Brevet FR2571289A1 — publié le 19860411

Dispositif d'orientation pour outil. La présente invention concerne un dispositif d'orientation pour un outil ou un instrument dont la tête de travail doit pivoter autour d'un axe de rotation virtuel non accessible. L'invention s'applique à l'orientation d'outils d'usinage, tels que des têtes de fraisage, ou d'outils de nappage de tissus composites, ainsi qu'à l'orientation d'instruments de contrôle ou de visualisation. Le dispositif suivant l'invention peut constituer l'élément terminal de robots industriels, tels que ceux à 4 ou 5 axes de liberté. Dans de nombreux cas, pour des raisons d'encombrement ou d'utilisation, l'axe de rotation autour duquel devrait pivoter la tête de travail d'un outil ou d'un instrument ne peut être employé physiquement et on doit créer un axe de pivotement virtuel. Une solution connue consiste à faire porter l'instrument par un ou deux rails courbes, centrés sur l'axe de pivotement souhaité. Mais cette solution nécessite une commande onéreuse et complexe de la rotation (généralement par secteur denté), ainsi qu'un guidage difficile à réaliser si l'on recherche une bonne précision. Enfin, la rigidité des systèmes à rails circulaires est souvent insuffisante et leur encombrement excessif. Une autre solution connue consiste à déporter l'instrument ou l'outil utilisé selon un axe parallèle au pivot, mais il est alors difficile d'avoir une bonne rigidité, ou bien suivant le rayon, mais on est alors obligé d'employer des mouvements correcteurs ou translations, qui doivent être calculés à chaque instant, pour que la tête de travail pivote réellement d'un mouvement circulaire autour d'un axe fixe. Ces corrections doivent être effectuées par de puissants calculateurs, ce qui pénalise la simplicité de la programmation et le temps d'échantillonnage du contrôle numérique des axes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre, au moyen d'un dispositif simple et rigide, la rotation d'un outil ou instrument dont la tête de travail doit pivoter autour d'un axe de rotation non accessible physiquement, de part et d'autre d'une position moyenne de référence dudit instrument. L'invention a pour objet un dispositif qui comprend : trois bielles articulées formant un quadrilatère déformable ; deux de ces bielles étant articulées par une de leurs extrémités respectivement sur des pivots écartés d'une distance D et portés par un bâti ; la troisième bielle ayant une longueur d plus courte que la distance D et étant articulée par ses deux extrémités aux extrémités libres des deux autres bielles ; et ledit instrument étant porté par ladite troisième bielle de façon que sa tête de travail, dans ladite position de référence, soit située à l'intersection du prolongement des deux premières bielles. Suivant cette disposition, au moins pour les petits angles, le point de pivotement fictif reste fixe au cours de la rotation de la troisième bielle et de l'instrument qu'elle porte. Pour commander la rotation d'ensemble du dispositif, il suffit de commander la rotation de l'une des deux premières bielles autour de son point d'articulation sur le bâti. Dans une forme préférée de réalisation, les deux premières bielles ont la même longueur. Avantageusement, la longueur d de la troisième bielle est la moitié de la distance D précitée. Dans ce cas, les déplacements angulaires de la-bielle commandée (la première ou la deuxième bielle) sont identiques à la rotation effective de la troisième bielle, c'est-àdire aux changements d'orientation de l'instrument porté par cette troisième bielle. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue d'un mode de réalisation préféré de l'invention, avec l'instrument en position de référence. La figure 2 est une vue schématique du même dispositif pour la position de référence et pour une position angulaire écartée de cette position de référ#ence. La figure 3 est une courbe montrant le déplacement latéral du point de pivotement fictif pour divers angles de rotation de bielles. La figure 4 est une courbe de déplacements latéraux et axiaux du point de pivotement fictif. La figure 5 est une vue d'un dispositif suivant l'invention pour l'orientation d'un instrument avec 2 degrés de liberté en rotation. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend trois bielles de grande rigidité 1, 2, 3. Les extrémités 4 et 5 des bielles 1 et 2 sont articulées sur des pivots 6, 7 portés par des chapes 8, 9 solidaires d'un bâti 10, par exemple le chariot d'une machine-outil. Les pivots 6 et 7 sont écartés d'une distance D sur le bâti. La bielle 3 est articulée par ses extrémités 11, 12 sur des pivots 13, 14 portés par les extrémités libres 15, 16 des bielles 1, 2, la bielle 3 ayant une longueur d, entre les pivots 13, 14, plus courte que la distance D. Les trois bielles forment, avec la base 6, 7 solidaire du bâti 10, un quadrilatère déformable dans lequel les prolongements 17, 18 des axes des bielles 1, 2 se coupent en un point 19 dans la position de référence représentée. Un moyen de commande, tel qu'un moteur d'asservissement de position 20, entrainant un réducteur 21 permet de faire pivoter la bielle 1 autour du pivot 6, de part et d'autre de la position moyenne de référence représentée sur la figure 1. L'instrument 22 à orienter (tel qu'un dispositif de contrôle, de visualisation, d'usinage ou de nappage de fibres composites)est fixé à la bielle 3, de façon que la partie active de sa tête de travail 23 soit située au point precité 19. Ce point 19 constitue le point de pivotement fictif autour duquel on veut orienter l'instrument 22. Pour des angles de pivotement faibles de la bielle 1, on obtient un mouvement de rotation parfait de la bielle 3 (et par conséquent de l'instrument 22) autour du point de pivotement fictif 19 qui constitue, dans la position de référence, le centre instantané de rotation de la bielle 3. Le dispositif suivant l'invention permet donc de loger au #oint précis souhaité l'instrument 22, l'espace entre le point virtuel 19 et la bielle 3 étant entièrement libre et disponible. Pour des angles de pivotement faibles, cet ensemble se comporte exactement comme un guidage circulaire par rails courbes, sans en présenter les inconvénients. Les bielles 1, 2 et 3 peuvent avoir des longueurs quelconques, du moment que d De préférence, les bielles 1 et 2 sont de même longueur et, de préférence encore, les distances 13, 19 (et 14, 19) sont égales à la longueur des bielles 1 et 2, comme il est représenté sur la figure 1, c'est-à-dire que d = 1/2 D. On a représenté schématiquement sur la figure 2, en traits pleins, le dispositif dans la position de référence (comme sur la figure 1) et, en traits interrompus, le dispositif après un pivotement d'un petit angle a, par exemple environ 50. Si les bielles ont les longueurs indiquées ci-dessus, pour un faible angle de pivotement a de la bielle 1 (commandée par le moto-réducteur 20, 21) de part et d'autre de la position de référence, la bielle 3 pivote également d'un angle a (position 3') autour du pivot fictif 19, c'est-à-dire que l'instrument 22, 23 pivote également d'un angle a (position 22', 23') autour du point 19. La courbe de la figure 3 montre, en abscisses, les angles de rotation a en degrés de la bielle 3 et, en ordonnées, le déplacement latéral correspondant (suivant la direction X indiquée sur la figure2~) du pivot fictif 19. Comme on l'a vu ci-dessus, au voisinage de la position de référence, le centre instantané de rotation de la bielle 3 est sensiblement confondu avec le point fictif de pivotement 19. La figure 4 montre la courbe de déplacement latéral en fonction du déplacement axial du pivot fictif. La trajectoire du pivot fictif présente un point de rebroussement au point théorique 0 de pivotement. Ceci signifie que ce point est stable au troisième ordre près et que la rigidité de l'ensemble des trois bielles face à un effort parallèle à la ligne 6-7 est théoriquement infinie. Ceci est particulièrement avantageux sur des machines-outils, telles que des fraiseuses à 4 ou 5 axes, où il est nécessaire d'avoir une grande rigidité dans la position de référence, pour effectuer les ébauches des pièces. D'autre part, dans le sens axial, la rigidité est également infinie. La rotation de la bielle commandée (par exemple la bielle 1 actionnée par le moto-réducteur 20, 21) peut être contrôlée par copiage ou par commande numérique disposant de correction des erreurs pour les angles de rotation importants. Il est enfin possible de combiner deux dispositifs d'orientation conformes à l'invention pour réaliser un système à 2 degrés de liberté en rotation. Un tel système a été représenté schématiquement sur la figure 5 et comprend tout d'abord les bielles 1, 2, 3 identiques à celles précédemment décrites, le pivotement de la bielle 1 autour de l'axe 6 étant commandé par le réducteur 21, mais cette bielle 1 ayant également une liberté de basculement, grâce à une fourche 24 articulée sur l'axe 6. De même, la bielle 2, qui pivote autour de l'axe 7 précité peut également basculer, grâce à une fourche 25, autour d'un deuxième axe 26, sur la commande d'un deuxième moto-réducteur 22'. En un point fixe 27, solidaire du bâti 10 (non représenté sur la figure 5) et aligné sur un axe 28 perpendiculaire à l'axe 26, est articulée une quatrième bielle 29 dont l'extrémité 30 est reliée par une cinquième bielle 31 à l'extrémité 14 de la bielle 2. On constitue ainsi deux dispositifs d'orientation à trois bielles analogues à celui de la figure 1. Le premier dispositif comprend les bielles 1, 2, 3, le deuxième dispositif comprend les bielles 2, 29, 31, les deux dispositifs étant situés dans deux plans perpendiculaires. Les deux bielles 3 et 31 sont triangulées par une barre 32 pour constituer une plate forme 33 sur laquelle est fixé l'instrument ou outil 22 dont l'ex- trémité de la tête de travail 23 sera située au point 19, pivot fictif de l'ensemble du système articulé, qui se trouve au point de rencontre du prolongement des trois bielles 1, 2 et 29. On établit ainsi un système à deux degrés de liberté en rotation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de rotation d'un instrument dont la tête de travail doit pivoter autour d'un axe de rotation virtuel non accessible, de part et d'autre d'une position moyenne de référence dudit instrument, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend trois bielles articulées formant un quadrilatère déformable ; deux de ces bielles (1, 2) étant articu lées par une de leurs extrémités (4, 5) respectivement sur des pivots (6, 7) écartés d'une distance D et portés par un bâti (10) ; la troisième bielle (3) ayant une longueur d plus courte que la distance D et étant articulée par ses deux extrémités (11, 12) aux extrémités libres (15, 16) des deux autres bielles (1, 2) ; et ledit instrument (22) étant porté par ladite troisième bielle de façon que sa tête de travail (23), dans ladite position de référence, soit située à l'intersection (19) du prolongement des deux premières bielles constituant ledit axe de rotation virtuel. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les bielles (1 et 2) ont la même longueur. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur d de la troisième bielle (3) est la moitié de la distance D précitée. 4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens moteurs (20, 21) commandent le pivotement de l'une des bielles (1 ou 2). 5. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus, une quatrième bielle (29) articulée en un point (27) solidaire du bâti (10) et une cinquième bielle (31, 32) articulée, d'une part, à l'extrémité (30) de la quatrième bielle (29) et, d'autre part, à l'extrémité (14, 13) de l'une au moins des deux premières bielles (2, 1) ; en ce que, dans la position de référence, les prolongements des trois bielles (1, 2, 29) se coupent en un même point (19) constituant le centre de rotation virtuel ; et en ce que l'instrument à orienter (22) est porté par l'ensemble des bielles (3, 31, 32).