Brevet FR2553698A1 — publié le 19850426

La présente invention se rapporte à un porte-outil prévu pour être fixé à l'extrémité d'un robot commandant le déplacement d'un outil selon une trajectoire mémorisée L'invention concerne égale5 ment un procédé autoadaptatif de mise en oeuvre d'un tel porte-outil. Quelle que soit la tâche qu'ils ont à accomplir, la plupart des robots existants ont généralement pour fonction de faire suivre à un outil une 10 trajectoire connue et mémorisée, par exemple lors d'une opération d'apprentissage préalable A cette fonction principale s'ajoute parfois la nécessité de réaliser, au fur et à mesure du déplacement de l'outil le long de la trajectoire, une correction de la 15 trajectoire suivie par l'outil, pour tenir compte de certaines déformations des pièces, qui résultent le plus souvent de l'action même de l'outil sur ces pièces, ou pour tenir compte d'un mauvais positionnement des pièces; un procédé réalisant cette correction 20 sera appelé autoadaptatif Les déformations peuvent notamment résulter d'un échauffement des pièces par exemple lorsque le robot assure le soudage de deux pièces, ou d'une déformation mécanique des pièces lorsqu'il s'agit par exemple d'un robot de découpe ou 25 d'ébavurage. En pratique, le suivi de la trajectoire mémorisée est réalisé par le robot, alors que les corrections de trajectoire sont généralement obtenues en agissant directement sur un porte-outil disposant 30 d'un certain nombre de degrés de liberté et fixé à l'extrémité du robot La présente invention est indépendante du type de robot utilisé et se rapporte essentiellement au porte-outil servant à réaliser les corrections de trajectoire. Dans l'état actuel de la technique, il existe un certain nombre de porteoutils remplissant 2 2553698 cette fonction Afin d'illustrer les porte-outils existants, on citera notamment la demande de brevet français n 80 03152 déposée le 13 février 1980 par le Commissariat à l'Energie Atomique Ce document 5 montre notamment qu'un tel porte-outil doit assurer simultanément le supportage de l'outil et d'un système de détection généralement placé en avant de celuici par rapport à la trajectoire à suivre Quel que soit le principe de détection utilisé (palpeur méca10 nique, capteur unitaire ou matriciel à courants de Foucault, capteur optique à balayage laser, etc), le système de détection sert à repérer le décalage de l'outil par rapport à une discontinuité de surface ou à un profil à suivre et, éventuellement, le décalage 15 en hauteur de l'outil par rapport à une surface, afin d'asservir l'outil à corriger sa trajectoire. Dans la plupart des porte-outils existants, l'outil et le système de détection sont montés à l'extrémité du robot, de façon à disposer indépen20 damment l'un de l'autre d'un certain nombre de degrés de liberté Comme l'illustre notamment la demande de brevet français précédemment citée, cette caractéristique conduit à une certaine complexité dans la réalisation mécanique et dans la mise en oeuvre du 25 porte-outil De plus, si l'on tient compte du fait que les robots industriels habituellement utilisés sont généralement de capacité limitée en charge et que les zones de travail doivent être aussi accessibles que possible, on constate que la plupart des 30 porte-outils existants sont peu satisfaisants, notamment en raison de leur poids et de leur encombrement. La présente invention a précisément pour objet un porte-outil ne présentant pas les inconvé35 nients des porte-outils connus et remarquable à la 3 2553698 fois par une grande simplicité dans sa réalisation mécanique et dans sa mise en oeuvre ainsi que par sa légèreté et son encombrement réduit. A cet effet et conformément à l'invention, 5 il est proposé un porteoutil prévu pour être fixé à l'extrémité d'un robot apte à déplacer l'outil selon une trajectoire mémorisée et pour réaliser, à partir de la détection d'une ligne à suivre par l'outil, des corrections de la trajectoire de l'outil par rapport 10 à la trajectoire mémorisée, caractérisé en ce qu'il comprend un système de détection sensible à la position par rapport à la ligne à suivre et à l'orientation de la ligne à suivre, des moyens de translation pour déplacer un ensemble, constitué par l'outil et 15 par ce système de détection, selon une direction orthogonale au plan défini par ledit ensemble, de part et d'autre d'une position de référence, sous la commande du signal de position délivré par le système de détection et des moyens de rotation pour faire tour20 ner, sous la commande du signal d'orientation défini par le système de détection, ledit ensemble ainsi que les moyens de translation, autour d'un axe contenu dans ledit plan et passant par le centre actif de l'outil lorsque les moyens de translation sont dans 25 ladite position de référence. Dans cette définition de l'invention, l'expression "centre actif de l'outil" désigne le centre géométrique de la partie de l'outil agissant sur la pièce Ainsi, lorsque l'outil est une torche 30 de soudage, son centre actif est constitué par l'extrémité de l'électrode, alors que, lorsque l'outil est une meule, son centre actif est le centre de la surface de contact de celle-ci avec la pièce. Bien que le porte-outil selon l'invention 35 ait pour principale fonction d'asservir l'outil à 4 2553698 corriger transversalement sa trajectoire, notamment afin de suivre une discontinuité de surface ou un profil, il peut aussi servir à réaliser un asservissement en distance de l'outil par rapport à la 5 surface de la pièce Dans ce cas, le porte-outil selon l'invention comprend de plus des deuxièmes moyens de translation pour déplacer ledit ensemble parallèlement audit axe. Selon un mode de réalisation préféré de 10 l'invention, le système de détection comprend au moins un détecteur avant et un détecteur arrière, tous deux sensibles à la position par rapport à la ligne à suivre, auxquels sont associés des circuits d'asservissement indépendants commandant respective15 ment les moyens de rotation et les moyens de translation selon ladite direction orthogonale. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un tel porte-outil caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives sui20 vantes: enregistrement de ladite trajectoire mémorisée, lors d'une opération d'apprentissage au cours de laquelle lesdits moyens de translation et lesdits moyens de rotation sont bloqués et au cours de la25 quelle le robot permet d'aligner le système de détection sur le joint, détection lors de l'exécution d'une tâche à l'aide de l'outil, de l'orientation angulaire de l'ensemble constitué par l'outil et par le système de dé30 tection autour dudit axe de rotation, et du positionnement latéral dudit ensemble par rapport à une ligne à suivre, asservissement desdits moyens de rotation et desdits moyens de translation en fonction de l'orien35 tation angulaire et du positionnement latéral détectés, afin de faire suivre par l'outil ladite ligne. 2553698 On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective représentant de façon schématique un porte-outil pour procédé autoadaptatif de commande d'outil, réalisé conformément à l'invention, la figure 2 illustre schématiquement la 10 réalisation des circuits d'asservissement associés au mécanisme représenté sur la figure 1, et la figure 3 illustre les conditions d'utilisation du porte-outil représenté sur les figures 1 et 2 en fonction de la courbure de la trajec15 toire à suivre. On reconnaît sur la figure 1, l'extrémité d'un robot servant à commander le suivi d'une ligne 12 par un outil 14 La ligne 12 peut notamment être constituée par une discontinuité de surface 20 telle qu'un joint formé entre deux t 8 les, un profil à suivre, etc Il est rappelé que le robot 10 ne fait pas partie de la présente invention et peut être constitué par tout robot connu tel qu'un bras articulé ou 25 qu'un système dans lequel les différents degrés de liberté sont découplés les uns par rapport aux autres. Sur la figure 1, on a représenté l'outil 14 sous la forme d'une torche de soudage, mais il est 30 clair que l'invention n'est pas limitée à ce type d'outil et peut aussi être utilisée par exemple dans un robot d'encollage, de découpe ou d'ébavurage. Afin de pouvoir détecter à tout instant un écart éventuel entre la ligne 12 que l'outil devrait 35 suivre pour exécuter sa tâche et la trajectoire mémo- 6 2553698 risée suivie par l'extrémité 10 du robot, et donc par l'outil à défaut de toute correction de trajectoire, il est prévu un système de détection 16 Conformément à l'invention, ce système de détection 16 est fixé 5 rigidement sur l'outil 14 et placé en avant de celuici par rapport au sens de déplacement de l'outil le long de sa trajectoire. Conformément à l'invention, il est rappelé que le système de détection 16 peut être constitué 10 par tout système de détection connu apte à délivrer un signal représentatif d'un écart de positionnement, d'orientation et éventuellement de hauteur par rapport à la ligne à suivre Dans cet esprit, on peut utiliser tout système de détection connu tel que des 15 palpeurs mécaniques, des capteurs unitaires ou matriciels à courants de Foucault, ou encore des capteurs optiques à balayage laser. Conformément à l'invention et comme l'illustre plus particulièrement la figure 1, l'ensemble 20 ou tête de travail 15 constitué par l'outil 14 et par le système de détection 16 est monté à l'extrémité du robot 10 par l'intermédiaire d'un porte-outil 18 conférant à cet ensemble deux degrés de liberté On verra ultérieurement en se référant à la figure 2 que 25 les signaux délivrés par le système de détection 16 sont utilisés pour asservir la tête de travail 15 à suivre la ligne 12 en agissant sur les deux degrés de liberté définis par le porte-outil 18. Le porte-outil 18 comprend tout d'abord une 30 platine 20 fixée à l'extrémité du robot 10 et supportant à son extrémité un arbre vertical 22, par l'intermédiaire d'une articulation 24 permettant à l'arbre 22 de tourner d'un angle e autour de son axe propre xx' L'articulation 24 définit ainsi un pre35 mier degré de liberté de rotation e autour de l'axe xx' pour la tête de travail 15. Il est à noter que, si l'axe de rotation xx' est vertical sur la figure 1, cela n'est évidemment pas limitatif En effet, l'orientation de l'axe xx' est essentiellement déterminée par l'orientation 5 de l'extrémité du robot 10, qui dépend elle-même de l'orientation de la surface de la pièce sur laquelle on doit exécuter la tâche En pratique, l'axe xx' doit seulement être relativement proche de la normale à la surface. En se reportant à nouveau à la figure 1, on voit que l'arbre 22 est solidaire à son extrémité inférieure d'une tige de guidage 25, de préférence orthogonale à l'axe xx', c'est-à-dire sensiblement horizontale dans le cas de la figure 1 Une platine 15 26 portant l'outil 14 et le système de détection 16 coulisse le long de la tige 25 par l'intermédiaire de moyens de guidage en translation 28, de façon à définir le deuxième degré de liberté du porte-outil 18. Ce deuxième degré de liberté consiste donc en une 20 translation T selon une direction yy' orthogonale à l'axe xx' Comme l'illustre la figure 1, il est à noter que la direction yy' de la translation T est orientée de préférence à l'aide du robot 10 et/ou du porte-outil, de telle sorte qu'elle soit sensiblement 25 orthogonale à la partie de la ligne 12 qui se trouve en face de l'outil et du système de détection. Sur la figure 1, on a représenté la platine 26 dans sa position de référence correspondant au milieu de la course autorisée par les moyens de guidage 30 en translation 28 Dans cette position, on observera que l'axe de rotation xx' passe par le centre actif A de l'outil 14 Lorsque cet outil est constitué par une torche de soudage comme on l'a représenté, le centre actif A est l'extrémité de l'électrode de la 35 torche. Comme on le voit sur la figure 1, un moteur Me est associé à l'articulation 24 afin de commander la rotation autour de l'axe xx' de l'arbre 22 et de l'ensemble des pièces qu'il supporte, par rapport à 5 la platine 20 De façon comparable, un moteur MT est associé aux moyens de guidage 28 afin de commander la translation T de la platine 26 et de la tête de travail 15 qu'elle supporte, dans l'un ou l'autre sens selon la direction yy'. On a représenté schématiquement sur la figure 2 les circuits d'asservissement servant à commander les moteurs Me et MT à partir des signaux délivrés par le système de détection 16 De façon plus précise, la figure 2 se rapporte à un mode de réali15 sation préféré de l'invention dans lequel le système de détection 16 comprend deux détecteurs de position servant à commander par l'intermédiaire de deux circuits d'asservissement séparés respectivement le moteur Me et le moteur MT. Ainsi, on voit sur la figure 2 que le détecteur 16 se compose d'un premier détecteur D 1, placé à l'avant par rapport au déplacement de la tête de travail 15 le long de sa trajectoire et d'un second détecteur D 2 placé entre le détecteur D 1 et l'outil 25 14 Comme on le verra ultérieurement, les extrémités des détecteurs D 1 et D 2 ainsi que le centre actif A de l'outil 14 sont alignés et aussi proches que possible. Les signaux délivrés par le détecteur D 1 30 sont transmis à un circuit de traitement associé T Se qui délivre un signal représentatif du décalage latéral instantané du détecteur D 1 par rapport à la ligne 12 autour de l'axe de rotation xx' Ce signal est comparé dans un additionneur Ce à un signal de réfé35 rence REF 1 généralement nul, correspondant à la va- 9 2553698 leur souhaitée de cette position angulaire Un signal d'erreur est émis par l'additionneur ce s'il existe un décalage angulaire entre la position réelle du détecteur D 1 et sa position théorique Ce signal est 5 amplifié dans un amplificateur AG, puis transmis au moteur Me afin de réaliser la correction L Ae souhaitée de l'orientation e. De la même manière, le signal délivré par le détecteur-D 2 est traité dans un circuit de traite10 ment approprié TST, avant d'être comparé dans un additionneur CT à un signal de référence nul L'existence d'un décalage dans la direction yy' entre la position réelle du détecteur D 2 et sa position théorique sur la ligne 12 conduit à l'émission par l'ad15 ditionneur CT d'un signal d'erreur servant à commander le moteur MT après qu'il ait été amplifié dans l'amplificateur AT Une correction de trajectoire AT dans le sens de la translation T est ainsi automatiquement réalisée. Les traits discontinus sur la figure 2 symbolisent la liaison mécanique existant entre le système de détection 16 et les moteurs Me et MT. Il est à noter que les circuits de traitement T Se et TST qui sont associés respectivement aux 25 détecteurs D 1 et D 2 varient selon le type de détecteur utilisé et sont constitués par des circuits bien connus pour chaque type de détecteur Ils ne seront donc pas décrits ici en détail. La figure 3 montre dans sa partie supérieu30 re que, lorsque la ligne 12 est rectiligne ou sensiblement rectiligne, le double asservissement réalisé à l'aide du schéma de la figure 2 permet, au cours du soudage, de maintenir les deux détecteurs Dl et D 2 en vis-à-vis de la ligne à suivre et, en conséquence, le 35 centre actif A de l'outil également en vis-àvis de cette ligne puisque A, D 1 et D 2 sont alignés comme on l'a mentionné précédemment. Toutefois, la figure 3 fait apparaître dans sa partie inférieure qu'il existe un rayon de courbu5 re limite de la trajectoire 12 à partir duquel l'outil 14 n'est plus positionné avec assez de précision sur celle-ci Dans la pratique, cette limite est fonction de la distance séparant le centre actif A et les détecteurs D 1 et D 2 et de la précision requise 10 pour le procédé considéré. A titre d'exemple, dans un robot de soudage réalisé conformément à l'invention et dans lequel la distance A-D 2 serait de 1,5 cm et la distance A-D 1 de 2,5 cm, il est possible de souder des pièces selon 15 des lignes de soudure ayant des rayons de courbure pouvant aller jusqu'à 10 cm. On décrira ci-après, un exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas o la trajectoire à suivre est mémorisée initialement par un apprentis20 sage. Au cours d'une opération d'apprentissage destinée à mémoriser la trajectoire à suivre par l'extrémité du robot 10 lors de l'exécution ultérieure de la tâche, la platine 26 supportant la tête de 25 travail 15 est maintenue dans sa position centrale de référence représentée sur la figure 1 Le rotor du moteur M 8 est également maintenu en position de référence On maintient en permanence l'outil 14 et le système de détection 16 en vis-à-vis de la ligne de 30 discontinuité 12 au moyen du robot 10 Cette orientation angulaire du porte-outil peut être réalisée sans trop de précision car elle est destinée à assurer que le système de détection sera placé dans sa zone de travail lors de l'exécution de la tâche De plus, 35 elle permet dans certaines applications d'orienter il correctement un dispositif associé à l'outil tel qu'un système d'alimentation en métal d'apport dans un robot de soudage. Lors de l'exécution de la tâche, les deux 5 détecteurs D 1 et D 2 délivrent des signaux représentatifs après traitement, de l'écart angulaire instantané e et de l'écart latéral instantané T entre la trajectoire suivie par la tête de travail 15 et la ligne à suivre Les circuits d'asservissement décrits en se 10 référant à la figure 2 agissent sur les moteurs MG et MT pour effectuer les corrections de trajectoire correspondantes. Lors de l'exécution de la tâche il est également possible de faire une recherche de la ligne à 15 suivre en début de trajet par action sur e (par le robot 10, ou par le porte-outil), afin de caler le capteur sur le joint. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à 20 titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, on remarquera qu'il est possible d'adjoindre au porteoutil 18 selon l'invention un troisième degré de liberté permettant de réaliser automatiquement un positionnement en hauteur de l'outil 25 14 En pratique, ce degré de liberté pourraît être obtenu en réalisant l'arbre 22 ou la platine 26 en deux parties reliées entre elles par des moyens de guidage en translation du type des moyens 28, autorisant un déplacement relatif entre ces deux parties 30 selon une direction parallèle ou sensiblement parallèle à l'axe de pivotement xx' Le mouvement de translation ainsi permis serait alors commandé par un troisième moteur dont l'asservissement peut être obtenu à l'aide d'un troisième détecteur et d'un 35 troisième circuit d'asservissement du type des deux circuits qui ont été décrits précédemment en se référant à la figure 2. Par ailleurs, au lieu d'utiliser deux détecteurs de position D 1 et D 2, on peut utiliser un 5 détecteur de position, et un détecteur d'orientation; ce dernier peut être par exemple un capteur optique sensible à l'image de la ligne à suivre, qui asservit la rotation e de telle manière que l'axe de translation T soit perpendiculaire à la tangente à la 10 ligne au point de détection, tandis que le détecteur de position asservit la translation T de manière à caler ce dernier sur la ligne. Enfin, le système de détection peut être disposé en arrière de l'outil et non en avant. 13 2553698 REVENDICATIONS 1 Porte-outil ( 18) prévu pour être fixé à l'extrémité d'un robot apte à déplacer un outil ( 14) selon une trajectoire mémorisée et à réaliser, à par5 tir de la détection d'une ligne à suivre par l'outil, des corrections de trajectoire de l'outil par rapport à la trajectoire mémorisée, caractérisé en ce qu'il comprend un système de détection sensible à la position par rapport à la ligne à suivre et à l'orienta10 tion de la ligne à suivre, des moyens de translation (MT, 28) pour déplacer un ensemble ( 15), constitué par l'outil ( 14) et-par ce système de détection ( 16), selon une direction (yy') orthogonale au plan défini par ledit ensemble, de part et d'autre d'une position 15 de référence sous la commande du signal de position délivré par le système de détection, et des moyens de rotation (Me, 24) pour faire tourner, sous la commande du signal d'orientation délivré par le système de détection, ledit ensemble ( 15) ainsi que les moyens 20 de translation (MT, 28), autour d'un axe (xx') contenu dans ledit plan et passant par le centre actif (A) de l'outil ( 14), lorsque les moyens de translation ( 28) sont dans ladite position de référence. 2 Porte-outil selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce qu'il comprend de plus des deuxièmes moyens de translation pour déplacer ledit ensemble parallèlement audit axe. 3 Porte-outil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le sys30 tème de détection ( 16) comprend au moins un détecteur avant (Dl) et un détecteur arrière (D 2) auxquels sont associés des circuits d'asservissement indépendants (Ce, CT) commandant respectivement les moyens de rotation (Me, 24) et les moyens de translation (MT, 28) 35 selon ladite direction orthogonale (yy'). 4 Procédé de mise en oeuvre d'un porteoutil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: enregistrement de ladite trajectoire mémorisée, lors d'une opération d'apprentissage au cours de laquelle lesdits moyens de translation (MT, 28) et lesdits moyens de rotation (Me, 24) sont bloqués et au cours de laquelle le robot permet d'aligner le 10 système de détection ( 16) sur le joint, détection lors de l'exécution d'une tâche à l'aide de l'outil ( 14), de l'orientation angulaire (e) de l'ensemble ( 15) constitué par l'outil et par le système de détection autour dudit axe de rotation 15 (xx') et du positionnement latéral (T) dudit ensemble par rapport à une ligne ( 12) à suivre, asservissement desdits moyens de rotation (ME) et desdits moyens de translation (MT) en fonction de l'orientation angulaire et du positionnement laté20 ral détectés, afin de faire suivre par l'outil ladite ligne ( 12).