Projet de fin d’études - mip2.insa-lyon.frmip2.insa-lyon.fr/Centre d'intéret/Pfe2004/PFE_Présentation... · Céline FRACHET Actiris 350 –PFE 2004 Alexandre TREBERN Plan de

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


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


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

Céline FRACHET


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.

Céline FRACHET



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



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



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



• 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


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



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



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

Céline FRACHET



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



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


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



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



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



Déplacements du bout de la barre :

ΔX = -14 μm

ΔZY = 0 °

ΔXY = -0,005 °

ΔZ = +18 μm

X Z

Y

Céline FRACHET



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



Déplacements du dessus de l’équerre : ΔYZ = +0,006 °

ΔZX = -0,014 °

ΔZ = +10 μm

X Z

Y

Céline FRACHET



Déplacements de l’avant de la caméra :

X Z

Y

ΔX = -10 μm

ΔZX = -0,006 °

ΔXY = +0,005 °

Céline FRACHET



Déplacements de l’avant de l’objectif :

ΔZX = -0,025

°

ΔXY = +0,018

°

ΔX = -25 μm

X Z

Y

Céline FRACHET



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



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



• 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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 ???

Documents

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