Chaîne métrologique traçable pour le scanning en ligne de pièces complexes : photogrammétrie et robot industriel

par Safouane El Ghazouali

Projet de thèse en Métrologie

Sous la direction de Hichem Nouira et de Alain Vissiere.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris) (laboratoire) depuis le 01-09-2019 .


  • Résumé

    La mobilité, la flexibilité et la capacité des robots industriels à effectuer des tâches complexes dans un espace de travail important permettent d'explorer de nouveaux domaines tels que le prototypage / fabrication additive, le nettoyage et le pré-usinage de pièces moulées. Ainsi, il devient possible de réaliser des mesures avec une exactitude accrue en ligne (vision, sans contact, tactile), similaires à celles offertes par une MMT. Toutes ces opérations, initialement réalisées sur des pièces simples, sont étendues récemment à des surfaces complexes pour répondre aux nouveaux besoins industrielles en termes d'automatisation de la mesure en ligne, comme spécifié dans l'industrie du futur (ou Industry 4.0). La problématique principale repose sur la mise en œuvre d'un système de mesure multi-caméras (de photogrammétrie) directement traçable à la définition SI du mètre. La combinaison du système de photogrammétrie avec un robot industriel représente le système métrologique complet destiné à des opérations métrologiques de scanning 3D en ligne sur des objets mécaniques de grands volumes et de formes complexes. Selon l'IFR, l'IEEE-RAS et le SYMOP, la métrologie/inspection 3D en ligne est souvent considérée comme un goulot d'étranglement pour la production, et suscite des études scientifiques approfondies et des développements supplémentaires. Le sujet de thèse proposé est axé sur le développement d'une chaîne de métrologie complète et traçable. Cette chaine inclut un robot industriel équipé d'un système de photogrammétrie 3D, des capteurs de « tracking », un étalon matériel de forme complexe et un algorithme de traitement et de fusion de données. Les activités à développer seront organisées comme suit : 1. développement un système de photogrammétrie multi-caméras 3D traçable à la définition du SI-mètre pour le scanning 3D de surfaces complexes (Freeforms) de grands volumes. La modélisation et l'optimisation du système, l'étude de la stratégie d'étalonnage des caméras, l'identification des paramètres requis, l'exploitation des paramètres identifiés et l'estimation de l'incertitude d'étalonnage seront étudiées dans le cadre de cette thèse. 2. développement du système métrologique complet combinant le système de photogrammétrie 3D traçable, un robot industriel et des capteurs de tracking (capteurs à fil et des télémètres) de très hautes exactitudes. Cette étape inclut le développement du système complet, l'optimisation des positions et des orientations des capteurs de tracking, l'acquisition et la synchronisation des données issues de tous les capteurs et caméras, les essais de validation, etc. 3. développement, conception et fabrication d'un étalon matériel approprié de forme complexe (Freeform) destiné à l'étalonnage du système métrologique complet. L'étalon sera raccordé à la définition du SI-mètre par l'intermédiaire d'une MMT traçable. Une incertitude de mesure sera associée à l'étalon matériel. 4. développement d'un algorithme robuste pour le traitement et la fusion des données en exploitant des paramètres intrinsèques à la surface et des données issues des capteurs de tracking. Pour assurer la traçabilité et garantir la validation de l'algorithme de traitement, des nuages de points de référence (des images de référence) seront générés selon un modèle mathématique bien défini. L'algorithme développé dans le cadre de la thèse sera exploité pour l'analyse de données/images réelles, pour extraire des paramètres de surface comme les écarts de forme et d'ondulation. Des outils de filtrage, d'alignement et d'interpolation seront également étudiés. Le développement et l'implémentation de ce type d'algorithme est relativement complexe surtout dans un contexte de certification métrologique. Ces algorithmes de référence seront utilisés pour l'analyse des données et des résidus d'association issus de plusieurs systèmes de mesures intégrés dans le système métrologique complet, ou aussi dans le cadre d'une inter-comparaison entre des laboratoires nationaux de métrologie. Cela permettra l'établissement de nouveaux CMCs (Calibration and Measurement Capabilities) au sein du BIPM. 5. Evaluation des performances volumétriques du système métrologique complet. Cette activité implique l'investigation des erreurs mécaniques, géométriques, vibratoires, thermiques, etc., et aussi le développement du système métrologique virtuel combiné avec des calculs d'incertitudes de mesure. Enfin, une réflexion sur une stratégie de compensation des erreurs identifiées préalablement sera menée. 6. Intégration d'un ensemble de capteurs extérieurs pour suivre le système de photogrammétrie : utilisation de capteurs a fil et de télémètres performants. Enfin une participation à des comparaisons avec des partenaires européens sera effectuée.

  • Titre traduit

    Traceable metrology chain for in-line 3D inspection of complex mechanical parts using industrial robot


  • Résumé

    Industrial robots remain a highly challenging area of research for research laboratories and universities. These systems have seen remarkable changes implying better performance and optimized systems in various fields such as automotive, aircrafts, defence, safety, medical, photonic, energy, etc. They are accustomed to carry out repetitive tasks such as material handling, welding, cutting, spray painting, pick & place and assembly of parts. Nowadays, the mobility, flexibility and ability to perform complex tasks in a significant workspace of these robots allow using them in new fields of industry such as prototyping/additive manufacturing, cleaning & pre-machining of casts parts, end-machining of middle tolerance parts as well as in-line accurate measurement (vision, contactless, tactile), similar to what a CMM offers. All these operations, initially done on simple parts, were recently extended to complex/freeform surfaces. The described new applications require a high level pose accuracy to achieve a good path tracking. Unfortunately industrial robots were designed to have a good repeatability, typically from 0.03 to 0.1 mm, but not a good accuracy, often measured to be within several millimetres. As mentioned in the literature and according to the International Federation of Robotics (IFR), IEEE Robotics and Automation Society (IEEE/RAS), their poor accuracy is caused by both geometric and non-geometric error sources. Since the early 1980's, research in 3D metrology (robot calibration, process development and control system) has been initiated at universities to support industrial robotics disciplines, resulting in the development of some in-line 3D inspection/sensing instruments (photogrammetry, laser triangulation, stereoscopy vision, 3D camera, multi-sensors systems, multi-accelerometer systems). These instruments have been developed in order to test prototypes and commercial industrial robots, calibrate dynamic and kinematic models and validate novel concepts in robot design and control. They were tested rapidly on canonical surface. However, the traceability of these instruments is a real need for Industry 4.0. The absence of suitable traceable procedures for the calibration of industrial robots and for in-line 3D inspection on freeform surfaces in different environments during the manufacturing process leads to a quality control issue. Comprehensive standards were also published to describe how an industrial robot should be tested and calibrated statically and dynamically to improve their accuracy. Such ISO standards, however, are not related directly to the suitability of a robot for specific industrial tasks, like the manufacturing process and in-line 3D inspection/measurement on freeform materials parts, becoming then mandatory for Industry 4.0. Therefore, the uncertainties are expected to be worse for such freeform parts and the traceability is a problem, since metrology chain for industrial robot does not exists at present. In-line 3D inspection of freeform surfaces is needed for the manufacturing process control because a surface can only be manufactured as accurately as it can be measured. Based on the state-of-the-art, in-line 3D metrology/inspection is often the bottleneck in industrial robot production, and must be well investigated and developed. This subject is mainly focused on the development of a metrology chain for a precision industrial robot, frequently used in industry for measuring/inspection on canonical and complex surfaces at the sub-millimetre level of accuracy. The metrology chain will be investigated and will include the use of a high accuracy and traceable sensing systems adapted for industrial robotic applications. 1. To develop novel and validated photogrammetry-based techniques for scaning of complex surfaces (Freeforms). It includes the investigation of calibration strategy;identification of requested parameters, exploitation of identified parameters and estimation of calibration uncertainty. 2. To implement accurate 3D photogrammetry system and other dimensional measurement system on industrial robot through the specification, development, test and validation of adapted high-precision sensing methods and systems combining tactile and/or contactless probes. Further calibration systems should be developed to guarantee the traceability of the sensing systems to the SI-metre definition. 3. To design and manufacture suitable material standard that will be calibrated using traceable Coordinate Measurement Machine (CMM) at our national metrology Institute. 4. To develop robust analysis algorithms and methods of the workpiece surface. These algorithms lead to precise fitting of complex surfaces in order to extract their form errors. Further interpolation methods between different surface representations, improved filtering and alignment techniques for complex surface will be investigated. 5. To characterize the volumetric performance of a selected industrial robot, including the evaluation of the geometry errors through the developed material standard, virtual industrial robot and modelling the influence of vibrational effect. The theoretical results shall be compared to experimental results performed on the developed material standard. The developed algorithms will be applied to analyse the measured data. 6. To integrate at least four telemeters or/and wire encoders combined with additional multilateration algorithm that will be developed within this project. A comparison will be carried out between the obtained results, those obtained by the experiment presented in (4) and the numerical results given by the virtual industrial robot.