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vision 3D pour le parachèvement des pièces de fonderie.

La robotisation est un enjeu majeur en production de pièces. Cependant, de nombreuses applications nécessitent de pouvoir guider la trajectoire du bras robot pour tenir compte des variations dimensionnelles d’une pièce à l’autre. La vision 3D est de ce point de vue un outil très performant en particulier pour les opérations de parachèvement.

La robotisation, un enjeu majeur

La robotisation des procédés industriels est un enjeu majeur pour les entreprises du monde entier. Le premier élément fondamental pour cette révolution de l’industrie du futur est l’objectif de réduction des temps de cycle et ainsi des coûts de production associés pour rester compétitif sur le marché mondial. De plus, la prise de conscience de la pénibilité de certaines tâches des opérateurs accélère également la volonté d’automatisation des lignes de fabrication pour limiter les TMS (Trouble Musculo Squelettique). Enfin, dans un monde toujours plus concurrentiel, s’assurer de la qualité de sa production est un élément clé. Et la robotique permet d’assurer la répétitivité des opérations

L’intérêt des systèmes de vision 3D en parachèvement de pièces

Dans ce contexte, il est impératif de développer les systèmes de vision associés à la robotique pour le guidage des robots. De nombreuses applications nécessitent en effet la reconnaissance de formes complexes, ce qui nécessite d’avoir recours à la vision 3D. En effet, pour certains types de procédés de fabrication, les pièces sont soumises à des contraintes multiples (températures, temps de refroidissement, …) qui ont un impact sur leur géométrie (pièces dilatées, contractées, galbées, …). De plus, il peut exister également une incertitude importante sur le positionnement de chaque pièce pour des opérations de précision telles que l’ébavurage, le tronçonnage, le perçage, le polissage ou le parachèvement. Les applications qui ont besoin de ce type de technologies de guidage robot sont typiquement le parachèvement de pièces de fonderie ou l’usinage de pièces composites. La robotisation de telles applications passe alors par la mise en place d’un capteur de vision 3D permettant de guider précisément et rapidement un robot.

Le principe de pilotage d’un robot industriel par la vision 3D

Le capteur de vision peut être embarqué sur le robot ou bien fixé au-dessus du volume de travail. Le capteur 3D doit être calibré dans le repère de coordonnées du robot pour que les deux systèmes partagent des informations spatiales cohérentes dans un référentiel de travail commun.

Le fraisage d’une planche de bord

Pour le fraisage de planches de bord réalisé grâce au guidage du robot par un cirrus3D, capteur de vision 3D développé par VISIO NERF, le capteur 3D est porté par le bras du robot. Le robot déplace cet outil capteur devant la pièce fixe, suivant une trajectoire permettant de scanner la pièce en différentes zones d’intérêt. Une fois cette étape de scan effectuée, les nuages de points 3D générés sont confrontés au modèle CAO de la pièce pour déterminer la localisation de cette dernière. Quelle que soit la position de la pièce et la déformation subie lors de son processus de fabrication, le système de vision 3D fournit non pas un recalage global assez grossier, mais est capable de localiser précisément (au dixième de millimètre) chaque sous-ensemble de la pièce préalablement scannée pour déterminer un recalage local spécifique à chacune des zones de travail. Pour chaque zone de travail, le robot applique alors le recalage local à la trajectoire de fraisage associée.

La découpe des jets de coulée sur des culasses

Les applications de guidage robot sont également dédiées par exemple à des opérations de découpe de jets de coulée et de sciage sur des culasses. Un usage standard dans lequel la technologie de vision 3D est utilisée est la localisation de culasses ainsi que l’identification de la référence de la culasse par le capteur 3D. Dans la première étape du process, les culasses arrivent sur un convoyeur en sortie de coulée, elles sont disposées de manière aléatoire avec toujours la même face orientée vers le haut. Les pièces sont brutes (ou brutes de coulée) avec des résidus de sable ainsi que des masselottes et des jets de coulée encore présents. Les culasses sont scannées par le capteur 3D, elles sont localisées précisément dans l’espace et identifiées. Pour cela, assisté d’une bibliothèque de modèles CAO, le logiciel détermine quelle est la référence de la culasse qui est détectée par comparaison entre le nuage de points et le modèle CAO, sans tenir compte des résidus présents sur la pièce.

Une fois la reconnaissance de pièce et la localisation de la pièce faite, le capteur 3D envoie les coordonnées au robot pour que celui-ci saisisse la pièce avec son préhenseur. Le robot positionne ensuite la culasse sous le capteur 3D dans une orientation déterminée en présentant toujours la même face de la culasse au capteur pour la localiser précisément dans les mors de son préhenseur et permettre de corriger sa prise gênée ou altérée par les résidus. Il ne reste plus au robot qu’à amener la culasse devant les outils de découpe des jets de coulée et à la déplacer suivant une trajectoire de sciage parfaitement ajustée à sa prise. Le système de vision 3D permet une localisation précise de la pièce pour une découpe optimale de la culasse et un temps de cycle réduit.

Les trois étapes de guidage

Enfin, le robot doit également tester qu’il est capable d’atteindre toutes les positions de la trajectoire à suivre, et qu’il ne soit pas dans des positions de singularité pour lui. Les trois étapes de guidage sont la mesure, le recalage et l’usinage. Dans l’étape de mesure, le robot déplace la pièce devant le capteur fixe ou déplace le capteur embarqué devant la pièce pour mesurer les différentes zones. Lors du recalage, le robot fait l’hypothèse que la pièce est localement conforme au modèle CAO et demande au logiciel de traitement de calculer, pour chacune des différentes zones à usiner, un repère local de la pièce. Enfin, lors de l’usinage, le robot usine chaque zone en appliquant à la trajectoire de son outil d’usinage, la correction basée sur le repère local déterminé pour cette zone.

La technologie des capteurs 3D

Il semble important de préciser la technologie des capteurs 3D. Le processus de numérisation 3D consiste à recréer sous forme de points 3D une scène de travail réelle. L’obtention de l’information 3D se fait en plusieurs étapes pour la stéréovision dans le cas présent du capteur cirrus3D. Tout d’abord, il y a projection d’un motif généré par une source de lumière LED sur le volume de travail. Puis on réalise l’acquisition d’informations via les 2 caméras du système avant corrélation et traitement des informations pour in fine générer un nuage de points 3D de la scène réelle.

Les atouts de la vision 3D

La solution de vision 3D possède de nombreux atouts. Tout d’abord, elle amène une adaptabilité aux contraintes de lignes de production avec un temps de traitement rapide. Ensuite, elle est économique car elle évite un moyen de mise en position mécanique pour chaque modèle de pièce. La vision 3D offre également une rapidité de mise en œuvre et de changement de pièce grâce à l’utilisation du modèle CAO de la pièce. Elle est de plus indépendante de la machine-outil. Enfin, elle permet l’optimisation des trajectoires par des recalages locaux pour tenir compte des défauts de forme de la pièce, ce qui s’avère particulièrement utile pour les pièces de fonderie.

Optimiser les procédés de production avec la robotique assistée par la vision 3D

En conclusion, le guidage robot grâce à l’utilisation de capteurs de vision 3D pour la localisation de pièces, avec ou non d’éventuels défauts de forme, est un point décisif pour l’optimisation des procédés de production. Ces systèmes de vision 3D ont été conçus pour être intégrés dans des environnements industriels (résistants à la projection de poussières, d’huile, …). Ils permettent également une grande flexibilité des moyens de production grâce à une prise en main intuitive. Cette technologie d’association robot plus vision 3D peut être intégrée dans des process de fabrication dans les domaines de la fonderie, de la forge pour des opérations d’ébarbage/ébavurage, sciage de brut, contournage et fabrication additive en localisant la zone à remplir.

Remerciements à nos partenaires VISIO NERF (système de vision) et AXIOME (intégration de robots) pour ces applications industrielles.