Brevet FR2532638A1 — publié le 19840309

Pince automatique pour la manutention des bobines à axe vertical. L'invention concerne une pince pour la manutention des bobines à axe vertical,du type comprenant un bâti et un jeu de leviers et de bielles assurant la transformation d'une force verticale; correspondant au poids de l'ensemble pince-bobine et appliquée en un point de suspension de 1 l'ensemble, en une force dJauto- serrage appliquée, via une bielle le cas échéant, à un mors mobile de la pince-, autre mors étant fixe. On connaît à l'heure actuelle deux types principaux d'agrès de manutention des bobines à axe vertical, représentés par les brevets français n 1.028.011 et n 1.295.742. Ces pinces-, accrochées à un appareil de levage, type pont roulant, grue9portique, etc. permettent de saisir fermement la bobine (à la manière d'une main) et de la déplacer en toute sécurité, sans nécessité d'élingage long et coûteux en main d'oeuvre. Les deux types d'appareils sont constitués essentiellement . d'un bâti portant un mors fixe, lequel se plaçant à t'intérieur de l'alesage central de la bobine, assure le positionnemen-t de la charge . d'un mors mobile qui vient s'appliquer avec force sur la face extérie-ure de la bobine . d'un mécanisme de commande du mors mobile assurant un serrage suffisant de la bobine. Les deux types de pinces ne diffèrent dansleur principe que par le mecanisme de commande du mors mobile. Pour le premier type- la pince automatique du brevet français n 1.028.011 - le meeanisme de commande comprend un ensemble symétrique de leviers qui assure intégralement la transformation du déplacement de la force verticale correspondant au poids de l'ensemble pince-bobine, en une course correspondante de la force d'auto-serrage appliquée au mors mobile. Cette pince, seduisante par sa rusticité, présente cependant des inconvénients : - La hauteur perdue maximum, conditionnée par le déploiement maximum des leviers pour la plus petite des bobines, est importante (environ 5m, par exemple). - Le rapport d'auto-serrage (rapport de la force d'auto-serrage au poids de l'ensemble pincebobine) diminue lorsque le diamètre extérieur de la bobine décroît. - le nombre important de leviers et d'articulations entraîne après un certain temps de fonctionnement, l'apparition de jeux préjudiciables à la précision des mouvements. - Les lieux géométriques du point de suspens ion de la pince et du centre de gravité de l'ensemble pince + bobine s'écartent notablement de l'axe principal de la pince, pendant sa course de fermeture. I1 en resulte des inclinaisons du corps de pince en fonction du diamètre extérieur de la bobine > pouvant être un handicap d'exploitation. Pour le deuxième type de pince - la pince motorisée du brevet français n" 1.295.742 - le mors mobile peut être pré-serré grâce à un moto-réducteur entraînant une vis qui deplace un écrou lié au mors. Un ensemble très simple de levier permet une courte course d'auto-serrage. Si cette pince est plus compacte que la précédente (la hauteur perdue n'est que de 2 m), elle présente de graves inconvénients inherents à sa conception, qui la rendent pratiquement inutilisable dans de nombreux cas - La course d'auto-serrage (76,2 mm) est insuffisante pour rattraper les jeux entre spires et assurer un serrage efficace, avec pour conséquence des lachers de bob-ines. - Un long temps de pré-serrage du au jeu initial entre mors, est nécessaire à la mise en position de la pince. Ce jeu ne peut généralement etre rattrapé qu'en plusieurs temps à cause des frottements qui font déclencher le moto-réducteur, avant que les mors ne soient réellement en-contact avec la bobine - te point de suspension est déporte de part et d'autre de l'axe principal de la pince pendant la course d'auto serrage,ce qui occasionne une inclinaison de la charge. te but de l'invention est de proposer un nsu- veau type de pince ne présentant pas les inconvénients: précités. Ce but est atteint par le fait que la pince de l'invention comprend un jeu de leviers de suspension asymetrique se composant de trois leviers - un premier levier articule sur le bâti de la pince en un point excentré-, - un deuxième lotier articulé sur le premier levier en un point commun, chacun des deux leviers étant relié par une bielle au point de suspension de l'ensemble, - un troisième levier articulé au point excen- tré sur le bâti et relié au mors mobile, via une bielle le cas échéant, une bielle de compensation étant prévue en-tre un poing du troisième levier et un point du second levier, et les éléments du jeu de leviers et de bielles étant calculés de sorte que - la droite d'action de la force de susp-en sion reste sensiblement fixe par rapport au bâti ; - le coefficient d'auto-serrage, égal au rapport de la force d'auto-serrage à la force appliquée au point de suspension, est sensiblement constant pendant la course d'auto-serrage Une telle pince présente les avantages sui vants - une hauteur p-erdue réduité (typiquement 2,85m au lieu de 5m) - un auto-serrage sensiblement constant - une course d'auto-serrage importante (typique ment 230-mm) - une quasi-absence de gîte, quels que soient la dimension ou le poids de la bobine y compris lorsque la pince est à vide-;; - une compensation des déplacements des masses pendant la course d'auto-serrage (le mors mobile et les leviers se déplaçant en sens inverse) - en association avec un moto-réducteur et un système vis-écrou classique, une possibilité de prérégla ge précis, permettant d'accroître les cadences ou d'inté- grer cet outil dans un cycl-e automatisé - sa construction peut se faire, le cas échéant, par une adaptation d'une pince existantetdu second type précité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la de-scription de plusieurs modes -de réalisation de l'invention, faisant référence aux des sins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue en elévation d'un premier mode de realisation de la pince de l1in- vent ion ; - la figure 2 est un schéma servant pour la construction géométrique des éléments caractéristiques de la pince de la figure 1 ; - les figures- 3 à 5 représentent des sousensembles détaillés de la figure 1, avec indications des efforts s'exerçant sur les différents éléments - la figure 6 est un second schéma servant pour la constructiongéométrique des éléments carac téristiques de la pince de la figure 1. - les figures 7 à 10 représentent tres schéma tiquement quatre autres modes de réalisation d'un pince conforme à 1' invention La pince de l'invention (fig. 1) comprend un bati 1 portant un mors fixe 2 et un mors mobile 3. Le mors fixe 2, sur lequel vient porter l'alésage central de la bobine 4, assure le positionnement de la charge. Le mors mobile 3 vient s' appliquer avec force sur la face extérieure de la bobine 4 à l'aide d'un patin de serrage articulé 5. Le mors mobile 3, en forme d'équerre est solidaire d'un ecrou 6 susceptible d'être entraîné en translation par une vis 7 commandée en rotation par un moto-réducteur non représenté. Le détail de cette construction ne fait pas partie de l'invention et on pourra se reporter si besoin à- l'enseignement du brevat français n 1.295.742. L'invention consiste. en la disposition originale d'un jeu de leviers et de bielles de suspension asymétrique, comportant essentiellement trois leviers. Un premier levier 11 est articulé à son extrémité inférieure en un point excentré K du bati 1. Le point K est décalé de i'aplomb du centre de gravie H de la charge d'une longueur # importante assurant un rapport d'auto-serrage potportionnel à Q(voir plus loin). Un deuxième levier 14 est articulé en un point 0 sur le premier levier 11. Les leviers 11 et 14 sont reliés, à leur extrémité supérieure A et C, au point de suspension B de l'ensemble, au moyen de deux bielles 12 et 13. On observera que c'est par abus de langage qu'on parle de point K, B, etc., étant entendu qu'il s'agit, matériellement, d'axes, de tourillons, etc., transversau-x au plan de la figure 1. Un troisième levier 16 est articulé sur le point excentré K du bâti 1. Ce levier 16 est relié, à son extrémité inférieure F, à une extrémité d'une courte bielle 17, elle-même articulée à son autre extrémité G sur une butée double-effet 18 de la vis 7. Autrement dit, le levier 16 est relié au mors mobile 3. L'extrémité supérieure E du troisième levier 16 est reliée par une bielle de compensation 15 à l'extrémité inférieure D du deuxième levier 14. Une glissière 8 fixe par rapport au bâti 1 est prévue pour limiter le déplacement du point d'articulation D du deuxième levier 14 et de la bielle de compensation 15, et éviter un possible renversement des leviers par passage d'une position d'équilibre stable ou métastable à une autre position d'équilibre stable, lorsqu'il en existe plusieurs. Cette disposition de leviers et de bielles conforme à l'invention permet de calculer les caractéristiques de ses divers éléments, de sorte que la droite d'action b de la force F (droite contenant le peint de suspension B) reste sensiblement fixe par rapport au bâti I de la pince, et que le coefficient d'auto-serrage reste sensiblement constant pendant la course d'autoserrage. Le fonctionnement de la pince de l'invention est le suivant. Dans un premier temps, correspondant au préréglage de la pince, la pince est maintenue en position repliée par un verrou quart de tour classique, non représenté, identique par exemple à celui équipant la pince du brevet français n" 1.295.742. La pince est alors pré-réglée en temps masqué, d'après les caractéristiques de la bobine 4, par action de la vis 7 qui prend appui sur la butée double effet 18. Dans un deuxième temps, correspondant à l'approche du mors mobile .3, la pince. est placée sur la bobine, le verrou quart de tour se libère automatiquement, tandis que le pontier actionne le moto-réducteur de commande de la vis 7 pour amener le mors mobile 3 au contact de la face extérieure par son patin articulé 5 Le temps de manoeuvre reste acceptable grâce - à la limitation du jeu initial par préréglage des mors (les leviers étant maintenus en ouverture maximum par le verrou); - au choix d'une vitesse adéquate, de déplacement de l'écrou du mors mobile; - à la tolérance d'un pré-serrage incomplet, la course d'auto-serrage étant surabondante. Il est à noter qu'on peut aussi de façon très simple vérifier la concordance entre la position du mors en fin d'approche et les caractéristiques de la bobine, pour se prémunir contre toute.fausse manoeuvre, Dans un troisième temps, correspon-dant à l'auto- serrage, le pontier commande le levages dès l'arret du moto-reducteur d'approche du mors mobile. L'ensemble pince-bobine de poids P appliqué au centre de masse H, est suspendu par son axe B. Il reste en équilibre sous l'action des deux forces P et F donc F = -P Le point B étant par ailleurs assujetti à se déplacer sur 1 'axe.principal de la pince (axe # qui contient le centre de masse H), le corps de la pince suspendu par son ase K reste horizontal à l'équilibre. Les leviers 11 et 12 articulés en K exercent sur le corps de la pince un effort S passant par K. Les leviers et bielles 1-3 à 17 exercent, d'une part, sur le corps de la pince, un effort T passant par K et un effort U perpendicu-laire à la glissière de guidage ge 8 et passant. par le point D ; d'autre part sur le mors mobile 3 un effort t de direction FG Les caractéristiques des leviers sont déterminés par le calcul de sorte que 10) l'inclinaison de FG sur l'horizontale reste faible 20) B se déplace sur (axe principal de la pince); 30) l'effort U s'annule pour deux positions particulières pratiquement extrêmes correspondant aux positions horizontales de la bielle 17 4 ) les efforts T, S et V admettent pour résultante F = - P. Du respect des quatre conditions précédentes de coulent les propriétés suivantes 1 ) La bobine est en équilibre (son axe demeurant vertical quelle que soit la course d'auto-serrage), sous l'action de son poids propre P1 et des réactions d et R des mors respectivement fixe et mobile. 20) Les efforts V et in étant peu inclinés par rapport à l'horizontale, R est sensiblement égal à 3 ) L'effort , nul pour deux positions particulières, reste négligeable pour toute autre configuration comprise entre les positions extrêmes. 4 ) Le coefficient d'auto-serrage RH/P = #/h reste constant pendant la course d'auto-serrage, avec R H désignant la composante horizontale de la réaction R du mors mobile (la composante verticale étant désignée par Rv), # étant la distance du point d'articulation K du bâti à la droite A et h la hauteur séparant le point d'articulation K du bâti au point F d'-application de la force d'auto-serrage (via la bielle 17). 50) Le centre de masse des éléments mobiles de la pince (leviers, mors mobile) reste à une distance constante de l'axe # (le seul déplacement de masse non compensé est l'approche motorisée du mors mobile dont la course est toutefois limitée dans un exemple parti culier d'application à 775 mm) La méthode de détermination des paramètres de construction va maintenant être expliquée sur un exemple particulier de réalisation de la pince de l'invention, étant entendu qu'elle s'applique dans le cas général. La pince étant chargée d'une bobine 4 et étant en équilibre, les mors 2 et 3 sont en butée sur l'épais- seur de la bobine, spires jointives. Les seules forces extérieures sont P = poids de l'insemble pince + bobine F = réaction du crochet due suspension sur le tourillon B avec F = - P, et F et P colinéaires. Si lthypothèse es-t faite(qui se vérifiera à postériori) que le centre de gravité de l'ensemble des masses mobiles, reste à distance pratiquement constante de l'axe principal # de la pince, pendant toute la course d'auto-serrage, le centre de gravité H de l'en- semble pince + bobine est un point de l'axe #. . On peut donc remplacer le système des forces de pesanteur réelles, par leur résu-ltante unique, P appliquée en -H, les leviers étant alors supposés sans masse (dans la réalisa tion pratique, on cherche à avoir des leviers et .un mors mobile aussi légers que possible). Le point B étant assujetti-à rester sur la droite A , celle-ci reste verticale, c'est-à-dire que la pince ne prend pas de gîte. On peut convenir de- repérer de O à 8 neuf états d'équilibres particuliers de la pince.-On s'imposera pour -deux positions de F (correspondant aux intersections du cercle de centre K et de rayon KP avec l'axe de la vis 7) que le système de force T, S et V ait pour résultante , (c'est-à-dire que la réaction U sur la glissière de guidage 8 soit nulle). Ces positions particulières sont repérées par les états 1 et 7. Le corps de pince pre-existant (dans le cas d'une adaptation par exemple) , les paramètres Z = 1295,4 mm et h = 304,8 mm sont définis. Le choix à priori d'une course d'auto-serrage C = 230 mm (correspondant aux positions extrêmes Jo et J8. cf. fig. 1) détermine pour de simples raisons géométriques KF = 316mm ; FG = 650 mm ; et F1F7 = G1G7 = 166, 8mm = course de- l'état 1 à l'état 7 correspondant aux deux positions particulières précitées (si l'on convient que F1 désigne la position de F dans llétat 1, etc.). L'équilibre de la pince sera totalement defini par (cf. fig. 2) - 11 paramètres géométriques des leviers, qui sont : pour le levier 11, les longueurs KA et KO et l'angle AKO ; pour la bielle 12, la longueur AB pour la bielle 13, la longueur BC ; pour le levier 14, les longueurs OC et OD et l'angle COD ; pour la bielle 15, la longueur DE ; et pour le levier 16, la longueur KE et l'angle EKF, et - 2 paramètres de position définissant les états d'équilibre 1 et 7 - état l:angle &alpha;0 = xKA1 - état 7: angle &alpha;1 = &alpha;0 + 2 &alpha; = xKA7 , où x désigne une direction de référence parallele à l'axe de la vis 7. Soit, au total, 13 paramètres qui seront définis par 13 relations indépendantes. On cherchera tout d'abord les relations imposes, par la définition meme du mécanisme de suspension et d'auto-serrage 1 ) O A B C est un parallélogramme, dans le mode particulier de réalisation choisi 1ère relation : BC z OA n fonction de KA, KO et AKO ; 2ème relation : OC = AB 20) Les points B et H appartiennent à l'axe (#) 3ème relation : XB1 = # = 1295,4 mm, 4ème relation :XB7 = # = 1295,4 mm, où XB1 et XB7 sont les abscisses des points B1 et B7 dans un repère orthonormé xKy (cf. fig. 2) 3 ) Les états 1 et 7 sont des états d'équili- bre pour lesquels U = 0 3.1 - l'état d'équilibre 7 se déduit de l'état 1 par - une rotation R R1 (K,2&alpha; ) du levier 11. une rotation R2 (N, 2ss ) du levier 14 - une rotation R3(K,2y ) du levier 16 Seul le paramètre &gamma; = ar@ cos (h/KF)= 15 18' est connu. 3.2. - Les travaux virtuels effectués par les forces V = RH et F - - P, $, qui déplacent leurs points d'application respectifs de G1 à G7 et de B1 à B7 sont égaux. B1 B7 = (RH/P) x G1 G7 = (#/h) x G1 G7, d'où : 5ème relation ; YB7 - YB1 = 708,7 mm 3.3.- Les forces intérieures de l'état I ont une résultante nulle, ce qui donne une sixième rela- tion explicitee plus loin. 3.4. - Les forces intérieures de l'état 7 ont une résultante nulle, ce qui donne une septième relation explicitée plus loin. 40) On explicitera les 60 et 7 relations en considérant les sous-ensembles ci-après. qui sont en equilibre. 4.1 - Sou5 ensemble "pince - bobine levier 16"-(cf. fig. 3). Les forces extérieures en équilibre sont - le poids de l'ensemble P, porté par A - la réaction F1 de la bielle 15 sur le levier 16 portée par EiDi - la réaction S du levier 11 sur l'axe K du corps de pince, réaction passant par K. Ces trois forces sont concourantes en point de #. 4.2.- Sous-ensemble "Levier 11" (cf. fig.4) Les forces extérieures en equilibre sont - La réaction ( - S) de l'axe K du corps de pince sur le levier 11, portée par KQi . - La réaction F2 de la bielle 12, portée par AiBi # - - La réaction F4 du levier 14, passant par Oi. Ces trois forces sont concourantes en M.. 4.3. - Sous-ensemble "levier 14" (cf. fig.5-) Les forces extérieures en équilibre sont - la réaction ( -F1) de la bielle 15 sur le levier, portée par DiEi. - la réaction F3 de la bielle 13, portée par BiCi . - la réaction F5 du levier 11, passant par Oi. Ces trois forces sont concourantes en Ii. Or,- le point-Oi étant en équilibre implique F5 = - F4 Donc, les conditions d'équilibre se traduisent par 6àme relation ; O1 I1 M1 alignés avec I, = B,C,#D,E, 1 Q1 = D1E1## 7 relation ; O7I7M7 alignés avec I7 = B7C7#D7E7 M7 = A7B7#KQ7 Q7 = D7E7## On dispose donc.de 7 relations indépendantes. Les états d'équilibre 1 et 7 étant définis- par 13 paramètres, on peut fixer librement 6 paramètres, les 7 autres étant déterminés par les 7 relations définies ci-dessus. Dans un exemple tres particulier d'applica- tion, on s'est fixé arbitrairement les paramètres suivants KA1 = 2750 mm xKA1 = 20 #A1B1 = KA1/2 = 1375 mm KO1 = 1500 A1KO1 = 6 On en déduit ;; XA1 = 2584,2 XA7 = 2410,3 YA1 = 940,6 YA7 = 1323,9 XB1 = 1295,4 XB7 = 1295,4 #YB1 = 1412,9 #YB7 = 2128,6 XO1 = 1348,2 XO7 = 1232 YO1 = 657,6 YO7 = 855,6 XC1 = 59,4 XC7 = 117,1 YC1 = 1136,9 YC7 = 1660,3 XN = 2021,63 YN -1185,58 2ss = - 15 25' 2&alpha; = 8 47' I1 reste un seul paramètre libre, que l'on fixe YQ = 180 mm IV On en déduit M1 = A1 B1 # K Q1 I1 = B1 C1 # M1 O1 et la droite (D) = I1 Q1 qui est un iieu géométrique des points D1 et E1 On pourrait terminer la construction si on connaissait l'ordonnée Y du point Q7 (voir fig.6). 7 On aurait en effat M7 = A7 B7#KQ7 I7 = B7 C7 #M7 O7 et la droite (D')= I7 Q7 serait un lieu géométrique des points D7 et E7 Or, un deuxième lieu du point D7, est fourni par la droite (Dv) transformée de la droite(D)par la rotation R3(N,2ss ). De meme, un deuxième lieu du point E7 est fourni par la droite (D2) transformée de la droite(D)par la rotation R3(K.2&gamma;). On en déduit : de coordonnées XD7 = #1 (#Q7) #YD7 = #2 (#Q7) de coordonnées XE7 = #3 (#Q7) #YE7 = #4 (#Q7) D1 = transformé de D7 par la rotation -inverse R(-2) [N,-2ss] de coordonnées XD1 = g1(#Q7) #YD1 =g2(#Q7) et E1 = transformé de E7 par la rotation inverse R(-3) (K,-2&gamma;;) de coordonnées XE1 =g3(#Q7) #YE1 =g4(#Q7) La-valeur yQ7 qui est solution, est celle qui vérifie longueur (D1' E1) = longueur (D7 E7), conditions qui s'écrivent : #2(#Q7) = |(#3-#1|2+(#4-#2)2| - |(g3-g1)2+(g4-g2)2|= 0 équation dont la résolution donne SQ7 = 330,102 mm, d'où les derniers paramètres cherchés :: XD1 = 1390,1 XD7 = 1139,4 YD1 = 157,1 et YD7 = 362,1 #XE1 = 443,0 #XE7 = 184,9 YE1 = 385,9 YE7 = 557,6 La pince de la figure 1, construite selon ces caractéristiques a un bati 1 tel que la hauteur L de l'axe K par rapport au bas du bâti est de 589,8 mm. La hauteur perdue maximum H8- est de 2847 mm et la hauteur perdue minimum Ho de 1869 mm (à comparer à une hauteur perdue maximum de 5000 mm, pour une pincé du type de celle du brevet français n 1.028.011). Les caractéristiques typiques de la bobine 4 sont un poids maximum de 380 kN, un diamètre intérieur de 610 mm, un diamètre extérieur maximum de 2300 mm, et une largeur de bande comprise entre 650 mm et 2133 min. -Comme il a été dit plus haut, le détail des calculs n'a été donné que pour un exemple bien particulier de réalisation, à valeur -illustratie. I1 va sans dire que l'invention couvre toutes les variantes, tant de disposition de leviers que de dimensions ou de masse des bobines, utilisant le principe général défini en tete de ce mémoire. Notamment, et pour servir d'exemples, les figures 7 à 10 illustrent schematiquement quatre variantes de dispositions des trois leviers (les références numériques sont identiques à celles des figures précédentes, augmentées respectivement de 100, 200, 300 et 400). REVENDICATIONS Pince automatique pour la manutention des bobines (4) à axe vertical du type comprenant un bâti (1) et un jeu de leviers et de bielles assurant la transformation d'une force verticale () correspondant au poids (P) de l'ensemble pince-bobine et appliquée en un point de suspension (B) de. l'ensemble, en une force d'auto-serrage (RH) appliquée, via une bielle (17) le cas échéant, à un mors mobile (3) de la pince, l'autre mors (2) étant fixe, caractérisée en ce que le jeu de leviers- se compose de trois leviers (11,14, 16) - un premier levier (11) articulé sur lebâti (1) de la pince en un point excentré (K), - un deuxième levier (14) articulé sur le premier levier (11) en un point commun (0), chacun des deux leviers (11) et (14) étant relié par une bielle (12,13) au point de suspension (B) de l'ensemble, - un troisième levier (16)-articulé au point excentré (K) sur 1 bâti (1) et relié au mors mobile (3), via une bielle (17) le cas échéant, en ce qu'une bielle de compensation (15) est prévue entre un point (E) du troisième levier (16) et un point (D) du second levier (14), et en ce que les éléments (11) à 16) du jeu de leviers et de bielles sont calculés de sorte que - la droite d'action (A) de la force (F) reste sensiblement fixe par rapport au bati (1) - le coefficient dlauto-serrage, égal au rapport de la force d'auto-serrage (RH) à la force appliquée au point de suspension (F), est sensiblement constant pendant la course d'auto-serrage. 2. Pince selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de commande du mors mobile (3) à écrou (6) et vis (7)- entraînée par motoréducteur. 3 Pince selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'il est prévu une glissière (8) de guidage du point (D) d'articulation de la bielle de compensation (15) sur le second levier (14).