Applications de la métrologie des grands volumes

• Fournir une gamme de systèmes LVM améliorés et/ou nouveaux, capables de fonctionner in situ dans des environnements d'usine
• Développer un scanner et un système de multilatération et coupler ces deux instruments
• Caractériser le système de multilatération avec un budget d’incertitude
• Réaliser une comparaison entre le système de multilatération et un laser tracker
• Développer et démontrer des techniques de détermination in situ de l'indice de réfraction de l'air de haute précision (~ 10^-7) avec des volumes de taille d'usine

L'aviation, plus grand utilisateur du secteur de LVM, doit livrer de nouveaux avions plus légers, mais les outils de métrologie pour atteindre les plus petites tolérances sur les grandes pièces n'existent pas. Les usines industrielles existantes n’inspectent qu’environ 1% des articles car les outils en ligne sont lents et non traçables, ce qui entraîne une inefficacité.

L'industrie 4.0 et les usines numériques supposent que les véhicules à guidage automatique et la robotique dans les usines puissent atteindre les précisions de positionnement et d'alignement nécessaires avec un contrôle en temps réel.

Les mesures de distance ou de volume pour la réalisation mécanique de grands objets manufacturés (essentiellement pour l’aéronautique et le spatial) se fait principalement par voie optique à l’aide de laser trackers, de photogrammétrie ou de mesure de positionnement 3D. Toutes ces mesures doivent être corrigées de la valeur de l’indice de réfraction de l’air qui quantifie l’effet de la réfraction de l’air sur la vitesse de propagation de la lumière. Cet indice de réfraction dépend essentiellement de la température de l’air. Le mesurande pertinent pour cette correction est donc la température de l’air vue par le faisceau laser de mesure. Or actuellement, ce mesurande est approximé par la température d’une sonde ponctuelle de température placée le plus souvent sur la tête de mesure optique car c’est la seule technique actuellement disponible. Il est très clair que cette approximation est très insatisfaisante en milieu industriel où la température n’est pas homogène dans les volumes de mesure.

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Dans le cadre du projet européen LaVA, le LCM a développé un système de vision 3D pour scanner des pièces mécaniques complexes de grands volumes. Il s’agit d'un système de scanning multi-caméras (photogrammétrie / lumière structurée) traçable à la définition SI du mètre. L’intégration du système de vision 3D sur un robot industriel constitue le système de scanning complet. Le robot industriel est fixé sur un système de guidage linéaire pour augmenter le volume total de scanning. Contrairement aux machines tridimensionnelles tactiles, le système de vision 3D permet d’acquérir un nuage de point dense en un temps quasi réel.

L’identification des paramètres intrinsèques, des paramètres extrinsèques et des paramètres de distorsion du système de vision 3D est une opération primordiale pour son fonctionnement. Dans ce contexte, l’état de l’art sur les techniques d'étalonnage a été minutieusement étudié. Une nouvelle méthode d'optimisation des poses a été proposée et comparée aux méthodes existantes. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée assure une meilleure exactitude des paramètres identifiés. Cette opération d’étalonnage est réalisée par l’intermédiaire d’un étalon matériel (damier) en céramique, lui aussi étalonné sur une machine tridimensionnelle optique traçable.

Enfin, un étalon matériel modulable de grand volume, similaire aux pièces utilisées dans l'aéronautique, a été développé et étalonné sur une machine tactile de type Zeiss UPMC Carat traçable. Cet étalon est utilisé pour l’évaluation des performances métrologiques du système de vision 3D. Une stratégie de scanning a été proposée pour couvrir toute la surface de l’étalon. Cela nécessite la numérisation zone par zone de l’étalon matériel, ensuite la fusion de l’ensemble des scans dans un référentiel commun à l'aide de techniques d’alignement. La comparaison des résultats (mesure tridimensionnelle tactile et scanning effectué par le system de vision 3D) révèle un écart de 150 μm.

En parallèle à cela, le LCM a développé un système de mesure de position par multilatération. Un système de quatre têtes de mesure est relié par fibre optique à un système de télémétrie commun aux quatre têtes. Les têtes de mesure sont montées sur un système de cardan motorisé qui permet de les orienter vers les réflecteurs. L’orientation des têtes se fait en WiFi via l’interface graphique de pilotage du système sous Matlab. Un système de 4 cibles basé sur des coins de cube montés sur un cardan motorisé a également été développé pour orienter les cibles sur chacune des têtes. L’incertitude de mesure de la distance avec une tête a été évaluée en tenant de toutes les sources d’incertitudes y compris mécaniques et vaut 5 μm, en tenant compte de la tête de mesure et du coin de cube.

L’incertitude sur la mesure de position d’un système de multilatération dépend de la position relative des têtes et de la cible : par exemple si toutes les têtes et la cible sont quasiment alignées, l’incertitude dans un plan perpendiculaire à cet alignement est très grande. L’incertitude est donnée par un ellipsoïde d’incertitude qui donne l’incertitude dans trois directions perpendiculaires. Une comparaison a été faite avec un laser tracker et une équipe du RISE (Suède) dans le laboratoire 3D du LNE. Cette comparaison a montré que le système de multilatération permet de réduire l’incertitude d’environ un facteur 2 par rapport au laser tracker.

Enfin, un système de mesure de température intégrée sur un chemin de mesure jusqu’à 10 m a été réalisé. Le principe de fonctionnement est la mesure du temps de vol d’une impulsion acoustique pendant sa propagation entre un microphone d’émission et un microphone de réception. Un modèle de propagation de l’onde acoustique (formules de Cramer) est utilisé pour déduire de la mesure de temps de vol la température de l’air traversé par l’onde acoustique. Le système développé est relativement compact et comporte un système de mesure aller-retour pour compenser les effets du vent sur la mesure de temps de vol. Pour éviter des câbles entre l’émission et la réception pour propager le signal de référence, une propagation du signal de référence de phase par voie optique (via la modulation d’un laser) a été développée. Une incertitude de l’ordre de 0,1 °C a été obtenue après une analyse détaillée de toutes les sources d’incertitude. Néanmoins les écarts entre la valeur de référence obtenue avec des thermomètres classiques et la valeur acoustique peut varier de 0,3 °C. La source de variabilité la plus importante de la mesure est l’instabilité mécanique du dispositif et notamment la variation de l’offset de l’instrument.

• Utilisation des résultats du projet en tant que facilitateurs de métrologie pour la numérisation des industries européennes fabriquant de gros articles (par exemple, l’aérospatiale, l’automobile, la construction nucléaire civile)
• Le projet développera des capacités de métrologie dans les plus petits NMI. L'inclusion de plusieurs partenaires externes renforce l'interaction entre la métrologie et les communautés non-NMI
• Le démonstrateur de fin de projet est une installation unique et pourra être utilisée pour générer de nombreuses données et connaissances prénormatives nécessaires aux activités de normalisation des normes numériques et des spécifications géométriques ISO des produits
• Les impacts à plus long terme proviendront des produits fabriqués dans les usines numérisées du futur en utilisant les approches de l'Industrie 4.0

• J. Guillory, D. Truong et J-P. Wallerand, “Assessment of the mechanical errors of a prototype of
• an optical multilateration system”. AIP Review of Scientific Instruments (RSI), vol. 91, issue 2, 025004, février 2020. https ://doi.org/10.1063/1.5132933
• J. Guillory, D. Truong et J-P. Wallerand, “Uncertainty assessment of a prototype of multilateration coordinate measurement system”. Elsevier Precision Engineering, vol. 66, pp. 496-506, novembre 2020. https ://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2020.08.002
• J. Guillory, D. Truong, J-P. Wallerand et C. Alexandre, “Absolute multilateration-based coordinate measurement system using retroreflecting glass spheres”. Elsevier Precision Engineering, vol.73, pp. 214-227, janvier 2022. https ://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.09.009
• J. Guillory, D. Truong, et J.-P. Wallerand, “Multilateration with Self-Calibration : Uncertainty Assessment, Experimental Measurements and Monte-Carlo Simulations”. MDPI Metrology, vol. 2, no. 2, pp. 241-262, mai 2022. https ://doi.org/10.3390/metrology2020015
• J. Guillory, D. Truong, J.-P. Wallerand, C.-G. Svantesson, M. Herbertsson et S. Bergstrand, “An SI-traceable multilateration coordinate measurement system with half the uncertainty of a laser tracker”. Measurement Science and Technology, Volume 34, Number 6, Published 23 March 2023. https ://doi.org/10.1088/1361-6501/acc26a
• S. El Ghazouali. A. Vissiere. L.-F. Lafon. M.-L. Bouazizi. H. Nouira. (2022) Optimised calibration of machine vision system for close range photogrammetry based on machine learning. JKSU - Computer and Information Sciences Volume 34. Issue 9. Pages 7406-7418. ISSN 1319-1578. https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2022.06.011.

GUM (Pologne)

INRIM (Italie)

NPL (Royaume-Uni)

RISE (Suède)

VTT (Finlande)

FID (Italie)

IK4-TEKNIKER (Espagne)

Mapvision (Finlande)

RWTH (Allemagne)

SAAB (Suède)

ISI (République Tchèque)