Brevet FR3007126A1 — publié le 20141219

Dispositif de contrôle robotisé d'une structure par Ultrason-Laser L'invention se rapporte au domaine général du contrôle par ultrasons de la qualité de fabrication de pièces d'équipements aéronautiques, de 5 pièces en matériau composite notamment, et plus particulièrement du contrôle santé-matière par ultrason-laser de ces mêmes pièces. 10 L'analyse santé matière d'éléments de structures est de nos jours effectuée par Ultrason-Laser qui est une méthode de contrôle sans contact très bien adaptée aux pièces de formes complexes. On rappelle ici que l'analyse santé matière consiste en la recherche de défauts, de délaminages, de retassures, de porosités, de criques ou 15 autres anomalies que peuvent comporter les matériaux utilisés pour fabriquer des pièces mécaniques, des éléments de structures notamment. Pour répondre aux besoins du contrôle de pièces à haute cadence, la tendance actuelle est de confier l'exécution des tests d'intégrité à des 20 systèmes automatiques, autrement dit des robots. L'exécution de ces tests par des robots permet notamment, dans le cadre de tests de séries de pièces, d'assurer une excellente reproductibilité d'exécution des tests d'une pièce à l'autre. 25 D'un point de vue structurel, ces robots sont généralement équipés d'un bras, ou plus généralement d'un appendice mobile, terminé par une source laser. Dans le cas du contrôle de pièces de grandes dimensions notamment, Ils peuvent en outre être configurés de façon à être en mesure de se déplacer de façon à se positionner à proximité de la pièce. 30 Dans certaines installations existantes, les pièces à inspecter sont maintenues en position fixe durant l'inspection. Le robot déplace la tête d'inspection au dessus de la pièce, de sorte que c'est la tête d'inspection, et non la pièce, qui se déplace. C'est en particulier le cas pour les installations destinées au test de pièces de grandes dimensions. Selon les cas, la source laser peut alors être une source à faisceau fixe de sorte que le test d'intégrité est réalisé en déplaçant la tête 5 d'inspection de façon à ce qu'elle éclaire successivement un ensemble de points répartis à la surface de la pièce que l'on souhaite contrôler. Dans une telle configuration, le contrôle de la pièce est effectué par un fonctionnement du robot en mode dynamique. Le balayage de la surface étant alors assuré par le déplacement du robot, ou du moins de la tête d'inspection, vis à vis de 10 la surface à contrôler. Alternativement, la source laser peut aussi être une source à faisceau mobile. Dans ce second cas, la source est elle-même équipée de moyens optiques, des miroirs par exemple, permettant, dans une certaine mesure, de défléchir, selon un ou deux axes, le faisceau laser produit. De la sorte, le test 15 d'intégrité est réalisé en positionnant successivement la source en regard de la pièce en différents point espacés les uns des autres et en faisant balayer une portion de surface par le faisceau laser émis par la source de façon à ce qu'il couvre une zone donnée de la surface de la pièce. Le nombre et la disposition des points de contrôle sont définis de telle façon qu'au cours du 20 test la totalité de la surface de la pièce soit balayée par le faisceau laser. Une telle configuration est celle adoptée notamment pour le système LUCIE (acronyme de la dénomination anglo-saxonne "Laser Ultrasonics Composite Inspection Equipment"), développé par la demanderesse. 25 Dans d'autres installations existantes, en revanche, le robot comporte une tête d'inspection fixe avec une source laser à faisceau fixe et ce sont les pièces à inspecter qui se déplacent et passent devant la tête d'inspection. C'est alors le déplacement de la pièce contrôlée qui permet à la tête d'inspection de balayer toute la surface de la pièce. Dans de telles 30 installations le mouvement de la pièce peut par exemple être assuré par un bras manipulateur qui saisit la pièce et la déplace en regard de la tête d'inspection. De telles installations présentent l'avantage de la simplicité et de la robustesse, dans la mesure où la tête d'inspection étant fixe, l'alimentation de la source laser en énergie est plus simple que lorsque cette 35 même source est mobile. Le bras manipulateur ne sert ici qu'à déplacer la pièce contrôlée. Cette simplicité est par ailleurs amplifiée si la source laser utilisée émet un faisceau fixe. En revanche, l'inspection de la totalité de la pièce nécessite que le bras manipulateur puisse assurer un positionnement précis, de la pièce vis-à-vis de la tête d'inspection et un déplacement rapide de cette dernière. Si ces deux types d'installations sont généralement bien adaptés aux contrôles d'intégrité réalisés à l'heure actuelle par l'intermédiaire de robots, il est cependant des cas où elles conduisent à des limitations, notamment en termes de rapidité d'exécution des contrôles ou encore en termes d'efficacité des tests réalisés. En particulier de telles installations sont généralement peu appropriées au contrôle d'intégrité de pièces présentant des surfaces irrégulières, avec un relief plus ou moins marqué, et/ou une géométrie complexe. Un but de l'invention est de proposer un moyen permettant de s'affranchir des contraintes de fonctionnement présenté par les installations 20 de contrôle de pièces robotisées existantes, en particulier dans le cadre de tests d'intégrité de structures de pièces aéronautiques. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de la structure d'une pièce en matériau composite comportant une tête d'inspection comportant elle-même une source d'émission d'au moins un 25 faisceau laser et un robot manipulateur configuré pour assurer le maintien de la pièce et le déplacement de la surface de ladite pièce vis-à-vis de la tête d'inspection, de telle sorte que ladite surface puisse être balayée par le faisceau laser émis par la source qui équipe la tête d'inspection. Ladite source laser comporte des moyens pour réaliser le balayage du faisceau 30 laser émis le long d'un axe de balayage donné et avec une amplitude donnée. Le robot manipulateur est configuré pour pouvoir déplacer la surface de la pièce le long d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe le long duquel se déplace le faisceau laser. 35 Selon diverses dispositions éventuellement utilisées conjoitement: - la source laser émettant deux faisceaux laser, elle comporte des moyens permettant de réaliser le balayage des deux faisceaux le long de deux axes parallèles. - la source laser émettant deux faisceaux laser, les moyens pour réaliser le balayage des deux faisceaux, sont configurés de façon à ce que le balayage de chaque faisceau soit réalisé indépendamment du balayage de l'autre faisceau. - le robot manipulateur est configuré de telle façon qu'après chaque balayage par la source laser, la surface de la pièce est déplacée vis-à-vis de la tête d'inspection de telle façon que le balayage suivant couvre une zone de la surface de la pièce non encore balayée par celle-ci. - la source laser émettant deux faisceau lasers, le pas de déplacement, d', de la pièce après chaque balayage et l'écart entre les deux faisceaux laser est défini de façon à réaliser un balayage complet de la surface de la pièce avec la résolution désirée. - Le robot manipulateur est configuré de façon à pouvoir orienter la surface de la pièce contrôlée vis-à-vis de la tête d'inspection de telle façon qu'en tout point de contrôle à la surface de la pièce le faisceau laser présente une incidence optimale en termes d'éclairement. - Le robot manipulateur comporte des moyens de préhension de la pièce capables de faire pivoter la surface de la pièce selon deux axes sensiblement perpendiculaires. - le robot manipulateur est constitué par un élément de translation sur lequel sont placées les pièces à contrôler qui assure un déplacement linéaire desdites pièces. Ledit élément est agencé vis-à-vis de la tête d'inspection de telle façon que la pièce à contrôler se déplace selon un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de balayage du faisceau laser. - le robot manipulateur étant constitué par un élément de translation, il est configuré de telle façon que, durant l'opération de contrôle, chaque pièce à contrôler puisse être amenée par un déplacement continu de l'élément de translation à proximité de la tête d'inspection puis déplacée pas à pas, entre deux balayages successifs sous la source laser. - le robot manipulateur est constitué par un élément rotatif sur lequel est placée la pièce à contrôler et assurant une rotation de ladite pièce sur elle même, ledit élément étant agencé vis-à-vis de la tête d'inspection de telle façon que les faces de la pièce à contrôler soient successivement balayées par le faisceau laser de la tête d'inspection. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent: - la figurel , une représentation schématique du dispositif selon 20 l'invention dans un premier mode de réalisation; - la figure 2, une représentation schématique du dispositif selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation; - la figure 3, une représentation schématique du dispositif selon l'invention dans un troisième mode de réalisation. 25 Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le dispositif selon l'invention a pour caractéristique essentielle de combiner une tête 30 d'inspection laser à faisceau mobile et des moyens pour maintenir la pièce contrôlée et déplacer cette pièce en regard de la tête d'inspection de telle façon que la totalité de la surface de la pièce puisse être éclairée par le faisceau au cours du test. Selon l'invention, la source laser comporte des moyens permettant de 35 défléchir le faisceau laser selon un axe unique, de façon à réaliser un balayage mono axial. Cette déflexion, avantageusement simple à mettre en oeuvre, peut être réalisée par tout moyen connu, par exemple par un miroir mobile en rotation par rapport à la direction d'émission du faisceau laser. Selon l'invention également les moyens de maintien et de 5 déplacement de la pièce contrôlée sont configurés de façon à pouvoir, au cours du contrôle, déplacer la pièce en regard de la tête d'inspection selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de balayage du faisceau laser. 10 La figure 1 présente, à titre d'exemple non limitatif, une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, le dispositif 11 comporte ici une tête d'inspection 12 comportant une source laser mono faisceau et un robot 13 équipé d'un bras manipulateur, qui assure le maintien de la pièce 14 ainsi 15 que son positionnement et son orientation en regard de la tête 12. L'utilisation d'un robot manipulateur permet ici avantageusement de déplacer la pièce 14 vis-à-vis de la tête d'inspection 12, indépendamment selon trois axes X, Y et Z. On peut ainsi positionner la pièce 14 de la façon désirée vis-à-vis de la tête d'inspection 12. 20 Par suite, l'inspection d'une pièce 14 consiste, par exemple, à partir d'une position initiale de la pièce par rapport à la tête d'inspection 12, à défléchir le faisceau laser 15 de façon à ce qu'il balaye la pièce le long d'une ligne parallèle à l'axe X, matérialisée par la flèche 16, puis lorsque la déflexion maximale du faisceau est atteinte, à déplacer la pièce 14 d'une 25 distance d selon l'axe Y perpendiculaire à l'axe X et à défléchir le faisceau laser 15 dans la direction opposée de façon à ce qu'il balaye la pièce le long d'une ligne parallèle à la ligne de balayage précédente et distante de cette ligne d'un pas de distance d, ligne matérialisée par la flèche 17. Alternativement, il est bien évidemment possible pour réaliser 30 l'inspection de la pièce 14, de procéder après chaque déplacement d de réaliser le balayage du faisceau laser suivant une direction unique correspondant à la direction de la flèche 16 ou à celle de la flèche 17. Il est à noter ici que le pas de déplacement, d, de la pièce après chaque balayage est défini de façon à réaliser un balayage complet de la 35 surface de la pièce (14) avec la résolution désirée. On peut ainsi, en combinant le balayage du faisceau laser 15 au déplacement linéaire progressif de la pièce 14 selon l'axe Y, procéder à une inspection progressive, ligne par ligne, de toute la surface de la pièce 14. Une telle façon de procéder permet avantageusement d'optimiser le temps d'inspection dans la mesure où, pendant la durée d'un balayage, la pièce contrôlée est dans une position fixe et que la synchronisation entre l'émission laser et le déplacement de la pièce 14 en regard de la tête d'inspection 12 n'est nécessaire qu'au moment du changement de ligne. La figure 2 présente, à titre d'exemple non limitatif également, une deuxième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, le dispositif 21 comporte ici une tête d'inspection 22 comportant une source laser à deux faisceaux 23 et 24 et un robot manipulateur 13 qui assure le maintien de la pièce 14 ainsi que son positionnement et son orientation en regard de la tête 22. Dans cette deuxième forme de réalisation, la source laser comporte des moyens permettant de défléchir les faisceaux laser 23 et 24 selon deux axes parallèles, matérialisés par les traits pointillés 25 et 26, de façon à réaliser un balayage mono axial pour chacun des deux faisceaux, la déflexion des faisceaux 23 et 24 pouvant être opérée dans les deux sens comme l'illustre la double flèche 27. Selon la variante de réalisation considérée, les moyens permettant de défléchir les deux faisceaux laser sont configurés pour réaliser un balayage simultané des deux faisceaux ou pour réaliser deux balayages indépendants. En comparaison avec la forme de réalisation de la figure 1, cette seconde forme de réalisation permet avantageusement d'explorer deux fois plus rapidement la surface de la pièce 14 à contrôler, le déplacement, d', de la pièce 14 entre deux balayages consécutifs étant alors préférentiellement égal à deux fois le pas de distance d utilisé dans le cas d'un balayage mono faisceau. Il est à noter ici que le pas de déplacement, d', de la pièce après chaque balayage et l'écart entre les deux faisceaux laser sont définis de façon à réaliser un balayage complet de la surface de la pièce (14) avec la résolution désirée. La figure 3 illustre une variante de réalisation pouvant s'appliquer aux 5 deux formes de réalisation des figures 1 et 2. Selon cette variante avantageuse, appliquée, à titre d'exemple, à la forme de réalisation de la figure 1, le bras manipulateur 13 du robot est configuré de façon à conférer à la pièce 14 six degrés de liberté. et permet notamment la rotation de ladite pièce autour de deux axes perpendiculaires 10 31 et 32. De la sorte, l'orientation de la pièce 14 vis-à-vis de la source laser peut être déterminée à tout instant en fonction de la zone éclairée par le faisceau laser 15 de façon à ce que l'éclairement se fasse sous incidence optimale, compte tenu en particulier de l'état de surface de la pièce 14 dans la zone considérée. 15 Une telle configuration permet ainsi une orientation optimale de la pièce et un balayage rapide d'une ligne par rotation du miroir permettant la déflexion du faisceau. Concernant les variantes de réalisation correspondant aux figures 1 à 20 3, il est à noter que, dans le cas du contrôle d'une pièce de grandes dimensions, il peut arriver que le balayage du faisceau laser ne soit pas suffisant pour couvrir en totalité la pièce dans la direction de balayage. Dans ce cas, cependant, le contrôle de la pièce peut être réalisé secteur par secteur, un secteur correspondant à une portion de la surface de la pièce 25 défini par l'amplitude du balayage et par le déplacement de la pièce le long de l'axe perpendiculaire à l'axe de balayage. De la sorte, le contrôle complet de la pièce peut être réalisé en divisant la surface de la pièce en secteurs contigus explorés les uns après les autres. 30 La figure 4, quant à elle, illustre une forme de réalisation plus particulière, dont la description permet de mettre en évidence le caractère avantageux du principe de fonctionnement de l'invention en termes de rapidité d'exécution notamment. Cette forme de réalisation est plus particulièrement adaptée au contrôle d'intégrité de pièces 14 présentant une dimension plus importante que les autres, par exemple des éléments allongés présentant une section faible comparée à leur longueur. Elle intéresse également l'inspection de pièces présentant de relativement petites dimensions, produites en série, le dispositif étant alors 5 placé en sortie de chaine de fabrication. Dans cette forme de réalisation, le robot manipulateur du dispositif selon l'invention consiste en un élément mécanique de translation 41, de type tapis roulant par exemple, sur lequel sont placées les pièces 14 à inspecter, chaque pièce étant placée sur le tapis de telle façon que sa 10 longueur soit orientée dans la direction de déplacement. Le tapis roulant est associé à des moyens permettant au tapis de réaliser un défilement, de sorte qu'une pièce 14 qui y est déposée peut être déplacée de façon à être éclairée par le faisceau laser de la tête d'inspection 42, cette dernière étant ici placée au dessus du tapis. 15 Dans cette forme de réalisation, la tête d'inspection 42 est préférentiellement équipée d'une source laser émettant deux faisceaux simultanés, 43 et 44, pouvant être défléchis pour réaliser un balayage selon une direction 46 perpendiculaire au sens de déplacement du tapis roulant, matérialisé par la flèche 45. L'amplitude du balayage des faisceaux laser est 20 définie de façon à couvrir la totalité de la dimension de la pièce selon l'axe de balayage, la pièce elle-même ne pouvant ici être déplacée que selon un axe unique. Ainsi pour réaliser l'inspection totale d'une pièce il suffit d'amener la pièce 14 au niveau de la tête d'inspection 42 en actionnant le tapis roulant, puis de déplacer la pièce 14 pas à pas en regard de la tête d'inspection 42, 25 la longueur du pas de déplacement étant définie à la fois par la résolution souhaitée et par l'espacement des deux faisceaux laser 43 et 44. Une fois l'inspection terminée, le tapis roulant 41 peut reprendre un défilement continu plus rapide de façon à amener la pièce suivante en regard de la tête d'inspection 42. 30 II est à noter que l'utilisation d'un tapis roulant pour réaliser l'élément mécanique de translation 41 est ici considérée à titre d'exemple de réalisation. Tout élément permettant d'assurer un mouvement de translation des pièces 14 vis-à-vis de la tête d'inspection 12 peut évidemment être envisagé dans le contexte de l'invention: platine de translation tapis roulant, 35 rail, ...etc. Il est à noter également que concernant ce dernier exemple de réalisation du dispositif selon l'invention l'utilisation d'un robot manipulateur consistant en un élément mécanique de translation rectiligne peut être 5 étendu à l'utilisation d'un élément mécanique induisant un mouvement de rotation à la pièce inspectée. Le robot manipulateur se présente alors comme un disque au centre duquel est déposée la pièce inspectée de sorte que celle- ci, tournant sur elle-même, présente successivement plusieurs faces au faisceau laser de la tête d'inspection. Une telle configuration est 10 avantageusement adaptée à l'inspection de pièces présentant une certaine symétrie de révolution. Ainsi qu'il ressort de la description des différents exemples de réalisation qui précède, le dispositif selon l'invention comporte ainsi, de 15 manière avantageuse, deux moyens distincts qui coopèrent pour assurer une inspection complète et rapide de la pièce à inspecter. Le premier moyen consiste en une source laser équipée de moyens permettant de défléchir le (les) faisceau(x) laser, 15, 23-24, 43-44, émis selon un axe de balayage donné 16, 17 ou 46. 20 Le second moyen consiste en un robot manipulateur 13 qui permet de déplacer la pièce 14 à inspecter vis-à-vis de la tête d'inspection, 12, 22 ou 42, au moins selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de balayage, ce qui évite la mise en oeuvre d'une tête d'inspection mobile. Ainsi en combinant les déplacements engendrés par ces deux moyens 25 il est possible de réaliser de manière rapide l'inspection de la totalité de la pièce considérée sans pour autant avoir à déplacer la tête d'inspection elle-même. Une telle configuration s'avère très avantageuse en particulier lorsque les faisceaux lasers utilisés ne sont pas compatibles d'une transmission par fibre optique, et que leur mise en oeuvre dans le cadre 30 d'une tête d'inspection nécessite une architecture opto-mécanique plus complexe et plus couteuse. Par ailleurs la combinaison de ces moyens avec des moyens permettant de faire se mouvoir la pièce en rotation vis-à-vis de la tête d'inspection permet avantageusement d'obtenir, pour chaque point d'inspection, une incidence optimale du faisceau laser par rapport à la surface de la pièce inspectée. REVENDICATIONS1. Dispositif (11) de contrôle de la structure d'une pièce (14) en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte une tête d'inspection (12) comportant une source d'émission d'au moins un faisceau laser et un robot manipulateur (13) configuré pour assurer le maintien de la pièce (14) et le déplacement de la surface de ladite pièce vis-à-vis de la tête d'inspection (12), de telle sorte que ladite surface puisse être balayée par le faisceau laser (15) émis par la source qui équipe la tête d'inspection ; ladite source laser comportant des moyens pour réaliser le balayage du faisceau laser émis le long d'un axe de balayage (16) donné et avec une amplitude donnée, le robot manipulateur (13) étant configuré pour pouvoir déplacer la surface de la pièce le long d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe (16) le long duquel se déplace le faisceau laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la source laser émettant deux faisceaux lasers (23, 24), elle comporte des moyens permettant de réaliser le balayage des deux faisceaux le long de deux axes parallèles (25, 26). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour réaliser le balayage des deux faisceaux (23, 24) sont configurés de façon à ce que le balayage de chaque faisceau soit réalisé indépendamment du balayage de l'autre faisceau. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le robot manipulateur (13) est configuré de telle façon qu'après chaque balayage par la source laser, la surface de la pièce (14) est déplacée vis-à-vis de la tête d'inspection (12) de telle façon que le balayage suivant couvre une zone de la surface de la pièce non encore balayée par celle-ci. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, la source laser émettant deux faisceau lasers (23, 24), le pas de déplacement, d', de la pièce après chaque balayage et l'écart entre les deuxfaisceaux laser est défini de façon à réaliser un balayage complet de la surface de la pièce (14) avec la résolution désirée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le robot manipulateur (13) est configuré de façon à pouvoir orienter la surface de la pièce (14) contrôlée vis-à-vis de la tête d'inspection (12) de telle façon qu'en tout point de contrôle à la surface de la pièce (14) le faisceau laser (15) présente une incidence optimale en termes d'éclairement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé que le robot manipulateur (13) comporte des moyens de préhension de la pièce (14) capables de faire pivoter la surface de la pièce selon deux axes (31, 32) sensiblement perpendiculaires. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un robot manipulateur constitué par un élément de translation (41) sur lequel sont placées les pièces (14) à contrôler et assurant un déplacement linéaire desdites pièces, ledit élément (41) étant agencé vis-à-vis de la tête d'inspection (12) de telle façon que la pièce à contrôler se déplace selon un axe (45) sensiblement perpendiculaire à l'axe de balayage (46) du faisceau laser (43, 44). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le robot manipulateur est configuré de telle façon que durant l'opération de contrôle chaque pièce à contrôler puisse être amenée par un déplacement continu de l'élément de translation (41) à proximité de la tête d'inspection (12) puis déplacée pas à pas, entre deux balayages successifs sous la source laser. 10.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un robot manipulateur constitué par un élément rotatif sur lequel est placée la pièce (14) à contrôler et assurant une rotation de ladite pièce sur elle même, ledit élément (41) étant agencé vis-à-vis de la tête d'inspection (12) de telle façon queles faces de la pièce à contrôler soient successivement balayées par le faisceau laser de la tête d'inspection.