Brevet FR2963094A1 — publié le 20120127

PROCEDE DE METROLOGIE OPTIQUE ET MACHINE-OUTIL ASSOCIEE L'invention concerne un procédé de métrologie optique pour la mesure d'au moins un fragment de profil d'une pièce usinée. L'invention concerne également une machine-outil apte à mettre en oeuvre un procédé de métrologie optique conforme à celui de l'invention. Le procédé de métrologie optique et la machine-outil associée permettent d'analyser des profils complexes pour effectuer des contrôles géométriques « in situ » (i.e. sur machine-outil). Une mesure tridimensionnelle de précision sur des pièces usinées se déroule habituellement au moyen de palpeurs manuels, par exemple au moyen d'un comparateur de métrologie. En revanche, la réalisation de palpage manuel par un opérateur est une opération longue et donc couteuse. En outre, l'implication d'un opérateur est parfois source d'erreurs. Il est également connu d'utiliser des machines-outils à commande numérique munies d'un magasin d'outils comportant notamment des palpeurs. Lorsqu'il est nécessaire de réaliser une mesure, un manipulateur que comporte la machine-outil prend le palpeur dans le magasin pour le positionner dans la broche de la machine-outil. La tige du palpeur est ensuite acheminée au contact de la pièce. Cette mise en contact de l'extrémité inférieure de la tige avec la pièce génère un signal à la machine-outil, le signal étant représentatif de l'emplacement de l'extrémité du point de contact dans l'espace. Ce type machine-outil soulève néanmoins certains inconvénients. Un inconvénient réside dans le fait que la tige du palpeur doit être déplacée selon 3 axes pour mesurer un unique point, ce qui entraîne un temps de mesure considérable pour mesurer une surface complète et par conséquent un coût de contrôle élevé. En outre, le cycle de mesure consistant à déposer l'outil dans le magasin, prendre le palpeur se trouvant dans le magasin, réaliser plusieurs points de mesure, déposer le palpeur dans le magasin pour ensuite reprendre l'outil est relativement long. Un autre inconvénient réside dans le fait qu'une forme est mesurée en détectant, au moyen d'un palpeur, seulement quelques points sur le profil de la pièce. Il s'ensuit qu'une estimation de la forme est effectuée mais cette estimation ne correspond pas au profil réel de la pièce. Un inconvénient supplémentaire réside dans le fait qu'une des extrémités du palpeur entre en contact avec la pièce à mesurer, ce qui entraîne une usure prématurée du palpeur. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé de métrologie optique pour la mesure d'au moins un fragment de profil d'une pièce usinée permettant de résoudre les problèmes précités. En outre, l'invention vise à fournir un procédé de métrologie optique et une machine-outil mettant en oeuvre un tel procédé dont le temps de mesure est relativement court et la mise en oeuvre peu coûteuse. A cette fin, l'objet de l'invention porte sur un procédé de métrologie optique pour la mesure d'au moins un fragment de profil d'une pièce usinée, ledit procédé de métrologie comportant les étapes suivantes consistant à : - usiner ladite pièce au moyen d'un outil que comporte une machine- outil ; - réaliser au moins une image d'un fragment de profil de ladite pièce au moyen d'au moins un moyen optique de détection que comporte ladite machine-outil ; - comparer ladite au moins une image dudit fragment de profil à un fragment de profil nominal pour vérifier la conformité dudit fragment de profil de ladite pièce usinée. On désigne par machine-outil une machine capable de maintenir un outil d'usinage pour lui imposer un mouvement afin de tailler, découper ou encore déformer un matériau. Cette machine-outil peut être par exemple un tour, une fraiseuse, une rectifieuse et peut donc être utilisée comme moyen de production. On entend par profil d'une pièce, la surface périphérique de la pièce. La surface périphérique de la pièce est représentative de la silhouette de la pièce. Un fragment de profil correspond donc à un morceau de ce profil. Il convient en outre de noter que la machine-outil comporte un moyen optique de détection. De façon non limitative, ce moyen optique de détection peut : - être solidarisé au bâti de la machine-outil ; ou - être positionné dans un magasin d'outils de la machine-outil. Dans cette dernière réalisation, lorsque l'on souhaite vérifier le profil de la pièce, un manipulateur prend le moyen optique de détection pour le positionner à proximité de la pièce. Grâce à l'invention, Il est possible d'usiner une pièce et de mesurer son profil sur une unique machine, à savoir la machine-outil et ce sans intervention d'un quelconque opérateur. Une telle modalité permet d'une part, d'éviter les erreurs qui peuvent être dues aux opérateurs, et d'autre part, de gagner du temps car une unique image permet d'acquérir des milliers de points. Selon une réalisation particulièrement intéressante du procédé de métrologie optique selon l'invention, une étape supplémentaire est réalisée et consiste à poursuivre l'usinage de ladite pièce si ledit au moins un fragment de profil de ladite pièce est non-conforme de façon à obtenir un profil de pièce conforme. Grâce à cette particularité, un usinage est réalisé en premier lieu puis un contrôle optique du profil de la pièce est réalisé. Dans l'hypothèse où le profil est non-conforme ou trop éloigné du profil nominal, l'usinage est poursuivi de façon à obtenir un profil de pièce conforme, c'est-à-dire un profil de pièce qui entre dans une bande de tolérance prédéfinie. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le procédé de métrologie optique selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement réalisables : le procédé de métrologie optique comporte une étape de concaténation d'au moins deux images de fragments de profil de ladite pièce de façon à reconstruire au moins une partie du profil de ladite pièce ; le procédé de métrologie comporte une étape : - d'orientation dudit au moins un moyen optique de détection selon un angle déterminé, et/ou - de déplacement dudit au moins un moyen optique de détection selon un axe déterminé ; - au cours de ladite étape de déplacement selon un axe déterminé, au moins deux moyens optiques de détection sont déplacés simultanément ; - le procédé de métrologie optique met en oeuvre trois moyens optiques de détection dont les faisceaux focalisent dans une même zone : un premier moyen de détection étant orienté selon un premier axe ; - un deuxième moyen de détection étant orienté selon un angle compris +40 et +60 degrés par rapport audit premier axe ; - un troisième moyen de détection étant orienté selon un angle compris entre -40 et -60 degrés par rapport audit premier axe. - ledit deuxième moyen de détection est orienté selon un angle de +50 degrés par rapport audit premier axe ; - ledit troisième moyen de détection est orienté selon un angle de - 50 degrés par rapport audit premier axe. L'invention a également pour objet une machine-outil comportant un outil apte à usiner une pièce, ladite machine-outil comportant en outre : - au moins un moyen optique de détection apte à réaliser au moins une image d'un fragment de profil de ladite pièce ; - des moyens de comparaison aptes à comparer ladite au moins une image dudit fragment de profil à un fragment de profil nominal pour vérifier la conformité dudit fragment de profil de ladite pièce usinée. Selon une réalisation particulièrement intéressante de la machine-outil, chaque moyen optique de détection est associé avec un moyen d'éclairage apte à illuminer ledit fragment de profil de ladite pièce imagée par ledit au moins un moyen optique de détection associé. Selon une réalisation de la machine-outil, chaque moyen optique de détection est positionné à une distance de l'ordre de 200 mm dudit fragment de profil de ladite pièce. A titre d'exemple, la machine-outil est un tour. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente une réalisation d'une machine-outil conforme à l'invention ; - la figure 2 représente une autre réalisation d'une machine outil conforme à l'invention ; - la figure 3 représente une pièce usinée comportant un tenon ; - la figure 4 illustre une image d'un fragment de profil d'une pièce usinée par une machine-outil similaire à celle représentée sur la figure 2. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés, et ceci sans respect de l'échelle et de manière schématique. En outre, les éléments identiques qui se retrouvent sur différentes figures portent les mêmes références. La figure 1 représente une machine-outil 1 conforme à l'invention et une pièce usinée 2. Cette machine-outil 1 comporte notamment: un outil d'usinage 3, - un moyen optique de détection 4 (désigné indifféremment par caméra 4), - un moyen d'éclairage 5, et - des moyens de comparaison 6. Dans l'exemple représenté, cette machine-outil 1 est une machine-outil à commande numérique (plus connue sous l'acronyme machine-outil CN) telle qu'une fraiseuse CN ou un tour CN comportant un magasin d'outils (non représenté). Chaque outil d'usinage 3, qui peut être un outil couteau pour un tour ou une fraise pour une fraiseuse, est apte à être déplacé par la machine-outil 1 de façon à venir usiner la pièce 2. Le moyen optique de détection 4 est apte à réaliser au moins une image d'un fragment de profil de la pièce 2. Ce moyen optique de détection 4 peut être une caméra ou un capteur CMOS. Comme une lubrification est réalisée au cours du cycle d'usinage, la pièce usinée 2 est brillante et mouillée. L'utilisation d'un capteur CMOS permet de pallier cet inconvénient. En conformité avec la réalisation illustrée sur la figure 1, la caméra 4 est associée à un moyen d'éclairage 5, comme par exemple un laser. Selon cette réalisation, le faisceau F du laser illumine le fragment de profil de façon à ce que la caméra 4 puisse capturer les pixels représentatifs de la géométrie du fragment de profil la pièce 2. Pour ce faire, la caméra 4 est polarisée de façon à ne récupérer que le signal lumineux lié à la projection du faisceau F sur la pièce 2. Le faisceau F peut par exemple avoir une longueur d'onde de 635 nm +/-10 nm). De préférence, pour obtenir une précision géométrique de l'ordre de 20 µm, la caméra 4 doit être positionnée à une distance de 200 mm du fragment de profil mesuré. Cette précision dépend bien évidemment du type de caméra 4 utilisée. Une fois que la caméra 4 a réalisée l'image du fragment de profil, elle transmet cette image aux moyens de comparaison 6. Ces moyens de comparaison 6 comparent ensuite l'image du fragment de profil à une image d'un fragment de profil nominal. Cette comparaison permet de vérifier la conformité du fragment de profil de la pièce usinée 2. Plus précisément, les moyens de comparaison 6 vérifient que le fragment de profil est compris dans une bande de tolérance entourant le profil nominal. Cette bande de tolérance correspond à des défauts minimum acceptables sans pour autant que la pièce usinée 2 soit considérée comme non-conforme. La figure 2 illustre une réalisation particulièrement avantageuse d'une machine-outil 1 conforme à l'invention. Dans cette réalisation, la machine-outil 1 comporte trois moyens de détection (dénommés indifféremment par caméras) : - une première caméra 4' est orientée selon un premier axe X; - une deuxième caméra 4" est orientée selon un angle compris entre +40 et +60 degrés par rapport au premier axe X ; - une troisième caméra 4"' est orientée selon un angle compris entre - 40 et -60 degrés par rapport au premier axe X. Les trois faisceaux F', F", F"' générés par les caméras 4', 4", 4"' focalisent dans une même zone. Cette triangulation de trois caméras 4', 4", 4"' croisées sur un même fragment de profil permet de combiner les pixels obtenus par les trois caméras 4', 4", 4"' de façon à créer une image plus précise et complète. En effet, grâce à cette configuration, s'il manque des pixels sur une des trois images, l'image adjacente permet de combler ce manque de façon à recréer le fragment de profil situé dans la zone imagée. Ainsi, la focalisation des trois caméras 4', 4", 4"' dans une même zone permet d'imager à la fois des formes simples comme un plan et des formes complexes telles que des formes concaves ou convexes. A titre d'exemple et comme représenté sur la figure 3, la première caméra 4' permet d'imager la surface périphérique 31 du tenon 30 dont est munie la pièce 2. La deuxième caméra 4" permet d'imager la surface 32 (située à gauche) du tenon 30 et la troisième caméra 4"' permet d'imager la surface 33 (située à droite) du tenon 30. La combinaison des trois images permet de créer le profil complet du fragment imagé. Chaque image est le résultat de la combinaison de l'acquisition d'au moins une caméra 4', 4" et/ou 4"' à un instant t. Ainsi, l'image 42 est le résultat des trois caméras 4', 4", 4"' à l'instant t-1, l'image 41 est le résultat des trois caméras 4', 4", 4"' à l'instant t, l'image 43 est le résultat des trois caméras 4', 4", 4"' à l'instant t+1. L'image 44 représente la concaténation de l'ensemble des images 41, 42, et 43 obtenues tout au long du contrôle. Cette image 44 représente le profil complet de la pièce. Il convient en outre de noter que pour imager un même fragment de profil, les trois caméras 4', 4", 4"' sont de préférence déclenchées de façon successive. En résumé, un cliché suffit à représenter un fragment entier de profil d'une pièce 2. En d'autres termes, cette machine-outil 1 permet d'usiner une pièce 2 et de la contrôler de façon rapide, complète et précise. Plus précisément, dès lors qu'une pièce 2 est usinée, on réalise au moins une image d'un fragment de profil de la pièce 2 via au moins une caméra 4 dont est munie la machine-outil 1 à commande numérique. Selon une étape optionnelle, on réalise deux images d'une même pièce 2, chaque image correspondant à un fragment de profil différent mais adjacent. Ensuite, une concaténation des deux images est réalisée de façon à reconstruire au moins une partie du profil de la pièce 2. Pour réaliser ces deux images, il est possible de déplacer la ou les caméra(s) 4 selon un axe Z ou selon plusieurs axes X, Y et/ou Z. Dans le cas d'une pluralité de caméra(s) 4', 4", 4-, celles-ci sont préférentiellement déplacées simultanément. Selon une autre étape optionnelle, la ou les caméra(s) 4 peut (peuvent) être orientée(s) de façon à imager, par exemple, un profil de forme concave ou 20 convexe. Selon une étape supplémentaire, via les moyens de comparaison 6, on compare l'image du fragment de profil à un fragment de profil nominal. Cette comparaison permet de vérifier la conformité du fragment de profil de la pièce 2 usinée. 25 Dans l'hypothèse selon laquelle le fragment de profil ou le profil de la pièce 2 usinée n'est pas conforme, l'usinage est poursuivi de façon à obtenir une pièce 2 dont le profil correspond sensiblement au profil souhaité. Plus particulièrement, les moyens de comparaisons 6 vérifient que le fragment de profil imagé entre dans une plage de tolérance entourant le profil nominal. 30 Ainsi, de façon non limitative la plage de tolérance peut être de ± 50µm par rapport au profil nominal. De façon générale, la machine-outil 1 et le procédé selon l'invention permettent de mesurer des milliers de points d'un fragment de profil pour chaque acquisition d'une caméra 4. Un autre avantage réside dans le fait que la maintenance d'un tel moyen optique de détection 4 (ou caméra 4) est quasiment inexistante. Un avantage supplémentaire réside dans le fait que ce(s) moyen(s) optique(s) de détection permet(tent) de mesurer l'intégralité (visible par les caméras) d'un profil réel d'une pièce 2. En résumé, la machine-outil 1 et le procédé selon l'invention permettent de réaliser des mesures sans contact sur machine-outil. Par ailleurs, il ressort de la description que le procédé de l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des machines-outils à commande numérique permettant un usinage adaptatif en dialoguant avec une machine-outil à commande numérique. Toutefois, il est entendu que ce procédé peut être mis en oeuvre pour une machine-outil de type conventionnelle. De façon générale, le procédé de métrologie optique selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de l'usinage. Il est entendu que l'homme du métier est à même de présenter différentes variantes de la machine-outil et du procédé de métrologie optique selon l'invention, notamment en ce qui le nombre, le type et/ou le positionnement des caméras utilisées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.25 REVENDICATIONS1. Procédé de métrologie optique pour la mesure d'au moins un fragment de profil d'une pièce usinée (2), ledit procédé de métrologie comportant les étapes suivantes consistant à : - usiner ladite pièce (2) au moyen d'un outil (3) que comporte une machine-outil (1) ; - réaliser au moins une image d'un fragment de profil de ladite pièce (2) au moyen d'au moins un moyen optique de détection (4) que comporte ladite machine-outil (1) ; - comparer ladite au moins une image dudit fragment de profil à un fragment de profil nominal pour vérifier la conformité dudit fragment de 15 profil de ladite pièce usinée (2). 2. Procédé de métrologie optique selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une étape de concaténation d'au moins deux images de fragments de profil de ladite pièce (2) de façon à 20 reconstruire au moins une partie du profil de ladite pièce (2). 3. Procédé de métrologie optique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire consistant à poursuivre l'usinage de ladite pièce (2) si ledit au moins un fragment de 25 profil de ladite pièce (2) est non-conforme de façon à obtenir un profil de pièce (2) conforme. 4. Procédé de métrologie selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape : 30 d'orientation dudit au moins un moyen optique de détection (4) selon un angle déterminé, et/ou de déplacement dudit au moins un moyen optique de détection (4) selon un axe déterminé. . Procédé de métrologie selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'au cours de ladite étape de déplacement selon un axe déterminé, au moins deux moyens optiques de détection (4) sont déplacés simultanément. 5 6. Procédé de métrologie optique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il met en oeuvre trois moyens optiques de détection (4', 4", 4"') dont les faisceaux (F', F", F"') focalisent dans une même zone : - un premier moyen de détection (4') étant orienté selon un premier 10 axe (X) ; - un deuxième moyen de détection (4") étant orienté selon un angle compris entre +40 et +60 degrés par rapport audit premier axe (X) ; - un troisième moyen de détection (4"') étant orienté selon un angle compris entre -40 et -60 degrés par rapport audit premier axe (X). 15 7. Procédé de métrologie optique selon la revendication 6 caractérisé en ce que : - ledit deuxième moyen de détection (4") est orienté selon un angle de +50 degrés par rapport audit premier axe (X) ; 20 - ledit troisième moyen de détection (4"') est orienté selon un angle de - 50 degrés par rapport audit premier axe. 8. Machine-outil (1) comportant un outil (3) apte à usiner une pièce (2) ladite machine-outil (1) étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : 25 - au moins un moyen optique de détection (4) apte à réaliser au moins une image d'un fragment de profil de ladite pièce (2) ; - des moyens de comparaison (6) aptes à comparer ladite au moins une image dudit fragment de profil à un fragment de profil nominal pour vérifier la conformité dudit fragment de profil de ladite pièce (2) usinée. 30 9. Machine-outil (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que chaque moyen optique de détection (4) est associé avec un moyend'éclairage (5) apte à illuminer ledit fragment de profil de ladite pièce (2) imagé par ledit au moins un moyen optique de détection (4) associé. 10. Machine-outil (1) selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisée en ce 5 que chaque moyen optique de détection (4) est positionné à une distance de l'ordre de 200 mm dudit fragment de profil de ladite pièce (2).