration minimum du cordon dans cette pièce étant placé automatiquement selon les caractéristiques du cordon. 15. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte une mire étalon destinée à être visualisée par le boîtier de prise de vue de façon à réaliser l'étalonnage de io l'application de mesure.