Brevet FR2600120A1 — publié le 19871218

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'asservissement en position d'un vérin pneumatique utilisé pour déplacer une charge, par exemple en robotique. Jusqu'à présent. les vérins pneumatiques ont été utilisés à grande échelle dans lI'industrie comme actionneurs tout ou rien, en raison de leur robustesse, de leur faible prix de revient et de leur commodité d'alimentation en air comprimé. On a tenté de les asservir en position pour les utiliser comme des vérins hydrauliques, au moyen d'un capteur de position relié à un circuit correcteur commandant un distributeur d'alimentation du vérin pneumatique, ce circuit prenant en comp10 te la différence entre une position de consigne et une position mesurée et éventuellement la dérivée première de cette différence, mais on s'est alors heurté à des difficultés provenant de la compressibilité de l'air ou du gaz contenu dans le vérin, qui se sont traduites par une instabilité et un manque de raideur du vérin asservi en position. L'invention a notamment pour objet un procédé et un dispositif d'asservissement en position d'un vérin pneumatique, qui permettent d'éviter ces inconvénients. Elle propose à cet effet un procédé d'asservissement en position d'un vérin pneumatique, consistant à déterminer la position de l'organe mobile du vérin et à la comparer à une position de consigne pour élaborer un signal de commande d'un 20 distributeur alimentant le vérin en air ou en gaz sous pression, ce signal prenant également en compte la vitesse de déplacement de l'organe mobile, caractérisé en ce qu'il consiste également à mesurer l'accélération de l'organe mobile du vérin au moyen d'un accéléromètre associé à cet organe mobile, et à prendre en compte l'accélération mesurée pour élaborer le signal de commande du distribu25 teur. La mesure de cette accélération et sa prise en compte par le circuit correcteur permettent d'éviter des oscillations de l'organe mobile du vérin et donc d'obtenir une bonne stabilité de l'asservissement. La précision est également améliorée par le fait que l'on peut déterminer ou corriger le signal de commande du distributeur 30 plus rapidement à partir d'une mesure d'accélération qu'à partir d'une mesure de vitesse. -2- 2600120 En outre, I'utilisation d'un accéléromètre permet. à moindre coût, d'obtenir aisément un signal représentant l'accélération alors que l'obtention de ce signal par dérivation ou différenciation du signal de position serait très difficile en analogique, en raison du bruit, et serait très couteuse en numérique, car elle imposerait d'utiliser un codeur optique à très grand nombre de points comme capteur de position. Selon une autre caractéristique de l'invention, on détermine l'inertie d'une masse déplacée par le vérin, par mesure de l'accélération initiale de l'organe mobile du vérin, et on détermine, pour cette inertie, des facteurs de correction de vitesse et d'accélération, qui sont pris en compte pour l'élaboration du signal de commande du distribu10 teur. L'asservissement est ainsi adapté automatiquement à l'inertie de la masse déplacée par le vérin. Pour faciliter cette adaptation, l'invention prévoit de comparer l'inertie de la masse déplacée à des valeurs prédéterminées et de choisir, en fonction des résultats de cette 15 comparaison. des facteurs prédéterminés correspondants de correction de vitesse et d'accélération qui sont conservés jusqu'à l'arrêt de l'organe mobile. En effet, les valeurs de ces facteurs de correction ne sont pas particulièrement critiques, et il suffit de disposer de plusieurs valeurs de ces facteurs, correspondant à plusieurs valeurs d'inertie des masses qui sont susceptibles d'être déplacées par le vé20 rin. Par ailleurs, pour déterminer l'inertie de la masse déplacée par mesure de l'accélération initiale de l'organe mobile du vérin, l'invention prévoit d'alinienter initialement le vérin par un débit prédéterminé d'air ou de gaz sous pression, et notamment par un débit maximum. De cette façon, le démarrage de l'organe mobile du vérin se fait toujours dans les mêmes conditions d'alimentation du vérin et, d'autre part, on accélère le déplacement initial de cet organe mobile. 2600 1 20 - 3 L'invention propose également un dispositif d'asservissement d'un vérin pneumatique, comprenant un circuit de commande d'un distributeur d'alimentation du vérin en air ou en gaz sous pression. un capteur de position associé à l'organe mobile du vérin et relié à une entrée du circuit de commande, dont une autre entrée reçoit 5 un signal représentant une position de consigne de l'organe mobile du vérin, ce circuit comprenant des moyens pour élaborer un signal de commande du distributeur à partir de la différence entre le signal de position de consigne et le signal fourni par le capteur de position et à partir de la vitesse de déplacement de l'organe mobile, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur d'accélération associé à l'organe mobile 10 du vérin et relié à une entrée du circuit de commande, afin d'améliorer la stabilité et la précision de l'asservissement par prise en compte de l'accélération de l'organe mobile dans l'élaboration du signal de commande du distributeur. Ce dispositif comprend également des moyens de détermination de l'inertie de la masse déplacée par le vérin, par mesure de l'accélération de l'organe mobile du vé15 rin au début de son déplacement, et des moyens de détermination. à partir de cette inertie. de facteurs de correction de vitesse et d'accélération qui sont pris en compte pour l'élaboration du signal de commande du distributeur. Le circuit de commande comprend également des moyens de comparaison de l'inertie de la masse déplacée à des valeurs prédéterminées, et des moyens de réglage ou de 20 choix de valeurs correspondantes des facteurs de correction de vitesse et d'accélération de l'organe mobile. Avantageusement, le capteur d'accélération est du type comprenant une masse montée sur une lame flexible, sur la base de laquelle sont fixées des jauges de contrainte. Le circuit de commande peut être du type analogique, ou bien du type numérique. 25 au quel cas le capteur d'accélération est relié par un convertisseur analogique - numérique au circuit de commande. L'invention est applicable aussi bien à l'asservissement d'un vérin pneumatique linéaire qu'à celui d'un vérin pneumatique rotatif. La précision et la stabilité de l'asservissement du déplacement de l'organe mobile du vérin permettent des applications intéressantes en 30 robotique. 2 6 0 0 1 2 0 D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés et dans lesquels La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'asservissement en position d'un vérin pneumatique linéaire selon l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues, de face et en élévation, d'un capteur d'accélération utilisé dans le dispositif de la figure 1, Les figures 4 et 5 sont des vues, en coupe et de face, d'un vérin pneumatique rotatif commandé par un dispositif selon l'invention; Les figures 6 et 7 sont des vues. en élévation et de face respectivement, d'une application de l'invention en robotique. On fera d'abord référence à la figure 1. qui représente schématiquement un dispositif d'asservissement en position d'un vérin pneumatique. conforme à l'invention. Ce dispositif comprend un distributeur pneumatique 10 relié, d'une part. à une source 15 12 d'air ou de gaz sous pression et. d'autre part. aux orifices d'alimentation d'un vérin pneumatique 14 du type à déplacement linéaire de son organe mobile, constitué ici par une tige de piston 16 utilisée pour déplacer une charge 18 dont la masse peut varier. Le distributeur pneumatique 10 est du type à action proportionnelle et comprend par exemple un tiroir monté coulissant dans une chemise. Le déplacement du tiroir est com20 mandé par un électro-poussoir associé à un ressort de rappel. et est approximativement proportionnel à l'intensité d'un courant électrique circulant dans la bobine d'exitation de l'électro-poussoir. Ainsi, le distributeur alimente l'un ou l'autre des orifices du vérin 14 par un débit de gaz sous pression qui est sensiblement proportionnel au déplacement du tiroir. Pour éviter toute perturbation doe aux frottements du tiroir dans la chemise du distributeur, un signal électrique en créneau carré ayant une fréquence appropriée [par exemple de l'ordre de 100 Hz] est superposé au signal de commande du distributeur. Il provoque une vibration du tiroir qui élimine les conséquences des frottements. 2600 1 20 - 5 Lesignal de commande du distributeur est fourni par un circuit de commande 20 comprenant un comparateur 22 et un circuit correcteur 24. Une entrée du comparateur 22 reçoit un signal de consigne 25 correspondant à une position de consigne de l'organe mobile 16 du vérin 14, et l'autre entrée de ce comparateur reçoit un signal 28 de position 5 réelle de l'organe mobile 165, fourni par un capteur de position 30 associé à cet organe mobile;ce capteur de position 30 peut être du type analogique. par exemple un potentiomètre, ou bien du type numérique. par exemple un codeur optique. Le signal de sortie du comparateur 22 est transmis à une entrée du circuit correcteur 24, dont une autre entrée reçoit un signal 32 fourni par un capteur d'accélération 34 as10 socié à l'organe mobile 16 du vérin. Ce capteur d'accélération 34 peut être par exemple du type de celui représenté, dans les figures 2 et 3. qui comprend une plaquette 35. par exemple de céramique. montée sur un support 38. La plaquette de céramique comprend une lame flexible 40 à l'extrémité de laquelle est fixéune masselotte 41. Deux jauges de contrainte 42 sont montées 15 sur la base de la lame flexible 40, c'est à dire dans sa partie soumise à des contraintes en fonction de l'accélération de l'organe mobile 16 du vérin, et sont reliées à deux autres jauges de contrainte 44 montées sur la plaquette 36 dans des zones non soumises à des contraintes en fonction de l'accélération, ainsi qu'à une jauge de contrainte 45. permettant une compensation en température, montée sur une partie non déformable 20 de la plaquette 36. Les jauges de contrainte 42, 44 et 46 peuvent être déposées par sérigraphie sur la plaquette 36 et sont reliées entre elles, pour former un pont de mesure. par un circuit imprimé 4B également réalisées par impression par sérigraphie. Des butées mécaniques, non représentées. limitent l'amplitude de la déformation de la lame flexible 40. en cas de choc, pour éviter sa rupture. Le circuitcorrecteur 24 (figure 1) élabore le signal de commande du distributeur pneumatique 10 à partir du signal de différence entre le signal de consigne 25 et le signal de position 28. d'un signal de vitesse de déplacement de l'organe mobile 16 qui est la dérivée du signal de différence précité. du signal d'accélération 32 fourni par le capteur 34 et éventuellement, pour augmenter la précision statique.dun terme intégral du signal de 30 différence précité. -- 6 -Lorsque le circuit correcteur 24 est du type analogique, le signal d'accélération 32 fourni par le capteur 34 peut être appliqué directement à l'une de ses entrées. Par contre. si le circuit correcteur 24 est du type numérique [par exemple un microprocesseur du type disponible dans le commerce sous forme d'un circuit intégré], la sortie du capteur 34 est reliée par un convertisseur analogique - numérique à l'entrée correspondante du circuit correcteur 24. Le signal de commande appliqué au distributeur pneumatique 10 par le circuit correctteur 24 peut également être élaboré en tenant compte de l'inertie de la charge 18 déplacée par l'organe mobile 16 du vérin 14. Pour cela, l'invention prévoit de déterminer l'inertie de la chargel8 par la mesure de l'accélération initiale de l'organe mobile 16, au début de son déplacement. En effet, les proportions ou les gains des signaux de vitesse et d'accélération dans le circuit correcteur 24 doivent être fonction de l'inertie de la charge 16 déplacée par le vérin. Lorsque cette inertie est grande, il est nécessaire d'accroître les proportions des si15 gnaux de vitesse et d'accélération par rapport au signal de différence de position. Inversement, lorsque cette inertie est faible ou quasi nulle, il est préférable de diminuer ces deux signaux pour avoir un fonctionnement optimal. L'invention prévoit donc une adaptation automatique de la fonction de transfert du dispositif d'asservissement à l'importance de l'inertie de la charge déplacée par le vé20 rin. Pour cela, l'invention prévoit d'alimenter le vérin 14 par un débit maximal de gaz sous pression au début du déplacement de la charge 18, essentiellement pour réduire le temps total du déplacement de cette charge d'un point à un autre. Le signal d'accélération fourni par le capteur 34 est alors inversement proportionnel à l'inertie totale des masses 25 en mouvement. Grace à la connaissance de cette!hertie, on peut ensuite sélectionner des proportions ou des gains correspondants des signaux de vitesse et d'accélération qui sont pris en compte pour l'élaboration du signal de commande du distributeur pneumatique. Ces proportions ou ces gains sont conservés jusqu'à l'arrêt du mouvement, et sont déterminés à nouveau lors du mouvement suivant. L'adaptation à l'inertie totale des masses en mouvement peut se faire de façon discrète. Il suffit en effet de disposer de quelques valeurs des proportions ou des gains des signaux de vitesse et d'accélération pour couvrir toute la plage de fonctionnement du vérin, le /e -7- 2600120 règlage des termes vitesse et accélération dans le circuit correcteur n'étant pas particulièrement critique. On peut donc se contenter de comparer la valeur de l'accélération initiale à des seuils prédéterminés, pour savoir dans quelle plage de valeurs est comprise l'inertie totale des masses en mouvement et sélectionner les proportions ou les gains correspondants des signaux de vitesse et d'accélération. L'invention est applicable à l'asservissement en position des vérins pneumatiques, quel quesoit leur type. Il est cependant avantageux de pouvoir monter directement sur le vérin le distributeur 10 ainsi que le capteur de position 30 et le capteur d'accélération 34, de façon à obtenir un ensembleccnpact comprenant un minimum de connexions 10 pneumatiqueset électriques. Dans le cas d'un vérin à déplacement linéaire, I'organe mobile peut être constitué par la tige de piston, de façon classique, le cylindre du vérin étant fixe, ou bien l'organe mobile peut être constitué par le cylindre du vérin, qui se déplace par rapport à la tige de piston maintenue fixe. Dans le c.as d'un vérin rotatif, et comme représenté dans les figures 4 et 5. l'organe rotatif peut être constitué par une palette 50 montée rotative autour de l'axe longitudinal d'un cylindre 52 et solidaire d'un arbre 54 dont une extrémité est reliée à la charge à déplacer et dont l'autre extrémité est associée au capteur de position 30 et au capteur d'accélération 34. Le distributeur pneumatique 10 et son électro-poussoir de commande sont fixés sur le cylindre 52 du vérin, le tiroir 56 du distributeur étant monté coulissant dans un alésage d'une pièce 58 fixée à l'intérieur du cylindre 52 et formant butée limitant le déplacement de la palette 50 dans un sens ou dans l'autre. cette pièce 58 comprenant des canaux , décalés en hauteur, établissant une communication entre l'alésage dans lequel se déplace 25 le tiroir 56 et les volumes internes du cylindre 52 séparés par la palette 50. Les figures 6 et 7 représentent l'application d'un tel vérin rotatif à la commande en déplacement d'un bras de robot, comprenant par exemple un premier bras 62 solidaire du cylindre 64 du vérin rotatif et un second bras 66 solidaire en rotation de l'arbre mobile 68 du vérin. Comme précdem-nmert, le distributeur 10 est monté sur le cylindre du vérin 30 rotatif. tandis ce que les capteurs de position et d'accélératLon peuvent être associés à l'arbre 58 ou au deuxième bras 66 du robot. -m- 2600120 REVENDICATIONS 1 / Procédé d'asservissement en position d'un vérin pneumatique. consistant à déterminer la position de l'organe mobile [16) du vérin (14] et à la comparer à une position de consigne pour élaborer un signal de commande d'un distributeur [10) alimentant le vérin en air ou en gaz sous pression. ce signal prenant en compte la vitesse de déplacement de l'organe mobile (16). caractérisé en ce qu'il consiste également à mesurer l'accélération de l'organe mobile du vérin au moyen d'un capteur d'accélération (34) associé à cet organe mobile et à prendre en compte l'accélération mesurée pour élaborer le signal de commande du distributeur [10. 2 / Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce qu'il consiste mesurer l'inertie d'une masse déplacée par le vérin (14) par la mesure de l'accélération initiale de l'organe mobile (15) du vérin, et à déterminer, pour cette inertie, des facteurs de correction de vitesse et d'accélération qui sont pris en compte pour l'élaboration du dit signal de commande. 3 / Procédé selon la revendication 2. caractérisé en ce que, pour déterminer l'inertie de la masse déplacée par mesure de l'accélérat[on initiale, on alimente initialement le vérin [14q) par un débit prédéterminé, par exemple maximum, d'air ou de gaz sous pression. 4 / Procédé selon la revendication 2 ou 3. caractérisé en ce qu'il consiste 20 comparer l'inertie de la masse déplacée à des valeurs prédéterminées et à sélectionner, en fonction du résultat de cette comparaison, des facteurs prédéterminés correspondants de correction de vitesse et d'accélération qui sont conservés jusqu'à l'arrêt de l'organe mobile. / Dispositif d'asservissement en position d'un vérin pneumatique, en particulier 25 par execution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes, comprenant un circuit (20) de commande d'un distributeur [10) d'alimentation du vérin (14) en air ou en gaz sous pression, un capteur de position (30) associé à l'organe mobile (16) du vérin et relié à une entrée du circuit de commande, dont une autre entrée reçoit un sigrnal (26) représentant une position de consigne de l'organe mobile du vérin, le circuit de commande comprenant des moyens [24) pour élaborer un signal de commande du distributeur (10) à partir de la différence entre le signal de position de consigne et le signal fourni par le cap5 teur de position [30). caractérisé en ce qu'il comprend un capteur d'accélération f34) associé à l'organe mobile f16) et relié à une entrée du circuit de commande f20,3. afin d'améliorer la stabilité et la précision de l'asservissement par prise en compte de l'accélération de l'organe mobile dans l'élaboration du signal de commande du distributeur f10]. 1 0I6 / Dispositif selon la revendication 5. caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de l'inertie de la masse déplacée par le vérin f14). par mesure de l'accélération de l'organe mobile du vérin au début de son déplacement. et des moyens de détermination, à partir de cette inertie, de facteurs de correction de vitesse et d'accélération qui sont pris en compte pour l'élaboration du 15 signal de commande. 7 / Dispositif selon la revendication 6. caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour alimenter initialement le vérin 114) par un débit prédéterminé, par exemple maximum, d'air ou de gaz sous pression. 8 / Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit de 20 commande (20) comprend des moyens de comparaison de l'inertie de la masse déplacée à des valeurs prédéterminées, et des moyens de réglage ou de sélection de valeurs correspondantes des facteurs de correction de vi tesse et d'accélération de l'organe mobile f16). 9 / Dispositif selon l'une des revendications 5 à E, caractérisé en ce que le cap25 teur d'accélération f34) est du type comprenant une masse montée sur une lame flexible (40) sur la base de laquelle sont fixées des jauges de contrainte (42). / Dispositif selon l'une des revendications 5 à g9, caractérisé en ce que le circuit de commande est du type analogique. 11 / Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le circuit de commande est du type numérique, et en ce que le capteur d'accélération -,f* 2 6 0 0 1 2 0 -10 (34] lui est relié par un convertisseur analogique-numérique. / Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11 caractérisé en ce que le vérin est du type rotatif, dont le cylindre 564) est solidaire d'un premier bras (62] d'un robot et dont l'organe mobile rotatif [5566 est solidaire d'un second bras (65) du robot. 13-/ Dispositif selon l'une des revendications 5 à 12. caractérisé en ce que le distributeur C1 0). le capteur de position (30) et le capteur d'accélération (34) sont montés sur le vérin [14), (52). [64) et forment avec celui-ci un ensemble compact.