Brevet FR3001548A1 — publié le 20140801

Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un matériau. L'invention a été développée pour la caractérisation de l'état de surface de pièces de bois brut, de pièces de bois usiné ou de pièces de matériaux dérivés du bois tels que des panneaux de particules, de type panneaux de MDF (Medium Density Fibreboard), de PPSM (Panneau de particules Surfacé Mélaminé), de OSB (Oriented Strand Board), etc... Mais l'invention a ensuite été testée avec succès sur d'autres matériaux tels que des composites, des métaux, des plastiques, des tissus, etc. Des normes définissent des paramètres caractérisant de manière quantitative l'état de surface des pièces usinées et plus particulièrement la rugosité et les ondulations (Norme IS011562, 1996), notamment la distance entre les creux et les bosses des stries apparaissant sur la surface, et des outils tels que des rugosimètres permettent de déterminer ces paramètres. Toutefois, ces dispositifs sont complexes à mettre en oeuvre et plutôt onéreux ; aussi on constate dans la pratique et pour un contrôle rapide que, au moins pour des applications ponctuelles telles que des petites séries de fabrication ou des études en laboratoire par exemple, l'analyse visio-tactile reste la technique privilégiée. Cette technique consiste à palper du doigt la surface et à la regarder pour estimer son état de surface. Cette technique est privilégiée évidemment pour sa simplicité de mise en oeuvre. Elle reste toutefois très subjective, avec des résultats largement dépendant de l'expérience de la personne qui la pratique, expérience qui s'étend rarement sur plus de un ou deux types de matériaux. Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif comprenant : - un palpeur, - un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire, - un transducteur électroacoustique, configure pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur. L'invention exploite ainsi les vibrations acoustiques d'un palpeur se déplaçant sur la surface à caractériser, et la trajectoire circulaire du palpeur permet de bien prendre en compte les variations de l'état de surface dans toutes les directions. L'amplitude des ondes sonores donne une information sur l'amplitude des rugosités sur la surface caractérisée, et la fréquence des ondes sonores donne une indication de la résonnance du matériau et de sa dureté. Selon un mode de réalisation, le moyen d'entraînement est configure pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante. Ainsi, le temps mis par le palpeur pour faire un tour est représentatif du pouvoir adhérent de la surface du matériau testé. Dans un mode de réalisation, le moyen d'entraînement comprend un bras à une première extrémité duquel est fixé le palpeur, et un moteur configuré pour entraîner le bras en rotation de sorte que le palpeur parcourt un cercle. Le bras guide le palpeur selon un cercle parfait, ce qui permet de garantir une mesure régulière selon toutes les directions. De préférence, le moteur est couplé au bras par l'intermédiaire d'une courroie. L'utilisation d'une courroie permet de ne pas transmettre au palpeur les vibrations du moteur, vibrations générant des ondes sonores qui viennent perturber la mesure réalisée par le transducteur. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend un moyen configuré pour plaquer le palpeur sur la surface à caractériser selon une force constante. Ceci supprime les risques de rebonds du palpeur sur la surface à caractériser. Ainsi, le palpeur reste plaqué sur la surface à caractériser et en suit parfaitement les variations, et la mesure des ondes sonores par le transducteur n'est pas parasitée par des phénomènes de rebonds, d'échos, etc. Le dispositif selon l'invention comprend également un boîtier susceptible de reposer par au moins trois pieds sur la surface à caractériser ; le moyen d'entraînement est positionné à l'intérieur du boîtier, le palpeur et le transducteur sont positionnés sous le boîtier. Le boîtier facilite la manipulation du dispositif. Le boîtier est de préférence doté de au moins trois pieds, présentant chacun de préférence une zone de contact la plus petite possible. Ainsi, le dispositif selon l'invention est en contact avec la surface à caractériser sur des zones les plus petites possibles, pour ne pas perturber les mesures. Le dispositif selon l'invention peut encore comprendre un moyen de lestage, configuré pour immobiliser le dispositif pendant la rotation du palpeur. Pour cela, le boîtier peut être réalisé en tout ou partie dans un matériau lourd tel qu'un métal (acier, etc.), ou bien une pièce métallique lourde peut être positionnée au fond du boîtier. Ceci pour avoir un dispositif parfaitement stable, qui ne bouge pas lorsque le palpeur tourne. Le dispositif selon l'invention peut encore comprendre un moyen d'affichage, pour recevoir et afficher le signal électrique émis par le transducteur. Le moyen d'affichage est par exemple un écran permettant à un opérateur de visualiser le signal reçu. Le dispositif peut encore comprendre un moyen de traitement de données configuré pour recevoir le signal électrique émis par le transducteur, et produire au moins un paramètre du signal électrique, paramètre caractéristique d'un état de la surface à caractériser. Le moyen de traitement de données facilite ainsi la tâche de l'opérateur dans l'interprétation des mesures réalisées. Le ou les paramètres est / sont par exemple : - une durée de la mesure, correspondant au temps mis par le palpeur pour tourner de 360° et parcourir un cercle, et / ou - une valeur efficace du signal, et / ou - une valeur moyenne du signal et / ou - un facteur de forme du signal, défini par le rapport entre la valeur efficace et la valeur moyenne, et / ou - une intégration, et / ou - une ou des fréquences caractéristiques, et / ou - une grandeur représentative de l'anisotropie, grandeur définie par le rapport entre la valeur efficace du signal sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal sur le deuxième et le quatrième quadrants, les premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement de 0 à 900, de 90° à 180°, de 180° à 270° et 270 à 360°, et/ou - Une analyse FFT (transformée de Fourier rapide), permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée. Dans un mode de réalisation préféré, le moyen de traitement de données est un moyen informatique tel qu'un ordinateur, comprenant notamment un moyen de réception avec ou sans fil du signal électrique fourni par le transducteur, une mémoire mémorisant un programme informatique comprenant des instructions de programme configurées pour la détermination du ou des paramètres ci-dessus, un moyen tel qu'un microprocesseur configuré pour exécuter les instructions de programme, un moyen d'affichage configuré pour afficher le ou les paramètres déterminés par les instructions de programme, et éventuellement un moyen pour mémoriser le ou les paramètres déterminés par les instructions de programme. Le moyen pour mémoriser le ou les paramètres est par exemple une mémoire de données mémorisant dans chaque ligne d'une base de données de paramètres, une désignation d'un objet, le signal électrique produit par le transducteur et/ ou un ou des paramètres déterminés par le moyen de traitement de données à partir du signal électrique. Le moyen de traitement de données peut encore comprendre un moyen de comparaison, pour comparer un signal électrique produit par le transducteur et / ou un ou des paramètres déterminés par le moyen de traitement de données avec le contenu de la base de données. Ainsi, il est possible de déterminer l'objet testé, ou bien de déterminer des objets dont les caractéristiques en termes de qualité de surface sont proches, etc. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont une coupe de face et une vue de dessus d'un dispositif selon l'invention, - les figures 3 à 8 montrent des résultats obtenus par un dispositif selon l'invention, pour différents matériaux. Description d'un mode de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, l'invention concerne un dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un objet, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois. Le dispositif selon l'invention comprend essentiellement un palpeur, un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire, et un transducteur électroacoustique, configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur. Dans l'exemple représenté, le palpeur 10 est une bille dont le diamètre, de 1 à 10 mm, est choisi en fonction du matériau à caractériser et de la précision souhaitée. Le moyen pour entraîner en rotation le palpeur comprend : - un bras 21, à une première extrémité duquel est fixé le palpeur, - un moteur 22, dont un axe de rotation est couplé par l'intermédiaire d'une courroie d'entraînement à un axe de rotation 23 positionné à une deuxième extrémité du bras. Le transducteur électroacoustique 30 est positionné juste au dessus du palpeur, à la première extrémité du bras, afin d'enregistrer les ondes produites par les vibrations mécaniques du palpeur lorsqu'il parcourt la surface à caractériser. Lorsqu'il est entraîné en rotation, le palpeur parcourt un cercle de diamètre de l'ordre de 20 à 80 mm. Le diamètre du cercle et le nombre de points de mesure choisi le long du cercle dépendent de la précision souhaitée. Un moyen de commande démarre le moteur, numérise le signal électrique fourni par le transducteur en l'échantillonnant à une fréquence d'acquisition de l'ordre de 8000 à 22050 Hertz puis arrête le moteur lorsque le palpeur a fait un tour. Le choix de la fréquence d'échantillonnage (ie le nombre de points relevés par seconde) dépend notamment de la surface à caractériser et de la précision souhaitée. Une fréquence d'échantillonnage de l'ordre de 8 000 Hertz donne de bons résultats pour l'étude de pièces de bois. Le moyen d'entraînement, et plus précisément le moteur 22, est configuré pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante, de l'ordre de 100 mW. Le palpeur étant entraîné en rotation à puissance constante, le temps mis par le palpeur pour parcourir un tour complet est variable, en fonction de la résistance mécanique de la surface de l'objet à caractériser ; cette résistance mécanique dépend notamment de l'adhérence et de la qualité de la surface à caractériser. Ainsi, le palpeur met environ une seconde pour faire un tour sur un objet à surface non adhérente, et peut mettre jusqu'à 2 secondes pour parcourir un tour sur un objet à surface adhérente. Par exemple, le palpeur met beaucoup plus de temps à parcourir un tour sur la surface d'un objet réalisé en un matériau adhésif tel que le silicone qu'à parcourir un tour sur la surface d'un objet réalisé en un matériau non adhésif tel que le Téflon (TM). Le dispositif selon l'invention peut comprendre également un moyen configuré pour plaquer le palpeur 10 sur la surface à caractériser selon une force constante. A titre d'exemple, sur la figure 1, le bras 21 horizontal porte le palpeur 10 à une première extrémité et le bras 21 a une deuxième extrémité liée à l'axe vertical 23 par un moyen de rappel élastique positionné à l'intérieur du bras 21(donc non visible sur la figure 1). Ce moyen de rappel élastique est par exemple un ressort agencé pour repousser le bras 21 et le palpeur vers le bas avec une force de rappel constante. Dans un autre exemple, le moyen de plaquage peut être un lest positionné à l'extrémité libre du bras 21, au voisinage du palpeur, lest qui applique une force de pesanteur constante et plaque ainsi le palpeur contre la surface à caractériser. Le dispositif représenté comprend également un codeur optique rotatif 50, comprenant une roue avec des encoches, pour mesurer avec précision l'angle de rotation du bras. La mesure de l'angle de rotation permet d'arrêter la rotation du palpeur lorsque celui-ci a fait un tour. Le dispositif comprend également un boîtier 60 dans lequel sont positionnés notamment le moyen d'entraînement, le codeur, le moyen de commande. L'axe de rotation 23 du bras traverse le fond du boîtier, le bras portant le palpeur et le transducteur sont positionnés sous le boîtier. Dans l'exemple représenté, le boîtier est lesté par un fond 61 réalisé en métal de forte épaisseur et les parois du boîtier sont réalisées en matériau plastique transparent. Le boîtier comprend au minimum trois pieds 62. Sur le prototype réalisé, deux pieds sont identifiables par leur couleur (par exemple noir) par rapport au troisième (par exemple rouge). Pour faciliter le repérage des résultats de mesure sur l'écran d'affichage, les deux pieds noirs sont alignés selon une direction privilégiée de la surface à caractériser, par exemple selon la direction de la fibre d'un bois ou selon la direction de la trame d'un tissu. Le dispositif selon l'invention est complété par un moyen de traitement de données (dont seul l'écran de visualisation est représenté fig. 3-8) relié au moyen de commande afin de récupérer les données échantillonnées produites par le moyen de commande. Dans la pratique, le moyen de traitement de données est un ordinateur mémorisant un logiciel développé pour traiter les données reçues. L'ordinateur permet notamment l'affichage du signal électrique produit par le transducteur ; il permet également de déterminer des paramètres de ce signal et notamment : - la durée d'une mesure, c'est-à-dire le temps mis par le palpeur pour parcourir un tour, - la valeur efficace du signal, - la valeur moyenne du signal - le facteur de forme du signal - l'intégration du signal - une ou des fréquences caractéristiques du signal - l'anisotropie de la surface testée. - Une analyse FFT, permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée. La valeur efficace du signal est calculée selon la relation : Vf = racine carrée [(somme de i= 1 à n des (xi-128) * (xi- 128) / n], où n est le nombre d'échantillons mesurés sur un tour, xi est l'amplitude du signal mesuré pour l'échantillon i ; soit, une représentation mathématique : Valeur efficace - =i[(x)] -128)2 La valeur moyenne du signal est calculée selon la relation : Vm = (somme de i= 1 à n des (xi-128) / n ; soit une représentation mathématique : En RX)1 -128)2 Valeur moyenne - 1=130 Le facteur de forme est défini par le rapport entre la valeur efficace Vf et la valeur moyenne Vm ; soit une représentation mathématique : Facteur de forme - Valeurefficace Valeurmoyenne L'intégration du signal est calculée selon la relation : Intégration = (x-128) L'anisotropie de la surface est définie le rapport entre la valeur efficace du signal sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal sur le deuxième et le quatrième quadrants, les premier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement de 0 à 90°, de 90° à 1800, de 1800 à 270° et 270 à 360°. An = [racine carrée [(somme de i= 1 à n/4 des (xi * xi)) / (n/4)] + racine carrée [(somme de i= n/2 à 3n/4 des (xi * xi)) / (n/4)] ] divisée par [racine carrée [(somme de i= n/4 à n/2 des (xi * xi))! (n/4)] + racine carrée [(somme de i= 3n/2 à n des (xi * xi)) / (n/4)]. Selon ce calcul, une surface isotrope a une anisotropie égale à 1. Anisotropie - Valeur efficace quadrants perpendiculaires Valeur efficace quadrants parallèles Les figures 3 à 8 montrent des exemples de résultats de mesure obtenus à partir du prototype réalisé pour : - la surface rabotée d'un objet en épicéa (fig. 3), - la surface d'un objet en bambou verni (fig. 4), - la surface d'un objet en Téflon (fig. 5), - la surface d'un objet en tissu Jacquard (fig. 6). - la surface d'un objet en PPSM (Panneau de Particules Surfacé Mélaminé) (fig. 7). - la surface d'un objet (bande transporteuse adhérente) en silicone (fig. 8). Sur chaque figure : - le graphe en haut à gauche est une représentation du signal mesuré, - le graphe en bas à gauche est une représentation d'une transformée de Fourier du signal mesuré et, sous le graphe, sont indiquées les fréquences caractéristiques déterminées par la transformée de Fourier, - le tableau en haut à droite indique la valeur efficace, la valeur moyenne, l'intégration et le facteur de forme du signal, sur chacun des quadrants notés respectivement SO (angle de rotation du palpeur entre 0 et 90°), SI (angle de rotation entre 90 et 180°), S2 (angle de rotation entre 180 et 270°) et S3 (angle de rotation entre 270 et 360°), - sous ce premier tableau est indiqué l'anisotropie et le temps de parcours (ou time process). Les valeurs de l'intégration caractérisent la qualité de surface des matériaux : - Le Téflon (Tm), matériau mou, isotrope et lisse en surface : valeur d'intégration faible (de l'ordre de 4600) et une anisotropie proche de 1. - L'Epicéa raboté, matériau bois, anisotrope : valeur d'intégration moyenne (de l'ordre de 61000) et une anisotropie de 1.55, caractéristique du sens de direction des fibres. - Le PPSM, matériau très dur en surface, isotrope et structuré : valeur d'intégration élevée (de l'ordre de 141000) et une anisotropie proche de 1. Sans surprise, on constate que les matériaux plutôt mous, tels que le Téflon, le tissu Jacquard ou même l'épicéa, présentent une surface avec des fréquences caractéristiques basses, représentatives de sons plutôt graves, d'ondes acoustiques amorties. A l'inverse, un matériau plutôt dur, tel que le bambou ou le PPSM, présente une surface avec des fréquences caractéristiques plus élevées, représentatives de sons plutôt aigus, d'ondes acoustiques moins amorties. On vérifie également que des matériaux plutôt isotropes ont une anisotropie proche de 1 (0.96 pour le Téflon, 0.99 pour le PPSM) alors que des matériaux plutôt anisotropes ont une anisotropie plus éloignée de 1 (0.77 pour le tissu Jacquard, 1.55 pour l'épicéa, 1.59 pour le bambou). On constate également que les valeurs du temps de parcours sont très élevées pour les matériaux adhérents (1833 ms pour une bande transporteuse adhérente en silicone et faibles pour les matériaux à faible coefficient de frottement (955 ms pour le téflon). Comme on le voit sur ces exemples, le dispositif selon l'invention donne avant tout une information qualitative sur l'état d'une surface testée. Différentes applications sont envisageables. Par exemple, il est possible par une pluralité de mesures, correspondant à différents matériaux et / ou à des états de finition de surface différents, de constituer une base de données de référence ; base qui peut être utilisée ensuite pour caractériser une surface inconnue par exemple. Dans un autre exemple, il est possible de définir des plages de paramètres acceptables (tolérances) puis de tester, en pièces de bois (ou tout autre matériau), si la surface Le dispositif selon l'invention sert dans ce cas de sortie d'une machine travaillant (découpe, polissage, etc.) des des pièces travaillées a des paramètres acceptables ou non. dispositif de contrôle de la qualité des pièces produites. REVENDICATIONS1. Dispositif adapté pour la caractérisation qualitative de l'état d'une surface d'un objet, par exemple pour la caractérisation qualitative d'une surface d'une pièce de bois, comprenant : - un palpeur (10), - un moyen pour entraîner en rotation le palpeur, de sorte que le palpeur suive une trajectoire circulaire, - un transducteur électroacoustique (30), configuré pour produire un signal électrique représentatif des ondes sonores émises par le palpeur. 2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le moyen d'entraînement est configuré pour entraîner en rotation le palpeur avec une puissance constante. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen d'entraînement comprend un bras (21) à une première extrémité duquel est fixé le palpeur (10) et un moteur (22) configuré pour entraîner le bras en rotation de sorte que le palpeur parcourt un cercle. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le moteur (22) est couplé au bras (21) par l'intermédiaire d'une courroie. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen configuré pour plaquer le palpeur (10) sur la surface à caractériser selon une force constante. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un boîtier (60) susceptible de reposer par au moins trois pieds (62) sur la surface à caractériser, le moyen d'entraînement étant positionné à l'intérieur du boîtier, le palpeur (10) et le transducteur (30) étant positionnés sous le boîtier. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen de lestage (61), configuré pour immobiliser le dispositif pendant la rotation du palpeur (10). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen de traitement de données configuré pour recevoir le signal électrique émis par le transducteur, et produire au moins un paramètre du signal électrique, paramètre caractéristique d'un état de la surface à caractériser. 9. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le ou les paramètres est / sont : - une durée, - une valeur efficace, et / ou - une valeur moyenne et / ou - un facteur de forme, défini par le rapport entre la valeur efficace et la valeur moyenne, et / ou - une intégration et / ou - une ou des fréquences caractéristiques, - une grandeur représentative de l'anisotropie, grandeur définie le rapport entre la valeur efficace du signal sur le premier et le troisième quadrants et la valeur efficace du signal sur le deuxième et le quatrième quadrants, lespremier, deuxième, troisième et quatrième quadrants correspondant à une rotation du palpeur respectivement de 0 à 900, de 900 à 1800, de 180° à 270° et 270 à 3600. - Une analyse FFT, permettant de calculer les fréquences principales représentatives de la surface mesurée.5