Projet de fin d’études
Expertise et optimisation d’un
capteur optique de mesure
tridimensionnelle
Etudiants
Céline FRACHET
Alexandre TREBERN
Encadrants
Jean-Pierre BRUANDET
Stéphane RAYNAUDMarc VIVES
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Plan de la présentation
I. Objectifs et démarche expertise
II. Simulation numérique
III. Expérimentation
1. Corrélation d’images2. Mesures sur MMT
I. Collage de jauges de déformations
II. Proposition d’optimisation
III. Test d’intercomparaison
IV. Bilan
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Rappel des objectifs
Expertiser la structure de la tête de mesure duActiris 350 numériquement et expérimentalementlors de la montée en température des caméras
Proposer des optimisations sur cette structure
Démarcher des sous-traitants afin d’aboutir à laconstruction d’un prototype
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Démarche expertise
Transformation
rigide (mire)
1) Simulation
Eléments Finis
(I-DEAS)
2) Corrélation
d’images
(LaMCoS)
Contrôle des
hypothèses
4) Pose de
jauges
Lieux de plus fortes
déformations
Corrélation
des résultats
Montée en température des caméras
3) Mesures
sur MMT
Champs de déformation
+
Déplacements
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Simulation numérique (1)
FEM pièces
détachées
Déformation
propre
Influence s/
le système
Choix de la
liaison FEM global
équerre
insert
Modélisation des liaisons
Insert – poutre: éléments rigides entre surfaces de l’insert et de la poutre en
contact.
Insert – équerre: éléments rigides entre surface taraudée de l’insert et
périphérie de l’alésage équerre.
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Simulation numérique (2)
dilatation de l’insert en alu dilatation radiale locale de la poutre
distance inter-taraudage augmente gauchissement de l’équerre
Umax = 1,86 10-2 mm
Soulèvement des caméras
Divergence des axes optiquesMontée en température des caméras
Localement
Globalement
Céline FRACHET
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Simulation numérique (3)
Utot = Ugrav + Utemp
Ux"temp -8,476 μm
Uy"temp -0,805 μm
Uz"temp 4,982 μm
Transformations rigides
Rot = Rotgrav + Rottemp
Alphatemp (°) -3,22×10-4
Bêtatemp (°) 4,01×10-3
Khitemp (°) Pas exploitable
CCD
Axe optique
Z’
X’
Z’’
Y’, Y’’
X’’
Y
X
Z
• Positionnement de nœuds d’ancrage
sur l’axe optique
• Etude de la position de l’axe optique
après déformations
• Changements de base pour se placer
dans le repère caméra
Céline FRACHET
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Simulation numérique (4)
Poutre creuse Poutre avec insert
Déformation pour ΔT = 13,15 C 134,38 μdef 250 μdef
Déformation pour ΔT = 1 C 10,22 μdef 19,01 μdef
Estimation des déformations sur la poutre:
2 zones: - poutre creuse
- poutre au-dessus de l’insert
Mesure de la variation de diamètre de la poutre
Permettent d’obtenir des valeurs pour le collage de jauges
l
lRappel:
Céline FRACHET
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Simulation numérique (5)
• Liaisons insert-équerre et insert-poutre considérées comme parfaites
alors que ce sont des assemblages vissés et collées.
• Encastrement central considéré comme parfait alors que c’est un
assemblage vissé
influence du couple de serrage sur les déformations?
• Présence de colle entre l’équerre et l’insert non prise en compte.
créer du contact entre ces deux surfaces.
•Résultats dans le repère global indiqué par la hotline I-DEAS
doute quant à sa validité (raisonnement valide mais il faut
récupérer les déplacements dans le vrai repère global)
Limites de la simulation numérique:
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Corrélation d’images (1)
Principe de la mesure:Pièce recouverte d’un motif aléatoire (mouchetis)
Correspondance des motifs entre image initiale
et image déformée
Calcul des champs de déplacement / déformations
Prises de vue pièce initiale puis déformée
Conversion en niveaux de gris
Estimation de la précision:
Appareil photo 6 millions de pixels (2000 3008 px)
Au zoom maxi, zone observée 30 45 mm
précision annoncée: 1/10ème pixel
Déplacement mini observable:
Umini = 1,5 μm
Céline FRACHET
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Essais – Corrélation d’images (2)
1
3
2
Dispositif expérimental
• Structure fixée sur le marbre
• Appareil photo vissé sur pied
• Zone d’étude éclairée par des lampes froides
• Thermocouples sur 4 points de la structure
• Salle régulée en température (21°C < T < 25°C)
3 zones d’étude:
1. face supérieure de l’équerre
2. plan supérieur de la poutre
3. plan de face de la poutre
Céline FRACHET
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Essais – Corrélation d’images (3)
Stabilité du montage
2,55μm < U < 4,05μm
Résultats de corrélation entre 2 états supposés
identiques:
Diagnostic des causes possibles d’instabilité :
Démarcation systématique au 1/3 gauche
des images
Causes Commentaires Conclusion
affaissement de l’appareil photoPrises de vue sur le marbre
mêmes problèmes
mouvement lors de la prise de vueGrandes précautions, mais risque
demeurant
vibration interne du mécanisme
(diaphragme,…)Observées dans le viseur
mauvaise corrélation Logiciel validé depuis longtemps
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Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Corrélation d’images (4)
Résultats:Bruit de mesure: 6 μm
1
3
2
2
1
Zone1 Zone 2 Zone 3
2
1
2
1
Zone 1 Zone 2 Zone 3
Tinit (°C) 28,03 25,50 23,63
Tfinale (°C) 43,84 43,24 38,18
U1moy (μm) 5,171 -4,098 5,248
U2moy (μm) 0,192 13,932 -11,315
Incohérence de signe !!
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Corrélation d’images (5)
Analyse des résultats
• Confiance très limitée dans nos résultats (bruit de mesure important,
instabilités, incohérence de signe pour U1)
• Les déplacements sont inférieurs à ceux mesurés avec la mire car à partir
de 30 μm on les aurait probablement détectés.
• Causes possibles: déformation propre des caméras et de leur fixation
mouvements de corps rigide entre les 2 axes optiques et pas
obligatoirement sur la structure.
incertitudes sur les mesures chez ActiCM
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (1)
Principe de la mesure:
Estimation de la précision:
• +/- 2 μm en déplacement
• +/- 0,003 en rotation
• Mesure réalisée sur une Machine numérique de Mesure Tridimensionnelle
• Palpation d’entités géométriques pour créer une gamme de mesure
• Lancement de la gamme de mesure à intervalle régulier
• Branchement des caméras
• Arrêt des caméras après stabilisation en température
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (2)
Dispositif expérimental
• Structure fixée sur le marbre
• Thermocouples sur 4 points de la structure
• Salle régulée en température à 21°C
3 zones d’étude:
1 : cylindre composite
2 : surface entre poutre et équerre
3 : surface de contact caméra – objectif
4 : surface avant de l’objectif
5 : surface supérieure de l’équerre
X
Z
Y
4
3
51
2
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (3)
Stabilité du montage
Résultats:
rotation dans le plan YZ
-0,006
-0,005
-0,004
-0,003
-0,002
-0,001
0
0,001
0,002
16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55
heure
Z/Y
(A
1)
(°)
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (4)
Déplacements du bout de la barre :
ΔX = -14 μm
ΔZY = 0 °
ΔXY = -0,005 °
ΔZ = +18 μm
X Z
Y
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (5)
Déplacements de la face de l’équerre collée à l’insert :
ΔY = -6 μm
ΔZY = +0,012 °
ΔXY = -0,002 °
X Z
Y
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (6)
Déplacements du dessus de l’équerre : ΔYZ = +0,006 °
ΔZX = -0,014 °
ΔZ = +10 μm
X Z
Y
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (7)
Déplacements de l’avant de la caméra :
X Z
Y
ΔX = -10 μm
ΔZX = -0,006 °
ΔXY = +0,005 °
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (8)
Déplacements de l’avant de l’objectif :
ΔZX = -0,025
°
ΔXY = +0,018
°
ΔX = -25 μm
X Z
Y
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (9)
Analyse des résultats
•augmenter en Z (soulèvement des caméras)
•diminuer en Y (écartement des caméras entre elles)
•diminuer en X (mouvement des caméras vers l’avant du système)
•rotation négative autour de Y (fléchissement de l’objectif vers le bas)
•légère rotation positive autour de Z (divergence des caméras)
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (10)
rotation dans le plan YZ = f(Temp)
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
-0,006 -0,005 -0,004 -0,003 -0,002 -0,001 0 0,001 0,002
delta Z/Y (A1) (°)
Te
mp (
°C) T_caméra °C
T_insert °C
T_barre(bout) °C
T_barre(central) °C
Corrélation entre la température et les déplacements :
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Essais – Mesures MMT (11)
• Hystérésis des thermocouples
• Hystérésis des matériaux avec la température
• Différence de flux thermique entre la montée en température et le
refroidissement
.
Causes possibles de la non-linéarité :
Estimation de la déformation de la barre:
augmentation du diamètre
déformation epsilon22 d’environ 10 μdef par degré Celsius
augmentation du périmètre
pourcentage de déformation
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Comparaison des résultats (1)
déplacements Ux Uy Uz
simulation -8,5 -0,7 2,7
corrélation -4,5 11 14
déplacements Ux Uy Uz
simulation -7 -0,7 5,5
MMT -6 14 -14
déplacements dans le repère global, en micromètre
déplacements dans le repère caméra, en micromètre
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Comparaison des résultats (2)
Estimation déformation pour ΔT = 1 C Minimum Maximum
Simulation 10 μdef 19 μdef
Corrélation 2280 μdef 14000 μdef
MMT 10 μdef 13 μdef
Évaluation des déformations tangentielles sur la poutre composite
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Collage de jaugesObjectif: Mesure directe des déformations sur la structure
Corrélation avec la transformation rigide
Fonction de recalage en temps réel
En cas de résultats convaincants Instrumentation de tous les systèmes
plage de température 15°C – 50°C plage de déformations de 650 μdef
(basé sur les déformations tangentielles maxi obtenues par simulation : 1,901×10-5)
Dans l’attente d’une réponse de:
Société Deltech - M. DELCROIX
Corbas
Tel : 04 72 50 39 50
Email : [email protected]
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Optimisation (1)Objectifs:
- Suppression de l’insert, pièce critique pour la dilatation
- Suppression des incertitudes d’assemblage (couple de serrage des
vis, répétabilité de la pose de colle,…)
Design d’une pièce monobloc respectant les cotes fonctionnelles
(angles de 21°, entraxe de 760 mm)
Matériau composite tissu (équerre) et M40J (poutre)
Résultats de simulation numérique
transformations rigides Ux"temp (mm) Uy"temp (mm) Uz"temp (mm) Rotx" (°) Roty" (°)
version actiris 350 -0,0085 -0,0008 0,0050 -0,0003 0,0040
version tissu 0,0049 0,0017 0,0029 -0,0082 0,0034
version M40J 0,1073 -0,0315 -0,1345 -0,2508 0,0000
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Optimisation (2)
Etude de faisabilité:
Sous-traitants consultés:
DJP Espace Composites (Jean-Pierre MATTEI)
CRST (Thibaud MATHIEU)
Proposition CRST:
pièce moulable sans problème
tolérances usuelles sur la distance inter-axes: 1/10è mm
pièce symétrique retrait symétrique lors du démoulage
épaisseur 3mm, matrice époxy, fibre carbone
section: forme trapézoïdale pour bloquer 2 directions
Chiffrage:
En cours… (prix prototype et prix unitaire), devrait être envoyé avant
la fin de la semaine.
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Tests d’intercomparaison
Objectifs:
Positionner la précision d’une machine de mesure tridimensionnelle sur le
marché existant.
Argument de vente si essais concluants.
Résultats:
Difficulté de palpage de certaines entités (cylindres de faible diamètre ou
orientés horizontalement)
Ecarts plus importants que les MMT numériques mais les points palpés
sont différents
Résultats complets à venir, analysés par l’organisme d’intercomparaison.
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Bilan (1)
• Transformations rigides de l’axe optique non correctes
• Modèle numérique assez abouti
• Amélioration de la simulation avec :
• Meilleure connaissance des déformations des caméras
• Meilleure connaissance de la répartition des températures dans le
système
Simulation :
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Bilan (2)
Expérimentation :
• Nouvelle corrélation d’images peu judicieuse
• MMT
• Fournit de bons résultats
• Multiplication des zones de palpage et des expériences
• Jauges
• Collage envisageable
• Test avec la mire pour corréler les déformations de la barre
composite avec les transformations rigides des caméras
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Bilan (3)
• Bons résultats en simulation
• Moins de dispersion en réalité car moins de liaisons
• Construction d’un prototype envisageable et réalisable
• Cycle de tests similaire à celui du PFE
Structure monobloc :
Céline FRACHET
Alexandre TREBERNActiris 350 – PFE 2004
Remerciements
Merci à nos tuteurs Jean-Pierre BRUANDET, Stéphane RAYNAUD,
Marc VIVES pour leur soutien.
Merci à toute l’équipe ActiCM et particulièrement Hervé SOUKIASSIAN
et Anthony FRUCTUOSO pour leur coopération au projet.
Merci à P. CLERC, M. KUHN, P. ROUX, A. GRAVOUILLE et tous les
autres enseignants qui ont participé de près ou de loin au bon
déroulement de cette étude.
QUESTIONS ???
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