Brevet FR3061286A1 — publié le 20180629

SYSTEME DE POSITIONNEMENT RELATIF DE DEUX EQUIPEMENTS, METHODE DE MESURE ET DISPOSITIFS ASSOCIES 1. Domaine de l'invention. L'invention concerne un système de positionnement de deux équipements, l'un par rapport à l'autre. L'invention concerne plus particulièrement un système de positionnement comprenant une opération de mesure de position relative mettant en oeuvre un émetteur de rayonnement compris dans l'un des équipements ainsi qu'un récepteur de rayonnement de même gamme de fréquences compris dans l'autre équipement. 2. Etat de l'art. Des opérations de fabrication ou de contrôle industriel utilisent des équipements adaptés à la production ou à l'inspection d'éléments de grandes dimensions, et ce, notamment dans des domaines comme l'aéronautique, le spatial, le naval et les équipements de défense. Les équipements utilisés pour la fabrication, le support, le contrôle ou le déplacement des différents éléments doivent être en capacité d'opérer sur des pièces de grandes tailles possédant parfois des formes complexes. La coopération de plusieurs équipements est souvent nécessaire et ceux-ci sont souvent des dispositifs robotisés. Ainsi, plus la taille des éléments d'une structure est grande et plus les équipements robotisés utilisés en coopération pour les différents travaux sont potentiellement éloignés les uns des autres. Les robots coopèrent dans des espaces définis associés entre eux par des repères communs, ou encore par des opérations de changement de repères, déterminés par des modules de pilotage et/ou de contrôle. L'une des difficultés rencontrées dans la mise en oeuvre de tels systèmes est le maintien d'un bon positionnement d'un équipement par rapport à l'autre, que ce soit pour des opérations de fabrication ou des 3061286 2 opérations de contrôle ou de métrologie. Les systèmes dans lesquels des équipements coopèrent tout en devant conserver un positionnement précis de l'un par rapport à l'autre utilisent parfois des systèmes dits « maitre-esclave » où l'esclave se positionne par rapport au maître. 5 Les opérations de positionnement des deux équipements utilisent des opérations de mesure de la position relative de l'un par rapport à l'autre et de correction subséquente de la position d'au moins l'un des équipements en cas d'erreur. Avantageusement, la mesure d'une erreur de positionnement 10 permet également de corriger une mesure lors d'une opération de contrôle à laquelle participent les deux équipements, sans avoir à repositionner l'un des équipements, mais en intégrant la valeur cette erreur (amplitude et signe) dans la chaine de mesure pour accroître la précision de celle-ci et obtenir une valeur mesurée corrigée. 15 Les opérations de mesure mise en oeuvre sont de différents types et peuvent s'appuyer sur des détecteurs de position quelconques, tels que des compteurs, des émetteurs à rayonnement associés à des récepteurs, ou encore des récepteurs recevant des informations en provenance d'une pluralité d'émetteurs, à titre d'exemple. Les émetteurs à rayonnement souvent 20 utilisés pour ces applications sont par exemple des systèmes à émission et réception laser très coûteux. Les solutions existantes ne satisfont pas bien aux pièces mécaniques de très grandes dimensions et peuvent être améliorées. 25 3. Résumé de l'invention. L'invention permet de palier à au moins certains inconvénients de l'art antérieur en proposant un système de mesure de la position relative d'un 30 premier équipement par rapport à un second équipement, le premier équipement comprenant un émetteur de signaux SIG dans une gamme de fréquences prédéterminée et le second équipement comprenant un récepteur 3061286 3 de signaux émis dans ladite gamme de fréquences, le système étant caractérisé en ce que le second équipement comprend en outre : - une grille intercalaire à pas constant positionnée entre l'émetteur et le récepteur, à une distance prédéterminée du récepteur 5 de signaux, - un module de détermination d'une phase des signaux émis vus par le récepteur au travers de la grille intercalaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, la grille intercalaire 10 G est rendue solidaire du second équipement par l'intermédiaire d'un élément coulissant de sorte que la distance entre la grille intercalaire G et le récepteur RCT soit réglable en position Selon une variante, l'assemblage coulissant porte un second assemblage coulissant permettant un positionnement de la grille G selon 15 deux axes orthogonaux par rapport au récepteur RCT. Avantageusement, le positionnement de la grille peut-être opéré manuellement ou automatiquement et de sorte que la grille, plane, demeure parallèle ou sensiblement parallèle à une surface plane du récepteur RCT portant un réseau de capteurs dits « pixel » sensibles aux rayonnements émis par 20 l'émetteur EMT distant. Avantageusement, la grille intercalaire G est réalisée en or ou en plomb. 25 Selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention, la gamme de fréquences prédéterminée comprend les rayonnements X. 30 Avantageusement, le module de détermination d'une phase délivre une information représentative d'un écart de positionnement relatif 3061286 4 des premier et second équipements survenu après une phase de calibration. L'invention concerne en outre une méthode de mesure de la 5 position relative d'un premier équipement par rapport à un second équipement, le premier équipement comprenant un émetteur de signaux dans une gamme de fréquences prédéterminée et le second équipement comprenant un récepteur de signaux émis dans ladite gamme de fréquences, et comprend en outre une grille intercalaire G à pas constant positionnée 10 entre l'émetteur et le récepteur, à une distance réglable du récepteur de signaux, la méthode comprenant une détermination d'une phase des signaux émis vus par récepteur au travers de la grille intercalaire. 15 4. Liste des figures. L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : 20 - la figure 1 représente un système de détermination de la position relative d'un premier équipement par rapport à un second équipement distance selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. 25 - la figure 2 représente une vue simplifiée du système de la figure 1, permettant la compréhension de la visualisation d'un premier équipement vu par un second équipement au moyen d'une émission de rayons X. - la figure 3 représente un exemple de réalisation de la 30 grille intercalaire mise en oeuvre dans le système. 3061286 5 - la figure 4 représente des détails d'implémentation de la grille selon un mode de réalisation de l'invention. 5. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. 5 Sur les figures 1 à 4, les modules représentés sont des unités fonctionnelles, qui correspondent ou non à des unités physiquement distinguables. Par exemple, ces modules ou certains d'entre eux sont regroupés dans un unique composant, ou constitués des fonctionnalités d'un 10 même logiciel. A contrario, selon d'autres modes de réalisation, certains modules sont composés d'entités physiques séparées. La figure 1 représente un système SYS selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. Selon le mode de 15 réalisation de l'invention, les premier et second équipements EQU1 et EQU2 sont des dispositifs robotisés adaptés à la fabrication et/ou au contrôle et à l'inspection des pièces mécaniques de grandes dimensions, telles qu'utilisées régulièrement dans les secteurs industriels de l'aéronautique, de la défense, des navires ou des engins spatiaux, par exemple. 20 Le premier équipement EQU1 porte un émetteur de rayonnements X EMT configuré pour émettre des signaux (rayons X) SIG vers l'équipement EQU2 distant. L'équipement EQU2 porte un récepteur RCT adapté à la réception des signaux SIG émis par l'émetteur EMT et porte en outre une grille intercalaire G positionnée à une distance d d'une surface plane du 25 récepteur RCT. Avantageusement la position de la grille intercalaire G peut être ajustée par rapport à la position du récepteur RCT de l'équipement EQU2. Selon une variante du mode de réalisation et en fonction de la topologie du système complet, la grille intercalaire G peut être indépendante 30 de l'équipement EQU2 et disposée entre les deux équipements EQU1 et EQU2. Cette configuration requiert de connaitre précisément les coordonnées 3061286 6 de positionnement de la grille dans un espace (repère) de déplacement communs des équipements EQU1 et EQU2. La mise en oeuvre des pièces complexes dans ces domaines 5 requiert des systèmes d'inspection de plus en plus sophistiqués, capables de détecter les moindres imperfections des matériaux, dans le but d'atteindre un grand niveau de qualité. Les formes complexes et principalement les grandes dimensions 10 des structures utilisées amènent des difficultés voire l'impossibilité de détecter des défauts internes ou des défauts de surface en utilisant des machines classiques selon l'art antérieur. La coopération des deux équipements robotisés EQU1 et EQU2, équipés par exemple d'outils de contrôle non destructifs, tels que des systèmes à rayons X permet avantageusement d'offrir 15 une solution flexible et à moindre coût que les systèmes selon l'art antérieur. Avantageusement, le système SYS selon l'invention permet de positionner de manière améliorée les équipements robotisés EQU1 et EQU2 l'un par rapport à l'autre et offre ainsi une meilleure qualité de fabrication ou 20 de contrôle et d'inspection des pièces réalisées ou contrôlées. Avantageusement, le système SYS constitue un système de mesure à résolution « sous-pixel » en utilisant une grille intercalaire G disposée entre un émetteur EMT solidaire du premier équipement robotisé 25 EQU1 et un récepteur RCT solidaire du second équipement robotisé EQU2. Selon l'invention, le système SYS comprend un module DET de détermination d'une phase des signaux SIG émis par l'émetteur EMT et vus par le récepteur RCT au travers de la grille intercalaire G. Le système SYS permet ainsi de définir l'amplitude des écarts de positionnement entre 30 l'émetteur EMT de rayons X et le récepteur RCT de rayons X. Avantageusement, la grille est réalisée en or ou en plomb. 3061286 7 Le système SYS utilise un système périodique d'interférences créé par la grille intercalaire G couplée à l'émetteur EMT de rayons X. Le signal d'interférences ainsi créé est reçu par le récepteur RCT qui comprend un réseau de capteurs constitué de N pixels. L'étude de variation de la phase du 5 signal périodique interférent ainsi créé permet astucieusement de définir le positionnement relatif entre les deux équipements robotisés EQU1 et EQU2 de sorte à accroître la précision des opérations mises en oeuvre par leur biais. La grille à pas constant G, réalisée par exemple en or ou en plomb, est placée entre l'émetteur de rayons X EMT porté par l'équipement EQU1 et 10 le récepteur de rayons X RCT porté par l'équipement EQU2. La grille intercalaire G est positionnée parallèlement au récepteur RCT, à une distance prédéterminée d. Le récepteur RCT est plan. Le role de la grille intercalaire G consiste à absorber les rayons X de façon à générer un signal périodique d'amplitude variable lorsque le 15 faisceau de rayons X émis la traverse. Lorsque l'équipement robotisé EQU1 portant l'émetteur de rayons X EMT est bien aligné avec l'équipement robotisé EQU2 portant le détecteur de rayons X couplé à la grille intercalaire G, le faisceau de rayons X qui traverse la structure de la grille intercalaire G génère un signal sinusoïdal dans un 20 réseau de pixels du détecteur RCT. Pour un réseau de N pixels, ce signal sinusoïdal peut être approximé par l'expression: lref = loref [ 1 + Imref COS (1:1)) ] où : 25 loref est l'intensité moyenne, Iniref est le contraste local, (1) est la phase. 3061286 8 Lorsque l'équipement robotisé EQU1 est déplacé selon un mouvement transversal par rapport à l'équipement robotisé EQU2, un décalage s'opère entre l'émetteur EMT porté par l'équipement EQU1 et le récepteur RCT porté par l'équipement EQU2. Lorsque l'émetteur EMT et le récepteur RCT ne sont plus alignés comme précédemment, le signal interférent reçu par le récepteur RCT est déphasé d'une valeur par rapport au signal Iref vu précédemment (avant le décalage de position de l'équipement EQU1). Le signal reçu par le récepteur RCT peut alors s'exprimer: 18 = I05 [ 1 + 1m8 COS (4)+6) où 8 est le déphasage introduit par le déplacement de l'émetteur 15 EMT de rayons X. La soustraction de la phase entre lref et IÔ permet d'extraire le décalage de la phase 8 et par voie de consequence le déplacement 8x qui lui est proportionnel. 20 La grille intercalaire G est définie de sorte à produire un signal interférentiel sinusoïdal vu par le récepteur RCT à partir du signal émis par l'émetteur EMT. Astucieusement, la grille intercalaire permet d'utiliser le principe de 25 Vernier pour obtenir une résolution inférieure au pixel. 5 10 3061286 9 Il est entendu ici par le terme "pixel", le plus petit élément dénombrable par la résolution du récepteur RCT, soit le plus petit élément determinable de façon fiable par la chaine de mesure en l'absence de décalage entre les équipements EQU1 et EQU2. 5 La figure 2 représente le système de la figure 1 sous une forme simplifiée pour illustrer la vue d'un premier équipement par un second équipement du système, au moyen d'une transmission de rayons X. 10 Avantageusement les rayons X peuvent traverser des matériaux. Bien évidemment le système de mesure de positionnement relatif décrit peut fonctionner avec des signaux transmis autres que des rayons X et fonctionne par exemple avec des signaux lumineux traditionnels, bien que les 15 performances puissent alors être moindres. La grille intercalaire G, disposée à une distance prédéterminée d d'une surface plane du récepteur RCT possède un pas constant 2Lg et l'épaisseur d'un élément « barre » de la grille est Lg. 20 La figure 3 représente une grille intercalaire telle qu'utilisée par le système de mesure de positionnement décrit figure 1 et figure 2 selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. La grille intercalaire G, repérée par le repère « 1 » sur la figure 3 est portée et 25 positionnée par rapport au récepteur au moyen de systèmes à coulisse «3 » et «4 ». Ce système permet le positionnement de la grille G par rapport au récepteur RCT repéré « 4 » sur la figure et positionné sur un flanc « 5» de l'équipement EQU2. Les systèmes à coulisse « 3 » et «2 » autorisent respectivement des déplacements de la grille intercalaire G selon les axes z et 30 x représentés. Une fois la grille intercalaire G positionnée dans une position prédéterminée satisfaisant à la topologie (forme) de l'équipement EQU2, elle est maintenue dans cette position pour une phase de calibration et pour les 3061286 10 différentes phases de mesures successives qui visent à définir la position relative des dispositifs EQU1 et EQU2 l'un par rapport à l'autre et à opérer une correction de ces positions au besoin (en cas d'erreur de positionnement détecté par rapport aux consignes de positions respectivement transmises aux 5 actionneurs de EQU1 et EQU2). La figure 4 représente des détails de réalisation de la grille déjà représentée figure 3 et notamment l'agencement des éléments de type 10 « barres » organisés verticalement. Bien évidemment, le sens de positionnement de la grille correspond à la direction des déplacements relatifs à détecter et autant de systèmes similaires au système SYS peuvent être utilisés pour détecter des défauts de positionnement d'éléments d'équipements robotisés mus selon plusieurs axes. 15 Description détaillée du principe de détermination d'une modification de 20 position relative des équipements EQU1 et EQU2 à partir de l'analyse des signaux reçus par le détecteur RCT porté par l'équipement robotisé EQU2: Lorsque l'équipement robotisé EQU1 dit équipement « maître » et 25 portant l'émetteur de EMT rayons X est correctement aligné avec l'équipement robotisé EQU2 dit équipement « esclave » portant le récepteur RCT de rayons X, le faisceau de rayons qui traverse la structure de la grille génère G un signal sinusoïdal SIG' dans le réseau de pixels du détecteur RCT porté par l'équipement EQU2. Pour un réseau d'une résolution de N pixels du récepteur 30 RCT, le signal sinusoïdal vu par le détecteur peut être approximé par l'expression : iref = io'f [1 Ini'f cos()] 3061286 1) - bref: l'intensité moyenne du signal reçu; - 4nref : le contraste local ; - 0 : la phase. 5 Lorsque l'équipement robotisé EQU1 dit équipement « maître » est déplacé selon un mouvement transversal par rapport à l'équipement robotisé EQU2, dit « esclave », un décalage entre l'émetteur EMT de rayons X et le récepteur RCT de rayons X est créé. L'émetteur EMT et le récepteur RCT ne sont alors plus alignés comme précédemment et le signal sinusoïdal vu par le 10 réseau de N pixels du récepteur RCT apparait déphasé d'une valeur Ô par rapport à /,f . Ce signal déphasé par rapport à celui vu précédemment a pour expression : 18 = 108[1 + Im8 cos(0 + 6)] 2) où Ô est le déphasage introduit par le déplacement de l'émetteur EMT de rayons X. 15 La différence de phase entre les signaux Iref et 18 permet d'extraire le décalage de phase 6 et donc le déplacement 6x, qui lui est proportionnel. L'équation suivante peut être vérifiée : 2rc (/) +8- ( I ) =I78. , où p est la période du signal enregistré dans le détecteur. 20 Si le décalage de phase 8 et la période p sont connus, il est possible de déterminer le déplacement 8% proportionnel au décalage de phase induit par le déplacement relatif, en utilisant l'équation : 11 où : 3) 3061286 12 4) La période p et n- étant des valeurs constantes, la précision du déplacement 8, est strictement liée à la méthode utilisée pour calculer le décalage de phase ô. 5 Détail du calcul du décalage de phase : Ce calcul peut être réalisé par exemple, en utilisant la méthode proposée par Hedser Van Brug. Cette méthode consiste à calculer le décalage de phase entre deux images à partir du calcul de leur corrélation. Si l'intensité de deux images, vues par un réseau de N pixels du récepteur RCT, est donnée par les expressions (1) et (2) définies précédemment, la corrélation entre /ref et 18 peut être calculée par : (''f18) (1'f)(18) 5) Cref,(5 - (Iref)2)1/ 2 ((q) - (18)2)1/2 où : 1r2Tr - Iref dx = 'Ore f' 27r 13 6) (4) -= 7) (Ire fI8) = 8) (gef) = 9) (1g) = 10) En substituant les équations (6)-(10) dans l'équation (5), il peut être obtenu l'égalité : 10 15 (1'» = - fO 211 18 dx = 108, 27r J 1 f 27r I8 dx = / lore flo8Imre f - Ore f -08 - COS(8), 2n- - 2 1r211. 2 2 Iore f Imref - dx = /2re f 2rt ref O 2 f 2n 1,2 dx = 12 j_ 108Ims 2 2 27r 0 '08 1 2 Cref,8 = cos(8) , 3061286 13 11) Ainsi, si la corrélation entre les deux images est calculée, le décalage de phase 8 peut alors être défini (11) comme : 8 = cos-1(C'f,8). 12) Selon l'équation [1], ce décalage de phase Ô peut être calculé avec une erreur inférieure à 0,1% pour un numéro d'échantillons supérieur à 32. 5 Détails d'implémentation de la grille : Selon un mode de réalisation de l'invention, la variation de l'intensité des signaux émis par l'émetteur EQU1 et vus par le récepteur RCT 10 portée par l'équipement EQU2 est un signal sinusoïdal. La grille intercalaire G est adapté à la génération d'un tel profil de signal vu par le récepteur RCT. Le principe de Vernier est utilisé dans le but d'obtenir une résolution dite « sous-pixel ». 15 Le principe de Vernier consiste à décomposer l'intervalle compris entre deux traits d'un segment étalon en un nombre prédéterminé de segments de largeurs égales tel que représenté schématiquement ci-après : 0 10 Emetteur 20 REVENDICATIONS1. Système (SYS) de mesure de la position relative d'un premier équipement (EQU1) par rapport à un second équipement (EQU2), le premier équipement (EQU1) comprenant un émetteur (EMT) de signaux (SIG) dans une gamme de fréquences (F) prédéterminée et le second équipement (EQU2) comprenant un récepteur (RCT) de signaux émis dans ladite gamme de fréquences (F), le système (SYS) étant caractérisé en ce que ledit second équipement (EQU2) comprend en outre : une grille intercalaire (G) à pas constant positionnée entre ledit émetteur (EMT) et ledit récepteur (RCT), à une distance (d) dudit récepteur (RCT) de signaux, un module (DET) de détermination d'une phase desdits signaux (SIG) émis vus par ledit récepteur (RCT) au travers de ladite grille intercalaire (G). 2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite grille intercalaire G rendu solidaire dudit second équipement (EQU2) par l'intermédiaire d'un élément coulissant de sorte que la distance entre ladite grille intercalaire G est ledit récepteur RCT soit réglable. 3. Système selon une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite grille intercalaire G est réalisée en or ou en plomb. 4. Système selon l'un quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite gamme de fréquence prédéterminée comprend les rayonnements X. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit module de détermination d'une phase 3061286 20 délivre une information représentative d'un écart de positionnement relatif du premier équipement EQU1 et du second équipement EQU2, l'un par rapport à l'autre, survenu après une phase de calibration. 6. Méthode de mesure de la position relative d'un premier équipement 5 (EQU1) par rapport à un second équipement (EQU2), le premier équipement (EQU1) comprenant un émetteur (EMT) de signaux (SIG) dans une gamme de fréquences (F) prédéterminée et le second équipement (EQU2) comprenant un récepteur (RCT) de signaux émis dans ladite gamme de fréquences (F), et comprend en outre une grille 10 intercalaire (G) à pas constant positionnée entre ledit émetteur (EMT) et ledit récepteur (RCT), à une distance (d) dudit récepteur (RCT) de signaux, ladite méthode étant caractérisée en ce qu'elle comprend une détermination d'une phase desdits signaux (SIG) émis vus par ledit récepteur (RCT) au travers de ladite grille intercalaire (G). 15