Brevet FR2925376A1 — publié le 20090626

La présente invention concerne un appareil pour positionner un outil par rapport à une pièce à traiter, cet appareil comprenant un porte-outil, apte à recevoir un outil, et un support pour la pièce à traiter par l'outil. L'outil peut être notamment une source de rayon X, l'appareil étant alors utilisé pour l'analyse de contraintes résiduelles dans la pièce par diffractométrie X, une tête de fraisage ou d'électro-érosion, l'appareil étant alors utilisé pour usiner la pièce, ou tout autre outil. Actuellement, la mise en position d'un outil par rapport à une pièce à traiter est réalisée manuellement. En particulier, dans le cas de l'analyse des contraintes résiduelles dans une pièce par diffractométrie X, un défaut de positionnement, c'est-à-dire la distance entre la surface de la pièce à analyser et le centre du diffractomètre (point d'intersection entre l'axe de la source X et l'axe du détecteur) se traduit souvent par le déplacement de la raie de diffraction, ce qui influence de manière non négligeable la justesse des mesures. La distance surface de la pièce/centre du diffractomètre est mesurée par un moyen métrologique (comparateur mécanique). Cette technique ne peut par ailleurs mesurer cette distance que dans le cas d'une pièce possédant une surface plane. Actuellement il est très difficile d'orienter l'outil par rapport à la normale à la surface de la pièce analysée. Cette opération est réalisée visuellement sans mesure. La présente invention vise à s'affranchir des limitations liées à l'utilisation d'un comparateur :mécanique et à l'appréciation de l'opérateur. Elle vise également à permettre le traitement d'une pièce ayant une surface non plane. La présente invention atteint son but en proposant un appareil pour positionner un outil par rapport à une pièce à traiter, ledit appareil comprenant un porte-outil apte à recevoir un outil, un support pour une pièce à traiter par ledit outil et un moyen de positionnement de l'outil, notamment de la distance entre l'outil et la pièce à traiter et les orientations (ou position angulaire), ledit appareil étant caractérisé en ce que ledit moyen de positionnement comprend : une source lumineuse montée de manière orientable sur ledit porte-outil, ladite source lumineuse étant apte à émettre un faisceau lumineux vers ladite pièce de façon à former une première et une deuxième traces lumineuses sur ladite pièce,, lesdites première et deuxième traces lumineuses étant sécantes, un moyen de saisie desdites première et deuxième traces lumineuses, un moyen de réglage de la position de l'outil par rapport à la surface de la pièce à traiter, et un moyen de traitement pour transmettre en fonction d'une distance et des orientations désirées entre l'outil et la pièce à traiter une commande de position de l'outil en fonction du motif formé par lesdites première et deuxième traces lumineuses reçues du moyen de saisie. La source lumineuse peut comprendre deux émetteurs lumineux distincts, par exemple émettant chacun un faisceau plan, les traces lumineuses étant des lignes continues ou discontinues. Elle peut également être formée d'un émetteur unique, les deux faisceaux étant définis par un masque, par exemple une fente en forme de croix. De manière préférée, la source lumineuse est une source laser. Elle pourrait également être de type projecteur de lumière structurée. Selon un autre mode de réalisation, pour un appareil destiné à recevoir un outil comprenant une source et un détecteur pour recevoir un signal émis par ladite source et diffracté par ladite pièce, l'orientation de la source lumineuse est choisie pour que l'intersection des faisceaux lumineux corresponde à la bissectrice entre l'axe de la source et l'axe du détecteur. De manière préférée, pour une pièce à traiter non plane, les traces lumineuses formant des courbes sécantes, le moyen de traitement est conçu pour déterminer les droites tangentes aux courbes au point d'intersection de celles-ci et pour commander l'orientation et la distance relative de la pièce à traiter et de l'outil en fonction de la position et du motif formé par lesdites droites tangentes. Selon un mode de réalisation particulier, lorsque le moyen de saisie comporte un axe de saisie, l'angle entre l'axe du moyen de saisie et le plan du faisceau lumineux de la première source lumineuse et l'angle entre l'axe du moyen de saisie et le plan du faisceau lumineux de la deuxième source lumineuse sont approximativement identiques. Cet angle est avantageusement compris entre 20 et 40° et le moyen de saisie est une caméra. De manière avantageuse, l'appareil est un appareil pour l'analyse de contraintes résiduelles dans la pièce à traiter et comprend à cet effet un outil monté sur le porte-outil, ledit outil comprenant une source X et un détecteur. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un repère optique de triangulation utilisé dans l'appareil selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un appareil selon un premier mode de réalisation de 10 l'invention, - la figure 3 illustre le repère du moyen de saisie de l'appareil selon la figure 2, - les figures 4a à 4h représentent des images de traces lumineuses reçues par le moyen de saisie 15 en fonction du positionnement relatif de l'outil et de la surface de la pièce à traiter, et - la figure 5 représente schématiquement un appareil selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. 20 L'invention concerne un appareil pour le positionnement d'un outil par rapport à une pièce à traiter, cet appareil comprenant notamment un porte-outil destiné à recevoir un outil et comprenant notamment une source lumineuse et un 25 moyen de saisie des traces lumineuses formées par la source lumineuse sur la surface de la pièce. A titre d'exemple, on décrira ci-après un appareil sur lequel un outil de type diffractomètre X , c'est-à-dire un ensemble source 30 X et détecteur X, est monté sur le porte-outil, et dans lequel la source lumineuse comprend deux lasers et le moyen de saisie est une caméra numérique. Le système de triangulation permet de 35 déterminer les coordonnées (x, y, z) d'un ensemble de points situé dans un repère (Ox, Oy, Oz) tel que représenté sur la figure 1. Ce repère est construit de la manière suivante : la source laser 2 émet un faisceau lumineux plan 4 définissant un plan P. Ce plan est intersecté par l'axe de la caméra 6 en un point O. On note l'angle entre l'axe Oz de la caméra 6 et le plan P, et contenu dans un plan perpendiculaire au plan P. On note Ox l'axe contenu dans le plan P et perpendiculaire à l'axe Oz. Enfin, la direction perpendiculaire au plan xOz est noté Oy. La trace formée par le faisceau laser sur une pièce à traiter constitue un ensemble de points M qui est la ligne d'intersection du plan du faisceau laser P avec la surface de la pièce à traiter. Cette trace est une droite lorsque la surface de la pièce est plane et une courbe lorsque la surface est concave ou convexe. On peut déduire, de manière connue, la position (a, b, c) d'un point M de la trace dans le repère Oxyz en fonction de la position XY de son image dans le plan du capteur de la caméra. L'invention utilise le principe de la triangulation qui vient d'être rappelé pour proposer une méthode de positionnement, nouvelle et inventive, d'un outil par rapport à une pièce à traiter. On a représenté schématiquement sur la figure 2 un appareil selon un premier mode de réalisation de l'invention. Cet appareil comprend un porte-outil 8, un support 10 pour recevoir une pièce à traiter 24 et un moyen de positionnement de l'outil pour régler notamment la distance et l'orientation entre l'outil et la pièce à traiter 24. Dans le mode de réalisation représenté, l'outil est un diffractomètre X comprenant une source de rayons X 12 et un détecteur 14 pour détecter le faisceau de rayons X diffractés par une pièce 24 à traiter. Pour simplifier le traitement des résultats de mesures, la source 12 et le détecteur 14 sont disposés de préférence de sorte que l'axe de l'outil, c'est-à-dire ici la bissectrice entre l'axe de la source X et l'axe du détecteur, corresponde à la direction perpendiculaire à la surface de la pièce, qui correspond dans le cas de la figure à la direction verticale (axe Z). Le moyen de positionnement de l'appareil comprend une première source laser 16 apte à émettre un faisceau lumineux plan Pl vers la pièce à traiter pour former une première trace lumineuse Tl sur celle-ci, une deuxième source laser 18 apte à émettre un faisceau lumineux plan P2 vers la pièce à traiter pour former une deuxième trace lumineuse T2 sur celle-ci, lesdites sources laser étant orientées de sorte que les traces Tl et T2 sont sécantes. L'appareil comprend en outre une caméra 20 pour saisir une image comprenant les deux traces lumineuses Tl et T2, cette image étant transmise à un moyen de traitement 22. Il comprend enfin un moyen de réglage 26 pour régler la position du porte-outil 8 par rapport à la surface de la pièce à traiter 24 qui sont commandés par le moyen de traitement 22. Dans le mode de réalisation représenté, le moyen de réglage 26 comprend plusieurs tronçons articulés les uns par rapport aux autres formant ensembles un bras de robot apte à positionner le porte-outil dans une position désirée. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant. Une distance est désirée entre l'outil et 35 la surface de la pièce à traiter, cette distance est telle que les axes de la source X 12 et du détecteur 14 s'intersectent au niveau de la surface de la pièce à traiter, Le moyen de traitement commande ensuite le moyen de réglage 26 pour régler la position du porte-outil par rapport à la surface de la pièce à traiter, et notamment la distance entre le porte-outil (ou ce qui revient au même l'outil) et la surface de la pièce à traiter, et de préférence également les orientations de l'axe de l'outil. Dans certains cas, il peut être difficile d'analyser le motif formé par les traces lumineuses Tl et T2, la présence simultanée des deux traces pouvant rendre le traitement de l'image assez difficile. Dans un tel cas, les sources laser 16 et 18 seront activées de manière alternative, les traces Tl et T2 étant enregistrées l'une après l'autre, ce qui ne modifie pas le traitement du motif. La figure 3 illustre le repère géométrique correspondant à l'appareil de la figure 2. Sur cette figure, on a représenté les plans P1 et P2 contenant les faisceaux laser plan des sources laser 16 et 18 ainsi que le repère Oxyz décrit en relation avec la figure 1. On a également représenté en traits tiretés les projections Prl et Pr2 de l'axe Oz de la caméra 20 sur les plans Pl et P2. De préférence, l'axe Oz de la caméra fait un même angle f3 avec chacun des deux plans Pl et P2, de façon à obtenir une configuration caméra/plan laser identique pour les deux plans. Dans ce cas, l'axe Oz de la caméra se trouve dans le plan bissecteur PB des plans laser Pl et P2, qui font entre eux un angle 2y, et fait un angle a avec la droite d'intersection des deux plans lasers Pl et P2. On note que la relation entre les trois angles est . sin p = sin y . cos a Pour des raisons d'encombrement, l'angle a est de préférence petit, et l'angle R ne doit pas être trop petit, pour des raisons de sensibilité, ni trop grand, pour des raisons d'encombrement. Enfin, l'angle 2y est préférentiellement un angle droit, pour obtenir la même précision selon les deux axes du repère. Pour =_'angle p, une valeur entre 20 et 40° est 10 avantageuse, et une valeur de 30° est préférée. Si par ailleurs on choisit 2y = 90°, on obtient alors, par la relation ci-dessus, une valeur de 45° pour l'angle a. Les figures 4a à 4h représentent des exemples 15 de motifs de traces lumineuses reçues par la caméra en fonction du positionnement relatif de l'outil et de la surface de la pièce à traiter et de la forme de la surface à traiter, et permettent de mieux comprendre comment le moyen de traitement 20 commande le moyen de réglage en fonction de ces motifs. Sur la figure 4a, le motif est une croix centrée sur le centre de l'image de la caméra, les deux traces Tl et T2 ayant par ailleurs une même 25 inclinaison par rapport aux axes OX et OY de l'image. Cette position correspond à un outil positionné correctement tant en ce qui concerne sa distance à la surface de la pièce à traiter qu'en ce qui concerne son orientation (axe de l'outil 30 perpendiculaire à la surface de la pièce). Il s'agit de la position de travail nominale pour l'outil. Sur la figure 4b, la croix est toujours inclinée de manière symétrique sur l'image, mais 35 son centre est décalé sur l'axe OX. Ceci dénote une distance trop importante entre l'outil et la surface de la pièce à traiter. Dans une telle situation, le moyen de traitement est conçu pour commander une diminution de la distance (perpendiculaire à la surface de la pièce à traiter, c'est-à-dire la distance verticale suivant l'axe OZ dans le cas de la figure 3) entre l'outil et la surface de la pièce à traiter. La figure 4c illustre une situation opposée à celle de la figure 4b, dans laquelle la croix est décalée dans l'autre direction selon l'axe OX, ce qui correspond à une distance trop faible suivant l'axe OZ entre l'outil et la surface de la pièce à traiter. Les figures 4d à 4f illustrent des cas où l'axe de l'outil est incliné selon l'un des axes OX et OY ou selon ces deux axes. Sur ces figures, la distance (selon l'axe OZ) de l'outil à la surface à traiter est la distance nominale de travail, les traces Tl et T2 se croisant au point O. Sur la figure 4d, la trace Ti est plus inclinée vers l'axe OX que la trace T2, ce qui traduit le fait que l'axe de l'outil est incliné sur l'axe OX. Pour amener l'outil dans sa position de travail nominale, le moyen de traitement commande l'orientation de l'outil de manière à ramener la trace Ti dans la position représentée par le trait tireté T'1. La figure 4e illustre le cas où l'axe de l'outil est incliné sur l'axe OY. Cette fois, c'est la trace T2 qui est plus inclinée vers l'axe OY que la trace Tl, et le moyen de traitement commande l'orientation de l'outil jusqu'à ce que 1a trace T2 se retrouve dans la position représentée par le trait tireté T'2. Enfin, la figure 4f illustre le cas combinant les cas des figures 4d et 4e, où l'outil est incliné à la fois par rapport à l'axe OX et par rapport à l'axe OY. Sur les figures 4a à 4f, les traces Tl et T2 sont des droites, ce qui correspond à une pièce à traiter ayant une surface plane. Sur la figure 4g, au contraire, la trace Ti est une courbe. Le caractère régulier de la courbure correspond à une pièce cylindrique et le sens de la concavité indique que c'est la surface extérieure de la pièce qui est traitée. Pour une telle pièce, le moyen de traitement vérifie le positionnement correct de l'outil et, si nécessaire, le corrige en considérant non pas les traces Tl et T2, comme sur les figures précédentes, mais les traces T2 et Tld, tangente à Tl à l'intersection de Tl et T2. Sur la figure 4g, les deux traces Tl et T2 sont des courbes qui correspondent à la surface d'une pièce à deux rayons de courbures. Ici encore, ce ne sont pas les traces Tl et T2 qui sont prises en compte par le moyen de traitement pour régler le positionnement de l'outil, mais les tangentes Tld et T2d à ces traces au point d'intersection de ces dernières.. On a représenté sur la figure 5 un deuxième mode de réalisation d'un appareil selon l'invention. Sur cette figure, les éléments identiques à ceux de la figure 3 sont désignés par les mêmes références. L'appareil de la figure 5 diffère de celui de la figure 3 essentiellement en ce que les sources laser 16 et 18 sont montées pour que l'intersection entre leurs faisceaux lumineux plans Pl et P2 corresponde à la bissectrice entre l'axe de la source X 12 et l'axe du détecteur 14. On peut également envisager un agencement différent permettant des inclinaisons différentes et plus variées. On a décrit, à titre d'exemple, un appareil d'analyse des contraintes résiduelles d'une pièce comprenant un outil de type diffractomètre X, c'est-à-dire un ensemble source X et détecteur X, et dans lequel les sources lumineuses sont des sources laser et le moyen de saisie est une caméra et son système d'acquisition . L'invention n'est bien entendu pas limitée à cet exemple et englobe également tout type d'appareil conçu pour effectuer un traitement sur une pièce, et par exemple un appareil pouvant recevoir un outil de type tête de fraisage ou d'électro--érosion. De même, les sources lumineuses et le moyen de saisie peuvent être de tout type permettant de former et de détecter les traces Tl et T2. En particulier, il n'est pas nécessaire que les sources lumineuses émettent dans le domaine visible. Au lieu de plan lumineux, cela peut être une ligne de points voir même des portions de courbe. Le plan laser peut ainsi être généré à l'aide de déviateurs acousto-optiques qui permettent de moduler l'intensité lumineuse en fonction de la réflectivité de la pièce à mesurer. REVENDICATIONS 1. Appareil pour positionner un outil (12, 14) par rapport à une pièce à traiter, ledit appareil comprenant un porte-outil (8) apte à recevoir un outil, un support (10) pour une pièce à traiter par ledit outil et un moyen de ]0 positionnement de l'outil, notamment de la distance et les orientations entre l'outil et la pièce à traiter, ledit appareil étant caractérisé en ce que ledit moyen de positionnement comprend : une source lumineuse (16, 18) montée de manière 15 orientable sur ledit porte-outil, ladite source lumineuse étant apte à émettre un faisceau lumineux (Pl, P2) vers ladite pièce de façon à former une première (Tl) et une deuxième (T2) traces lumineuses sécantes sur ladite pièce, , 20 un moyen de saisie (20) desdites première et deuxième traces lumineuses, un moyen de réglage (26) de la position de l'outil par rapport à la surface de la pièce à traiter, et 25 - un moyen de traitement (22) pour transmettre au moyen de réglage (26) une commande de position de l'outil en fonction du motif formé par lesdites première et deuxième traces lumineuses reçues du moyen de saisie. 30 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (16, 18) est une source laser.. 35 3. Appareil selon l'une des revendications 1 cu 2, caractérisé en ce que la source lumineuse émet des faisceaux lumineux (Pl, P2) plans. 4. Appareil selon la revendication 3, destiné à recevoir un outil comprenant une source (16) et un détecteur (14) pour recevoir un signal émis par ladite source et diffracté par ladite pièce, caractérisé en ce que l'orientation de la source lumineuse est réglée de telle sorte que l'intersection des faisceaux lumineux (P1, P2) corresponde à la bissectrice entre l'axe de la source et l'axe du détecteur. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de saisie (20) est monté sur ledit porte-outil. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes pour une pièce à traiter non plane, les traces lumineuses (Tl, T2) formant des courbes sécantes, caractérisé en ce que le moyen de traitement (22) est conçu pour déterminer les droites tangentes (Tld, T2d) aux courbes au point d'intersection de celles-ci et à commander :L'orientation et la distance entre l'outil et la pièce à traiter en fonction du motif formé par lesdites droites tangentes. 7. Appareil selon la revendication 3 dans lequel =_e moyen de saisie (20) comporte un axe de saisie Oz), caractérisé en ce que l'angle entre ledit axe du moyen de saisie et le plan (Pl) de l'un des faisceaux lumineux et l'angle entre ledit axe du moyen de saisie et le plan (P2) de l'autre faisceau lumineux sont identiques. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit angle (r3) est entre 20 et 400. 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen de saisie (20) est une caméra.. 10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, pour l'analyse de contraintes résiduelles dans la pièce à traiter, caractérisé en ce qu'il comprend un outil monté sur le porte- outil (8), ledit outil comprenant une source X (12) et un détecteur (14).15