Brevet FR2543870A1 — publié le 19841012

O La présente invention concerne une unité formant bras d'actionnement multiaxial librement program- mable, en particulier un robot industriel ou chaque axe est pourvu d'un entraînement et d'un dispositif de freinage. Dans les robots industriels connus, les freins prévus sont uniquement formés de freins d'arrêt, pour éviter un affaissement dû au poids propre lors d'une panne d'énergie Ces freins ont, conformément à la tache qu'ils ont à accomplir, un moment relativement faible de freinage et comme, pour cette tache, aucune précision n'est sollicitée, ils ne doivent pas nécessairement être construits sans jeu Il faut maintenant, pour des robots industriels, pouvoir arrêter tous les axes du bras du robot et bloquer ainsi l'ensemble du bras du robot si fortement que celui-ci puisse absorber des forces importantes de l'extérieur, par exemple lors de l'utilisation d'outils Comme les freins connus d'arrêt ne peuvent pas, pour les raisons citées, remplir ces conditions, la présente invention a pour tache de créer un robot industriel dont la rigidité ne soit pas désavantagée par les articulations des axes. Cette tache est résolue, selon l'invention, par le fait que l'entraînement de chaque axe de l'unité formant bras d'actionnement est pourvu d'un frein de blocage fonctionnement sans jeu et à mise en action hydraulique, et que chacun de ces freins à l'état actionné maintient directement en position, c'est-à-dire sans élément intermé- diaire, les uns par rapport aux autres, les éléments de bras mobiles les uns par rapport aux autres de manière axiale lorsque les freins ne sont pas actionnés. Dans une configuration utile de l'invention, on prévoit que l'entraînement de chaque axe de l'unité formant bras d'actionnement soit pourvu, en plus du frein de blocage, d'un frein d'arrêt actionné par ressort et à desserrage hydraulique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 montre un robot industriel, qui sera ci-après désigné par IR, avec les axes Cl, Bi, B 2, B 3, C 2 et Al; la figure 2 montre un schéma de principe de la disposition d'un frein de blocage sous la forme d'un frein à disque sans jeu; la figure 3 montre un frein de blocage avec un manchon de dilatation en tant qu'élément élastique sans jeu; et la figure 4 montre un frein d'arrêt avec un corps de pression en tant qu'élément élastique sans jeu. Les axes du robot industriel ou IR sont en construction modulaire et sont reliés,aux points de séparation, les uns aux autres ou aux bras. Chaque bout d'arbre d'entraînement des axes du robot est pourvu d'un frein de blocage. Après le possessus de positionnement du robot industriel ou IR, auquel la plupart des axes prennent part, les freins de blocage sont mis Dans ce but, sur la figure 2, l'espace de pression derrière le piston 12 de freinage 3 est sollicité par de l'huile sous pression Le piston 3 du frein est fixé au bord interne et est relié au carter 1 du moteur et il est rendu étanche vis-à-vis de celui-ci au moyen du joint toxique 8 Le bord externe du piston du frein 3 porte une étanchéité dynamique 7 et peut se déplacer, en direction axiale, parallèle- ment contre le disque 4 du frein, tandis que la zone médiane du piston 3 est formée élastiquement et de manière résistante à la pression. A sa surface de contact avec le disque 4, le piston 3 présente une surface de frottement le moment de freinage transmis au piston 3 s'appuie, sans jeu, au carter 1 du moteur. Le disque 4 est relié directement et sans jeu au bras 6 Les moments de charge introduits par le bras sont transmis, à l'état freiné, par les deux surfaces de frottement du disque 4 au piston 3 et à l'étrier 2 du frein pour s'appuyer finalement sans jeu sur le carter du moteur Comme, à l'état non freiné,il y a un léger jeu axial entre les surfaces de frottement, qui doit être surmonté, pour le processus de freinage, par la course axiale de frei- nage du piston 3 et-du disque 4, le piston 3 et le disque 4 sont élastiquement mobiles en direction axiale On peut ainsi obtenir une transmission sans jeu du moment o couple de freinage Pour obtenir un moment o couple de freinage aussi important que possible, l'étrier 2 du frein est formé rotatif et le disque 4 est chargé, sur tout son pourtour, d'une très forte pression de surface, que l'on peut avantageusement obtenir par mise en action hydraulique du piston 3. Dans les cas o une force dosée de freinage est nécessaire pendant le mouvement des axes, il y a un danger de grippage aux surfaces de frottement. Pour éviter cela, on prévoit des assemblages de matière sans frottement saccadé et un fonction- nement des freins dans l'huile (fonctionnement humide). L'espace du bain d'huile 13 permet le fonc- tionnement à l'état humide des freins et est relié à la conduite de fuite d'huile de façon que de petites quantités d'huile, qui passent de l'espace sous pression 12 à l'étanchéité dynamique 7 dans l'espace du bain d'huile 13,soient ramenées par la conduite de fuite d'huile. Comme la conduite de fuite d'huile doit être guidée de la partie stationnaire de l'axe du robot ( le carter 1 du moteur) jusqu'à la pièce, co- rotative (arbre 5 de moteur et bras 6), une jonction rotative hydraulique est nécessaire, si l'on ne veut pas utiliser de tuyau-flexible mobile. Cette jonction rotative peut être avantageusement obtenue grâce à la rainure circulaire ou continue nécessaire, par ailleurs, en raison de la configuration élastique -du disque 4 du frein, et qui forme, selon l'invention, le canal annulaire de la jonction rotative hydraulique. L'espace 13 du bain d'huile est rendu étanche, vers l'extérieur, par l'étanchéité dynamique 13 et le joint torique 16. A l'état freiné, les forces radiales provenant du bras 6 sont reprises par le blocage entraîné par frictionentre le disque 4 du frein et l'étrier 2, ou respectivement le piston 3, de façon à ne pas charger le support 14 du moteur. L'excitation du frein se produit par des soupapes hydrauliques à changement rapide, en particulier des soupapes asservies sous pression, qui, avec l'espace sous pression 12 maintenu petit et la petite course axiale du piston 3, conduisent à de courts temps d'augmentation de pression Ces courts temps de changement ou de commutation des freins permettent une large utilisation des freins de blocage au-delà du blocage effectif. Pendant le processus de positionnement, ou respectivement pendant un mouvement d'avance du IR, il est souhaitable d'amener l'amortissement normalement faible, en particulier dans le cas d'un entraînement hydraulique direct, à une valeur optimale pour arriver ainsi à un meilleure comporte- ment dynamique et donc à de plus courts temps de positionnement. A l'aide des freins de blocage sans frottement saccadé, et par excitation de ces freins proportion- nellement à la vitesse de déplacement de l'axe du robot, on peut obtenir un amortissement à friction proportionnel à la vitesse. Lors d'une lente arrivée à la position de consigne, on peut obtenir, par mise en circuit brusque des freins de blocage, un arrêt immédiat à la position de consigne L'effet est dû à l'action considérablement élevée de freinage des freins de blocage qui équivaut à une lente collision avec une butée. Après le blocage, le pompage, tel qu'il se présente fréquemment lors d'un contrôle de position, même à l'état positionné, est exclus Le IR peut, selon les très forts moments de freinage, qui atteignent un multiple du moment d'entraînement du moteur>et en raison de la transmission sans jeu des moments de freinage, être chargé par des forces externes correspondant à la raideur mécanique de la structure du robot On obtient ainsi -des valeurs qui pourraient se présenter dans le cas d'un bras assemblé sans aucun point d'articulation Le robot avec blocage est avantageusement composé en modules d'axe et modules de bras Dans ce but, les modules d'axe doivent être, en eux-mêmes, capables de fonctionner, c'est-à-dire totalement équipés avec les éléments qui suivent: boîtier avec entraînement de l'axe et support, système de mesure de déplacement, freins de blocage, freins d'arrêt contre une panne d'énergie, unités d'excitation (soupapes), pour l'entraînement de l'axe et les freins, passage des conduites d'énergie et de commande entre les points de raccordement du module, et installation de commutation de sécurité. Les modules des axes doivent présenter des points de raccordement pour l'accouplement à d'autres modules d'axe ou de bras Par diverses combinaisons des modules en un robot industriel, on peut obtenir une grande multiplicité de modèles pour des utilisations très diverses correspondantes. En particulier pour d'assez petits axes rotatifs et de translation derobot industriel, une autre configuration avantageuse de l'invention repré- sentée sur la figure 3 et particulièrement appropriée Dans ce cas, on utilise, comme élément de freinage, un manchon dilatable 20 à mise en action hydraulique, connu en lui-même. Le manchon 20 est sollicité, dans ce cas, par de l'huile sous pression, dans l'espace de pression 21 à l'intérieur de lui-même L'excitation se produit comme avec les freins à action axiale par une soupape correspondante Par la pression d'huile dans l'espace 21, le manchon dilatable s'élargit élastiquement et s'appui, par sa surface continue de frottement sur son enveloppe externe, sur la surface de frottement opposée du boîtier 22, donc une transmission sans jeu et par friction de moments élevésde freinage est rendue possible. Un tel manchon dilatable actionné par la pression peut aussi bien être utilisé pour des membres de robots industriels déplacés en rotation que pour un déplacement en translation. Enfin, on prévoit selon la figure 4 de confi- gurer partiellement le boîtier 27 d'un axe de robot industriel à mouvement rotatif ou de translation en tant que corps dilatable 25 Les éléments 25 et 27 sont bien reliés l'un à l'autre, par exemple au moyen de vis 30 Par introduction d'huile à une haute pression dans l'espace entre les surfaces de frottement du corps dilatable 25 et de l'organe mobile entraîné 26, on peut augmenter l'effet de frei- nage entre les éléments 25 et 26 L'étanchéification de l'espace entre les surfaces de frottement est effectuée par les étanchéités dynamiques 29 Pour obtenir une rapide accumulation de pression, on prévoit une rainure d'huile 28 de forme hélicoïdale entre les surfaces de frottement, qui représente environ 50 % de la surface de frottement et sollicite immédiatement par de l'huile sous pression de façon qu'il n'y ait plus à attendre une longue pénétration de l'huile sous pression dans l'espace de frottement. L'avantage particulier de cette solution pour d'assez petits axes de robot industriel, réside dans le fait que le frein décrit ici peut être excité 1 dans le cas d'une rigidité mécanique d'une force corres- pondante et d'un organe mobile entraîné configuré à une force suffisante 26, en étant dosé au moyen d'une soupape asservie sous pression de façon que ce frein puisse fonctionner, lorsque manque la pression, en tant que frein de blocage, pour une pression légère et moyenne, en tant que frein d'amortissement et lors d'une haute pression, en tant que frein desserré. Pour des utilisations déterminées du robot industriel ou IR, par exemple pour des fraises à positionnement continu, il est avantageux de ne laisser à l'état non-freiné que les axes du robot exécutant l'avance et de bloquer les autres axes de façon que des forces élevées de coupe puissent être absorbées par le robot C'est pourquoi les freins de blocage sont excités axialement de manière programmable. Les forces externes pouvant être imposées au robot industriel totalement bloqué proviennent en règle générale d'unités de fabrication ayant leur propre avance, comme cela est par exemple le cas dans des unités d'avance de perçage, des unités de soudage par points pour la soudure indirecte par points dans le cas de deux électrodes, la soudure directe par points avec une électrode contre un support en cuivre détachabledans des automatismes de perçage et de rivetage pour la construction aéronau- tique, des cylindres d'injection pour le montage. Par le blocage du robot industriel, la-plupart de ces utilisations deviennent possibles. La raideur atteinte atteint, dans un mode de réalisation du robot industriel ayant cinq axes, pour une force verticale,sur 2600 mm de distance du rayon, lmm/5000 N. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Unité formant bras d'actionnement multi- axial librement programmable, en particulier robot industriel, dans lequel chaque axe est pourvu de son entraînement et de son dispositif de freinage, carac- térisée en ce que chaque entraînement d'axe (Cl, Bl, B 2, B 3, C 2 et Ai) de l'unité formant bras d'action- nement est pourvu d'un frein de blocage fonctionnant sans jeu, à actionnement hydraulique et chacun de ces freins, à l'état actionné, fixe mutuellement directement, c'est-à-dire sans élément intermédiaire, en toute position, les éléments de bras mobiles axialement les uns par rapport aux autres lorsque les freins ne sont pas actionnés. 2. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que les entraînements des axes de ladite unité sont pourvus, en plus du frein de blocage, d'un frein d'arrêt actionné par ressort et à desserrage hydraulique. 3. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le frein d'arrêt actionné par ressort empêche le mouvement des éléments des bras de mise en action par suite de la pesanteur. 4. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que les freins de blocage à actionnement hydrau- lique fonctionnent avec des forces d'arrêt ou respecti- vement des moments d'arrêt qui dépassent les forces d'entraînement ou respectivement moments d'entraînement des axes d'entraînement, de plusieurs fois. 5. Unité selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisée en ce que les freins d'arrêt sont configurés, pour les axes rotatifs, comme des freins à disque avec surfaces de freinage annulaires continues. 6 Unité selon l'une quelconque des revendi - cations 2 ou 3, caractérisée en ce que les freins d'arrêt, dans le cas d'axes rotatifs et pouvant avoir un mouvement de translation, ont la forme de manchons dilatables avec surface cylindrique totalement continue. 7 Unité selon l'une quelconque des revendi- cations 2 ou 3, caractérisée en ce que le frein d'arrêt est configuré comme un corps dilatable, qui fait partie du carter du moteur d'entraînement. 8 Unité selon l'une quelconque des revendi- cations 1 ou 4, caractérisée en ce que les freins - de blocage dans le cas d'axes rotatifs, ont la forme de freins à disque avec des surfaces de freinage de forme annulaire continue. 9 Unité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 4, caractérisée en ce que les freins de blocage dans le cas d'axes rotatifs et pouvant avoir un mouvement de translation ont la forme de manchons dilatables avec une surface cylindrique continue de freinage. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les freins des axes rotatifs avec bout d'arbre double et sortie bilatérale sont disposés de manière à être symétriquesdes deux côtés. 11 Unité selon l'une quelconque des revendications 5 ou 8, caractérisée en ce que chaque frein présente plus d'un disque et ainsi plus de deux surfaces de frottement. 12 Unité selon l'une quelconque des revendications 8 ou 10, caractérisée en ce que le piston de freinage a la forme d'un disque circulaire fixé au bord interne (par exemple au rotor) et axialement élastique, qui présente une surface de frottement et qui transmet le moment de frottement, sans jeu, à l'élément librement mobile en rotation,lorsque le frein n'est pas actionné, par rapport au point de fixation. 13 Unité selon la revendication 8, caractérisée en ce que la partie élastique du piston est configurée de manière résistante à la pression, mais permet cependant un déplacement parallèle des surfaces de frottement. 14 Unité selon l'une quelconque des revendications 4 ou 8, caractérisée en ce que les disques peuvent être déplacés élastiquement en direction axiale pour pouvoir transmettre le moment de freinage sans jeu. 15 Unité selon l'une quelconque des revendications 8, 10 ou 11, caractérisée en ce que le disque de freinage>avec l'étrier de freinage l'entouranticontient une transmission en rotation de l'huile hydraulique de la pièce stationnaire à la pièce pivotante de l'axe rotatif du robot industriel sous la forme d'une rainure continue. 16 Unité selon l'une quelconque des revendications 8, 10 ou 11, caractérisée en ce que les disques de freinage, après blocage, absorbent une grande partie des forces de support, en parti- culier en direction radiale, de façon que le support soit déchargé, après blocage, des forces radiales importantes. 17 Unité selon la revendication 9, caractérisée en ce que les manchons dilatables sont élargis, à la mise en action, en tant que frein de blocage, par de l'huile hydraulique sous pression. 18 Unité selon la revendication 7, caractérisée en ce que le corps dilatable est formé par le carter du moteur d'entraînement et en entourantjen le freinantole rotor à l'état sans pression, par suite d'une surmesure et sert ainsi également de frein d'arrêt lors d'un manque d'énergie, mais cependant s'élargit lors d'une arrivée de pression dans l'espace entre le stator et le carter, de façon qu'alors le moteur d'entraînement soit freiné. 19 Unité selon l'une quelconque des revendications 4, 8, 9, 10, 11 ou 12 caractérisée en ce que les surfaces de frottement présentent un comportement de freinage sans glissement saccadé par une adaptation appropriée des surfaces de frottement et fonctionnement humide dans l'huile. Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle se compose de modules d'axe et de bras, les modules d'axe présentant les éléments qui suivent: boîtier avec entraînement de l'axe et support, système de mesure de déplacement, freins de blocage, freins d'arrêt, unités d'excitation (soupapes)pour l'entraînement de l'axe et les freins, passage des conduites d'énergie et de commande entre les points de raccordement du module d'axe, et installation de sécurité. 21 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur et la forme des bras de jonction: entre les modules d'axe et la combinaison des modules d'axe utilisés pour la construction de l'unité peuvent être choisis sur de large limite. 22 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les freins de blocage sont utilisés pour l'arrêt du mouvement rampant lorsqu' est atteinte la position de consigne de façon que ce processus ait le même effet que la rencontre avec une butée pour pouvoir éviter un dépassement au-delà de celui permis par la raideur mécanique du bras. 23 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les freins de blocage prennent part, pendant le processus de positionnement, par une excitation appropriée, à l'augmentation de l'amortissement par frottement déjà présent. 24 Unité selon la revendication 19, caractérisée en ce que l'excitation des freins est proportionnelle à la vitesse de mouvement de l'entraînement de l'axe. 25 Unité selon l'une quelconque des revendications 22 à 24, caractérisée en ce que les freins de blocage peuvent être excités par des soupapes à commutation rapide et en ce que le volume d'huile qui est amené pour la pression du frein est aussi faible que possible. 26 Unité selon l'une quelconque des revendications 22 à 24, caractérisée en ce que les freins de blocage peuvent être excités par des soupapes à asservissement sous pression. 27 Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie seulement de l'unité peut être bloquée de manière programmable tandis qu'avec l'un ou les autres axesjle fonctionnement continuepour tenir compte des forces importantes pendant le mouvement d'avance du robot, comme cela est possible avec les axes de robots industriels continuellement non bloqués. 28 Unité selon l'une quelconque des revendicatiors 17 ou 18, caractérisée en ce que dans l'espace de friction entre le corps dilatable et le stator est prévue une rainure d'huile de forme hélicoïdale, qui représente jusqu'à 50 % de la surface de frottement, pour pouvoir obtenir une réponse rapide du frein.