Méthode de balayage continu à cinq axes basée sur le champ de distance géodésique pour l’inspection des surfaces intérieures à entrées multiples

Introduction

Dans les applications industrielles, les surfaces intérieures à entrées multiples (MEI, Multi-Entrance Inwall) posent un défi majeur en raison de leur topologie complexe et des risques de collision potentiels. Les méthodes traditionnelles d’inspection point par point sont peu efficaces, tandis que la technologie de balayage continu à cinq axes développée récemment offre une amélioration significative de l’efficacité d’inspection, ouvrant de nouvelles possibilités pour la détection de grandes surfaces complexes. Cependant, la planification automatisée des trajectoires de balayage reste fortement dépendante de l’intervention humaine, en particulier pour les surfaces MEI, en raison des scénarios de collision complexes et de la structure multi-entrées. Pour résoudre ce problème, cet article propose une nouvelle méthode basée sur le champ de distance géodésique (GDF, Geodesic Distance Field) afin de générer automatiquement et efficacement des trajectoires de balayage pour l’inspection des surfaces MEI.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Yuzhu Ding, Zhaoyu Li, Dong He, Kai Tang, et Pengcheng Hu, tous affiliés au Département de génie mécanique et aérospatial de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong et à la Division de fabrication intelligente de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (Guangzhou). L’article a été publié en septembre 2020 dans la revue IEEE Transactions on Automation Science and Engineering.

Processus de recherche et contenu principal

1. Contexte et problématique

Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT, Coordinate Measuring Machine) à cinq axes sont des outils essentiels pour l’inspection géométrique des surfaces. Les MMT traditionnelles à trois axes sont peu efficaces, tandis que la technologie de balayage continu à cinq axes, grâce à la synchronisation des cinq axes, améliore considérablement l’efficacité et la précision de l’inspection. Cependant, la structure multi-entrées et les risques de collision des surfaces MEI rendent la planification automatisée des trajectoires particulièrement difficile. Cet article vise à générer des trajectoires de balayage continues à cinq axes en utilisant le GDF pour inspecter automatiquement et efficacement les surfaces MEI.

2. Principes de base de la génération de trajectoires de balayage à cinq axes

La MMT à cinq axes est composée d’un bras de translation à trois axes et d’une sonde rotative à deux axes, permettant un balayage continu sur la surface grâce à la coordination des cinq axes. La génération des trajectoires de balayage comprend trois étapes principales : 1. Génération de la trajectoire de balayage nominale (Nominal SP) : La trajectoire nominale est générée en fonction de la courbe directrice et de l’orientation de la sonde. 2. Extension de la trajectoire nominale : Des trajectoires nominales supplémentaires sont générées itérativement pour couvrir toute la surface. 3. Génération de la trajectoire finale : La trajectoire de balayage continue finale est générée en reliant les trajectoires nominales adjacentes.

3. Génération des courbes directrices basées sur le GDF

Pour générer des trajectoires adaptées aux surfaces MEI, cet article propose une méthode de génération de courbes directrices basée sur le GDF : 1. Génération du GDF : En utilisant les entrées de la surface MEI comme sources de chaleur, un champ de distance géodésique est calculé à l’aide de l’équation de la conduction thermique. Le champ de gradient du GDF est utilisé pour guider la génération des courbes directrices. 2. Génération des courbes directrices : À partir d’un point de départ (seed point), les courbes directrices sont tracées en suivant le champ de gradient du GDF. Les courbes générées sont cohérentes avec la topologie de la surface MEI, garantissant la continuité et l’efficacité des trajectoires de balayage.

4. Planification de l’orientation de la sonde et segmentation de la surface

Après la génération des courbes directrices, une méthode d’optimisation de l’orientation de la sonde est proposée pour éviter les collisions et maximiser l’efficacité du balayage. Parallèlement, la surface MEI est segmentée en plusieurs zones accessibles en fonction du GDF, chaque zone correspondant à une courbe directrice et à un ensemble de trajectoires de balayage. Cette méthode de segmentation minimise les chevauchements des trajectoires et améliore l’efficacité de l’inspection.

5. Résultats expérimentaux et discussion

L’efficacité de la méthode proposée a été validée par des expériences physiques et des simulations numériques. Les résultats montrent que la méthode basée sur le GDF surpasse les deux méthodes de référence en termes d’efficacité d’inspection et de taux de couverture de la surface. Plus précisément : - Efficacité d’inspection : Le temps total d’inspection de la méthode proposée est de 253 secondes, réduisant de 14,81 % à 52,97 % par rapport aux autres méthodes. - Couverture de la surface : La méthode proposée couvre 84,66 % des zones accessibles, améliorant de 0,37 % à 21,56 % par rapport aux méthodes de référence.

Conclusion et signification de l’étude

Cet article propose une méthode de génération de trajectoires de balayage continues à cinq axes basée sur le GDF, résolvant efficacement les problèmes de planification de trajectoires et de détection de collision pour l’inspection des surfaces MEI. L’introduction du GDF permet de générer des courbes directrices longues et lisses, améliorant significativement l’efficacité de l’inspection. De plus, la méthode de segmentation de la surface basée sur le GDF prend en compte l’accessibilité des points d’inspection, augmentant ainsi le taux de couverture des surfaces inspectées. Cette méthode permet une génération automatisée des trajectoires, réduisant la dépendance à l’intervention humaine, et fournit une nouvelle approche technologique pour l’inspection efficace de surfaces complexes.

Points forts de la recherche

1. Introduction du GDF pour générer des courbes directrices : Les courbes directrices générées à partir du champ de distance géodésique sont cohérentes avec la topologie des surfaces MEI, améliorant la continuité et l’efficacité des trajectoires de balayage.
2. Optimisation de l’orientation de la sonde : La planification de l’orientation de la sonde garantit un processus d’inspection sans collision et hautement efficace.
3. Méthode de segmentation des surfaces : La segmentation basée sur le GDF minimise les chevauchements des trajectoires et améliore l’efficacité de l’inspection.

Directions futures de recherche

Les recherches futures se concentreront sur l’optimisation de l’inspection des zones inaccessibles des surfaces MEI et sur l’étude de la relation entre les caractéristiques des trajectoires de balayage et la précision d’inspection. En outre, des méthodes plus précises de génération des trajectoires seront développées pour renforcer l’automatisation des MMT à cinq axes.