Développement d’un outil d’aide aux Calculs des Incertitudes de Mesures des Processus de Contrôle Tridimensionnel

Métrologie 

Elle est définie par le vocabulaire international de métrologie-Concepts fondamentaux et généraux et termes associés (VIM), [2] étant comme « la Science des mesurages et ses applications ». La métrologie définit les principes et les méthodes de processus de mesures, pour la garantie et le maintien de la confiance de résultats de mesures issus de ces processus. Elle comprend tous les aspects théoriques et pratiques des mesurages, quels que soient l’incertitude de mesure et le domaine d’application. 

 Mesurage 

D’après le vocabulaire international de métrologie-Concepts fondamentaux et généraux et termes associés [2], le mesurage est le « Processus consistant à obtenir expérimentalement une ou plusieurs valeurs que l’on peut raisonnablement attribuer à une grandeur ».

Mesurande

 Selon le vocabulaire international de métrologie-Concepts fondamentaux et généraux et termes associés [2] est « la définition de la grandeur que l’on veut mesurer ». 

Notion d’incertitude de mesure

 L’incertitude de mesure, est un paramètre non négatif qui caractérise la dispersion des valeurs attribuées à un mesurande, à partir des informations utilisées. Dans la pratique habituelle de mesure avec les MMTs, des lignes directrices [3] d’estimation des incertitudes permettant aux métrologues de se familiariser avec les incertitudes sont décrites. A chaque résultat de mesures est associé une incertitude-type. Un grand nombre des valeurs peuvent appartenir à un intervalle définit par les résultats de mesures, elles peuvent raisonnablement être attribuées au mesurande considéré. 

Identification des causes d’erreur et quantification des sources d’incertitudes

 Une mesure est toujours entachée d’erreur, même si on utilise un moyen de mesure de très bonne qualité. Les résultats de mesures peuvent être influencés par un certain nombre de paramètres, produisant des erreurs plus au moins raisonnables selon la procédure de mesure. Pour identifier les causes d’erreur, on utilise souvent la méthode des 5M (Moyens, Méthode, Milieu, Matière, Main d’œuvre) ou diagramme d’Ishikawa, est un outil qui permet d’identifier toutes les composantes d’incertitudes d’un processus de mesures. Parmi les causes d’erreurs identifiées par la méthode des 5M, les grandeurs influentes sont quantifiées selon les sources d’incertitudes. L’incertitude de mesure comprend différentes composantes, qui peuvent être évaluées par deux méthodes : Evaluation par la méthode type A ou la méthode B. Méthode d’évaluation type A : L’incertitude de mesure est évaluée à partir d’analyse statistique des séries d’observations, caractérisées par des écarts-types. Méthode d’évaluation type B : L’incertitude de mesure est évaluée par des procédés scientifiques sur des informations acquises ou sur l’expérience. Généralités et Etat de l’Art 9 La figure 1.3 présente les sources d’incertitudes à l’aide d’un diagramme 5M. Plusieurs composantes peuvent être associées à chacune de ces sources. Nous allons les citer dans chapitre 2. Figure 1. 3 – Diagramme de 5M Dans le cas de mesures sur MMT, la norme ISO 15530, dans sa partie 15530-3[4] définit les conditions de fonctionnement de MMT et les techniques de détermination des incertitudes de mesures. Elle définit aussi dans la partie15530-4 [5] l’évaluation de l’incertitude de mesure spécifique d’une tâche, les exigences relatives aux logiciels d’évaluation des incertitudes, dans lesquelles sont déclarées les spécifications couvertes par le logiciel associé à la MMT. En contrôle 3D, des machines à mesurer tridimensionnelles de plus en plus performantes sont utilisées, permettant de contrôler des spécifications très complexes des pièces mécaniques. Machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) Les machines à mesurer tridimensionnelle, sont apparues dans les années 60, avec l’invention du palpeur à déclenchement en 1970 [6]. Ces nouvelles technologies se sont très vite développées et répandues dans les laboratoires de recherche et les ateliers. Aujourd’hui ces machines permettent de contrôler des pièces mécaniques de très petites tailles aux très grandes. Une MMT possède trois axes X, Y et Z (figure 1.4) équipés de règles de mesure incrémentales de précision [6,7]. Le système électronique permet de connaître à chaque instant la position de la tête de mesure dans le repère machine, lorsque le palpeur touche la surface de pièce, la position du centre du palpeur est enregistrée par le logiciel associé. Grâce aux logiciels de traitement des données et à la grande qualité géométrique de la machine et aux technologies d’acquisition, les résultats obtenus sont de plus en plus proche des valeurs vraies. Deux technologies de mesure sont utilisées sur les MMTs, machines à mesurer à contact et sans contact. Matière Incertitudes de mesures Moyen Milieu Méthodes Main d’œuvre Généralités et Etat de l’Art 10 Pour la technologie de mesure à contact, la mesure se fait par un déclenchement du palpeur au moment où celui-ci entre en contact avec la surface de la pièce. Chaque contact constitue un point de coordonnées (X, Y, Z), alors que pour celle sans contact la mesure se fait par un envoi des rayons lumineux sur la surface de la pièce à contrôler, le retour des rayons permet de calculer les coordonnées de points qui permettent au logiciel la reconstruction de la surface scannée. Les MMTs de dernière génération combinent les deux types de mesures. Il existe plusieurs catégories de machines à mesurer tridimensionnelles, elles sont utilisées selon le besoin en taille ou en volume. Spécificité d’une MMT Une machine à mesurer tridimensionnelle est généralement constituée de 4 sous-ensembles − La structure de déplacement − Le système de palpage − Le système électronique − Le système informatique et boitier de commande. Quand on effectue des mesures sur une MMT, [8,9 ,10], à chaque fois que le palpeur entre en contact avec une surface de la pièce sa position dans le système de coordonnées de la machine est enregistrée. La figure 1.4, montre une structure de principe d’une MMT présentant les différentes parties. Figure 1. 4 – Structure de principe d’une MMT [9] Généralités et Etat de l’Art 11 La mesure 3D La technologie de mesure tridimensionnelle, a franchi des étapes d’évolution et d’innovation pour être à un niveau de pointe aujourd’hui. Elle n’est pas du reste dans le développement des nouvelles technologies, on peut tracer quelques évolutions et moments clés de son histoire. La figure 1.5 trace par couleur les évolutions et moments clés de l’histoire de la mesure 3D. Figure 1. 5 – les moments clés de l’histoire de la mesure 3D [6] Les besoins de l’industrie ont évolué. Les mesures de pièces de grands volumes demandent plus d’exigences. C’est pour cette raison que le tracker laser (dispositif de mesure longue portée composé d’une source laser intégrée à une station permettant de mesurer les coordonnées du centre d’un réflecteur) a conquis une place importante dans l’industrie. Au début, les mesures étaient peu ergonomiques, car il ne fallait en aucun cas interrompre la mesure (toute coupure du faisceau laser faisant perdre les références). L’utilisation de ces dispositifs n’était donc pas très conviviale mais les nouveaux trackers laser sont devenus plus portables, flexibles dans leur utilisation, leur associant d’autres dispositifs (mesures de points cachés, scans lasers, localisation automatique des réflecteurs…). Certes les mesures par contact sont assez bien maîtrisées mais elles ne répondent pas forcément à tous les besoins. En effet, si l’on souhaite mesurer des surfaces avec un grand nombre de points et très rapidement, les dispositifs à contact sont généralement limités. Il faut donc se tourner vers de la mesure sans contact. [7] Ce type de mesure se démocratise pour plusieurs raisons. Il est devenu possible, grâce à l’amélioration des outils de calculs, de travailler sur un grand nombre de points (plusieurs Généralités et Etat de l’Art 12 millions) ce qui permet d’avoir une représentation complète de la pièce et une meilleure appréhension des résultats. La demande de la mesure 3D Le besoin de la mesure 3D ne cesse de s’étendre. Appuyé par la concurrence et poussé par les avancées technologiques, les outils 3D se répandent chaque jour dans les mains de nouveaux opérateurs. Mais à quels besoins répondent-ils ? Quels sont les secteurs porteurs de la mesure ? Quel est l’avenir de la mesure 3D ? La métrologie dimensionnelle se retrouve de manière forte sur l’ensemble des secteurs de l’industrie [8] comme le transport, l’aéronautique, le BTP, l’électronique, l’énergie… Après de nombreuses années de faibles évolutions (jusque dans les années 90), les technologies de mesure ont profité d’une forte poussée liée aux développements des systèmes informatiques et à l’arrivée de nouveaux moyens. L’importante diminution des temps de traitement des données de mesure, a permis l’avènement en zone de production, de nombreux produits de numérisation. Cette mutation, a permis une augmentation du niveau de qualité, en fournissant un nombre important d’informations permettant non seulement un affinement des analyses, mais également un meilleur suivi des procédés. De plus, des nouveaux produits s’appuient désormais sur des moyens tels que les robots ou les systèmes embarqués basés sur l’optique laser, lumière structurée, caméra, etc. Cette tendance s’accélère. La demande des industriels, tous secteurs d’activités confondus, s’oriente de plus en plus vers des contrôles en ligne de fabrication. De nouveaux outils de mesure 3D se développent pour répondre à ce besoin. Productivité et qualité, deux termes souvent vus comme antagonistes, ouvrent paradoxalement de nouvelles perspectives d’évolution au secteur de la métrologie tridimensionnelle. Des secteurs tels que l’aéronautique, la construction navale, les ouvrages d’art, et autres producteurs d’éléments de grandes dimensions sont tous demandeurs de moyens de mesure et de numérisation adaptés aux larges volumes. En cela, certains produits ont conquis une part importante du marché pour leur capacité à mesurer des volumes importants tout en garantissant exactitude de mesure, automatisation, portabilité et fiabilité. Les figures 1.6 et 1.7 montrent la représentation d’une pièce obtenue par un palpage de points et un scanning de grande dimension. Les machines à mesurer tridimensionnelles [10], permettent aux laboratoires de recherche – ou de prestation et aux entreprises de développer de nouvelles méthodes pour les processus de mesures et les valider, de détecter les limites de performances dans les différentes parties, et aussi de proposer des nouvelles options dans l’amélioration de la technologie. Définition géométrique ISO GPS au contrôle 3D La spécification géométrique de produits(GPS), consiste à définir, au travers d’un dessin de définition ou conception assistée par ordinateur (CAO) la géométrie, les dimensions et les caractéristiques de surface d’une pièce qui en garantissent un fonctionnement optimal, ainsi que la dispersion autour de cet optimal pour laquelle la fonction est toujours satisfaisante. Les pièces fabriquées ont toujours des défauts géométriques, il peut y avoir des écarts par rapport au fonctionnement optimal. Le contrôle 3D permet donc de connaitre les défauts afin de les comparer aux spécifications définies pour l’idéal. Des normes ont été développées pour permettre de faire une liaison entre la pièce nominale imaginée par le concepteur, la pièce réelle fabriquée et la connaissance de la pièce obtenue par le mesurage [11]. Figure 1. 6 –Image 3D obtenue par palpage des points Figure 1. 7 – Image obtenue par scanning Généralités et Etat de l’Art 14 Les normes ISO GPS, ainsi développées ont mutualisé les spécifications en un seul langage symbolique. Il doit être compris par toutes les parties concernées, les concepteurs, les fabricants et les contrôleurs. Ce langage univoque exprime des besoins fonctionnels et des vérifications à partir de spécifications renseignées sur la CAO.