L’industrie aérospatiale accorde un rôle majeur au contrôle non destructif (CND) dans le processus de fabrication et de maintenance des structures et il est utilisé, entre autres, pour détecter des défauts tels que des fissures à un stade précoce. Cependant, les techniques de CND sont encore principalement opérées manuellement, en particulier sur des structures aérospatiales complexes. Plusieurs inconvénients en résultent tels que la pénibilité et le temps d’opération des techniques. De plus, la fiabilité et la répétabilité des résultats d’inspection est susceptible de varier de manière significative puisqu’elles dépendent de l’expérience et de la dextérité de chaque opérateur. Dans le cadre du projet MANU-418 du Consortium de recherche et d’innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ) dans lequel s’inscrit le présent travail de recherche, il a été proposé de développer un système muni d’un bras manipulateur à 6 DDL permettant d’automatiser trois techniques particulières de CND utilisées dans l’industrie aérospatiale :​ l’inspection par courants de Foucault (ECT), l’inspection par ressuage fluorescent (FPI) et l’inspection par thermographie infrarouge (IRT). L’objectif global du projet MANU-418 est de démontrer que ce système automatisé permet d’obtenir des résultats de détection de défauts (des fissures généralement) en surface et légèrement sous la surface au moins aussi acceptables en termes de fiabilité et de répétabilité que ceux obtenus manuellement.

Un des objectifs spécifiques qui découle de ce projet est de développer une méthodologie et un outil logiciel de génération de chemins de couverture adaptés aux trois techniques de CND mentionnées précédemment pour l’inspection de surfaces complexes de structures aérospatiales. Le présent travail de recherche s’attache à la réalisation de cet objectif spécifique.

Dans un premier temps, les propriétés de géométrie et de topologie du type de surfaces considérées dans ce projet sont définies (surfaces planes, congés, bords droits, surfaces cylindriques, trou dans la surface). Il est également supposé que le modèle 3D de la surface à inspecter est connu à l’avance. Aussi, l’automatisation de l’inspection ECT étant prioritaire devant celles des techniques FPI et IRT dans le cadre du projet MANU-418, la méthodologie développée se base sur les propriétés de chemin qu’une sonde différentielle à courants de Foucault (appelée ici sonde EC) suit habituellement lors d’une inspection manuelle, tout en permettant de rester utilisable pour les autres techniques. Le chemin d’inspection d’une sonde EC est défini par un balayage en zigzag et cette sonde est généralement en contact léger avec la surface durant le balayage. Aussi, l’axe de la sonde doit en tout temps être normal à la surface et, l’alignement de ses deux bobines doit toujours être orienté le long de sa direction de déplacement.

Une première méthodologie est alors proposée pour générer des chemins de couverture sur toute la surface à inspecter en respectant les contraintes de la sonde EC. En premier lieu, la surface complexe est maillée par des facettes triangulaires, puis subdivisée en plusieurs “zones” de géométrie et de topologie plus simples. Les chemins sont ensuite générés sur chacun des patchs par intersection de leurs facettes avec des plans de coupe décalés dans la direction de balayage. Une autre méthodologie est aussi développée pour générer des chemins autour d’une indication (une petite zone où la présence d’un défaut est suspectée) dont la position et l’orientation sont supposées connues a priori. Pour ces deux méthodologies, une fois les positions de l’outil définies le long d’un chemin, l’orientation de l’outil est calculée afin de respecter les contraintes d’une inspection ECT. Aussi, afin d’adapter les chemins ainsi générés pour les techniques FPI et IRT, un paramètre de distance entre la surface et l’extrémité de l’outil d’inspection est défini (le contact correspond donc à une valeur nulle de ce paramètre).

Un outil logiciel muni d’une interface utilisateur a alors été développé dans l’environnement MATLAB afin de générer des chemins basés sur ces méthodologies. Un ensemble de paramètres de chemin sont proposés et modifiables par l’utilisateur pour que celui-ci puisse générer les chemins désirés (distance entre deux passes adjacentes, direction de balayage, etc.). Une fois les chemins calculés, une liste de coordonnées des positions et orientations des chemins sont exportés dans une table EXCEL pour pouvoir être utilisée par un robot. Dans le cadre de ce travail de recherche, des simulations de trajectoires (chemins exprimés par rapport au temps) d’un modèle de robot MotoMan (SV3XL) sont effectuées avec le logiciel MotoSim à partir des données exportées des chemins. Après validation des trajectoires dans ce logiciel (absence de collisions, positions atteignables par le robot, etc.), des instructions sont enfin générées pour mener des tests expérimentaux sur le robot réel.

Les premières simulations et tests expérimentaux des chemins ainsi générés correspondent visuellement aux mouvements attendus pour les techniques d’inspection considérées, en particulier pour la technique ECT. Néanmoins, il conviendra de valider cette méthodologie avec davantage de tests expérimentaux, par exemple avec la présence d’un outil “test” pour vérifier son positionnement et son orientation vis-à-vis d’une surface complexe typique d’une structure aérospatiale.

Non destructive testing (NDT) plays an important role in the aerospace industry during the fabrication and maintenance of the structures built and is used, among other useful applications, to detect flaws such as cracks at an early stage. However, NDT techniques are still mainly done manually, especially on complex aeronautical structures, which then results in several drawbacks. In addition to be difficult and time-consuming, reliability and repeatability of inspection results are likely to be affected, since they rely on each operator’s experience and dexterity. The present thesis is part of a larger project (MANU-418) of the Consortium for Research and Innovation in Aerospace in Québec (CRIAQ). In this project, it has been proposed to develop a system using a 6-DOF manipulator arm to automate three particular NDT techniques often needed in the aerospace industry:​ eddy current testing (ECT), fluorescent penetrant inspection (FPI), and infrared thermography (IRT). The main objective of the MANU-418 project is to demonstrate the efficiency of the developed system and provide inspection results of surface and near surface flaws (cracks usually) at least as reliably and repeatably as inspection results from a human operator.

One specific objective stemming from the main objective of the project is to develop a methodology and a software tool to generate covering paths adapted for the three aforementioned NDT techniques to inspect the complex surfaces of aerospace structures. The present thesis aims at reaching this specific objective.

At first, geometrical and topological properties of the surfaces considered in this project are defined (flat surfaces, round and straight edges, cylindrical or near cylindrical surfaces, holes). It is also assumed that the 3D model of the surface to inspect is known in advance. Moreover, it has been decided within the framework of the MANU-418 project to give priority to the automation of ECT compared with the other techniques (FPI and IRT). As a result, the methodology developed to generate inspection paths is more closely focused on path constraints relative to the manual operations of ECT using a differential eddy current probe (named here EC probe), but it is developed to be flexible enough to be used with the other techniques as well. Common inspection paths for ECT are usually defined by a sweeping motion using a zigzag pattern with the EC probe in mild contact with the inspected surface. Moreover, the main axis of the probe must keep a normal orientation with the surface, and the alignment of its two coils must always be oriented along the direction of its motion.

A first methodology is then proposed to generate covering paths on the whole surface of interest while meeting all EC probe motion constraints. First, the surface is meshed with triangular facets, and then it is subdivided into several patches such that their geometry and topology are simpler than the whole surface. Paths are then generated on each patch by intersecting their facets with offset section planes defined along a sweeping direction. Furthermore, another methodology is developed to generate paths around an indication (namely a small area where the presence of a flaw is suspected) whose position and orientation are assumed to be known a priori. For both these methodologies, once the positions along a path have been computed, orientations are deduced to meet ECT probe motion constraints. Also, in order to adapt generated paths based on these methodologies to FPI and IRT techniques, a distance parameter is defined between the surface and the end of the inspection tool (contact is obtained when this parameter is equal to zero).

Then, a software tool with a graphical user interface has been developed in the MATLAB environment to generate inspection paths based on these methodologies. A set of path parameters can be changed by the user to get desired paths (distance between passes, sweep direction, etc.). Once paths are computed, an ordered list of coordinates (positions and orientations) of the tool is exported in an EXCEL spreadsheet so that it could be used with a real robot. In this research, these data are then used to perform simulations of trajectories (path described as a function of the time) with a MotoMan robot (model SV3XL) using the MotoSim software. After validation of these trajectories in this software (absence of collisions, positions are all reachable, etc.), they are finally converted into instructions for the real MotoMan robot to proceed with experimental tests.

These first simulations and experimentations on a MotoMan robot of the generated paths have given results close to the expected inspection trajectories used manually in the NDT techniques considered, especially for the ECT technique. Nevertheless, it is strongly recommended to validate this path generation method with more experimental tests. For instance, a “test” tool could be manufactured to measure errors of position and orientation of this tool with respect to expected trajectories on a typical complex aeronautical structure.