Calibration of a working space using multilateration
Étalonnage d'un espace de travail par multilatération
Résumé
This thesis aims at developing calibration procedures and methods for measuring tools such as coordinate measuring machines (CMMs) and stereovision devices. This work is incorporated within the framework of a collaboration between the Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) and the Automated Production Research Laboratory (LURPA). In the scope of this thesis, multilateration is qualified as sequential because it is carried out by a single tracking interferometer (Laser Tracer) that is placed in different positions during the calibration procedure. In order to assess the calibration uncertainties, the link to the length standards is obtained through the measured lengths provided by the interferometer. Each one of these measured lengths is linked to the kinematic chain parametric errors that cause the volumetric errors of the CMM or directly to the measured points coordinates. They are assessed thanks to the study of both the calibration procedure and the performance of each component that takes part in the calibration procedure.Performing multilateration to obtain the spatial coordinates of a point requires to know both the stand points from which the point is measured and the distances between the stand points and the measured point. Practically, the stand points are the Laser Tracer positions. The proposed method aims at identifying the Laser Tracer’s positions and dead-paths lengths first in order to build a reference measuring frame, then performing multilateration. Then, if the measuring device is a CMM, its kinematic chain parametric errors are identified. For this matter, we propose a specific procedure based on the LNE knowledge on CMM calibration carried out using hole-bars. The originality of the proposed method lies in the fact that the reference measuring frame and the measuring device errors are calculated independently from each other. Plus, when addressing the case of a CMM calibration, the kinematic chain parametric errors are extracted one by one when a global optimization algorithm is usually performed nowadays.We focus on the case of CMMs calibration and we propose a precise analysis of all the sources of errors. It includes factors which influence was not studied before. They appear to result from the fact that a single tracking interferometer is used to calibrate the CMM. A simulation module based on a Monte Carlo approach has been developed. It enables the study of the influence of each source of errors independently from the other ones. Hence, the relevance of a measuring strategy can be assessed beforehand. This module simulates the behaviour of both the CMM and the Laser Tracer to evaluate uncertainties. We propose two indicators to observe the relative influence of each uncertainty factor. The first one is linked to the reference frame that is built on the successive positions of the Laser Tracer. The second one represents the global uncertainty one the kinematic chain parametric errors. This uncertainty assessment module has been successfully used to highlight the importance of sources of errors which role used to not be studied.The calibration procedure and uncertainty assessment module we propose have been successfully applied to a 3-axis cartesian CMM in laboratory conditions. Plus, since the reference measuring frame and the kinematic chain parametric errors identification are performed separately, the method we propose can be applied to other measuring devices. We especially explain how to apply it in the case of a measuring device based on stereovision.
Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but la maîtrise des méthodes d'étalonnage par multilatération. Ils s'inscrivent dans une collaboration entre le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) et le Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (LURPA). Dans ces travaux, la multilatération est dite séquentielle car réalisée avec un unique Laser Tracer positionné successivement plusieurs points de l'espace. La détermination de ces positions ainsi que des bras-morts de l'interféromètre est le point clef de la méthode. Pour l'évaluation des incertitudes, le raccordement aux étalons est fait via les longueurs interférométriques délivrées par le Laser Tracer. Elles sont associées à des défauts caractéristiques d'une cinématique particulière ou aux coordonnées des points mesurés. Elles sont évaluées au travers de la stratégie de mesure et des performances de chaque composant intervenant lors de la procédure d'étalonnage. Mesurer les coordonnées d'un point cible de l'espace par multilatération implique de connaître les positions des points de vue depuis lesquels le point est visé, ainsi que les longueurs qui le séparent des points de vue qui en pratique sont les centres des Laser Tracer. La méthode que nous proposons permet d'identifier les positions et bras-morts des Laser Tracer qui constituent un repère de mesure qualifié de Système Mesurant de Référence (SMR), puis de réaliser la multilatération. Ensuite, l'extraction de défauts volumiques permet éventuellement d'identifier les défauts cinématiques d'une chaîne de solides particulière associée au volume de mesure. Dans cette optique, nous proposons une procédure type inspirée des travaux du LNE axés sur l'utilisation d'une barre à trous pour identifier les défauts cinématiques d'une MMT à trois axes cartésiens. Cette méthode se démarque des approches actuellement proposées car le SMR est construit indépendamment de l'identification des défauts de l'appareil de mesure. De plus, la procédure d'étalonnage que nous proposons repose sur une investigation axe par axe plutôt que par une optimisation globale du problème d'étalonnage. En nous focalisant sur les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), nous proposons un bilan d'incertitudes qui a inclus des facteurs dont le rôle n'était auparavant pas pris en compte dans la littérature. Ces facteurs sont liés au fait de n'utiliser qu'un seul Laser Tracer pour étalonner la MMT. Nous proposons un module d'évaluation des incertitudes qui permet, grâce à des simulations de Monte Carlo, d'identifier l'influence de chacun de facteurs d'incertitude. La pertinence d'une stratégie d'étalonnage peut donc être évaluée à priori de la mise en œuvre de la procédure. L'outil de simulation proposé s'appuie sur la simulation du comportement de la MMT et de celui du Laser Tracer lors de la mesure. Deux indicateurs d'incertitude sont proposés pour l'étude des incertitudes. L'un est lié à l'exactitude de calcul du SMR construit sur les positions successives du Laser Tracer, l'autre est une image de l'incertitude obtenu sur les profils des défauts cinématiques calculés. Cet outil de simulation a permis de valider l'importance des sources d'incertitudes établies initialement pour l'étalonnage d'une MMT à trois axes cartésiens. L’ensemble de la démarche a été appliqué et validé pour une MMT à 3 axes cartésiens en conditions de laboratoire chez un industriel. Cependant, l’approche proposée découple la construction du SMR de l’identification des défauts cinématiques. Elle peut donc être facilement étendue à des systèmes de mesure 3D variés. Nous montrons donc que la démarche globale peut s’appliquer à des espaces de mesure sans cinématique machine. Il s’agit alors d’identifier les défauts volumiques associés à l’espace de mesure, ainsi que les incertitudes associées à la méthode d’étalonnage mise en œuvre. Afin d’illustrer notre propos, nous traitons le cas d’espaces de travail associés à un système de mesure optique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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