Nous suivre Industrie Techno

Numérisation de formes : cinq grandes familles de capteurs (09/07/1999)

Embarqués ou fixes, au bout d'un bras articulé ou manipulés à la main, les capteurs offrent des solutions pratiques à chaque numérisation.
Les capteurs de numérisation pourraient bien, selon les experts, relever d'une quinzaine de principes différents. Avec plusieurs systèmes dans chacune de ces catégories ! C'est dire si les types de capteurs sont nombreux dans le monde pour un marché encore étroit. Les constructeurs semblent encore vivre sur leur nuage... de points.

Mais on peut néanmoins distinguer cinq grands principes.

Palpeurs à contact

Le principe s'est démocratisé avec l'usage des machines à mesurer tridimensionnelles : une pointe de rayon connu est amenée au contact de l'objet. Le contact génère un point de mesure en traduisant les positions des règles des différents axes de la machine.

Ces têtes de mesure sont dorénavant analogiques afin de suivre le contour de la forme et délivrer ses mesures à la volée. La cadence des points est relativement faible comparée aux systèmes optiques, mais la machine spécifique Cyclone de Renishaw délivre tout de même jusqu'à 1 000 points par seconde. La trajectoire de palpage par balayage n'est pas neutre dans le processus d'acquisition et conditionne même, parfois, sa reproduction par fraisage. Les formes aux courbes douces et simples peuvent se satisfaire de ce procédé.

L'offre est importante du fait du parc de machines MMT ou MOCN (machine-outil à commande numérique) déjà en place et capables d'utiliser ces capteurs. Citons Lemoine, Renishaw, Mitutoyo, DEA, Fidi... Renishaw propose aussi un capteur laser qui fonctionne par mise au point, trois fois plus rapide que le palpeur mécanique, et qui ne dépend pas du rayon de l'outil.

À noter l'engouement des industriels pour les bras articulés six axes comme ceux de Faro, Romer, ou le bras de table Microscribe d'Immersion distribué par Tech'Soft. Car ces bras peuvent être transportés au pied de la pièce, et ils permettent d'accéder à des zones difficilement accessibles autrement. À contact également, mais point à point, le système 3Draw de Polhemus, distribué par Thetascan, localise par ondes électromagnétiques la position du stylet dans l'espace. Seule restriction : les pièces métalliques sont à proscrire. Le système de Krypton localise quant à lui la position du stylet à l'aide de diodes infrarouges et de trois caméras.

Capteurs laser

  Ces capteurs optiques laser reposent sur le principe de mesure par triangulation : un faisceau laser balaie la pièce. Sa forme est soit ponctuelle, soit linéaire. L'image du point ou de la ligne sur l'objet est mesurée par une caméra CCD calibrée. La ligne de mesure s'étend, selon Bertrand Duflos, prestataire de services chez Surface Lab, de 8 à 70 mm, et délivre de 600 à 1 000 points par ligne ou acquisition.

Ces têtes de mesure sont dites relatives quand elles ne fournissent que les coordonnées en Z. Elles doivent alors se monter sur une structure de type portique (MMT ou MOCN) ou bras articulé, pour délivrer les coordonnées manquantes.

La vitesse d'acquisition est importante avec les faisceaux-plan : le capteur de Kréon est ainsi capable de 17 acquisitions/s, avec une fréquence de 600 points/acquisition. Grâce à la structure porteuse, les opérations de recalage de points sont simplifiées en cas de prises multiples. Pour s'affranchir des phénomènes d'ombre et d'occultation occasionnés par un relief tourmenté, Kréon dispose d'une deuxième caméra placée symétriquement à la première ; il est aussi possible de ne pas s'en servir pour éviter les points redondants.

Model Maker de 3D Scanners, l'un des nombreux capteurs distribués par Multistation, et Vi 700 de Minolta sont particuliers puisqu'ils restituent en plus la couleur grâce à une deuxième caméra. Autoscan de Zeiss diffuse un faisceau en nappe qui le rend capable de suivre les lignes caractéristiques de la pièce et de faire varier la vitesse d'acquisition des points en fonction de la géométrie. La réflectance du matériau constitue un des obstacles principaux pour ces systèmes.

Il existe aussi des capteurs laser intégrés qui délivrent la totalité des coordonnées. Ils sont dits absolus. Citons Cyberware et Digibotics, qui associent un faisceau fixe à un plateau tournant. Minolta, avec son appareil portable Vi 700 (9 kg), utilise un miroir pour balayer l'objet en 0,6 seconde. Les deux versions du capteur Soisic de Mensi (racheté depuis par EDF) numérisent de grandes scènes (bâtiments, sites industriels) respectivement de 10 et 40 mètres maximum. Un capteur à rapprocher de ceux de UK Robotics et de Riegl (scanners à différence de phase), et de Modèle 3D.

Capteurs à lumière structurée

  Ces capteurs optiques projettent sur l'objet une lumière structurée par le biais de grilles ou de motifs aléatoires. L'image obtenue par deux caméras CCD (stéréovision) ou par comparaison entre deux prises de vues, permet de retrouver les coordonnées des points ainsi ?marqués?. La densité de points est aussi grande que la prise de vues est instantanée. Montés sur trépied (Atos de Gom, Optotop de Breuckmann, Tricolite de Steinbichler), ces capteurs se transportent aisément et immobilisent peu les pièces et les équipements. L'un d'eux, Tricorder, peut déclencher en 1/1 000 e de seconde de quatre à cent vingt-huit caméras (mais il faut les étalonner). Soit bien plus que nécessaire pour saisir un volume en entier, mais idéal pour tout ce qui bouge. Ces capteurs sont proches du principe de la photogrammétrie, bien connu en cartographie de photos aériennes. En identifiant un même point caractéristique sur deux images ou plus, on reconstitue la troisième dimension.

Jusqu'alors manuelle, l'opération commence à s'automatiser, notamment par l'emploi de pastilles autocollantes placées sur l'objet. Gom combine un tel système (Tritop) avec un système à lumière structurée (Atos) pour situer le nuage de points dans l'espace de travail. Et conserver ce référentiel commun entre plusieurs prises de vues, difficulté majeure imposée par ces capteurs montés sur trépied ! Combine-t-on ici la simplicité des deux systèmes ou cumule-t-on leur complexité ? La question demeure.

Atos possède également la particularité d'adapter son optique à la taille de l'objet (de 10 mm à 5 m) afin de donner la meilleure précision et résolution. C3D, du Turing Institute (Écosse) compare automatiquement pixel par pixel deux images stéréoscopiques. FastScan, de Polhemus, est quant à lui un capteur laser qui se manipule à la main.

Tomographie

  La tomographie par rayon X connaît un succès grandissant pour sa capacité à ?voir les parties internes des pièces?. La méthode serait presque une exclusivité s'il n'existait le procédé proposé par CGI. Les tomographes délivrent des images de coupes qui, empilées, donnent le volume de l'objet.

Chers à l'achat (plusieurs millions de francs), ces appareils s'utilisent plutôt en prestation de services comme chez Tomo Adour (Pau) ou chez Snecma-SEP (Vernon). Les scanners industriels de puissance élevée (450 kV à 9 MeV) peuvent ?sonder? des matériaux de forte densité, alors que la densité maximale est de trois pour des scanners médicaux.

Cette technique est appréciée des constructeurs automobiles et aéronautiques, grands consommateurs de pièces de fonderie pour lesquelles il est intéressant de contrôler les géométries internes, la position des canaux de refroidissement ou l'épaisseur de paroi... Car une fois le volume de la pièce reconstitué, n'importe quel plan de coupe peut être visualisé. Autre utilisation : détecter et modéliser les défauts métallurgiques pour les réinjecter dans un modèle de simulation de comportement de la pièce. Ou encore : saisir la géométrie des noyaux de fonderie de pièces dont on ne possède pas de définition numérique. Il est même possible de contrôler un jeu. Sans même parler des opérations de « veille technologique », (c'est-à-dire d'étude de la concurrence), évoque non sans tact Georges Vandendriessche, du laboratoire Matériaux Chimie Expertises de Snecma-SEP.

Télémétrie

  Avec le principe du radar et du sonar, on mesure ici le temps mis par un signal électromagnétique, ultrasonique ou un faisceau de lumière pulsée pour parcourir la distance aller et retour entre l'émetteur et la surface de l'objet. On parle alors de temps de vol pulsé. Lorsque le signal est modulé en amplitude, on mesure la différence de phase entre le signal émis et le signal retourné pour en déduire la distance : on parle alors de mesure de phase.

Avantage, il n'existe pas de limite à la profondeur de champ et les systèmes les plus puissants permettent d'effectuer des mesures sur des objets éloignés, comme Riegl et UK Robotics. De plus, on n'observe aucun problème dans une plage de réflexion de 5 % à 99 % !

Les procédés électromagnétiques interdisent la mesure sur les matériaux métalliques. Polhemus, GTCO, le Leti, Bertin Technologies, Perceptron et Roland sont parmi les fournisseurs de ces systèmes.

Philippe Beaufils

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

Dossier composites : comment ils vont surpasser les métaux

Dossiers

Dossier composites : comment ils vont surpasser les métaux

Les composites ne cessent d'innover pour rester compétitifs face aux autres matériaux. L'innovation porte sur les matériaux eux-mêmes, mais aussi sur[…]

Les colloques à venir - Au 12 juin 2009

Agenda

Les colloques à venir - Au 12 juin 2009

Les Nanotechnologies, vous connaissez ?

Les Nanotechnologies, vous connaissez ?

IT 911 mai 2009

IT 911 mai 2009

Plus d'articles