Brevet FR2630170A1 — publié le 19891020

I - DESCRIPTION A - LE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENrION La présente invention se rattache à un domaine fondamental en mécanique : celui des translations guidées, et plus spécifiquement des guidages par billes (répertoriés dans la rubriqueF16c). B - L'ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La structure extérieure des "billes porteuses" ou "billes de manutention" n'est pas sans rappeler celle des ?'têtes de translation" qui constituent l'un des éléments essentiels de l'invention ci-après décrite. Toutefois, ces "billes porteuses" n'ont jamais été retenues, à notre connaissance, pour assurer le guidage des éléments mobiles d'une machine-outil. Elles ne réunissent pas, en effet, les qualités requises pour un guidage précis, fiable et sans à-coups. Dans bien des cas, et pratiquement à chaque fois que possible, 1 'uti- lisation de paliers, galets et roulements classiques-a été progressivement délaissée ces vingt cinq dernières années au profit de mécanismes à redistribution de billes (ou de rouleaux). Les douilles à billes notamment et les patins de guidage à billes sont devenus des éléments de guidage de premier plan. Mais ils ne rendent possible que des mouvements rectilignes et les douilles à billes sont conçues pour circuler exclusivement le long d'arbres ronds. Les contraintes de ces divers mécanismes, y compris leur coefficient de roulement, demeurent relativement élevées en égard aux capacités sans cesse accrues des pilotages informatisés (commande numérique par exemple). C - EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de guidage multidirectionnel sans limitation de course assuré par des billesX circulant sur un "coussin-réceptacle" torique lui-même formé de billes (po): Le "coussin-réceptacle" est formé de billes adjacentes placées au fond et à la périphérie d'un lamage faisant office de "cage-maltresse" /a9) cf figureiet 2. Le logement ainsi constitué assure un positionnement fixe de la bille centrale par rapport au châssis à guider, tout en rendant possible sa libre-circulation le long d'un axe de guidage. la déplacement par rotation de la bille centrale présuppose une inclinaison de l'axe AA' par rapport au plan de translation.Son maintien dans le réceptacle tient à une corrélation particulière de quatre variables : le diamètre de la bille centrale, celui des billes formant coussin, l'inclinaison par rapport au plan de translation. Une corrélation judicieuse de ces variables permet à la bille centrale de fonction- ner comme "tête de translation", et, associée à d'autres comme "tête de guidage" lorsqu'elle repose sur une surface de guidage. La figure n représente l'ensemble ainsi constitué, que nous appelons "tête de translation monosocle". Le coefficient de roulement de ces têtes de translation peut être notablement amélioré par l'adjonction d'un ou deux coussins. Les têtes de translation se répartissent en trois catégories en fonction du nombre de coussins A) Têtes de translation monosocles sur simple coussin (TM 1) Elles correspondent au descriptif précédent (figure n 2). La fourchette approximative de variation du rapport des diamètres des billes du coussin et de la bille centrale est un cinquième - un tiers. Le diamètre des billes est choisi de sorte que l'angle &alpha; soit proche de 450. B) Têtes de translation monosocles sur double coussin (TM 2) Les traite > Les billes du premier coussîirculent sur une rondelle en acier traitef reposant sur reposant sur une butée à billes dont le "guidage" intérieur est effectué par une rondelle en plastique conformémentà à la figuren03. C) Têtes de translation monosocles sur triple coussin (TM 3) La mise en oeuvre d'un troisième coussin comporte deux variantes O) Les billes du premier coussins reposent sur un coussin torique3ormant un système analogue aux têtes TM 1. Les réceptacles des "billes coussin" doivent être légèrement "flottants" de manière à ce que les billes du premier coussin viennent buter et circuler librement autour de leur guide circulaire collectif. Ceux-ci consistent en une réunion de bagues en acier sur un support extensible caoutchouc ou matière plastique), cf figures n 4 et 5. 20) Les billes du premier coussin sont en fait des portions de billes obtenues par découpe par moitié de billes entières. Ces portions de billes circulent sur une butée à billes. Selon les utilisations, il est souhaitable d'intercaler une contre-plaque en acier traité entre les "demi-billes' et la butée (contre-plaque fine de butée à aiguille par exemple). Le guidage des billes de la butée comporte deux éléments : un guidage "périphérique" analogue à celui-représenté-par les figures bets. Ce guidage peut provenir d'un moulage de matière plastique ;un guidage"intérieur" obtenu par collage au centre de la partie plane des "portions de bille" d'une petite pièce cylindrique (acier ou matière plastique)(48) Une pièce en acier traité en forme de champignon peut remplacer la "demi-bille" et as suret directement le guidage intérieur des billes de la butée, cf figure ne 6. Dans l'une et l'autre formule, le contact des billes (ou "demibilles") du premier coussin avec leur guide circulaire s'effectue au-dessus du plan médian BB', cf figures4 et 6. La conicité du guide leur assure un parfait maintien sur leurs butées ; on évite ainsi les effets vibratoires provenant de la force exercée par la bille centrale. L'ensemble ainsi constitué repose sur une double rangée de billes faisant office de butée4.) Ce dispositif est représenté par la figure nô 3. Lorsque le diamètre du premier coussin est jugé trop important pour recevoir directement la bille centrale (en raison de la vitesse du déplacement ou de la recherche d'un meilleur coefficient de roulement par l'augmentation du nombre de billes du "coussin"), celle-ci peut être logée dans/sur une pièce conique ssurant la rotation de l'ensemble. La stabilité de cette pièce est assurée par un axe circulant dans une douille à aiguilles jointives conformément à la figure n03. Ces "têtes de translation" peuvent être utilisées comme a) "têtes de serrage" : elles atténuent les vibrations et empêchent le châssis de se désolidariser de l'axe de guidage b) "têtes porteuses" : elles assurent une translation sur plan mais sans assurer elles-mêmes le guidage c) "têtes de guidage" : la combinaison de plusieurs têtes de translation permet, comme nous l'avons préalablement annoncé, d'assurer des guidages multidirectionnels. Les têtes de translation peuvent être directement fixées sur le châssis à déplace93. JNOUS avons retenu deux modes de fixation relativement commodes (qui nécessitent le taraudage du socle en son centre) a) par vis de fixation t le réglage de la hauteur (par hauteur, nous entendons : distance châssis - plan de guidage) s'effectue à l'aide de deux cales pentées croiséest5)Ces cales sont généralement obtenues par meulage de rondelles fendues, cf figure nO O . 20) par goujon spéciaf et adjonction d'une pièce ainsi conçue : des lamelles lamelles en acier reposent sur une bague en acier conformément à la figure n di Lamelles et bagues sont assemblées dans un moulage en plastique à fort coefcient d'élasticité. t)es lamelles font office de levier lorsque s'effectue le serrage du goujon. Dans certains cas, il sera avantageux d'utiliser des "têtes de translation combinées" dont les billes de guidage reposent sur des têtes de translation monosocles. Lorsque -ces têtes de translation reposent sur deux ou trois têtes de translation monosocles, nous les appelons respectivement bi-socles ou tri-socles. Dans l'hypothèse de têtes trisocles, deux des bases sont coplanaires et situées dans un plan perpendiculaire à la base de la troisième (elle-même coplanaire du plan de translation). La combinaison de plusieurs têtes de translation permet, comme nous l'avons préalablement annoncé, d'assurer des guidages multidirectionnels. Certains modules sont toutefois prévus par des guidages exclusivement linéaires. En dehors des combinaisons réalisées à l'aide de têtes directement fixées sur châssis, (leur nombre est quasiment infini), nous distinguons deux catégories de "modules de guidage". A) BLOC DE GUIDAGE Il est généralement constitué de deux têtes de translation. Leur fixation et règlage sont des plus simples. a - bloc de guidage du type A : (BGA) Lorsque les "cages-maîtresses" sont de dimension restreinte (par rapport au diamètre de l'arbre de guidage), les têtes de guidage sont fixées sur un socle rectangulaireR généralement par soudure électrique) de sorte qu'elles se trouvent face à face de part et d'autre de Marbre de guidage. Leur fixation et règlage sont analogues à celui des têtes de translation monosocles règlables par serrage de goujonf figure n 12. L'alésage du trou de fixation sur châssis est légèrement supérieur au diamètre du goujon (ou, selon les montages, de l'écrou cylindrique intercalé) de façon à rendre possible le règlage du parallélisme et de l'équerrage (de l'ordre de 2 mn). b-- bloc de guidage du type B : (BGB) Le positionnement en quinconce des socles par rapporL à. l'axe de guidage nécessite un autre mode de fixation et de guidage. Il s'effectue à l'aide de deux vis de serrage, l'une simple3%Jlwautre munie d'un excentrique. La rotation de l'excentrique assure le règlage de la hauteur. La figure n03 repré sente l'un des montages les plus classiques de BGB. L'alésage du trou de fixation de la vis centrale (centre de gravité) est analogue à celui du BGA. NB : ce positionnement convient également aux BGA. c - bloc de guidage du~type C : (BGC) I1 est constitué de deux têtes de translation bi-socles sur (43),(41) les billes centrales desquelles circulent deux pieces çon ' ques reliées par un axe à La longueur réglable (42). La longueur de l'axe détermine la hauteur. Le blocage après règlage s'effectue à l'aide de deux vis (44). L'ensemble repose sur un socle rectangulaire fixé au châssis par deux boulons. (50),(51).L'imprécision de la fixation sur châsssis est automatiquement corrigée. Ce sont les têtes de serrage qui assurent le maintien du parallélisme et équerrage (cf figure n 14). d - bloc de guidage du type D : (BGD) Ce bloc de guidage est essentiellement conçu pour des arbres de diamètre restreint (choisis, par exemple, pour leur facilité de cintrage). Les deux billes de guidageflr)eposent sur des "demi-coussins". Elles "s'épaulent" mutuellement. Ces billes du premier demi-coussin sont redistribuées dans le deuxième par un conduit cylindrique ; de la même façon, celles du second sont redistribuées dans le premier. Les conduits se "chevauchent" au centre du dispositif, ils sont disposés de telle sorte qu'ils ne stopposent pas à la rotation des billes centrales.La circulation des "billes coussin" se déroule ainsi de façon analogue au déplacement d'un point d'une courroie "croisée". La rotation des "billes jumelées" s'effectue donc en sens contraire et à même vitesse, ce qui rend possible leur circulation sur l'axe de guidage et leur entraînement mutuel, (cf figure n04). B - CANAL DE GUIDAGE Un "canal de guidage" est constitué de la réunion de plusieurs têtes de translation sur un même support. Du fait de la multiplica- tion des têtes et de la réduction corrélative des forces s'exerçant sur les billes des coussins, les cages-maîtresses peuvent être en matière plastique moulée. Les cages-maitresses, lorsqu'elles demeurent en acier, peuvent se présenter sous forme de godets fixés par inclusion dans un moulage en matière plastique. Dans et l'autre cas, le moulage est inclus dans une "gouttière" métallique (profilé UAP par exemple). Un canal de guidage peut avoir une longueur égale nacelle du châssis. Les têtes combinées trisocles nous semblent particulièrement adaptées à ce module de guidage. LUBRIFICATION Les têtes de translation, quelque soit leur nature, peuvent être lubrifiées par huile. Chaque fois que cela est possible, il sera prévu une circulation d'huile par pulvérisateur à air comprimé. L'huile usagée est guidée vers un récipient par un joint à deux lèvres fixé sur la cage-maitresse (la lèvre reposant sur la bille centrale), avant sa réinjection dans le circuit. AXES DE GUIDAGE Les axes de guidage peuvent être de formes très diverses : ronds, carrés, octogonaux, etc... I1 suffit, théoriquement, que les chemins de roulement des billes centrales soient parallèles. Dans la pratique, il est souhaitable que les plans de roulement soient symétriques par rapport à l'axe 00'. La figure non représente les structures auxquelles on pourra recourir volontiers (@@),(45),(46),(49). D - MODE DE REALISATION D'UN "BLOC DE GUIDAGE" DE TYPE B SUR TRIPLE COUSSIN Cf figure n 21(Projection orthogonale sur un plan perpendiculaire à l'axe de translation) A) Réalisation des pièces 1 ) Le socle (i) de ce bloc de translation est en acier traité de 5 mm d'épaisseur finement poli sur le côté destiné à la circulation des billes. (16),(17). Un trou de 20 mm de diamètreest percé au centre Odu trapèze ABCF, un trou de l2 mm au centre 0' de CDEF. Pour les modèles à lubrification par pulvérisation d'huile, on prévoit deux ou trois trous E(ii) et (12)) au fond de chaque cage-maîtresse. 20) La partie non filetée (Smm) d'une vis sans tête de 12 mm de diamètre et de 25 mm de longueur (2) est légèrement chanfreinée et introduite dans l'alésage de centre 0'. Puis, on soude électriquement en bout (partie chanfreinée) sur le socle en acier. Cette opération est suivie d'un meulage de la partie soudée, de façon à ce que la surface de roulement des billes se retrouve plane. 30) Une vis à excentrique realisée par décolletage, conformément aux coupes des figures43 et4s. 40) "Cages-maîtresses" : elles sont réalisées par décolletage dans un tube mécanique de diamètre intérieur 50 mm et 75 extérieur. La pente de la partie conique est de 30 degrés. (4) et (5)] 50) Deux "cages-maîtresses"sont sont soudées électriquement l'une contre l'autre le long de leur ligne de contact AA'. 6 ) Rondelles en acier traité finement polies (6) de 5 mm d'é- paisseur et de 60 mm de diamètre. 7 ) Piece en acier traité correspondant à des "demi-billes" (7) de 20 mm de diemètre (en forme de champignon) réalisées par décolletage dans un tube en acier: Cette pièce est réalisée en trois etapes : a) par tournage on obtient une pièce incluant la partie pointillée de la figure n 6 ; b) traitement de la pièce ; c) rectification des parties de la pièce correspondant aux surfaces de roulement des billes ( la pièce est fixée sur le tour par prise de l'extrémité de la partie pointillée) et découpe de la partie pointillée, selon le plan passant par AA'. 8 ) Guide extérieur collectif des billes de la butée (8) : moulage plastique selon la figure n 16. 9 ) Guides (9), (14) et (15) des billes du troisième coussin : rondelles en matière plastique de 3 mm d'épaisseur. 100j Bague d'étanchéité à double-lèvre en plastique moulé (13j B) Montage des"Blocs de translation" Une butée spécialement usinée permet le calage d'un couple de 10cages-maltrssses" et des billes centrales correspondantes (position inversée par rapport a la figure 21). Le montage s'effectue par empilage sur les billes centrales t10J des différentes pièces ci-dessus décrites selon l'ordre suivant: 1) Cinq pièces (7)adjacentes par "cagemaîtresse 't. 2) Guides (8) des billes de la butée simple. ~3) Billes adjacentes (5) de 4 mm. sur les pièces (7). 4) Rondelles (6) sur lesquelles on a préalablement collé les guides (9), (14) et (le) de la butée à double rangée de billes. 5) Deux rangées de billes (16),(17)adjacentes de 4minsur la rondelle (). 6) Après renversement de l'ensemble ainsi constitué(position de la figure 21) on soude électriquement les "cages-mattresses" sur le socle. 7) Positionnement des joints d'étanchéité (13) sur les "cages-mattresses", C) Fixation sur le châssis. (30) A chacun des quatre angles du châssis on perce un trou de 16 mm (3) destiné à l'introduction de la vis de serrage centrale (2) et un trou de 20mn prévu pour recevoirla vis de réglage de hauteur par excentrique. Les centres de ces deux trous se trouvent sur une droite parallèle à l'axe de guidage. Lorsque (cas le plus fréquent) le châssis se déplace sur deux exes ronds parallèles on introduit les vis de chaque bloc de guidage dans les trous qui leur sont destinés, puis on visse les écrous (en leissant du "jeu"). Puis on règle la position du châssis grâce à des cales pentées (hauteur et équerrage). Le positionnement ainsi obtenu est maintenu par des serre-joints.On peut dès lors procéder au serrage définitif des écrous. Dans la plupart des cas, à chaque angle du châssis, on fixe une "tête de translatipn- (fonctidnnant comme "tête de serrage") dont la bille centrale se trouve au contact de la partie inférieure de l'arbre de guidage. Cette adjonction assure un parfait maintien du châssis sur l'arbre (évitant ainsi les vibrations). E - APPLICATICNS INDUSTRIELLES En raison de l'étendue de la gamme des dispositifs de guidage découlant de la présente invention, celle-ci est susceptible de multiples applications industrielles. Pratiquement n'importe quelle translation guidée peut, en effet, être réalisée par l'un ou l'autre des modèles de "têtes de translation", "blocs de guidage" ou "canal de guidage" décrits dans ce document. Certains modules seront plus particulièrement recherchés lorsqu'on souhaite obtenir un coefficient de roulement élevé. Les blocs de translation tri-socles à triple coussin sont les plus performants à cet égard, Dans tous les cas, les têtes de translation" et "blocs de guidague pourront être utilisés pour des déplacements non rectilignes, par exemple dans la réalisation d'un banc de ponçage automatique pour carènes de bateaux. Les blocs de guidage du type B permettent un réglage de la hauteur (par rapport au plan de guidage) par simple manipulation de l'excentrique. Lorsque les quatre excentriques des blocs de guidage sont reliés entre eux par une articulation adaptée, il est possible de régler la hauteur de travail de l'outil fixé sur le châssis, y compris durant le déplacement (jusqu'à 10 cm lorsqu'on utilise un axe de guidage nO 49 (Cf figure NO 19).Il est donc possible d'utiliser les blocs de guidage du type B pour assurer à la fois le guidage du châssis et le réglage de la hauteur de travail d'un outil fixé sur ce-dit châssis. Il REVENDICATIONS 1) Dispositif de guidage par billes caractérisé en ce qu'il comporte une bille centrale (10) reposant Sur un "coussin" torique (2C) appelé "premier coussin" formé de billes adjacentes circulant su fond et à la périphérie d'un lamage (19) (appelé ''cage-maîtressel, un taraudage effectué au centre de ce-dit lamage (47) (Figures 1E et 11) en vue de sa fixation-sur le châssis à guider, et, fixe-sur a '!cage-maîtresse", un joint circulaire à deux lèvres (13) adhérant à la bille centrale. La fourchette approximative de variation du rapport des diamètres de la bille centrale et des billes du "coussin" est un cinquième - un tiers.Les diamètres des billes du "coussin", de la bille centrale et du lamage sont choisis de telle sorte que la droite passant par le centre d'une des billes du "premier coussin" et de celui de la bille centrale forme par rapport à la base du lamage une inclinaison voisine de 450 (angle d voisin de 45 ). Cf. figures 1 et 2. Le coefficient de roulement de ce dispositif peut être amélioré en intercalant un ou deux "coussins" de billes ( éventuellement des butees) entre le "premier coussin" et le fond du lamage. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les billes du "premier coussin" (2C) circulent sur une rondelle en acier traité (6) reposant ellemême sur une butée à billes (21) positionnée au fond du lamage. Ce dispositif est représente par la figure rio 3. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que chacune des billes du "premier coussin" (20) circule sur un "coussin" torique formé de billes adjacentes t23) et que la "cagenaitresse" est constituée de de deux pièces un socle en acier (26) et une portion de tube décolleté (4) de.forme conique à hauteur du chemin latéral de roulement des billes du "premier coussin". Les billes servant de "coussin-réceptacle" -(23) aux billes du "premier coussin" sont guidées-par des bagues en acier (24) collées à la périphérie d'un support extensible (253 (en caoutchouc ou matière plastique). Lorsque le dispositif est réalisé selon la revendication 2, la butée à bille est généralement à double rangée. Les diamètres des bagues (24), des billes du-"premier coussin" (2D) et des bil- les (23) sur lesquelles reposent ces dernières sont choisis de telle sorte que la droite passant par le centre d'une bille (20) et d'une bille (23) forme par rapport au socle un angle voisin de 45 . Cf. figures 4, 5 et 7. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caracterise en ce que la "cage-moitresse" est constituée des deux pièces (4) et (26' confor- mément à la revendication 3, que ce qui fait office de "premier coussin" (0! dans les dispositifs précédents est remplacé par des "demi-billes" (7) obtenues par decoupe en leur milieu de billes entières, et en ce que ces "demi-billes" reposent sur une butée à billes dont le'guidage intérieur est assuré par une pièce cylindrique collée au centre de la "demi-bille" (48) et le guidage extérieur par une pièce cylindrique en plastique moulé comportant autant d'alvéoles cylindriques que de "demi-billes" (Fig. 16).Belon une variante le bloc constitué par les pièces (7) et (48) peut être obtenu directement par décolletage (ce bloc étant ensuite traité et rectifié). Les figures nO -8 et 21 représentent le modèle le plus élaboré réalise selon cette revendication. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractéri- sé en ce que la bille centrale (10) est fixée au centre d'une pièce à péripherie conique lundi. d'un axe central (27). L'axe de la pièce (27) est logé dans une douille à aiguiiles jointives (28) situee au centre du socle de la cage-maîtresse". Les dispositifs faisant l'objet des revendications précédentes (1,2,3, 4 et 5) spnt appelées "têtes de translations monosocles". 6) Dispositif de guidage à billes selon l'une quelconque des revendications precédentes caractérisé en ce que deux têtes de translation monosocles sont soudées sur un socle en acier, symétriquement par rapport au centre de celui-ci qui a été préalablement taraudé. 7) Dispositif de guidage à billes selon l'une quelconque des cinq premières revendications caractérisé en ce que deux têtes de translation monosocles sont soudées sur un socle en acier, symétriquement par rapport à une vis (37) ellemême soudée sur le socle (36), et en ce qu'un trou rond (38) destiné à recevoir une vis spéciale à excentrique (39) a été percé sur le-dit socle. Le trou (38) est perce dans le socle de telle sorte que les deux cages-maStresses soient si- tuées symétriquement par rapport à la droit GG' passant par son propre centre et celui de la vis de serrage (37) et qu'il se trouve en léger décalage par rapport aux cages-maitresses. Cf. figure nO 13. 3) Dispositif de guidage par billes-selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 caractérisé en ce qu'une bille (40) appelée "bille centrale" dans les dispositifs précédents repose sur le "coussin" constitué par les billes centrales (10) de trois têtes de translation monosocles soudées électriquement sur un socle en forme d'équerre (41). Deux des têtes de translation sont soudées sur l'une de faces du socle, la troisième vis à vis des deux autres sur l'autre face, coplanaire du plan de trans lation. 9) Dispositif de guidage par billes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que plusieurs tetes de translation sont assemblees sur un profité metallique en "gouttière" (Profilé UAP par exemple).