Les mi­cro­mètres op­tiques

Des­ti­nés à la me­sure de pré­ci­sion sans contact, les mi­cro­mètres op­tiques ont de nom­breuses ap­pli­ca­tions: le contrôle, le gui­dage, la dé­tec­tion… un même prin­cipe de me­sure peut être dé­cli­né se­lon des mon­tage s va­riés, et per­mettre d’ob­te­nir dif­fé­rentes inf

Mesures - - Front Page - An­toine Cap­pelle

Les sys­tèmes op­tiques per­mettent d’ef­fec­tuer des me­sures pré­cises et sans contact. Ce­la est d’au­tant plus vrai avec le dé­ve­lop­pe­ment des ap­pa­reils à base de la­ser. Les mi­cro­mètres op­tiques font par­tie des sys­tèmes qui ont bé­né­fi­cié de cette tech­no­lo­gie pour ga­gner en pré­ci­sion dans le cadre de me­sures de dia­mètres ou de po­si­tions. « Ce type de me­sure a plus de 40 ans », rap­pelle Be­noît Bul­lier, gé­rant de Bul­lier Au­to­ma­tion, qui dis­tri­bue les mi­cro­mètres la­ser de Mi­tu­toyo. Au­tre­fois, les mi­cro­mètres op­tiques s’ap­puyaient sur la tech­nique de l’om­bro­sco­pie: il s’agis­sait de mettre un ob­jet de­vant une lampe. L’ombre pro­je­tée per­met­tait alors d’en me­su­rer le dia­mètre ex­té­rieur. Au­jourd’hui, la lampe a été rem­pla­cée par un la­ser ou par des Led, mais le prin­cipe reste le même.

Sy­mé­trie de ré­vo­lu­tion

L’évo­lu­tion des émet­teurs a per­mis aux mi­cro­mètres op­tiques de ga­gner en pré­ci­sion. « Avec le la­ser, la di­ver­gence du fais­ceau est très faible, ce­la ré­duit le flou et offre une pré­ci­sion de l’ordre du dixième de mi­cro­mètre », conti­nue Be­noît Bul­lier. Keyence a op­té pour les Led vertes au ni­trure de gal­lium: « Leur lu­mière s’af­fai­blit moins avec le temps, ce­la en fait un sys­tème plus stable », plaide Cé­dric Jouan, res­pon­sable du ser­vice tech­nique de la fi­liale fran­çaise. Entre l’émet­teur et le ré­cep­teur, on place l’ob­jet dont le dia­mètre ou la po­si­tion doit être me­su­ré. « Ce­la s’adresse aux ob­jets ayant une sy­mé­trie de ré­vo­lu­tion, c’est-à-dire cy­lin­driques ou ob­longs », pré­cise Be­noît Bul­lier (Bul­lier Au­to­ma­tion). « Cer­tains clients pensent que ce type de ma­chine peut me­su­rer des ob­jets pa­ral­lé­lé­pi­pé­diques, mais ce n’est pas le cas », pré­vient-il. En ef­fet, avec un ob­jet de ce type, la me­sure ob­te­nue dé­pen­drait de l’orien­ta­tion : « On pour­rait avoir la hau­teur, ou la dia­go­nale, dé­taille Ele­na Stant­chev, gé­rante de Mi­cro-ep­si­lon France. Il faut donc des cibles plu­tôt ar­ron­dies, comme des tubes, des fils, des barres, des fibres op­tiques ou des câbles. »« L’un des gros avan­tages de ce prin­cipe de me­sure est qu’il est in­dé­pen­dant de la ma­tière de la pièce, qui peut

être claire, fon­cée ou brillante », ajoute Frank Pienc­zak, gé­rant de Sen­sor Ins­tru­ments France. Pour cou­vrir le dia­mètre de l’ob­jet à me­su­rer, l’émet­teur doit en­voyer un fais­ceau sous forme de « ri­deau ». Ce­la peut être ob­te­nu grâce à un point la­ser orien­té par un mi­roir ro­ta­tif. On ob­tient alors un ba­layage la­ser. Mais ce sys­tème met en jeu des pièces mé­ca­niques, et donc de l’usure. Il en dé­coule une plus grande sen­si­bi­li­té à l’en­vi­ron­ne­ment, no­tam­ment aux vi­bra­tions. De plus, le ba­layage im­plique un dé­ca­lage : les rayons n’at­teignent pas si­mul­ta­né­ment le ré­cep­teur. Avec le temps, cette mé­thode est donc lais­sée de cô­té par les fa­bri­cants, au pro­fit des Led, ou d’autres sys­tèmes la­ser. Pour se pas­ser de mi­roir ro­ta­tif, cer­tains fa­bri­cants uti­lisent un prisme, qui rend les rayons du fais­ceau pa­ral­lèles. L’ob­jet à me­su­rer est alors ex­po­sé au fais­ceau lu­mi­neux. En le tra­ver­sant, il pro­jette une ombre sur le ré­cep­teur, où les rayons re­çus sont en­suite concen­trés sur un cap­teur CCD. « Un pro­ces­seur lit les in­for­ma­tions re­çues par la bar­rette ré­cep­trice, et analyse les zones éclai­rées ou non, conti­nue Ele­na Stant­chev (Mi­croEp­si­lon France). Le pas­sage d’un pixel éclai­ré à un pixel non éclai­ré in­dique le pre­mier bord de l’ob­jet, et l’in­verse montre le bord sui­vant. » Il existe éga­le­ment des sys­tèmes ana­lo­giques, mais le prin­cipe de me­sure reste le même. Il peut être dé­cli­né pour me­su­rer plu­sieurs dia­mètres si­mul­ta­né­ment, l’es­pace entre deux ob­jets, ou en­core la po­si­tion du centre d’un ob­jet. « Il est même pos­sible de dé­tec­ter le voi­lage d’une pièce, en la fai­sant tour­ner à 360 de­grés dans le champ du mi­cro­mètre », ajoute Frank Pienc­zak (Sen­sor Ins­tru­ments France). Sou­vent, le mi­cro­mètre op­tique rem­place les pieds à cou­lisse, no­tam­ment sur les postes de contrôle en bord de ligne. « Il peut y avoir une com­pé­ti­tion avec les sys­tèmes de me­sure mé­ca­niques comme les pointes de touche », in­dique Frank Pienc­zak. Pour une pièce à l’ar­rêt, un sys­tème avec pal­peur peut conve­nir. Mais si la pièce à me­su­rer est en mou­ve­ment, il faut ins­tal­ler un sys­tème op­tique. Un autre avan­tage de la me­sure sans contact est qu’elle peut ré­duire les er­reurs hu­maines : l’opé­ra­teur pose l’ob­jet sur un sup­port et ob­tient la me­sure en un clic. Le prix a alors une grande im­por­tance dans le choix entre me­sure mé­ca­nique et op­tique. « Le mar­ché ayant vu les prix bais­ser, ce pa­ra­mètre coût

est au­jourd’hui plus équi­li­bré entre les deux so­lu­tions », com­mente Frank Pienc­zak. La mé­thode de me­sure par mi­cro­mètre op­tique est uti­li­sée dans des sec­teurs in­dus­triels va­riés : « Ver­re­rie, élec­tro­nique, fer­ro­viaire, bancs de test, agroa­li­men­taire », énu­mère Frank Pienc­zak. Elle per­met en ef­fet de dé­fi­nir si le dia­mètre d’une pièce est bien conforme à la marge de to­lé­rance. Elle est adap­tée à di­vers pro­cé­dés de fa­bri­ca­tion, comme l’in­jec­tion, ou la fa­bri­ca­tion de fil en conti­nu. Les mi­cro­mètres sont alors sou­vent ins­tal­lés dans une ma­chine. Le sys­tème com­plet est sou­vent mis au point par un in­té­gra­teur, qui four­nit à l’uti­li­sa­teur une ma­chine clés en main. Le pro­gramme as­so­cié peut être em­bar­qué dans un contrô­leur in­té­gré au mi­cro­mètre, ou ins­tal­lé sur un PC ou un au­to­mate. « Notre lo­gi­ciel gra­tuit sur PC per­met de vi­sua­li­ser les va­leurs me­su­rées, de dé­ter­mi­ner les va­leurs maxi­males et mi­ni­males pen­dant un temps don­né », ex­plique Frank Pienc­zak.

Le lo­gi­ciel consti­tue aus­si sou­vent l’in­ter­face de pa­ra­mé­trage : « Il per­met de sé­lec­tion­ner l’ou­til le plus ap­pro­prié par­mi les dif­fé­rents types de me­sures pro­po­sée », ajou­tet-il. Il ef­fec­tue les fonc­tions de base, les di­verses ap­pli­ca­tions pos­sibles, ou des cor­rec­tions : « Un câble ne se­ra pas for­cé­ment per­pen­di­cu­laire au fais­ceau, ex­plique Cé­dric Jouan (Keyence France). Dans ce cas, il faut me­su­rer et com­pen­ser son in­cli­nai­son. Nous fai­sons ce­la grâce à un sys­tème de vi­sua­li­sa­tion in­té­gré ». On re­trouve aus­si les mi­cro­mètres op­tiques dans les la­bo­ra­toires d’éta­lon­nage. Chez cer­tains fa­bri­cants, comme Mi­tu­toyo, une gamme est dé­diée spé­ci­fi­que­ment à cet usage. « Les ap­pa­reils sont ins­tal­lés dans une pièce si­tuée gé­né­ra­le­ment au centre de l’usine, ther­mo­sta­tée, pour ef­fec­tuer des contrôles, pré­cise Be­noît Bul­lier (Bul­lie­rau­to­ma­tion). Les mi­cro­mètres sont po­sés sur un marbre, et servent par exemple à contrô­ler des piges, des éta­lons de me­sure de dia­mètre. » Cer­taines en­tre­prises sous­traitent cette tâche. Mais se­lon les cal­culs de Be­noît Bul­lier, l’achat d’un ap­pa­reil peut être ren­ta­bi­li­sé en trois ans pour le contrôle de 1 500 pièces par an. Les grandes en­tre­prises de l’au­to­mo­bile ou de l’aé­ro­nau­tique sont d’ailleurs équi­pées de mi­cro­mètres op­tiques pour ce type d’ap­pli­ca­tions. Si le prin­cipe de me­sure reste le même, que ce soit en ate­lier, sur une ma­chine ou en la­bo­ra­toire, les mi­cro­mètres peuvent néan­moins se dif­fé­ren­cier par leur forme: « Les mi­cro­mètres en deux par­ties, à sa­voir consti­tués d’un émet­teur et d’un ré­cep­teur, s’in­tègrent plus fa­ci­le­ment dans des

ma­chines, in­dique Be­noît Bul­lier. Ils sont plus lé­gers et moins vo­lu­mi­neux que les sys­tèmes mo­no­blocs, où l’émet­teur et le ré­cep­teur sont so­li­daires, et que nous des­ti­nons aux la­bo­ra­toires. Ces der­niers mo­dèles, plus lourds, ne sont pas conçus pour être dé­pla­cés. » Les mi­cro­mètres la­ser de Mi­tu­toyo peuvent être équi­pés d’un sys­tème per­met­tant le main­tien de la pièce : « Ce­la évite à l’in­té­gra­teur de mettre au point la mé­ca­nique de po­sage », pré­cise Be­noît Bul­lier. « Les sys­tèmes mo­du­laires peuvent être ins­tal­lés jus­qu’à 2 mètres de dis­tance l’un de l’autre, ex­plique Frank Pienc­zak (Sen­sor Ins­tru­ments France). L’avan­tage est que ce­la offre un écar­te­ment suf­fi­sant pour lais­ser pas­ser de grandes pièces ». Ce­la peut être in­té­res­sant éga­le­ment dans les cas où les pièces peuvent avoir un mou­ve­ment im­por­tant, ou une tem­pé­ra­ture éle­vée. Il faut dans ce cas évi­ter de chauf­fer ou cho­quer les cap­teurs. Mais l’in­con­vé­nient de ce sys­tème est qu’il faut ali­gner cor­rec­te­ment l’émet­teur et le ré­cep­teur. Cer­tains fa­bri­cants pro­posent donc des mi­cro­mètres mon- tés sur rail, voire des sys­tèmes mo­no­blocs sous forme de fourches.ain­si, les deux par­ties sont dé­jà ali­gnées: « Il suf­fit de câ­bler, et de mon­ter avec deux points de fixa­tion, note Frank Pienc­zak. Ce­la convient gé­né­ra­le­ment aux pe­tits fais­ceaux, uti­li­sés par exemple dans l’in­dus­trie élec­tro­nique ou en mi­cro­mé­ca­nique. Ces sys­tèmes s’ins­crivent dans une dé­marche de mi­nia­tu­ri­sa­tion, et ouvrent des portes vers de nou­velles ap­pli­ca­tions où la place est li­mi­tée ». La lar­geur du fais­ceau est un cri­tère im­por­tant dans le choix d’un mi­cro­mètre. On en trouve à par­tir de 2 mil­li­mètres, lors­qu’il n’y a que de pe­tits élé­ments à me­su­rer. « Les sys­tèmes les plus cou­rants af­fichent une lar­geur de fais­ceau de 10 ou 30 mm, es­time Be­noît Bul­lier (Bul­lier Au­to­ma­tion). Ils sont adap­tés aux pièces cy­lin­driques clas­siques uti­li­sées en au­to­mo­bile, ou en avio­nique. » Les tailles de fais­ceaux aug­mentent en­core pour les pièces de dia­mètre plus im­por­tant, jus­qu’à 160mm, un ga­ba­rit adap­té, par exemple, aux pré­formes en si­lice, uti­li­sées pour la confec­tion de fibres op­tiques. Bien sûr, chaque mo­dèle convient à tous les dia­mètres in­fé­rieurs à la lar­geur de son fais­ceau. Mais le prix du mi­cro­mètre aug­mente en fonc­tion de ce pa­ra­mètre.

Me­su­rer de grandes pièces

Et pour les très grandes pièces? Même si la lar­geur des fais­ceaux lu­mi­neux ne s’étend pas à l’in­fi­ni, les mi­cro­mètres ne sont tou­te­fois pas hors-jeu. En ef­fet, il est pos­sible de cou­pler deux mi­cro­mètres pour me­su­rer le dia­mètre ou la po­si­tion d’un ob­jet dont la di­men­sion dé­borde de la plage éten­due de me­sure maxi­male. « L’un est uti­li­sé pour me­su­rer le bord bas, l’autre le bord haut, ex­plique Ele­na Stant­chev (Mi­cro-ep­si­lon France). Ce qui est entre les deux n’est pas utile, il suf­fit de connaître l’écar­te­ment entre les deux cap­teurs fixes. » Ce­la per­met de mettre en oeuvre des ap­pli­ca­tions comme le gui­dage de bande. « En met­tant un cap­teur à chaque ex­tré­mi­té, il est pos­sible de connaître la taille ou la po­si­tion d’une bande de mé­tal, par exemple », note Frank Pienc­zak (Sen­sor Ins­tru­ments France). Pour ce type d’ap­pli­ca­tions, Mi­croEp­si­lon pro­pose un pe­tit au­to­mate: le CSP 2008 dis­pose de fonc­tions per­met­tant de ca­li­brer le sys­tème ou de cal­cu­ler le dia­mètre d’une pièce. Plu­sieurs mi­cro­mètres peuvent aus­si être cou­plés de fa­çon à se croi­ser, pour me­su­rer un ob­jet sous deux angles dif­fé­rents. « Ce­la per­met de réa­li­ser des me­sures plus com­plexes », dé­crit Cé­dric Jouan (Keyence France). La so­cié­té pro­pose pour ce­la des sys­tèmes pou­vant sup­por­ter jus­qu’à quatre têtes ef­fec­tuant des me­sures si­mul­ta­nées. Ob­te­nir le dia­mètre se­lon deux angles per­met par exemple de me­su­rer l’ova­li­sa­tion d’un ob­jet. Pour ef­fec­tuer des me­sures en ligne sur un pro­cé­dé en conti­nu, la vi­tesse du cap­teur est im­por­tante. « Les cap­teurs ana­lo­giques sont moins pré­cis, mais très ra­pides, jus­qu’à 100 ki­lo­hertz », in­dique Ele­na Stant­chev (Mi­cro-ep­si­lon France). Les cap­teurs nu­mé­riques ne sont pas aus­si per­for­mants: leur fré­quence peut grim­per jus­qu’à 16khz, avec la série LS9000 de Keyence. La sur­veillance de pro­cé­dés ra­pides im­plique né­ces­sai­re­ment de mettre en place des fonc­tions au­to­ma­ti­sées en cas de non-confor­mi­té de la pro­duc­tion. « Il est pos­sible de pro­gram­mer des alarmes, ou l’ar­rêt de la ma­chine en cas de dé­pas­se­ment d’un seuil, dé­taille Be­noît Bul­lier (Bul­lier Au­to­ma­tion). Ce­la est pos­sible no­tam­ment grâce aux sor­ties ToutOu-rien (TOR) ». À haute fré­quence, tous les pro­to­coles de com­mu­ni­ca­tion ne sont pas adap-

tés. « L’ether­net est un pro­to­cole trop lent, pré­vient Cé­dric Jouan (Keyence France). Il peut conve­nir pour trans­fé­rer uni­que­ment le ré­sul­tat d’une me­sure, ef­fec­tuée en in­terne. Mais pour une analyse plus pous­sée, comme celles de­man­dées en phar­ma­ceu­tique pour as­su­rer la tra­ça­bi­li­té, il faut être po­ly­va­lent et ca­pable de dé­ve­lop­per l’in­ter­face de­man­dée par le client. Chaque usine a son propre fonc­tion­ne­ment. » Pour les ap­pli­ca­tions moins cri­tiques, l’ether­net prend le pas pe­tit à pe­tit sur les in­ter­faces série. « Les sor­ties Ether­net concernent 30 % de nos ventes, éva­lue Ele­na Stant­chev (Mi­cro-ep­si­lon France). Les au­to­mates ont en­core des cartes d’en­trée série, ce pro­to­cole garde donc une place im­por­tante. » Sou­vent, les mi­cro­mètres sont pro­po­sés avec un sys­tème de com­mu­ni­ca­tion au choix, voire avec plu­sieurs sor­ties pos­sibles. Trou­ver le mi­cro­mètre le mieux adap­té à une ap­pli­ca­tion don­née passe aus­si par le bon com­pro­mis entre la fré­quence et la ré­so­lu­tion du cap­teur. « Plus on va vite, moins on est per­for­mant, ré­sume Frank Pienc­zak (Sen­sor Ins­tru­ments France). Mais l’évo­lu­tion la plus fla­grante de ces quatre ou cinq der­nières an­nées concerne l’ar­ri­vée de fonc­tions de trai­te­ment du si­gnal per­met­tant d’ef­fec­tuer des cal­culs au-de­là du pixel. Ce­la fait ga­gner en ré­so­lu­tion, tout en conser­vant des prix ac­ces­sibles. » L’ar­ri­vée de mi­cro­mètres pour­vus de fais­ceaux plus pe­tits per­met éga­le­ment d’in­ves­tir dans des ap­pa­reils à moindre coût: « Les fais­ceaux de 6 mm n’exis­taient pas il y a en­core quelques an­nées, rap­pelle Frank Pienc­zak. Il est main­te­nant pos­sible d’avoir des plages éten­dues de me­sures mieux adap­tées, grâce à la mi­nia­tu­ri­sa­tion des émet­teurs et des ré­cep­teurs. » Plus com­pacts, plus pré­cis, plus ra­pides, plus com­mu­ni­cants… les mi­cro­mètres op­tiques n’ont pas fi­ni d’évo­luer.

Un large fais­ceau per­met de me­su­rer des pe­tits ob­jets, mais plus l’éten­due de me­sure est pe­tite, meilleure est la pré­ci­sion.

Dif­fé­rents types de me­sures sont pos­sibles, par­fois si­mul­ta­né­ment : un dia­mètre, une dis­tance entre deux ob­jets, le centre d’un ob­jet…

Cer­tains mo­dèles de mi­cro­mètres ont une in­ter­face in­té­grée, per­met­tant d’af­fi­cher le ré­sul­tat des me­sures, ou de pa­ra­mé­trer l’ap­pa­reil.

Plu­sieurs têtes de me­sures as­so­ciées per­mettent de me­su­rer sous plu­sieurs angles ou à plu­sieurs hau­teurs si­mul­ta­né­ment. Ce­la peut don­ner des in­for­ma­tions comme l’ova­li­sa­tion.

L’ali­gne­ment de l’émet­teur et du cap­teur ré­cep­teur est im­por­tant. Les deux élé­ments peuvent être dis­so­ciés, mais aus­si mon­tés sur un rail ou une fourche par le fa­bri­cant.

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