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Thèse : Méthode de mesure tridimensionnelle sans contact d’objets miniatures : application au cas de la micro Machine à Mesurer Tridimensionnelle (µMMT) - POURVUE

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Contexte :
La mesure tridimensionnelle à contact de produits mécaniques est réalisée depuis longtemps au moyen de Machines à Mesurer Tridimensionelles (MMT). Ce type de machines est utilisé dans les domaines aéronautique et automobile mais aussi dans le secteur de la conception et fabrication mécanique de précision.
Aujourd’hui, ces machines trouvent leur limite lorsqu’il est nécessaire de mesurer la géométrie de pièces mécaniques de faibles volumes compris entre quelques millimètres cubes et quelques centaines de micromètres cubes [1]. Dans ce cas, d’une part, il est difficile d’obtenir la mesure dimensionnelle de pièces réellement en trois dimensions (« high aspect ratio ») et à résolution submicrométrique et d’autre part, la mesure par palpeur (contact) pose des problèmes de fixation ou de détérioration des pièces ce qui rend la mesure difficile voire dans certain cas impossible. Des constructeurs de MMT tels que Taylor Hobson ou Mitutoyo, proposent des modèles de machines utilisant des techniques optiques (interférométrie, triangulation, imagerie par effet moiré …) pour éviter le contact et permettre la mesure de faibles volumes. Ces techniques apportent également d’autres avantages : il n’est en effet pas nécessaire de connaitre a priori la géométrie de la pièce à mesurer et la mesure est beaucoup plus rapide car ne nécessite pas une mesure point par point. Cependant, les machines développées sont d’une taille disproportionnée par rapport aux objets mesurés.
Sur le plan international, plusieurs équipes de recherche travaillent sur la problématique de la mesure tridimensionnelle d’objets miniatures [2,3] et/ou de la conception de MMT compactes [1,3]. Le double objectif du travail proposé est de développer une méthode de mesure sans contact de formes tridimensionnelles basée sur une MMT compacte, MMT dont la dimension est en rapport avec celle des objets mesurés, tout en garantissant une exactitude suffisante pour caractériser précisément leurs dimensions.

Travaux antérieurs :
Le groupe de recherche « systèmes compacts » travaille depuis 2001 sur la conception de systèmes de déplacements miniatures permettant le positionnement de haute précision (résolution inférieure au micromètre) de micro-objets sur une grande course (plusieurs millimètres). Le principe d’actionnement employé repose sur le déplacement relatif entre une barre d’aimants permanents miniatures (chaque aimant a un volume de 1 × 1 × 6 mm3) et des bobines électriques plates. La force de Lorentz entre cette barre d’aimants et ces bobines génère le mouvement de la structure mécanique. Ce dispositif de déplacement est basé sur une structure en forme de croix disposant à chacune de ces extrémités d’un moteur, ce qui permet à la structure d’effectuer des déplacements linéaires dans le plan (X, Y), mais aussi des rotations autour de l’axe perpendiculaire au plan (θ) (Fig. 1). Ce dispositif est capable d’effectuer des déplacements linéaires sur quelques millimètres, des positionnements avec une précision de 300 nm et une résolution de ± 102 nm rms et des rotations d’amplitude ± 15°. Deux thèses ont contribué à ces travaux, l’une soutenue en décembre 2006 [4] et l’autre débutée en octobre 2008 [5].
Parallèlement, des capteurs de déplacement à grande étendue sont développés dans le cadre d’une thèse soutenue en décembre 2007 [6] et poursuivis par la thèse débutée en octobre 2008. Ces systèmes de mesure sont basés sur deux sondes à fibres optiques qui assurent une mesure de déplacement d’un réseau de taille millimétrique (Fig. 2) (résolution inférieure à 30 nm sur une étendue de mesure centimétrique). Ces réseaux microfabriqués ont été obtenus par l’intermédiaire d’une collaboration avec l’Institut de Microtechnique (IMT) de Braunschweig [7] dans le cadre du collège doctoral Franco-Allemand soutenu par l’UFA (Université Franco-Allemande) de 2007 à 2010.
Enfin, depuis novembre 2009, des dispositifs de mesure de formes tridimensionnelles, sans contact, sont également étudiés dans le cadre d’une thèse [8]. Ces dispositifs sont basés sur un système de projection de franges lumineuses sur la pièce à mesurer et d’une caméra assurant l’acquisition des images. A partir des images, une reconstruction de la forme de l’objet est ensuite assurée (Fig. 3). La résolution de mesure axiale est inférieure à 1 µm et la résolution latérale est de 16 µm.



Objectifs de la thèse :
Le travail proposé dans cette thèse s’inscrit dans la poursuite des travaux décrits ci-dessus. L’objectif principal est d’intégrer les différents éléments développés au sein du laboratoire (partie actionnement, capteurs et mesure 3D) et d’optimiser leur fonctionnement global afin d’obtenir une MMT miniature à mesure sans contact.
Les avantages de ce système sont les suivants :
• Le système de positionnement est compact car intégrant les capteurs et les actionneurs. Il permet de réaliser un positionnement à trois degrés de liberté (deux translations et une rotation).
• Contrairement aux systèmes hybrides généralement employés, ce dispositif dispose d’une grande étendue de travail (centimétrique) avec des performances en positionnement identiques sur toute l’étendue.
L’objectif principal de la thèse se décompose en différents sous-objectifs :
• Le premier est d’intégrer le système de mesure des déplacements à l’actionneur, d’optimiser le fonctionnement global et de qualifier les performances obtenues.
• L’ajout d’un troisième axe de déplacement au système d’actionnement sera étudié. Cet axe permettra d’augmenter l’étendue de mesure dans l’axe vertical en cas de pièces mécaniques ayant un grand rapport "hauteur sur surface" ("high aspect ratio"). Plusieurs pistes sont envisagées pour réaliser cet axe de déplacement vertical supplémentaire, telles que l’utilisation du potentiel de lévitation des actionneurs existants ou l’ajout d’un actionneur piézoélectrique sur la structure.
• Après avoir qualifié les performances de l’actionneur à trois degrés de liberté et ajouté un axe de déplacement, le système de mesure 3D sans contact sera intégré au dispositif de déplacement et l’ensemble optimisé. Enfin, une qualification des performances de la MMT miniature sans contact sera effectuée sur un ensemble d’objets (en silicium, en métal, à base de plastiques, …) d’état de surface et de formes divers.

Références :
[1] Yang P., Takamura T., Takahashi S., Takamasu K., Sato O., Osawa S., Takatsuji T., Development of high-precision micro-coordinate measuring machine : Multi-probe measurement system for measuring yaw and straightness motion error of XY linear stage, Precision Engineering, accepté pour publication, 2011.
[2] Buetefisch S., Dai G., Danzebrink H.-U., Koenders L., F. Solzbacher and M.P. Orthner, Novel design for an ultra high precision 3D micro probe for CMM applications, Procedia Engineering, vol. 5, pp. 705-712, 2010.
[3] Fan K.-C., Fei Y., Yu X., Wang W., Chen Y., Study of a noncontact type micro-CMM with arch-bridge and nanopositioning stages, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol. 23, pp. 276-284, 2007.
[4] Bencheikh N., Conception et réalisation d’un convoyeur électromagnétique planaire miniature, Thèse de doctorat de l’Université de technologie de Compiègne, soutenue le 19 décembre 2006.
[5] Khiat A., Capteurs à fibres optiques pour la mesure à haute résolution de déplacements linéaires et angulaires sur une grande étendue. Application aux systèmes mécaniques de dimensions réduites, Thèse de doctorat de l’Université de technologie de Compiègne, soutenue le 11 décembre 2007.
[6] Khan M. U., Bencheikh N., Prelle C., Lamarque F., Beutel T., Büttgenbach S., A long stroke electromagnetic XY positioning stage for micro applications, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, accepté pour publication, 2011.
[7] Khiat A., Lamarque F., Prelle C., Pouille P., Leester-Schädel M., Büttgenbach S., Two-dimension fiber optic sensor for high-resolution and long-range measurements, Sensors and Actuators A, vol. 158, no. 1, pp. 43-50, 2010.
[8] Dupont E., Lamarque F., Prelle C., Redarce T., 3D triangulation system based on out-of-axis aperture configuration for micro-scaled objects shape measurement, SPIE Photonics West – MOEMS – MEMS : Conference 7932, San Francisco, USA, du 22 au 27 Janvier 2011.

personnes à contacter : Laurent PETIT (UTC – Roberval), Maître de Conférences, Christine PRELLE (UTC – Roberval), Maître de Conférences, HDR