Caractérisation des effets des stratégies d'acquisition de nuages de points sur l'exactitude et la précision de mesures de géométries prismatiques

Coordinate Measuring Machines (CMM) have been the go-to equipment to accurately and reliably measure manufactured parts for decades. However, emergent technologies are consistently challenging them, such as increasingly popular optical 3D scanners. These devices offer fast acquisitions with a high density of measured points, as opposed to the comparatively extremely slow CMMs that measure their target with a contact probe. 3D scanners and CMMs are not affected by the same factors, or differently. Moreover, CMMs are backed up by decades of experience and widely recognized standards. Scanners do not yet, which makes it difficult to evaluate the quality of their measurements. This thesis focuses on developing reproducible methods to characterize and study the performance of structured-light and handheld laser scanners, two of the most popular technologies. Various artifacts are used to test the devices and simulations of measurements are implemented to assess the accuracy and repeatability of the results. Specifically, a pseudo-3D artifact designed at Polytechnique Montreal was used to evaluate the impact of several acquisition parameters on the measurements with a handheld laser scanner. The scan distance quadratically affects the accuracy and interacts with the exposure time. The orientation of the scanner during the acquisition sweeps has a minor effect on the results. The procedures designed for the tests are easily reproducible for other devices based on the same technology. Simulated scanner and CMM measurements showed interesting phenomena related to the density of the measured points and the simulated noise. The accuracy benefits from an increased density, while it is negatively affected by noisier data. Odd or even numbers of measured points also interact with potential measured defects, resulting in more or less variance across the results.

Résumé

Le besoin d'instruments de mesure capables de fournir des résultats fiables a longtemps été comblé par les Machines à Mesurer Tridimensionnelles (MMT), qui continuent encore de régner grâce à la qualité de leurs mesures. Néanmoins, de nouvelles technologies se présentent avec entre autres les scanners optiques sans contact. Ces appareils proposent généralement des mesures rapides, avec une haute densité de points mesurés, contrairement aux MMT très lentes. Dès lors, quel est le potentiel des scanners lorsqu'ils sont utilisés à des fins de métrologie dimensionnelle ? Leur nature fait intervenir des facteurs que les MMT n'avaient pas à considérer, ou différemment. Le manque de standard international rend difficile leur exploitation lors du contrôle de pièces manufacturées par exemple. La qualité des mesures à laquelle l'utilisateur est en droit de s'attendre est compliquée à évaluer. Les travaux présentés dans ce mémoire se concentrent sur le développement de méthodes de caractérisation et d'étude des scanners laser portatifs et à lumière structurée, deux technologies populaires. Ces méthodes utilisent différents artéfacts, ainsi que la mise au point d'un environnement de simulation de mesures par scanner et par MMT sur des géométries planes et cylindriques, afin d'estimer la précision et la répétabilité des mesures tout en proposant des procédures reproductibles. En particulier, l'utilisation d'un artéfact pseudo-3D développé à Polytechnique Montréal a permis d'évaluer l'impact de plusieurs paramètres d'acquisition du scanner laser portatif sur les erreurs de mesure. La distance d'acquisition affect de manière quadratique la précision des scans et interagit avec le temps d'exposition ; l'orientation du scanner par rapport au mouvement de balayage lors de l'acquisition a eu quant à lui un impact mineur. Les procédures développées sont facilement applicables à d'autres scanners laser portatifs ou montés sur bras robotique. Les simulations de mesure ont révélé des comportements intéressants concernant l'effet de la densité de points mesurés et du niveau de bruit contenu dans les mesures sur les erreurs de mesure. La précision des résultats de simulation de mesure bénéficie d'une densité de points plus élevée, tandis que la dispersion des résultats se dégrade lorsque la densité baisse et est également affectée par la parité du nombre de points mesurés.