Brevet FR2573867A1 — publié le 19860530

La présente invention concerne un dispositif de mesure du couple au frein en rotation exercé entre un élément rotatif d'entraînement et un élément rotatif entraîné. Pour mesurer le couple existant entre deux éléments, par exemple un moteur et sa charge, on utilise souvent des jauges de contrainte en ramenant l'effort sur un point fixe. Or, l'exploitation des jauges de contrainte est toujours une opération délicate et coûteuse, car l'utilisation prolongée de ces éléments conduit à refaire fréquemment un calage a zéro. Le zéro évolue, en effet, en fonction de la température et de la déformation permanente des jauges. I1 en résulte que la compensation de ces parametres variables occasionne un coût de mise en oeuvre et entretien élevés sur ce type de systemes. Par ailleurs, on peut remarqus que, si la mesure par rapport à un point fixe est facile à réaliser avec des jauges de contrainte, il est, en revanche, beaucoup plus délicat de faire une mesure dans un élément en rotation. La présente invention a, précisément, pour objet de permettre la mesure d'un couple exercé entre deux éléments, que ceuxci soient fixes ou en rotation, d'une maniere à la fois commode, simple et peu coûteuse, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une jauge de contrainte. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif de mesure de couple qui, conformément a l'invention, comprend au moins une lame élastique en torsion montée entre un arbre d'entrée, solidaire de l'élément rotatif d'entraînement, et un arbre de sortie, solidaire de l'élément rotatif entraîné, un premier organe de repérage solidaire de l'arbre d'entrée, un second organe de repérage solidaire de l'arbre de sortie et des moyens de détection de la différence de position angulaire des premier et second organes de repérage. Selon un mode de réalisation particulierement avantageux, le premier organe de repérage est constitué par un premier disque muni de reperes opaques, alternant avec des reperes transparents, le second organe de repérage est constitué par un second disque, placé en regard du premier disque et muni de reperes opaques et de reperes transparents alternés, dans sa partie située en regard des reperes du premier disque, et les moyens de détection de la différence de position en rotation des premier et second disques coaxiaux aux arbres d'entrée et de sortie comprennent une source de lumiere disposée d'un côté des deux disques, un récepteur de lumiere disposé du côté opposé des deux disques et des moyens électroniques de mesure des variations de transmission de lumiere à travers l'ensemble desdits premier et second disques. Selon une caractéristique particulière et afin de faciliter la prise en compte des variations d'une valeur moyenne de transmission de lumiere, des éléments translucides sont interposés entre la source de lumiere et le premier disque, d'une part, et entre le second disque et le récepteur de lumiere, d'autre part. De préférence, les repères opaques et transparents des premier et second disques sont identiques et répartis régulierement sur des zones annulaires placées en regard l'une de l'autre, de telle sorte que les repères opaques de chacun des disques représentent une surface équivalente à celle des reperes transparents de chacun des disques. La source de lumiere et le récepteur de lumière sont fixes et peuvent être disposés en regard de la moitié desdites zones annulaires des premier et second disques. Selon une caractéristique avantageuse, qui permet de prendre effectivement en compte des variations de couple dans un sens ou dans l'autre, on réalise le dispositif, de telle manière que, pour la position d'équilibre correspondant à un couple nul, les premier et second disques soient disposés l'un par rapport à l'autre avec un décalage angulaire correspondant à la moitié de la largeur d'un repere opaque. Pour certaines applications, des moyens de butée peuvent être prévus, afin de limiter le déplacement angulaire entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie, à une valeur inférieure à la -limite de déformation de la lame élastique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels.: - la fig. 1 représente une vue schématique, en coupe axiale, d'un dispositif de mesure de couple selon l'invention, - la fig. 2 représente un mode particulier de réalisation de la dé tection de déplacement angulaire dans le dispositif de la fig. 1, - la fig. 3 représente, vu de face, un disque muni de repères alter nés opaques et transparents, - la fig. 4 représente un index permettant de limiter l'écart angu laire entre les arbres d'entrée et de sortie de la fig. 1, - les fig. 5, 6 et 7 montrent trois positions relatives possibles pour les disques de repérage de la fig. 2, - la fig. 8 représente le schéma électrique de traitement des signaux du dispositif de détection de la fig. 2, et - les fig. 9 à 14 représentent diverses applications possibles du dispositif de mesure de couple selon llinvention. On voit sur la fig. 1 le schéma d'un dispositif de mesure selon l'invention qui comprend un carter 7 monté sur un support 6, un premier arbre d'entrée I monte dans le carter 7 à l'aide de roulements 8, 9, un second arbre de sortie 2. monté dans le carter 7 l'aide de roulements 10, 11 et une lame de torsion 3 rendant solidaires l'un de l'autre l'arbre d'entrée 1 et l'arbre de sortie 2 et montée axialement par rapport a ces deux arbres coaxiaux 1, 2 aux extrémités 4, 5 de ceux-ci. La lame de torsion 3 peut être, par exemple, une lame de ressort en acier et présente une largeur et une épaisseur qui sont fonction de la gamme de mesure de couple qui est envisagée. Des premier et second disques de repérage 14, 15 sont montés en regard l'un de l'autre et sont solidaires, respectivement, du premier arbre d'entrée I et du deuxième arbre de sortie 2, en étant coaxiaux à ces derniers. Le premier arbre d'entrée I est prolongé par une fourche 12 a l'extrémité de laquelle est monté le disque de repérage 14. Un index 13, solidaire de l'arbre de sortie 2, constitue des moyens de butée coopérant avec 11 extrémité de la fourche 12. Comme on peut le voir sur la fig. 4, l'index 13 peut être constitué-par une plaque rapportée à l'extrémité de l'arbre de sortie 2 et munie d'une lumière 27 à l'intérieur de laquelle est engagée une.extrémité de la fourche 12. Comme on peut le voir sur la fig. 1, la fourche 12, coopérant avec l'index 13 et le disque de repérage 14, peut d'ailleurs présenter, au niveau de son raccordement à l'extrémité de l'arbre d'entrée 1, une forme de bague annulaire coopérant avec le palier 9. Sur la fig.. -1, les blocs 16 et 17 représentent, de façon schématique, les moyens de détection de la différence de position angulaire des premier et second organes de repérage 14, 15. Les organes de repérage, schématisés par les disques 14, 15, sur la -fig. 1 et les moyens de detection 16, 17 visent à donner une information électrique proportionnelle au couple exercé entre l'arbre d'entrée 1 et l'arbre de sortie 2 et indépendante de la vitesse de rotation des arbres 1 et 2. La présence d'une lame élastique, conme élelent:-.-. de transmission du couple de l'arbre d'entrée 1 vers l'arbre de sortie 2, permet la création d'un déphasage angulaire entre les arbres 1 et 2. En effet, la déformation en hélice de la lame 3 sera plus ou moins importante selon le couple transmis. Les caractéristiques de la lame (épaisseur, largeur) étant connues, il est possible d'établir une relation entre le couple transmis et le déphasage angulaire entre les arbres 1 et 2, qui est mesuré et traduit en grandeur électrique proportionnelle par l'ensemble 14, 15, 16, 17. La présence d'un index ltqui limite ledéphasage angulaire des arbres 1 et 2 permet de limiter la déformation de la lame 3 à une valeur déterminée, par exemple plus ou moins 5 , afin de rester tres éloigné du point de déformation permanente de cétte lame. Naturellement, la présence d'une butée 13 n'est pas indispensable et, pour certaines applications la rupture accidentelle de la lame 3, en cas de dépassement d'un couple prédéterminé correspondant à la rupture de cette lame, peut être considérée comme un élément de sécurité. La mesure du déphasage entre les arbres 1 et 2 peut s'effectuer de plusieurs façons et faire appel, notamment, à des moyens de repérage de type magnétique, résistif ou optique. Les fig. 2, 3 et 5 à 8 représentent des moyens de détection du déphasage angulaire entre les arbres 1 et 2 qui sont du type optique, sont faciles à mettre en oeuvre avec un coût relativement réduit et présentent une linéarité indépendante de la vitesse de rotation. Le dispositif de mesure du déphasage angulaire entre les arbres 1, 2, représenté sur la fig. 2, comprend, essentiellement, une source de lumiere 18 émettant un rayonnement qui est projeté, par l'intermédiaire d'un verre dépoli 2Ù, sur une demi-circonférence des disques 14 et 15 situés en regard l'un de l'autre, perpendiculairement aux axes des arbres 1 et 2 et respectivement solidaires de ces derniers. La quantité de lumiere qui a traversé les disques 14 et 15 est répartie, par l'intermédiaire d'un second verre dépoli 21, sur un récepteur de lumiere 19 qui peut être constitué, par exemple, par un phototransistor. L'émetteur de lumiere 18 et le récepteur de lumiere 19 sont fixes et situés de part et d'autre de l'ensemble des deux disques 14 et 15. Les disques 14 et 15 sont, de préférence, identiques et réalisés de la maniere représentée sur la fig. 3, c'est-à-dire que chaque disque 14, 15 est transparent et porte, à sa périphérie sur une zone annulaire, une série de raies noires 141, 151 qui couvrent la moitié de la zone annulaire et alternent avec des zones transparentes 142, 152, de mêmes dimensions que les zones opaques 141, 151. L'ensemble d'une zone annulaire d'un disque 14 ou 15, située en regard de l'émetteur de lumiere 18 et du récepteur de lumiere 19, est ainsi composée pour moitié de reperes opaques 141, 151 et pour moitié de reperes transparents 142, 152. Comme on peut le voir sur la fig. 5, pour une position d'équilibre correspondant à un couple nul exercé entre les arbres 1 et 2, c'est-à-dire pour une absence de torsion de la lame 3, les disques 14 et 15 sont positionnés de telle manière que les repères opaques 141, 151 des disques 14 et 15 sont décalés angulairement de la demi-largeur d'un repère. Ceci constitue un moyen simple de déterminer le sens dans lequel est exercé un couple entre les arbres 1 et 2.Ainsi, comme on peut le voir sur la fig. 6, lorsqu'il y a absence de chevauchement des repères opaques 141, 151 des deux disques 14 et 15, on obtient une absence totale de transmission de lu mière à travers les disques 14 et 15, ce qui correspond à un couple maximal exercé dans un sens, inversement, comme représenté sur la fig. 7, lorsqu'il y a superposition totale des repères opaques 141 et 151 des disques 14 et 15, on obtient une transmission de lumiere maximale entre l'ensemble émetteur de lumière 16 et ensemble récepteur de lumière 17 et cette transmission maximale de lumière correspond à un couple maximal exercé dans l'autre sens. Si l'on considère maintenant la fig. 8, on voit ltensemr ble du dispositif optique de mesure du déphasage angulaire entre les arbres 1 et 2. Le générateur de lumière 16, disposé d'un côté de l'ensemble des disques 14 et 15, peut comprendre un générateur de courant constant 22 pour l'alimentation d'un organe émetteur de lumière constitué par une diode 18 émettant de la lumière par exercé ple dans la gamme de l'infra-rouge. Une plaque dépolie 20 permet une répartition homogène de la lumière sur les zones annulaires des disques 14 et 15 qui sont munis de repères opaques et transparents alternés, comme indiqué précédemment, afin de permettre une prise en compté d'une valeur moyenne de la quantité de lumière ayant traversé ensemble des deux disques 14 et 15.Une seconde pi. àquedépo- lie 21 est également disposée entre l'ensemble des deux disques 14, 15 et le récepteur de lumière 19 qui peut être constitué par un phototransistor alimenté par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation 23 et délivrant des signaux qui sont amplifiés par l'amplificateur 24, puis intégrés dans le circuit intégrateur 25 et enfin amplifiés de nouveau par un amplificateur de sortie 26, afin de permettre la délivrance de signaux de tension pouvant varier, par exemple entre - 5 volts et + 5 volts. La présence des plaques dépolies 20, 21 et du circuit intégrateur 25 garantit que seule est prise en compte unie quantité de lumière liée à l'ouverture de la zone transparente globale des disques superposés 14 et 15, et donc que la quantité de lumière mesurée est totalement indépendante de la rotation des arbres 1 et 2. La mesure de couple, effectuée de la sorte, est donc parfaitement fiable, que les arbres 1 et 2 soiental'arrêt ou en rotation à vitesse élevée. Naturellement, pour les applications dans lesquelles le couple exercé entre les arbres d'entrée 1 et de sortie 2 est toujours de même sens, il est possible de positionner au départ, pour un couple nul, les deux disques 14 et 15 de telle manière qu'ils sont parfaitement superposés, comme représenté sur la fig.7. Ceci permet de disposer d'une plage d'évolution allant -de la transparence optique la plus grande à l'absence totale de transmission de lumière de la fig. 6. Dans ce cas, la configuration de la fie. 6 correspond à un couple maximum exercé, tandis que la configuration de- la fig. 5 correspond à un couple équivalant à la moitié du couple maximal qui peut être exercé. Il est naturellement possible d'adopter, également la configuration de la fig. 6 pour un couple nul et la configuration de la fig. 7 pour un couple maximum exercé dans un sens. De même, les repères transparents 142, 152 des disques 14 et 15 peuvent être simplement réalisés par des encoches formées à la périphérie d'un disque opaque. On décrira maintenant, en référence aux fig. 9 à 14, quelques exemples d'application du dispositif de mesure de couple selon l'invention. On voit ainsi sur la fig. 9, un dispositif de mesure 100 interposé entre un arbre 1, solidaire d'un moteur d'entraine- ment 110, et un arbre 2 d'entraînement d'un treuil 120. Par la mesure en permanence du couple exercé entre les arbres 1 et 2, il est possible d'assurer une sécurité visant à interrompre la commande du treuil en cas de dépassement d'une charge maximale admissible. Sur la fig. 10, on a représenté un dispositif de vissage automatique comprenant, à Igintérieur d'un carter, un moteur d'entraînement 110 associé à un dispositif de mesure 100, selon l'invention et une tige 2 qui constitue l'arbre de sortie du dispositif 100 permettant, par son entraînement à partir de l'arbre 1, le vissage de vis 131 amenées successivement par un canal 132 à un emplacement de vissage pour être vissées à l'aide de cette tige 2. Par la présence d'un dispositif de mesure 100, il est possible de contrôler et limiter en permanence le couple de serrage de chacune des vis. On notera que le dispositif selon l'invention se prête à l'insertion dans un ensemble automatique, monté par exemple sur une chaîne de montage.Ainsi, un circuit d'asservissement de l'élément rotatif d'entraînement 110, associé à l'arbre d'entrée 1, peut être commandé par les signaux délivrés par le dispositif de mesure 100, afin d'assurer une interruption de l'opération d'entraînement en rotation lorsqu'un couple d'une valeur prédéterminée a été atteint. La fig. 11 montre un moteur d'entraînement 110, associé à un réducteur 140, pour assurer l'entraînement d'un enrouleur 150 pour une bande de matière. Le dispositif de mesure selon l'invention 100, interposé entre l'arbre de sortie 1 du réducteur et l'arbre 2 d'entraînement de l'enrouleur 150, permet là encore un contrôle et un asservissement du couple exercé sur l'enrouleur axial 150. La fig. 12 montre une bande de matière 164 pouvant être entraînée dans un sens y à l'aide d'un rouleau entraîneur 161 et passant sur des rouleaux de renvoi 162, 163. Le rouleau entraîneur 161 est entraîné à partir d'une chaîne motrice 101. s le rouleau entraîneur 161, assurant un défilement dans le sens y, n'est utilisé que par intermittence et que la bande est également amenée à circuler dans le sens inverse x en étant entraînée par un poste aval, la présence d'un mesureur de couple 100, interposé entre la chaîne motrice 101 et le rouleau entraîneur 161, permet de connaître en permanence, quel que soit le sens de défilement, le couple exercé dans un sens ou dans l'autre au niveau du rouleau 161. La fig. 13 montre un ensemble d'entraînement d'une palette 170 pour réaliser un mélange en pâte. La palette est entraînee à partir d'un moteur 110 associé à un réducteur 140. L'utilisation d'un mesureur de couple 100, interposé entre le réducteur 140 et la palette 170, permet de réaliser un contrôle et un asservissement de viscosité pour le mélange en pâte. En effet, une modification de viscosité, liée par exemple à une évaporation de solvant, provoque une augmentation du couple exercé au niveau du mesureur de couple 100. La détection des variations de couple permet ainsi d'ajouter, dans ce cas, du solvant visant à maintenir une viscosité prédéterminée. La fig. 14 montre encore une autre application possible d'un mesureur de couple 100 qui est interposé entre un moteur d'entraînement 110 et une vis de commande de serrage des pinces 180 d'un robot ou d'un manipulateur. Les informations délivrées par le mesureur de couple 100 permettent de surveiller, à chaque manipulation, l'effort exercé et donc d'obtenir automatiquement par programmation des serrages différents au cours de diverses manipulations successives. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation précédemment décrit. Ainsi, les disques de repérage 14, 15 représentés sur la fig. 1, qui présentent la configuration de la fig. 3 dans le cadre du dispositif de mesure optique analogique décrit en référence aux fig. 1, 3 et 5 à 8, peuvent aussi, pour certaines applications, être remplacés par des codeurs optiques réalisant chacun des mesures en valeur absolue de la position angulaire de chacun des arbres 1, 2 par rapport à une référence fixe, les différences de mesure des deux codeurs absolus fournissant une grandeur proportionnelle au déphasage angulaire entre les deux arbres. Par ailleurs, par l'utilisation d'un jeu de lames élastiques 3 amovibles présentant diverses épaisseurs et largeurs correspondant à différentes gammes de couples de torsion, il est possible d'utiliser un même dispositif de mesure de couple 100 pour plusieurs applications différentes, l'adaptation à chaque gamme de couples pouvant être réalisée facilement par un simple échange de lames de torsion élastiques 3. REVENDICATIONS : 1 - Dispositif de mesure du couple au frein en rotation exercé entre un élément rotatif d'entraînement et un élément rotatif entraîné, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une lame élastique en torsion (3? montée entre un arbre d'entrée (1) solidaire de l'élément rotatif d'entraînement (110) et un arbre de sortie (2) solidaire de l'élément rotatif entraîné (120, 131, 150, 161, 170, 180), un premier organe de repérage (14) solidaire de l'arbre d'entrée (1), un second organe de repérage (15) solidaire de l'arbre de sortie (2) et des moyens de détection de la différence de position angulaire des premier et second organes de repérage (14, 15). 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe de repérage (14) est constitué par un premier disque (14) muni de repères opaques (141) alternant avec des repères transparents (142), en ce que le second organe de repérage (15) est constitué par un second disque (15) placé en regard du premier disque (14) et muni de repères opaques (151) et de repères transparents (152) alternés dans sa partie située en regard des repères (141, 142) du premier disque (14) et en ce que les moyens de détection de la différence de position en rotation des premier et second disques (14, 15), coaxiaux aux arbres d'entrée et de sortie (1, 2), comprennent une source de lumière (18) disposée d'un côté des deux disques (14, 15), un récepteur (19) de lumière disposé du côté opposé des deux disques (14, 15) et des moyens électroniques de mesure des variations de transmission de lumière à travers l'ensemble desdits premier et second disques (14, 15). 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que des éléments translucides (20, 21) sont interposés entre la source de lumière (18) et le premier disque (14), d'une part, et entre le second disque (15) et le récepteur de lumière (19), d'autre part. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les repères opaques (141, 151) et transparents (142, 152) des premier et second disques (14, 15) sont identiques et répartis régulièrement sur des zones annulaires placées en regard l'une de l'autre, de telle sorte que les repères opaques (141, 151) de chacun des disques (14, 15) représentent une surface équivalente à celle des repères transparents (142, 152) de chacun des disques (14, 15). 5 - Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de lumière (18) et le récepteur (19) de lumière sont fixes et disposés en regard de la moitié desdites zones annulaires des premier et second disques (14, 15). 6 - Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour la position d'équilibre correspondant à un couple nul, les premier et second disques (14, 15) sont disposes l'un par rapport à l'autre avec un décalage angulaire correspondant à la moitié de la largeur d'un repère opaque (141, 151). 7 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des moyens de butée (13, 27) sont prévus pour limiter le déplacement angulaire entre l'arbre d'entrée (1) et l'arbre de sortie (2) à une valeur inférieure à la limite de déformation de la lame élastique (3). 8 - Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le déplacement angulaire maximum autorisé par les moyens de butée est de l'ordre de 10 . 9 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la lame élastique (3) est une lame de ressort en acier. 10 - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un circuit d'asservissement de l'élément rotatif d'entraînement (110), associé à l'arbre d'entrée (1), est commandé par les signaux délivrés par lesdits moyens de détection de la différence de position en rotation des premier et second organes de repérage (14, 15).