Brevet FR2524945A1 — publié le 19831014

La présente invention concerne un système (dispositif) de commande pour machines mues hydrauliquement et demandant un ré- glage relativement sensible du débit de l'huile hydraulique pour des fonctions déterminées. De nombreux types de machines hydrauliques sont à commande manuelle, l'opérateur manoeuvrant des manettes, leviers, commutateurs et ainsi de suite pour établir, couper ou régler le débit du fluide hydraulique envoyé vers des distributeurs, valves, verins, ou autres moteurs mus par un fluide afin de commander ainsi les différentes fonctions de la machine Par exemple, sur les engins de travaux possédant un bras ou une flèche avec au bout une nacelle pour un ouvrier, du type général décrit par le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 776 367, un levier de commande dit "à retour auto- matique à la position neutre", installé dans la nacelle, sert à commander l'élévation et l'abaissement d'une flèche télescopique par le réglage du débit de fluide hydraulique envoyé vers ou expulsé d'un vérin de levage. Comme ce genre de matériel sert à placer des ouvriers à des positions de travail élevées et o la liberté de mouvement est souvent limitée, l'ouvrier doit pouvoir commander le mouvement de la flèche portant la nacelle avec suffisamment de sensibilité ou de douceur pour des raisons de sécurité Différents fabricants ont propose des valves de commande proportionnelle pour accroître le degré de sensibilité avec lequel l'ouvrier peut manoeuvrer la flèche Les valves existant actuellement sur le marche sont typi- quement à commande par solénolid e et dont l'action est basée sur la pression, avec des moyens pour détecter et faire varier les pres- sions de fluide aux extrémités de la tuyauterie d'alimentation et pour maintenir le rapport de ces pressions à une valeur préfixée. Ces valves de commande proportionnelle sont pilotées par un signal analogique délivré par un organe de commande manuelle et sont censées permettre une commande plus progressive ou plus fine du mouvement par l'ouvrier. Certa Inesi Mperfections des systèmes de commande de l'art, en particulier leur valve de commande proportionnelle, empêchent de parvenir à une solution satisfaisante pour les besoins de l'industrie d'un système de commande sûr et sensible Primo, les valves de commande proportionnelle que l'on trouve sur le marché sont excessivement coûteuses à cause de la complexité des pièces mécaniques qui les composent et des tolérances serrées avec lesquelles elles doivent être fabriquées pour que les valves fonctionnent conve- nablement Le résultat est que leur emploi par l'industrie ne s'est pas généralisé. Secundo, le fonctionnement convenable des valves de commande proportionnelle actuellement en service est tributaire de leur capacité de détecter des pressions de manière précise dans des conditions de travail qui risquent de ne pas être idéales La pré- sence d'impuretés dans l'huile et des différences de viscosité peuvent rendre la valve imprécise ou même défaillante Comme les différents organes de commande et de distribution sont branchés en série, le remplacement ou la réparation d'une valve défectueuse peut entraîner un arrêt long et coûteux de toute la machine. Tertio, les machines actuelles sont souvent conçues pour pouvoir fonctionner selon plusieurs modes, en fonction des circonstances Dans l'application mentionnée plus haut, le système de commande électrohydraulique pour le positionnement de la nacelle peut avoir les modes rapide et lent pour la manoeuvre de la fi'che et les modes rapide et lent pour le déplacement du véhicule ou du support sur lequel est montée la flèche La manipulation du levier de commande de levage de la flèche doit produire une vitesse d'élé- vation Du d'abaissement qui diffère suivant les modes de manoeuvre de flèche et de déplacement utilisés. Cette exigence représente une complication supplémentaire dans la réalisation d'un système de commande hydraulique adéquat. Un système de commande typique de l'art antérieur com- prend un vérin, ou un autre moteur mû par un fluide de pression, une source de fluide pour délivrer du fluide de pression au vérin, une valve ou un dispositif analogue à commande électrique pour régler le débit du fluide entre la source et le vérin et un organe de manoeuvre pour commander électriquement le fonctionnement de la valve Certains systèmes de commande couramment employés comportent, comme décrit ci-dessus, une valve de commande proportionnelle à solénoïde pilotée par un signal électrique -analogique. Selon l'invention, un tel système de commande électro- hydraulique est caractérisé en ce que l'organe de manoeuvre comporte un générateur de signal analogique variable et un circuit convertis- seur analogique-numérique, dont l'entrée est reliée électriquement au générateur de signal analogique, et en ce que la valve comporte des soupapes à commande numérique pour régler le débit de la valve de façon incrémentielle, qui sont commandées électriquement par le circuit convertisseur analogique-numérique Le système peut comporter en plus un circuit générateur de tension de référence possedant de multiples sorties ayant des niveaux de tension dif- férents pour changer le niveau de référence de tension du générateur de signal analogique et changer ainsi le débit maximal admissible de la valve De cette manière, le système peut travailler selon plusieurs modes, contrairement aux systèmes qui existent actuellement. L'invention supprime les inconvénients décrits dans ce qui précède des systèmes de commande électr Q-hydrauliques de l'art Pour commencer, les soupapes pour le réglage incrémentiel du débit de la valve, soupapesqui ne présentent que deux positions, ouverte ou fermée, sont moins coûteuses que les valves de commande proportionnelle et peuvent facilement être remplacées sur le lieu d'utilisation de la machine, ce qui réduit le temps d'arrêt En cas de mauvais fonctionnement, il n'est pas nécessaire de remplacer toute la valve car chacune de ses soupapes peut être remplacée individuellement De plus, les soupapes s'ouvrent et se ferment en réponse à un signal numérique et sont par conséquent moins sen- sibles que les valves à commande analogique à des impuretés dans le fluide hydraulique et à des variations de sa viscosité. L'invention apporte ainsi un système de commande électro- hydraulique qui permet de régler sélectivement et de façon repro- ductible le débit du fluide de pression entre une pompe et un vérin et qui est insensible aux changements de la viscosité du fluide et à sa contamination éventuelle par des impuretés solides De plus, le système selon l'invention peut être fabrique économiquement et facilement et il est adaptable à différents modes de fonctionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation préféré mais nullement limitatif, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: la figure LA est un schéma logique des circuits de conversion analogique-numérique d'un système de commande à débit variable selon l'invention; la figure l B se raccorde à la figure l A suivant la ligne C-C et est un schéma logique des circuits fournissant à la sortie un signal de commande pour ce système; la figure 2 est un schéma logique de circuits de commutation, faisant également partie du système de l'invention qui servent à établir la plage dans laquelle peuvent varier les signaux analogiques des mécanismes de commande selon le mode de fonctionnement adéquat; et la figure 3 est un schéma synoptique d'une valve de commande à débit variable et commande numérique selon l'invention. La figure l A représente deux circuits convertisseurs de tension analogique-numérique 2, 4, de préférence du type LM 3914, qui sont branchés en parallèle et possèdent de multiples sorties parallèles a o désignées dans leur ensemble par la référence 6. Les composants 2, 4 reçoivent par une borne 5 un signal d'entrée sous forme d'une tension analogique et rendent numériquement active une sortie déterminée correspondant à l'amplitude de la tension d'entrée Par exemple, si les signaux d'entrée peuvent varier dans une plage de O à 8 V, les composants 2, 4 peuvent être étalonnes pour délivrer un signal numérique sur une sortie déterminée pour chaque 0,5 V de tension d'entrée Ainsi, la ligne 1 passerait au niveau haut pour un signal d'entrée de S V sur la borne 5; la ligne i passerait au niveau haut pour un signal d'entrée de 4, 5 V la ligne d passerait au niveau haut pour un signal d'entrée de 2 V; et ainsi de suite Les lignes a p des composants 2, 4 sont reliées à une source de tension positive 8 à travers des résistances 10 de kn, tandis que les lignes excédentaires q t de l'unité 4 sont reliées à la source de tension 8 à travers des résistances 12 de k 11 La figure l B, qui est la suite du schéma logique de figure LA, représente quatre portes NON-ET 14, 16, 18, 20 ayant chacune huit entrées, de préférence du type MM 74030, qui conver- tissent le signal de sortie décimal apparaissant sur les lignes a p des CAN 2, 4 en un signal représentant un nombre décimal codé binaire. Les sorties des portes NON-ET 14, 16, 18, 20 sont reliées à travers des résistances 30 de 5,1 k A à un circuit amplificateur biétagé formé de transistors 22, 24 des types GE 56010, D 45 H 2, polarisés respecti- vement par des sources de tension 26 et 34 Le circuit comprend en plus une résistance 28 de 100 ka, une résistance 32 de 120 ohms et un couplage à la masse par une résistance 36 de 15 k f et une diode 38 de type IN 914. Sur les quatre sorties de signal de commande 40, 42, 44, 46 apparaissent les quatre chiffres binaires du code DCB 8421 qui servent a commander le fonctionnement de la valve de commande à débit variable de la manière décrite en détail dans ce qui va suivre. La figure 2 représente un circuit de commutation de tension pour changer, selon le mode de fonctionnement convenant à chaque fois, la plage dans laquelle peut varier le signal analogique fourni par l'organe de manoeuvre de la machine considérée Par exemple, dans le cas d'une nacelle portée au bout d'une flèche arti- culée levée par un vérin de levage, la machine peut fonctionner selon un mode de manoeuvre de flèche rapide ou selon un mode de manoeuvre de flèche lente, dans lesquels la pompe envoie une plus ou moins grande quantité de fluide de pression au vérin de levage, suivant l'inclinaison de la flèche Si l'inclinaison de la flèche est au-dessus de l'horizontale, le débit du fluide de pression envoyé au vérin est moindre, ce qui diminue, pour des raisons de sécurité, la vitesse d'élévation de la flèche. De façon analogue, sur les machines capables de ce de- placer sur le sol pendant que la flèche est levée ou abaissée, il est souhaitable de passer d'une vitesse de déplacement élevée à une vitesse de déplacement lente lorsque la flèche s'élève au-dessus de l'horizontale, pour les mêmes raisons de sécurité. Dans le présent exemple de mise en oeuvre de l'invention, un organe de manoeuvre manuelle (non représenté) est utilisé pour commander le vérin de levage de la flèche; cet organe est du type comprenant un levier à rappel à la position neutre, qui est mobile suivant un arc déterminé et est accouplé à un potentiomètre. L'amplitude du signal de tension analogique produit par le potentiomètre est déterminée par la position du levier de commande ou manche à balai sur son parcours en arc de cercle La plage des signaux de tension analogiques produits par le potentiomètre peut être changée par le circuit de commutation de figure 2 selon les modes de manoeuvre de flèche et de déplacement adéquats Le signal de dépla- ce Ment rapide ou lent apparaît sur une borne d'entrée 48 et le signal de manoeuvre rapide ou lent de la flènhe arrive sur une borne d'entrée 50 Le circuit logique de commutation comporte quatre portes ET 54, 56, 58, 60 présentant chacune deux entrées La porte ET alimente un circuit d'alimentation à transistor, tandis que les portes 54, 56, 58 alimentent un circuit de commutation de tension 61 du type LF 13202 Les entrées des portes ET 54, 56, 58, 60 sont reliées aux bornes 48, 50 o apparaissent des signaux de tension des modes, avec intercalation dans certaines liaisons, comme représenté sur la figure 2, d'inverseurs 52 du type HM 74 C 04 pour l'inversion logique des signaux reçus. Les sorties des portes ET 54, 56, 58, 60, en pa-s t au niveau haut, sélectionnent la plage de tension de sortie appro- priée par des lignes d'amplification et de commutation 63-62; 64-62 -62 et 66, lesquelles délivrent un niveau de tension à l'organe de manoeuvre ou de commande manuelle par la borne 74 et reçoivent de cet organe, sur la borne 75, une tension d'entrée de 8,2 V Le signal de sortie de la porte ET 60 subit une inversion logique par l'inverseur 67, du type EIM 74 C 04,et est envoyé dans un circuit d'ali- mentation comprenant une source de 12 V 68, une résistance 69 de 24 kn, une résistance 70 de 10 ki) une diode 71 du type IN 914 et un transistor de commutation 72 du type GE 52907. Le montage de commutation de la figure 2 fonctionne comme décrit ci-après La plage de tension de l'organe de manoeuvre est déterminée par les variables de la machine fixant les modes, de la manoeuvre de flèche et de déplacement dans cet exemple Lorsque la position de la flèche indique que les modes lents doivent être utilisés (parce que l'inclinaison de la flèche est au-dessus de l'horizontale par exemple), la sortie de la porte ET 58 passe au niveau haut et provoque la connexion de la ligne 64 à la borne de sortie 74 La tension d'entrée de 8,2 V sur la borne 75 est appliquée à travers une résistance série de 6,2 kfl de la ligne 64 et le niveau de tension est appliqué à l'organe de manoeuvre par la borne 74. La manoeuvre du levier de cet organe à partir d'un point de départ produit un signal de tension analogique incrémenté Ce signal analogique est applique à la borne d'entrée 5 de figure l A et un signal de commande DCB est produit comme décrit dans ce qui précède. De façon analogue, si les modes rapides sont à utiliser, parce que la flèche est pointée vers le bas par exemple, la sortie de la porte ET 60 passe au niveau haut et son signal de sortie, inversé par 67 et appliqué au transistor 72, a pour effet que ce dernier relie la source de tension 68 de 12 V à l'organe de manoeuvre à travers la borne de sortie 74 Ceci a pour résultat que le déplace- ment du levier de l'organe de manoeuvre suivant le même arc de cercle produit, incrémentiellement, une tension analogique dont la valeur maximale est de 12 V et qui est convertie par les circuits des figures LA et 1 B en un signal DCB, comme décrit dans ce qui précède. Le dispositif représenté figure 2 constitue un montage générateur de tension qui comprend une source de tension de réfé- rence 68, un circuit diviseur de tension 61 capable de diviser la tension délivrée par la source 68 en un certain nombre de tensions de sortie différentes et un circuit logique 52, 54, 56, 58, 60 pour appliquer la tension de sortie sélectionnée au générateur de signal analogique. Sur la figure 3, P désigne la pression d'entrée du fluide hydraulique de la valve 76 à débit variable, à l'orifice d'entrée 78. La valve possède un orifice de sortie 80 par lequel du fluide de pression d'un débit réglé est envoyé à un distributeur directionnel, lequel dirige l'huile vers le vérin de levage de flèche dans cet exemple La valve 76 possède un troisième orifice 82 qui constitue un orifice de dérivation ou de retour au réservoir et par lequel l'huile hydraulique excédentaire selon le signal de commande applique à la valve est renvoyée au réservoir. La valve 76 représentée sur la figure 3 comporte quatre soupapes sous forme de cartouches 84, 86, 88, 90 d'un type qui existe sur le marche Elles sont montées en parallele et elles peuvent être ouvertes individuellement par l'excitationdu solé- noide qu'elles comportent par le signal de commande numérique. Lorsque l'organe de manoeuvre n'envoie aucun signal de commande à la valve 76, aucune des quatre soupapes n'est ouverte Les sou- papes 84, 86, 88 et 90 pour l'établissement selon l'invention d'un débit réglable par increments sont dimensionnées, pour ce qui concerne le passage d'écoulement du fluide, de ma nire prset des débits correspondant respectivement à 1, 2, 4 et 8 litres par minute, par exemple, suivant les chiffres du code DCB 8421 Le débit de fluide entrant par l'orifice 78 est détecté par un compensateur pression-debit 92 faisant partie de la valve Ce compensateur a pour but de détecter la pression à l'orifice de sortie 80 et la pression qui s'établit dans la circulation d'huile A partir de l'orifice d'entrée 78 Le compensateur 92 s'ouvre dans la mesure nécessaire pour renvoyer de l'huile a travers l'orifice de dérivation 82 au réservoir pour éviter notamment que la pompe tourne a vide alors que toutes les soupapes 84, 86, 88 et 90 sont fermées 94 désigne un clapet de srete sensible à une pression maximale du système et capable d'envoyer tout le débit de la pompe par l'orifice 82 au réservoir lorsque cette pression est atteinte. Un exemple de fonctionnement du système sera décrit ci-. après en référence aux dessins Il est supposé que la flèche ou le bras d'un engin portant une nacelle au bout est pointé vers le haut. Cette situation est detectée par un capteur, lequel est combine avec des éléments logiques qui indiquent que la machine doit être utilisée selon les modes lents pour la manoeuvre de la flèche et pour le de- placement Les signaux appliqués aux bornes d'entrée 48, 50 sont par conséquent de niveau bas, ce qui fait passer la sortie de la porte ET 58 au niveau haut La tension de 8,2 V sur la borne 75 est appliquée à travers la résistance de 6,2 kf Là l'organe de manoeuvre (non repre - senté) à travers la borne 74. Il est supposé que l'organe de manoeuvre comporte un levier, commandant l'elevation de la flèche, qui est deplaçable suivant un arc de cercle et est accouplé à un potentiomètre Le signal de sortie analogique de ce potentiomètre est une tension dont l'amplitude varie entre O V et ne tension maximale qui correspond à la tension appliquée à la borne 74, suivant la position qu'occupe le levier Lorsque, de par la position de son levier, l'organe de manoeuvre envoie un signal analogique de 7 V par exemple à la borne d'entrée 5 pour les circuits convertisseurs analogiquenumérique de la figure l A, la ligne N de CAN 4 passe au niveau haut et les portes NON-ET et les circuits de commande de figure 1 B convertissent ce signal en un signal DCB 0111, lequel est applique à travers les bornes de sortie 40, 42, 44 et 46 à la valve à débit variable 76 de figure 3. Lorsqu'aucun signal de commande n'est envoyé à la valve 76 de la figure 3, ses quatre soupapes 84, 86, 88 et 90 sont fermées et une pompe volumétrique délivre un débit fixe, de 15 1 par minute par exemple, à l'orifice 78 de la valve Les quatre soupapes de celle-ci sont dimensionnées respectivement pour avoir des débits de 1, 2, 4 et 8 litres par minute, selon le code DCB 8421. Lorsque l'opérateur amène le levier de commande à une première position, un signal de commande décimal code binaire 1000 est produit, ce qui ouvre la soupape 94, tandis que les soupapes 86, 88 et 90 restent fermées Un litre de fluide hydraulique est alors envoyé par l'orifice de sortie 80 dans la tuyauterie d'alimentation commandée (du vérin de levage de la flèche), tandis que 14 litres par minute de fluide sont renvoyés par l'orifice 82 au réservoir de l'instal- lation hydraulique sous l'action du compensateur pression-débit 92. Lorsque l'opérateur déplace le levier à une seconde position, le signal de commande produit provoque la fermeture de la soupape 84 et l'ouverture de la soupape 86, correspondant à un débit d'alimen- tation du vérin de levage de 2 litres par minute Dans cet exemple, le signal de commande 0111 ouvre les soupapes 86, 88 et 90, avec la conséquence que 14 litres de fluide par minute sont envoyés par l'orifice de sortie 80 au vérin de levage, tandis que 1 litre de fluide par minute retourne au réservoir. La valve 76 convertit par conséquent le signal de commande DCB eh litres par minute de fluide hydraulique ou en toutes autres unités de fluide hydraulique Quatre soupapes-cartouches sont utilisées dans l'exemple qui vient d'être décrit, pour corres- pondre au code DCB 8421, mais il est évident que l'on peut utiliser un plus grand nombre de soupapes pour obtenir un plus grand nombre de degrés successifs donc une commande plus fine jusqu'à la limite du code indiqué ou d'un autre code et jusqu'à la limite du système de pompage Les débits des soupapes peuvent aussi Otre échelonnés différemment, notamment en fonction d'applications spécifiques Les soupapes à commande numérique utilisées selon l'invention suppriment le besoin de valves coûteuses à commande analogique qui sont rela- tivement complexes mécaniquement et sensibles à des conditions d'uti- lisation qui risquent de perturber leur fonctionnement De plus, une valve à commande numérique comme celle utilisée selon l'inven- tion permet le remplacement facile et rapide des différentes soupapes qu'elle comporte si cela est nécessaire en cas de défectuosités ou de mauvais fonctionnements, ce qui accroît la souplesse d'utilisation du système et réduit les temps morts. L'invention n'est donc nullement limitée à la forme de réalisation décrite et l'homme de l'art pourra y apporter diverses autres modifications sans pour autant sortir de son cadre. 11. R E V E N D I C A T ION S 1 Système de commande électro-hydraulique comprenant un vérin ou un autre moteur mû par un fluide de pression, une source de fluide pourdélivrer du fluide de pression au vérin, une valve ( 76) ou un dispositif analogue à commande électrique pour régler le débit du fluide entre la source et le vérin et un organe de manoeuvre pour commander électriquement le fonctionnement de la valve, caractérisé en ce que l'organe de manoeuvre comporte un générateur de signal analogique variable et un circuit convertisseur analogique-numérique ( 2, 4), dont l'entrée ( 5) est reliée électriquement au générateur de signal analogique, et en ce que la valve ( 76) comporte des sou- papes( 84, 86, 88, 90) à commande numérique pour régler le débit de la valve de façon incrémentielle, qui sont commandées électriquement par le circuit convertisseur analogique-numérique ( 2, 4). 2 Système selon la revendication 1 o chacune des soupapes ( 84, 86, 88, 90) possède un passage d'écoulement de fluide de dimen- sions particulières. 3 Système selon la revendication 1 ou 2 o la valve ( 76) présente un orifice de dérivation ( 82) pour le retour au réservoir du fluide hydraulique excédentaire. 4 Système selon la revendication 1 o l'organe de manoeuvre est combine avec un circuit générateur de tension. Système selon la revendication 4 dont le circuit généra- teur de tension comporte une source ( 68) de tension de référence, un circuit diviseur de tension ( 61) qui divise la tension de la source de tension de référence en un certain nombre de tensions de sortie différentes, ainsi qu'un circuit logique ( 52, 54, 56, 58, 60) pour appliquer l'une des tensions de sortie au générateur de signal analogique. 6 Système selon la revendication 5 o la tension de sortie sélectionnée est appliquée à un générateur de signal analogique constitué par un potentiomètre.