FR2565342A1 - Dispositif optique de mesure de hauteur concu pour fonctionner dans un environnement d'interferences parasites - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE MESURE OPTIQUE DE HAUTEUR. IL COMPORTE UN ENSEMBLE 10 DE CELLULES PHOTOSENSIBLES SUR LEQUEL EST DIRIGE UN FAISCEAU LUMINEUX REFLECHI PAR UN OBJET 15. LA DIMENSION DE LA TACHE LUMINEUSE EST AJUSTEE DE FACON A ETRE SUPERIEURE A CELLE D'UNE CELLULE ET INFERIEURE A CELLE DE DEUX CELLULES. LA HAUTEUR ASSOCIEE A L'OBJET EST DETERMINEE A PARTIR DES SIGNAUX DE SORTIE D'UNE PAIRE SELECTIONNEE DE DEUX CELLULES ADJACENTES. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX ROBOTS SOUDEURS EN PRESENCE D'INTERFERENCES PARASITES.

Description

La présente invention concerne de manière générale les détecteurs optiques

et, plus spécialement, un détecteur optique à résolution élevée présentant une grande immunité vis-à-vis des

interférences parasites.

Dans la technique du soudage automatique par robot, il faut déterminer les hauteurs d'aires élémentaires, ou éléments image, situées le long du joint de soudure pour produire une soudure

convenable. La hauteur de chaque élément image est typiquement déter-

minée par un montage optique comportant une source lumineuse, par

exemple un laser, dont le faisceau est dirigé sur l'élément image.

La hauteur est déterminée à partir de la position de l'image du faisceau lumineux, réfléchi par l'élément image, à la surface

d'un ensemble de cellules sensibles à la lumière. L'ensemble photo-

sensible est typiquement désigné comme étant le détecteur optique,

ou, plus simplement, le détecteur.

Il est clair que, pour obtenir une bonne marche des opérations, il faut obtenir une résolution élevée sur la mesure de la hauteur. De plus, le signal indiquant la hauteur doit avoir un niveau très haut. Avec les détecteurs présentement utilisés, l'une de ces conditions n'est jamais satisfaite, voire les deux. Les cellules d'une dimension de l'ordre de 100 Mm x 200 pm fournissent des signaux de niveau élevé mais de faible résolution, tandis que les dispositifs à couplage de charge assurent une haute résolution,

mais donnent des signaux de niveau bas.

De plus, dans les opérations de soudage, un niveau considérable d'interférences parasites est présent. Elles contiennent les fréquences de la bande laser. Ainsi, malgré le filtrage, un bruit altère notablement le niveau de sortie du détecteur. Donc, la hauteur indiquée est soumise à des interférences parasites. De plus,

lors du soudage, il est produit une importante quantité de fumée.

Celle-ci altère fréquemment la dimension de l'image projetée sur le détecteur, et par conséquent son niveau de sortie, ce qui n'est pas du tout souhaitable. L'invention s'attache à résoudre les problèmes

ci-dessus mentionnés.

On peut définir l'invention comme étant un dispositif qui comprend: un moyen permettant de diriger un faisceau lumineux sur un élément; et un détecteur optique permettant de recevoir le faisceau lumineux réfléchi par ledit élément pour déterminer la hauteur de l'élément en fonction d'une relation fonctionnelle pré- sélectionnée entre les niveaux de sortie des cellules d'un ensemble

de cellules faisant partie dudit détecteur optique.

En résumé, selon l'invention, il est utilisé un détecteur optique constitué d'un ensemble linéaire d'un certain nombre de cellules, par exemple seize cellules. Un système optique est incorporé qui agit de façon que la dimension de l'image réfléchie arrivant sur les cellules soit plus grande que la dimension d'une cellule et moins grande que celle de deux cellules. Les niveaux de sortie de cellules adjacentes sont traités de manière qu'on obtienne certaines fonctions, et la hauteur de l'élément est déterminée à partir de l'une de ces fonctions, lorsque son amplitude se trouve

entre certaines valeurs limites des fonctions.

On suppose que la dimension de l'image est w et que celle de chaque cellule est d, o d < w < 2d. Si l'on désigne les niveaux de sortie de cellules adjacentes par Ci et C., la fonction qui est produite pour chaque paire de cellules est donnée par:

C. - C.

f.. = 1 3 iJ C. C. i J C'est l'une des valeurs de ces fonctions qui est

utilisée pour indiquer la hauteur.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système optique permettant d'assurer que la dimension de l'image dirigée sur le détecteur optique reste de l'ordre de w même si le faisceau lumineux est passé dans une fenêtre rendue partiellement opaque par la fumée qui a été créée par suite des opérations de soudage.

La description suivante, conçue à titre d'illustra-

tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma en perspective isométrique simplifié servant à expliquer une application de l'invention au soudage par robot; - la figure 2 est un schéma simple permettant d'expliquer l'utilisation d'un détecteur optique à la mesure de hauteurs; - les figures 3 et 4 sont des schémas permettant d'expliquer les principes de base de la mesure des hauteurs selon l'invention; et - les figures 5a et 5b sont des schémas permettant d'expliquer, par rapport à un système optique de la technique

antérieure, les avantages d'un système optique selon l'invention.

On se reporte d'abord à la figure 1. Le numéro 10 désigne un dispositif optique placé à une extrémité d'un robot soudeur

12 produisant un arc électrique de soudage 14. La fonction du dispo-

sitif O10 est de positionner l'action du robot sur le joint 15 des pièces 16 et 17 devant être soudées ensemble, comme indiqué par la présence de soudure en 18. Le positionnement du robot sur le joint 15 est réalisé par la détermination de la hauteur d'aires élémentaires, ou éléments image, du joint qui varient au fur et à mesure que le dispositif avance le long du joint et le balaye transversalement,

afin que soit déterminé le point le plus bas de chaque élément image.

Le dispositif optique 10 est présenté sur la figure 2. Une source lumineuse, par exemple un laser, 22 dirige un faisceau lumineux 13 sur le joint, et le joint réfléchit le faisceau

sur un détecteur optique 25 à plusieurs cellules, par l'intermé-

diaire d'un système optique représenté simplement par une lentille 26.

Comme l'homme de l'art n'est pas sans le savoir, le point de la surface du détecteur o le faisceau lumineux arrive est lié à la hauteur séparant le détecteur de la surface par laquelle le faisceau

lumineux est réfléchi.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le détecteur 25 est constitué d'un ensemble linéaire de plusieurs cellules photosensibles. Par exemple, il est constitué de seize cellules photosensibles, désignées de gauche à droite sur la figure 3 par les références C1 à C16. Dans un but d'explication, on suppose que, lorsque le faisceau lumineux est dirigé sur la cellule C1,ceci correspond à la hauteur minimale, tandis que l'arrivée du faisceau lumineux sur la cellule C16 indique la hauteur maximale. On suppose également que la taille (largeur) de chaque cellule est égale à une dimension désignée par d. Selon l'invention, l'image du faisceau lumineux qui est dirigée sur le détecteur 25 subit une conformation par un système optique 26, de sorte que sa dimension, désignée par w, est toujours supérieure à d et inférieure à 2d, c'est-àdire d < w < 2d. Par conséquent, à tout moment, l'image du faisceau lumineux, désignée par la référence 30, et également appelée ci-après la tache lumineuse,

ou, plus simplement, la tache, illumine toujours plus d'une cellule.

Comme représenté, le niveau de sortie de chaque cellule est délivré à un processeur de signaux 35. Il est clair que l'amplitude du niveau de sortie d'une cellule quelconque dépend de la proportion de sa surface qui est éclairée par la tache 30. A titre explicatif, on supposera que, si l'on ne tient pas compte des interférences parasites, le niveau de sortie correspondant à l'illumination totale

d'une cellule est égal à l'unité (1), tandis que l'absence d'illu-

mination fournit un niveau de sortie nul (0).

En opposition avec la technique antérieure, dans le dispositif de l'invention, au moins certaines parties de deux cellules

sont illuminées par la tache 30.

Selon l'invention, le processeur 35 traite le niveau de sortie des cellules de manière à fournir un signal de sortie

indicatif de la hauteur, lequel est désigné par 40 et est une fonc-

tion des niveaux de sortie de deux cellules adjacentes illuminées

simultanément. En résumé, le processeur 35 produit une fonction f.

pour chaque paire de cellules adjacentes, par exemple Cl et C2,

C. - C.

C2 et C3, etc., o fi. = J, et o C. et C. représentent les

C. + C.

1i J

niveaux de sortie des cellules Ci et Cj.

Si l'on suppose que w est égal à 1,5d et que seule la moitié de C2 est éclairée, tandis que la totalité de C3 est éclairée, alors f23 = 0,5 + 1 1,5 = - 0,33, la valeur - 0,33 représentant donc une hauteur particulière. Si la hauteur devait augmenter légèrement (la tache 30 se déplacant vers la droite), une moindre proportion de la cellule C2 serait éclairée et une partie de la cellule C4 s'éclairerait. Par exemple, si 4/10 de C2, la totalité de C3 et 1/10 de C4 sont éclairées, le processeur produit, pour C2 et C3 et pour C3 et C4, les fonctions suivantes: f2,3 = 0,4 - 1 = 0,6 = 0,428, et

2,3 0,4 + 1 1,4

f3,4 = 1 - 0,1 = ' = 0,818.

34 1 + 0,1 1I,1

De la même façon, lorsque le niveau de sortie de chacune des cellules C2 et C4 vaut 0,25 et que celui de C3 est égal à 1, alors f2,3 = 0,25 - 1 0, 75 0,6, et

2,3 0,25 + 1 1 O,265

f 1 - 0,25 - 0,75

3,4 1 + 1,25 1,2 0,6.

De ce qui vient d'être énoncé, on peut déduire clairement qu'une légère variation de la hauteur, entraînant un

petit déplacement de la tache 30, conduit à une variation impor-

tante de la valeur des fonctions. Dans certains cas, pour une position donnée de la tache, représentant une hauteur particulière, deux fonctions adjacentes ont des valeurs différentes, par exemple

f2,3 = - 0,6 et f3,4 = + 0,6.

Il faut noter que chaque fonction a sensiblement la

forme d'un S (voir figure 4) comportant une partie centrale sensi-

blement linéaire dans les limites de laquelle la valeur de la fonction varie proportionnellement à la hauteur avec un facteur de proportionnalité supérieur à l'unité. De plus, comme cela résulte clairement de ce qui vient d'être énoncé, lorsque la tache est placée de manière qu'elle éclaire complètement une cellule et qu'elle éclaire de manière égale des cellules adjacentes situées de part et d'autre, les valeurs des deux fonctions adjacentes représentant une même hauteur sont égales et de signes opposés, par exemple f2,3 = - 0,6 et f34 = + 0,6. Ces propriétés sont utilisées par le processeur 35 pour choisir la fonction dont la valeur est ensuite utilisée pour produire le signal indiquant la hauteur. En résumé, on commence par étalonner le détecteur en déplaçant la tache 30 d'une extrémité à l'autre de l'ensemble de cellules du détecteur, comme si la tache était réfléchie par des

hauteurs différentes. Pour chaque position de la tache, les fonc-

tions sont produites et les valeurs de la fonction dans sa partie linéaire sont enregistrées. A la fin de l'intervalle linéaire de variation d'une fonction, la valeur correspondante de la fonction adjacente pour une même position de la tache est utilisée. Par exemple, lorsque f23 = - 0,6, ce qui représente une hauteur donnée,

une commutation est établie avec la fonction f3,4 = + 0,6 représen-

tant la même hauteur. Ce processus est poursuivi jusqu'à ce que, pour chaque hauteur, une valeur spécifique d'une fonction se trouvant à l'intérieur de son intervalle linéaire de variation ait été déterminée. Cette opération peut être décrite en relation avec la figure 4, o seules trois fonctions f2,3' f3,4 et f4,5 sont représentées et o les lignes en trait interrompu se rapportent aux situations o des fonctions adjacentes ont les valeurs - 0,6 et + 0,6. La direction verticale du diagramme de chaque fonction

représente les valeurs des fonctions, tandis que les hauteurs cor-

respondantes sont comptées suivant la direction horizontale.

En fonctionnement, pour déterminer la hauteur inconnue d'un élément image le long d'un joint à souder ou d'une structure analogue, on commence par traiter le niveau de sortie des cellules C1 à C16 afin de produire les fonctions f1,2' f2,3, etc. Ensuite, on détermine quelle fonction produit un signal de sortie se trouvant à l'intérieur de l'intervalle linéaire de variation des fonctions, par exemple de ±0,6 à - 0,6. On utilise ensuite ce signal de sortie pour retrouver une valeur de hauteur calculée pendant l'étalonnage initial pour cette valeur de cette fonction. On utilise les signaux de sortie successifs de cette même fonction pour déduire

des valeurs de hauteur à partir des valeurs produites de la fonctioe.

Ainsi, lorsque le signal de sortie de la fonction atteint l'une de ses limites, par exemple - 0,6, on utilise les valeurs de la fonction suivante pour déterminer les valeurs successives de la hauteur. Il faut noter que, puisque les valeurs de la hauteur ne sont pas déterminées en fonction de la lumière arrivant sur une cellule, mais en fonction de la lumière arrivant sur au moins deux cellules, le détecteur selon l'invention bénéficie d'une protection élevée vis-à-vis des interférences parasites. Ceci est dû au fait que les interférences affectant une cellule affectent de manière égale une cellule adjacente et que les différences s'annulent. De plus, puisque le signal de sortie n'est fonction que de deux cellules parmi de nombreuses cellules, par exemple seize cellules, les interférences affectant les signaux de sortie des autres cellules n'affectent pas le signal de sortie du détecteur de l'invention. Le détecteur optique selon l'invention peut donc fonctionner de manière satisfaisante et précise dans un environnement d'interférences parasites. Dans ce qui précède, les opérations à effectuer par le processeur de signaux 35 ont été clairement décrites. Il est donc évident que ce dernier peut être mis en oeuvre à l'aide de circuits distincts permettant d'effectuer les opérations suivantes: 1. produire les fonctions fij' par exemple f1,2' f2,3' etc.; 2. déterminer la fonction dont la valeur se trouve entre les limites supérieure et inférieure prédéterminées, par exemple + 0,6 et - 0,6; 3. utiliser la valeur de la fonction choisie pour déterminer la valeur de la hauteur, laquelle valeur représente celle établie à partir de l'étalonnage préalable; 4. établir une commutation permettant d'utiliser les valeurs d'une fonction adjacente lorsque la valeur d'une fonction, précédemment établie, atteint sa limite linéaire, par exemple lorsque cette valeur est égale ou supérieure à + 0,6 ou est égale ou inférieure

à - 0,6.

Puisque les circuits permettant d'effectuer toutes les opérations précédentes sont bien connus de l'homme de l'art, il n'est pas nécessaire de les décrire en détail. Il doit également être clair que toutes ces opérations peuvent être effectuées par un calculateur qui a été programmé à partir des fonctions-devant être effectuées et déjà décrites. Encore une fois, sur la base de

la description, il est possible d'écrire différents programmes à

partir du calculateur à utiliser. La description précédente est

clairement suffisante pour permettre à tout programmeur compétent de décrire ou d'imaginer le programme sans devoir faire appel à

aucun esprit inventif.

Il doit être clair que le détecteur optique selon l'invention repose sur le fait que la taille de l'image lumineuse, ou tache, est w, cette dimension étant supérieure à la taille d'une cellule, soit d, et inférieure à 2d. Typiquement, le faisceau lumineux

réfléchi arrivant sur le système optique 26 (voir figure 2) en pro-

venance de la pièce à souder traverse une fenêtre transparente représentée sur la figure -2 par une ligne 50. Le rôle de la fenêtre est de laisser passer la lumière seule, en arrêtant l'air pollué, par exemple la fumée, créé par les opérations de soudage. En raison de cette fumée, il existe le risque que la fenêtre ait été rendue partiellement opaque et réduise par conséquent la dimension du faisceau lumineux la traversant. Ceci peut modifier la dimension de la tache lumineuse 30 et peut ainsi la réduire à une dimension moindre que celle souhaitable. En d'autres termes, la dimension de la tache peut être diminuée jusqu'à être égale à d et même à lui être

inférieure, ce qui altérerait le fonctionnement général du détecteur.

De plus, un déplacement de la position de la tache peut se produire,

qui provoquerait une erreur dans l'indication de la hauteur.

Ce problème a été résolu par le dispositif optique 26 selon l'invention, qui, sur la figure 2, a été représenté par une simple lentille 26 dans un but de simplification. Le dispositif optique 26 selon l'invention sera mieux décrit en relation avec les

figures 5a et 5b, auxquelles on va maintenant se reporter.

La figure 5a représente un dispositif optique classique dans lequel une source lumineuse 60 dont le faisceau présente une dimension donnée traverse une fenêtre 50 pour arriver à une lentille 62. Par un choix approprié de la lentille et des distances, on fait se former de la source 60 une image 65 de taille pouvant être prédéterminée. L'intensité de l'image est typiquement gaussienne, ou en forme de cloche, comme indiqué sur la figure 5a sous la référence 66. L'intensité est symétrique par rapport à

l'axe 70 du dispositif optique.

Toutefois, si la fenêtre 50 a été rendue partielle- ment opaque, comme représenté sur la figure 5a par 75, de sorte qu'elle arrête une partie, par exemple la moitié inférieure, de l'image de la source 60, la dimension de l'image ne sera pas identique à celle précédemment décrite. Au contraire, la dimension de l'image 65 sera réduite de moitié et aura la distribution d'intensité désignée par 66a. Alors que les crêtes des intensités sont à peu près égales, celle de 66a est décalée de A h par rapport à l'axe 70. Ce décalage représente une erreur portant sur la lecture de la hauteur et est dû à l'action de la fumée sur la fenêtre 50. Il est donc clair que les dispositifs optiques à passage direct de la technique antérieure ne peuvent pas être utilisés, puisque la lumière doit traverser une

fenêtre qui peut être embuée ou être rendue opaque sur une partie.

On se reporte maintenant à la figure 5b, sur laquelle est présentée la solution proposée selon l'invention. Selon l'invention, le dispositif optique 26 comporte un élément optique 80 particulier et une lentille plan-convexe 62x, disposée en avant de

l'élément 80.

Le côté plan 82 de l'élément 80 jouxte le côté plan de la lentille 62x, tandis que le côté opposé de l'élément 80 est

défini par plusieurs petites lentilles cylindriques 85 du type plan-

concave. Le faisceau lumineux passant dans ces petites lentilles est amené à converger pour former l'image 65. La contribution de ces lentilles à l'image 65 est telle que, même si une partie de la fenêtre est obturée, par exemple par de la fumée 75, la taille de l'image 65 reste sensiblement constante. La distribution d'intensité de l'image est celle d'une "mesa" présentant un plateau de hauteur uniforme et des côtés étroits escarpés. Au contraire du dispositif présenté sur la figure 5a, dans le dispositif de la figure 5b, l'embuage de la fenêtre 50, c'est-à- dire la réduction de la taille de la source 60, se ramène à une réduction de l'intensité de l'image sans affecter sa taille. Sur la figure 5b, l'intensité de l'image est désignée par 90 lorsque la fenêtre n'est pas embuée et,

lorsqu'elle est partiellement embuée, est désignée par 91.

Dans un mode de réalisation, ramené à la pratique, pour une lentille 62x dont la distance focale f vaut 40 mm et pour un élément 80 dont les lentilles cylindriques ont une largeur d = 0,55 mm et un rayon R = 50 mm, soit f = - 100 mm, il est produit une image 90 en forme de mesa ayant une largeur de plateau de 200 pm et des côtés inclinés de 25 pm chacun, l'image étant obtenue à une distance de mm du c8té plan de la lentille 62x, séparée de 9 nmm du côté plat 82 de l'élément 80. Toute obstruction partielle de la fenêtre 50

n'affecte que l'intensité de l'image et non pas sa largeur.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure

d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être

donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses

variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

REV E N D I C A T I ON S

1. Dispositif de mesure optique de hauteur, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble (25) de cellules photosensibles (Cl à C16) ayant chacune une taille sensiblement identique, qui peut être défini par d; chaque cellule fournissant un niveau de sortie (C1 à C16) associé à la quantité de lumière arrivant sur la cellule; un moyen (26) permettant de diriger une tache lumineuse jusqu'aux cellules dudit ensemble, la taille de la tache étant définie par w, o d < w < 2d, si bien que la tache lumineuse tombe sur au moins deux cellules adjacentes; et un moyen (35) de traitement de signaux qui est connecté auxdites cellules afin de recevoir leurs niveaux de sortie et produire un signal (40) dont la valeur est une fonction (fij) des

niveaux de sortie d'au moins deux cellules adjacentes (Ci, Cj).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en

C. - C.

ce que la fonction est définie par fi. = 1, o i et i se

C. + C.

1 j rapportent respectivement à deux cellules adjacentes et C. et C. 1 j

sont respectivement les niveaux de sortie des cellules Ci et Cj.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit ensemble comprend un ensemble linéaire d'un nombre

présélectionné de cellules.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement de signaux comporte des moyens permettant de produire des signaux dont la valeur est, pour chaque signal, une fonction des niveaux de sortie de différents groupes de cellules adjacentes et de sélectionner la valeur du signal à partir

d'une fonction lorsque la valeur se trouve entre des limites prédé-

terminées de la fonction.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en

C. - C.

ce que la fonction peut être définie par fi,. - J, o i et j

C. C.

1. j désignent deux cellules adjacentes et C. et C. sont respectivement 1. j

les niveaux de sortie des cellules Ci et Cj.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit ensemble comprend un ensemble linéaire d'un nombre présélectionné de cellules. 7. Dispositif optique de mesure de hauteur servant à guider un robot (12),ou un moyen équivalent, le long d'un trajet (15) en fonction de la détermination de la hauteur de chaque section élémentaire du trajet, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: une source lumineuse (22) servant à diriger un faisceau lumineux (13) sur la section élémentaire de trajet, le faisceau lumineux étant réfléchi par celle-ci en fonction de la hauteur o se trouve la section; un ensemble (25) de cellules photosensibles (C1 à C16) disposé sur le trajet du faisceau lumineux réfléchi, les dimensions des cellules étant sensiblement égales et étant définies par d; un système optique (26) placé entre ledit trajet (15) et ledit ensemble (25) permettant d'ajuster la taille de la tache lumineuse tombant sur les cellules dudit ensemble de façon qu'elle soit égale à d, avec d < w 2d, si bien que, à tout instant, la tache lumineuse arrive sur au moins deux cellules adjacentes; et un moyen (35) de traitement de signaux qui répond aux niveaux de sortie desdites cellules en traitant lesdits niveaux de sortie de façon à produire un signal indicatif de la hauteur en

fonction des cellules sur lesquelles la tache lumineuse est tombée.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyen (35) de traitement de signaux comporte des moyens permettant de produire des fonctions associées à des cellules adjacentes pouvant être définies par i et i, la fonction étant

C. - C.

fi. = C o Ci et C. sont les niveaux de sortie de cellules

C J

adjacentes Ci et Cj, de sélectionner la valeur d'une desdites fonc-

tions produites tombant à l'intérieur de limites prédéterminées, et de fournir un signal indicatif de la hauteur qui est associé à la

valeur sélectionnée de ladite fonction.

9. Dispositif optique, caractérisé en ce qu'il comprend: un faisceau lumineux (13) dirigé sensiblement dans une direction choisie; et un système optique (26) placé sur le trajet dudit faisceau et permettant de produire une image du faisceau d'une dimension sélectionnée, indépendamment de la taille du faisceau

arrivant sur ledit système optique.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit système optique (26) comporte un élément (80) dont un

côté est défini par plusieurs lentilles concaves cylindriques.