Brevet FR2141467A1 — publié le 19730126

La présente invention concerne un moteur pas à pas fonctionnant par pression de fluide. Les moteurs pas à pas les plus fréquemment utilisés sont souvent répartis en trois groupes principaux : les moteurs électriques, les moteurs hydrauliques et les moteurs pneumatiques. Les premiers ont une grande rapidité d'action et mettent en jeu de faibles couples. Les seconds sont généralement associés à des moteurs électriques, vis-à-vis desquels ils jouent le role d'amplificateurs, car ils ne peuvent fonctionner de manière autonome. Quant aux moteurs pneumatiques, ils comportent le plus souvent un mécanisme à piston et roue à rochet qui est peu fiable et ne permet d'obtenir qu'un couple faible. Par ailleurs, ces différents types de moteurs ne donnent pas d'information sur les fins de pas ; les erreurs éventuelles de pas, notamment de pas non effectués, ne peuvent donc etre repérées. L'invention vise à remédier aux divers inconvénients précités et à réaliser un moteur pas à pas extrement fiable Suivant l'invention, le moteur pas à pas fonctionnant par pression de fluide et comprenant deux organes mobiles l'un par rapport à l'autre,7caractérisé en ce que l'un des organes comporte plusieurs rangées d'éléments de roulement pouvant coopérer avec des empreintes pratiquées dans l'autre organe, et des moyens d'actionnement de chaque rangée d'éléments, les éléments des rangées successives présentant par rapport au fond des empreintes un décalage variant d'une valeur correspondant au pas. L'actionnement en séquence des rangées d'éléments de roulement permet d'imprimer à l'organe mobile des déplacements d'une valeur égale au pas. La coopération d'éléments de roulement avec des empreintes complémentaires garantit un fonctionnement str avec le maximum de précision. De préférence, les empreintes sont constituées par des rainures successives identiques disposées parallèlement. Les moyens d'actionnement sont des pistons commandés par la pression de fluide Dans le cas d'un moteur rotatif, les deux organes étant mobiles en rotation relative, les rainures et les rangées d'éléments de roulement sont orientées parallèlement à l'axe de rotation, le pas étant égal au rapport de l'angle séparant deux rainures consécutives au nombre de rangées. L'actionnement d'une seule rangée d'éléments de roulement ou de deux rangées opposées permet de provoquer un déplacement de organe rotatif d'un pas. Dans le cas d'un moteur linéaire, les deux organes étant mobiles en translation relative, les rangées d'éléments de roulement sont orientées suivant la direction de translation et les rainures perpendiculairement à cette direction, le pas étant égal au rapport de la distance entre deux rainures consécutives au nombre de rangées. De préférence, les rangées d'éléments de roulement sont réparties en deux séries disposées symétriquement dans lesquelles les éléments de roulement présentent une certaine inclinaison par rapport aux rainures, transversalement à la direction de translation. Pourqie la commande en séquence s'effectue sans omission ni erreur de pas, les moyens d'actionnement sont combinés à des moyens générateurs de signaux de fin de course qui sont reliés à un circuit logique de commande. D'autres particularités de l'invention résulteront encore de la description ci-après Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs la figure 1 est une vue en coupe transversale suivant la ligne I-I de la figure 2 d'un moteur pas à pas du type rotatif la figure 2 est une vue en coupe de ce moteur suivant la ligne Il-Il de la figure i la figure 3 est une vue de détail à plus grande échelle illustrant le décalage des rangées de billes par rapport aux rainures de l'organe rotatif la figure 4 est un schéma représentant le moteur avec son circuit logique de commande la figure 5 est une vue partielle en coupe longitudinale suivant la ligne V-V de la figure 6 d'un moteur pas à pas du type linéaire la figure 6 est une vue partielle en coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 5 et avec arrachements la figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne Vil-Vil de la figure 6 la figure 8 est une vue à plus grande échelle d'un détail de la figure 5 la figure 9 est une vue en coupe analogue à la figure 7 d'un moteur pas à pas du type linéaire à deux étages. Les figures t et 2 représentent un moteur pas à pas du type rotatif comprenant un organe fixe 1 solidaire d'un bati 2 et un organe mobile 3 monté rotatif dans ce bati à l'intérieur de ltor- gane fixe. L'organe fixe 1 comprend un corps sensiblement cylindrique 4, dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation X-X de l'organe mobile 3 et dans lequel sont ménagées des chambres longitudinales 5 ayant une section en T et contenant chacune un piston 6 muni d'une tige d'actionnement 7. Ces chambres 5 et ces pistons 6, au nombre de huit dans l'exemple considéré, sont disposés radialement par rapport à l'axe X-X en étant répartis régulièrement. Les tiges de piston sont en contact avec des rangées R1 à R8 de billes 8 qui sont logées respectivement dans des saignées 9 pratiquées dans une douille 10 fixée au corps 4. L'organe rotatif 3 est composé de deux tourillons 11 qui sont montés dans le bati 2 et d'un manchon 12 en métal dur fixé sur ces tourillons. Des rainures identiques à section en V 13, pratiquées sur toute la périphérie du manchon 12 et orientées parallèlement à l'axe de rotation I-X permettent l'engagement des rangées de billes R1 à R8 sur une profondeur variable, comme on l'exposera plus loin. Chaque piston 6 est solidaire d'une membrane 14 montée dans la chambre 5 correspondante et serrée entre le corps 4 et un cou verdie 15 dans lequel est pratiqué un passage 16 débouchant dans le volume délimité par la membrane et le couvercle. Le piston 6 peut se déplacer dans la chambre 5 sur une faible distance déterminée par la pénétration de l'élément de roulement dans la rainure 13, qui définit ainsi la course maximum. Les couvercles 15 sont maintenus à laide de pièces longitudinales intermédiaires 17 fixées sur le corps 4. L'agencement est tel que les axes des billes des rangées successives présentent par rapport au fond des rainures respectives 13 un décalage angulaire variant d'une valeur correspondant au pas. cette valeur est égale au rapport de l'angle séparant les fonds de deux rainures consécutives au nombre N de rangées de billes (figure 3). Dans l'exemple considéré, l'une des rangées de billes, la rangée R1, prise comme référence, est dans la position d'engagement maximum dans la rainure correspondante, tandis que la rangée '9. directement opposée R5 est décalée de 2 puisque N = -8. Les billes de cette dernière rangée soit donc en position d'effacement sur un sommet ou dent entre deux rainures 13. Pour provoquer l'avance de organe mobile 3 d'un pas, on envoie par les passages 16 de l'air comprimé dans les chambres 5 des pistons 6 correspondant aux rangées de billes R2 et R6 par exemple. Les billes des rangées se décalent d'un angle ≈de telle sorte que la deuxième rangée 8 de billesR2 occupe alors la position d'engagement maximum qui était précédemment celle de la rangée de référence R1. La figure 4 illustre la commande en séquence des pistons d'actionnement 6 au moyen d'un circuit logique à mémoires. Les chambres des pistons sont reliées par paires opposées à des mémoires à deux états 21-24 de type classique comportant deux entrées, l'une de commande et mise en mémoire et l'autre d'annulation ou effacement, et une sortie. Les signaux pneumatiques de commande sont délivrés à partir de l'une de deux lignes 30a, 30b suivant le sens de rotation choisi pour l'organe mobile 3. Ces lignes sont combinées deux à deux avec quatre lignes 31-34 de signaux de fin de course correspondant respectivement aux paires de pistons et donc aux rangées R1 R R5, R2 R R6, etc. Chaque couple formé par la ligne 30a ou 30b et une ligne 31, 32, 33 ou 34 est ainsi relié à une porte ET 41a-44a, 41b-44b. La sortie de chaque porte ET est reliée, d'une part à une porte OU 51-54 correspondant à la paire de pistons à actionner et, d'autre part, à une porte OU 61-64 correspondant à la paire de pistons précédente - selon le sens de miation - qui a été actionnée ; l'as- sociation des portes ET et des portes OU 51-54 s'effectue dans l'ordre suivant : portes ET 44a et 42b -porte OU 51, portes ET 41a 43b-porte OU 52, etc. Ainsi les portes OU 51-54 reçoivent respectivement un signal provenant de l'un des deux couples de lignes 30a-34 et 30b-32, 30a-31 et 30b-33, tec., tandis que les portes OU 61-64 reçoivent respectivement un signal provenant d'un couple de lignes 30a-31 ou 3Ob-31, 30a-32 ou 30b-32, etc. Chaque porte OU 51 à 54 (par exemple 51) correspondant à une paire de rangées (par exemple R1 et R5) est reliée à l'entrée de commande et mise en mémoire de la mémoire 21-24 (par exemple 21) La porte OU 61 à 64 (par exemple 64 ou 62) correspondant à la paire de rangées précédente (par exemple R8 et R4 ou R2 et R6) est reliée à l'entrée d'annulation de la mémoire 21-24 (par exemple 24 ou 22). Les signaux de fin de course dans les lignes 31-34 sont délivrés sous l'action des pistons 6 par l'intermédiaire de moyens classiques générateurs de signaux de fin de course (non représentés), auxquels les pistons sont combinés. Lorsqu'un signal de fin de course et un signal de sens de rotation parviennent à une porte ET, celle-ci délivre un signal à la porte OU 51-54 et à la porte OU 61-64 correspondantes De la porte OU 51-54, le signal est transmis à la mémoire 21-24 respective, puis aux chambres des pistons correspondant aux couples de rangées R1 -R5, R2-R6, etc. Le signal provenant de la porte OU 61-64 assure l'effacement de l'information contenue dans la mémoire correspondant au couple de rangées précédemment actionné La commande du moteur est assurée sans risque d'erreur et avec une régularité remarquable puisque chaque fin de course constitue une information nécessaire pour permettre l'actionnement en séquence. Les figures 5 à 8 représentent un moteur pas à pas du type linéaire comprenant un organe fixe 71 constitué par une plaque et un organe mobile en translation 72 essentiellement composé d'un plateau 73, par exemple de machine-outil, muni de deux pièces latérales 74 guidées par des glissières 75 formées par la plaque 71. La plaque 71 présente sur sa face supérieure une série de rainures identiques à section en V 76 orientéss perpendiculairement à la direction de translation Entre la plaque 71 et le plateau 73 est monté un bloc-support 77 solidaire du plateau 73 et des pièces latérales 74, dans lequel sont ménagées des chambres cylindriques individuelles 78 pour des pistons 79 disposés perpendiculairement à la plaque 71. Chaque piston 79 est en contact avec une bille 80 qui est logée dans un perçage pratiqué dans une plaque mince 81 solidaire du bloc-support 77 et située au-dessus de la plaque rainurée 71. Les billes 80 peuvent ainsi s'engager plus ou moins profondément dans les rainures 76. Le plateau 73 comporte dans sa partie centrale un évidement 82, dans lequel est montée une pièce rapportée 83, et une nervure transversale 84 qui divise le plateau en deux moitiés. Les chambres 78, les pistons 79 et les billes correspondantes 80 sont disposés symétriquement en colonnes de part et d'autre de cette nervure, de façon à présenter, dans le sens transversal, une certaine inclinaison par rapport aux rainures 76. On réalise ainsi, dans cet exemple, deux séries de sept rangées de pistons et de billes, référencées L1 à L7 et L' 1 à L' Les pistons 79 sont solidaires d'une membrane 85 serrée entre le plateau 73 et le bloc-support 77 et chaque rangée L1-L7 ou L'1-L'7 est desservie par un canal 86 ou 86' pratiqué dans le plateau 73 et interrompu par la nervure transversale 84.Dans la pièce rapportée 83 sont ménagés des passages 87 permettant d'établir la communication entre le canal 86 de la rangée L1 et le canal 86' de la rangée L'7, entre le canal 86 de la rangée L2 et le canal 86' de la rangée L'6, et ainsi de suite jusqu'aux canaux 86 et 86' des rangées L7 et L' L'agencement est tel que, dans chaque série, les billes 80 des rangées successives L1-L7 ou L' L'7 présentent par rapport au fond des rainures respectives 76 un décalage variant d'une valeur correspondant au pas. Cette valeur est égale au rapport de la distance e entre deux rainures 76 consécutives au nombre de rangées gept en l'oecurence) ; ceci détermine l'inclinaison des colonnes de billes 80 par rapport aux rainures 76 dans le sens transversal. Chacun des canaux 86 desservant les rangées L1 à L7 de billes est prolongé par un alésage étagé 88 qui constitue un passage servant à l'alimentation en fluide sous pression du canal 86 considéré ainsi que du canal 86' correspondant, et par suite à l'actionnement des deux rangées correspondantes de billes. Dans le bloc-support 77 sont en outre ménagés des passages 91, en nombre égal a celui des rangées,qui débouchent dans des alésages respectifs 92 orientés perpendiculairement à la plaque rainurée 71 et normalement obturés par un clapet 93 qui est monté sur une lame de ressort 94 fixée au bloc-support 77. L'extrémité libre de la lame de ressort est en contact avec la face inférieure du premier piston 79 de la rangée, de telle sorte que le déplacement de ce piston sous l'action de la pression de fluide provoque l'ouverture du clapet 93 et la mise à l'échappement de l'alésage 92 et du passage 91. Les passages 88 et 91 sont reliés à un circuit logique de commande à fluide (non représenté) qui agit en réponse à l'absence de pression dans un passage 91, due k la mise à l'échappement de ce passage, pour délivrer un signal de fin de course permettant l'actionnement d'un couple de rangées suivant. La commande peut i-tre du meAme genre que celle représentée à la figure 4. Les signaux pneumatiques de commande sont transmis aux couples de rangées suivant la séquence L1-L'7, L2-L'6, ..., L4-L'4, L7-L' 1, puis retour à la rangée L1 L'7 qui occupe alors une position décalée de la distance e par rapport à la précédente. La figure 9 représente un moteur pas à pas linéaire à deux étages, dans lequel la plaque rainurée 101 de l'ensemble supérieur joue le rible de plateau pour l'ensemble inférieur. Les deux ensembles ont par ailleurtune structure identique. L'étage inférieur est destiné à assurer l'avance d'un pas relativement long, par exemple 1 mm, alors que l'étage supérieur doit permettre une avance d'un pas très faible, par exemple 0,05 mm. Les rainures de la plaque 101 sont espacées d'une distance égale à celle qui sépare deux colonnes de billes dans l'étage inférieur. Dans l'exemple considéré, on peut donc provoquer un déplacement du plateau 73 d'un certain nombre de mm gracie à l'étage inférieur, et d'un multiple de 0,05 mm gracie à l'étage supérieur. Les deux étages sont alimentés séparément en fluide sous pression par un circuit logique de commande. Le cas échéant, les deux étages peuvent fonctionner simultanémnnt, notamment dans un positionnement numérique. On comprend que le nombre d'étages peut croftre suivant la précision recherchée dans le déplacement de organe mobile, qui dépend essentiellement du genre d'application industrielle envisa gé L'utilisation du moteur pas à pas du type rotatif est particulièrement avantageuse pour la commande de vannes et autres dispositifs pouvant exiger des déplacements angulaires limités d'organes rotatifs. En variante, les empreintes peuvent entre constituées par des logements coniques, au lieu de fqrmer des rainures. REVENDICATIONS 1. - Moteur pas à pas fonctionnant par pression de fluide et comprenant deux organes mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que 1 un des organes comporte plusieurs rangées d'éléments de roulement pouvant coopérer avec des empreintes pratiquées dans l'autre organe, et des moyens d'actionnement de chaque rangée d'éléments, les éléments des rangées successives présentant par rapport au fond des empreintes un décalage variant diurne valeur correspondant au pas. 2. - Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les empreintes sont constituées par des rainures successives identiques disposées parallèlement 3. - Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement sont des pistons commandés par la pression de fluide. 4. - Moteur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que, les deux organes étant mobiles en rotation relative, les rainures et les rangées d'éléments de roulement sont orientées parallèlement à l'axe de rotation, le pas étant égal au rapport de l'angle séparant deux rainures consécutives au nombre de rangées. 5. - Moteur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que, les deux organes étant mobiles en translation relative, les rangées d'éléments de roulement sont orientées suivant la direction de translation et les rainures perpendiculairement à cette direction, le pas étant égal au rapport de la distance entre deux rainures consécutives au nombre de rangées0 6. - Moteur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments de roulement forment des colonnes disposées transversalement à la direction de translation0 7. - Moteur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les rangées d'éléments de roulement sont réparties en deux séries disposées symétriquement dans lesquelles les éléments de roulement,considérés transversalement à la direction de translation, présentent une certaine inclinaison par rapport aux rainures. 8 - Moteur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que les rangées des deux séries sont desservies par des canaux d'alimentation en fluide sous pression qui sont mis deux à deux en communication de façon symétrique. 9 - Moteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les pistons sont solidaires d'une membrane soumise à la pression de fluide et les éléments de roulement sont montés en contact avec les pistons à l'intérieur d'une pièce intermédiaire. 10 - Moteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement sont combinés à des moyens générateurs de signaux de fin de course qui sont reliés à un circuit logique de commande, 11. - Moteur conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens générateurs de signaux de fin de course comprennent, pour chaque rangée d'éléments de roulement, un passage relié au circuit logique et pouvant tre mis à l'échappement, et un clapet qui obture ce passage et dont liouverture est commandée par le déplacement des pistons de la rangée. 12. - Moteur conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que le clapet est porté par une lame de ressort en contact avec la face inférieure d'un piston de la rangée0 13. - Moteur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qutil comprend au moins un deuxième organe comportant des éléments de roulement qui coopèrent avec des rainures pratiquées dans le premier organe de façon à constituer un moteur à au moins deux étages. 14. - Moteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les empreintes sont constituées par des logements coniques,