Brevet FR2659397A1 — publié le 19910913

Actionneur asservi par un fluide sous pression, pour petits mouvements La présente invention a pour objet un actionneur asservi par un fluide sous pression, pour petits mouvements. Le développement de la robotique et de l'automatique a transféré aux robots et aux manipulateurs et autres similaires, un certain nombre de tâches jusqu'alors dévolues à lrhomme. C'est ainsi que dans de nombreux postes de travail nécessitant la réalisation de tâches délicates telles que par exemple l'assemblage, l'ébavurage, le parachèvement, le contrôle, la manipulation d'objets fragiles et/ou de petites dimensions, il est impératif que les robots et notamment les bras manipulateurs, dont ils sont équipés, soient dotés d'une bonne dextérité. De toute façon, quelle que soit la tâche à laquelle est affecté le robot, dans une cellule de production, son organe terminal constitue une partie essentielle de l'ensemble de l'installation car il présente l'interface obligée entre le bras manipulateur et l'objet de la tâche à effectuer. De plus, dans le cadre de la robotisation, on est souvent amené à utiliser des robots qui doivent saisir une pièce dans une position initiale déterminée et la transférer et/ou la déposer dans une position finale. I1 se pose alors le problème d'une saisie correcte de l'objet manipulé sans glissement, c'est-à-dire avec une force de serrage suffisante mais non excessive (y compris au moment du contact), cette saisie devant être de plus contrôlée durant tout le cyle. Pour ce faire, il est connu d'adjoindre au bout des bras manipulateurs des robots, un certain nombre d'organes du type préhenseurs instrumentés, poignets compliants, effectueurs adaptatifs ou tous autres similaires. Ces divers organes permettent, de cette façon, de contrôler et de parfaire le geste du bras engendré par la commande du robot. Bien entendu, les mouvements de grande envergure sont effectués par le porteur du robot tandis que les ajustements de trajectoire, qui nécessitent une précision importante et de très petits déplacements, sont effectués d'une part par les poignets du robot et d'autre part par des ensembles adaptatifs et captatifs capables de petits mouvements. Dans un tel but, un certain nombre d'actionneurs a été développé. I1 est en outre bien connu, pour créer de petits mouvements, d'avoir recours à des actionneurs électriques. Ces actionneurs électriques sont généralement très encombrants et sont, soit du type servomoteurs à courant continu, soit du type moteurs pas à pas ou encore des moteurs synchrones autopilotés. Toutefois, leur utilisation nécessite la présence, d'une part d'une chaîne cinématique qui transforme les mouvements rotatifs en des mouvements translatifs, et d'autre part d'un capteur de position et une électronique de commande permettant de les asservir en position et en déplacement. I1 est aussi connu d'avoir recours à d'autres actionneurs pour créer de petits mouvements. Ces actionneurs, qui sont du type actionneurs à fluide sous pression, peuvent être, soit hydrauliques fonctionnant dans une gamme de pression de 1 à 3x107 Pa, soit être pneumatiques et utilisables dans une gamme de pression de 5 à 10x105Pa. De tels actionneurs qui sont particulièrement bien adaptés au mouvement de translation peuvent fonctionner avec des fluides tels que l'air ou l'huile. Bien entendu, ces fluides qui répondent à des lois d'écoulement similaires, ont des coefficients de compressibilité différents, ce qui conduit à des utilisations différenciées. Ils peuvent être associés, soit à des verins à piston simple ou à double effet, soit à des vérins à membrane déroulante et/ou des vérins à parois déformables en matériau élastomère. Toutefois, de tels actionneurs à fluide sous pression nécessitent d'être associés à des mécanismes complexes et onéreux pour leur mise en oeuvre tels que des convertisseurs électrohydrauliques ou électropneumatiques, des servovalves, des servodistributeurs. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant un actionneur asservi en petits mouvements qui présente une absence totale d'une part de seuil de frottement, et d'autre part de fuites, ce qui permet d'obtenir une bonne précision des asservissements. De plus, il est d'un encombrement réduit, et en raison de sa conception simple, facile à mettre en oeuvre et d'un entretien commode. A cet effet, l'actionneur asservi pour petits mouvements selon l'invention, comprend en combinaison - au moins un capteur de position qui délivre un signal de position, un organe de commande qui compare ce signal de position à un signal de référence et qui élabore en fonction de cette comparaison, un signal de commande, un organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion qui engendre, en fonction du signal de commande, un signal de commande en modulation à largeur d'impulsion, un dispositif mécanique constitué par au moins un soufflet métallique et par deux électrovannes ou autre organe de distribution, l'une d'admission, l'autre d'échappement qui fonctionne chacune selon le principe du tout ou rien, ces électrovannes délivrant, en fonction du signal de commande en modulation à largeur d'impulsion, une pression de fluide variable à l'intérieur ou à l'extérieur d'une chambre du ou de chaque soufflet métallique. L'utilisation d'un soufflet métallique permet d'obtenir une course précise sur de petits mouvements. De plus, en l'absence de seuil de frottement, au niveau de cet actionneur, la précision et la sensibilité des asservissements sont très bonnes. I1 est aussi important de noter, que la masse réduite en mouvement et le volume sous pression de celui-ci, lui confèrent d'excellentes performances dynamiques. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, l'organe de commande comprend en combinaison, un amplificateur du signal de position, un convertisseur qui transforme le signal de position analogique en un signal numérique de position, des moyens calculateurs qui d'une part traitent le signal de position numérique à partir de la comparaison des informations d'ouverture et de fermeture des électrovannes, du débit massique du fluide et du rapport cyclique de la modulation à largeur d'impulsion, et d'autre part élaborent un signal de commande numérique, et m convertisseur qui transforme ce signal numérique de commande en un signal de commande analogique. Selon une autre caractéristique intéressante de l'invention, l'organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion comprend en combinaison, un générateur rampe qui élabore un signal rampe et un comparateur qui d'une part compare la valeur du signal analogique de sortie avec le signal rampe, et d'autre part qui élabore en fonction de cette comparaison un signal de commande analogique en modulation à largeur d'impulsion destiné à réguler le débit de fluide dans les électrovannes, et un limiteur de seuil qui limite l'amplitude de ce signal de commande en modulation à largeur d'impulsion. Grâce à cet actionneur, il est aussi possible de contrôler en temps réel l'effort exercé par l'asservissement sur le processus d'actionnement. Le traitement par des moyens de traitement adaptés, la commande des électrovannes en modulation à largeur d'impulsion qui fait appel à un certain nombre de paramètres variables, à savoir - l'amplitude du signal analogique de commande, - la compressibilité du fluide utilisé, - la relation entre l'ouverture et la fermeture des électrovannes et du débit massique du fluide, - le rapport cyclique de la modulation à largeur d'impulsion, - la disymétrie du temps d'ouverture et de fermeture des électrovannes, - le gradient de pression existant entre l'amont et l'aval appliqué aux bornes des électovannes, permettent d'obtenir un bon asservissement en position en phase d'approche de l'actionneur. Avantageusement, le fluide sous pression utilisé pour provoquer l'extension ou la compression du soufflet métallique est de l'air. L'utilisation de l'air présente l'avantage de permettre l'obtention d'une synergie, des propriétés d'écoulement provenant de ce fluide et de l'effet ressort provenant des propriétés intrinsèques du soufflet métallique. Selon une variante de réalisation de l'invention, ce fluide utilisé pour provoquer l'extension ou la compression du soufflet métallique est de l'huile sous pression. Selon une autre caractéristique intéressante de l'invention, le capteur de position est disposé solidaire d'une tige mobile en translation parallèlement à l'axe qui commande la compression ou l'extension du soufflet. Cette tige suit, de cette façon, le mouvement de l'axe qui commande la compression ou l'extension du soufflet, ce qui permet, à chaque instant, au capteur de transmettre un signal de position de celui-ci. Selon une autre forme de réalisation de cet actionneur, l'organe générateur de signaux engendre un signal analogique de commande qui agit sur des organes de distribution du type servovalve ou électro-distributeur. Avantageusement, quelle que soit la forme de réalisation, cet actionneur est agencé pour être utilisé comme un préhenseur instrumenté. De toute façon, l'invention sera bien comprise, à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé, représentant à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation de cet actionneur asservi par un fluide sous pression, pour petits mouvements selon l'invention, agencé comme préhenseur instrumenté. Figure 1 en est un schéma bloc. Figure 1 en est une coupe transversale. Figure 3 est la courbe représentative du signal rampe et du signal analogique de commande. Figure 4 est la courbe représentative d'un signal en modulation en largeur d'impulsion. Figure 5 est la courbe représentative du signal analogique de commande en modulation à largeur d'impulsion et les réponses en tension, en courant et en pression. Figure 6 sont des courbes représentant respectivement la réponse en débit massique, en pression dans la chambre du soufflet, ainsi que de la position de l'axe du soufflet à un train d'itnpulsions en boucle ouverte durant 8 ms. Figure 7 sont des courbes représentant la réponse des variables identiques à celles de la figure 7 pour un train d'impulsions de 8 ms et une période T de 50 ms. Figure 8 sont des courbes représentant respectivement la position du soufflet et la pression dans la chambre du soufflet pour une réponse en boucle fermée à un échelon de commande de fermeture. Figure 9 sont des courbes représentant des variables similaires à celles de la figure 8 pour une réponse en boucle fermée à un échelon en position de commande d'ouverture. Cet actionneur asservi par un fluide sous pression, pour petits mouvements est utilisé comme décrit à titre d'exemple comme préhenseur instrumenté. Bien évidemment, il est tout à fait enviseageable d'y adjoindre d'autres organes en vue d'applications différentes telles qu'une table ou un poignet compliant ou tout autre similaire. Comme représenté à la figure 2, ce préhenseur comporte un soufflet métallique 1 dont l'une des extrémités 3 est soudée à un couvercle 4 et dont l'autre extrémité 5 est solidaire d'un axe 6 mobile en translation axialement. Un corps 7 lie le couvercle à un bloc de distribution 8. Ce corps 7, ce bloc de distribution 8, ainsi que ce soufflet 1 et ce couvercle 4 délimitent une chambre de commande 9 dont la pression intérieure est variable. Cette pression intérieure variable est délivrée à partir de deux électrovannes (27,28), l'une d'admission 27 et l'autre d'échappement 28 qui fonctionnent selon le principe du tout ou rien. Comme plus particulièrement montré à cette figure, ce préhenseur est agencé avec un souflet métallique 1 qui travaille en compression et qui est commandé par une pression appliquée à l'extérieur de celui-ci.Bien entendu, il est tout à fait possible d'une part que la commande de ce soufflet 1 soit réalisé par une pression variable appliquée à l'intérieur du soufflet et d'autre part que ce soufflet 1 travaille en extension. Bien évidemment, l'augementation, ou la diminution, de la pression dans la chambre 9 provoque une compression ou une extension du soufflet 1 qui entraîne en translation l'axe 6. Cet axe 6 est guidé par un dispositif du type coussinet 10 ou bien encore dans une autre forme de réalisation non représentée par une douille à billes. L'extrémité 11 de cet axe est munie d'une pince 12 articulée d'un type classique et connu qui est constitué par deux doigts pivotants 13,14. Ce préhenseur est ainsi généralement monté sur l'extrémité d'un bras de robot non représenté. La pince 12 est asservie en position dans la phase d'approche, puis asservie en effort dès le contact pièce-pince. Cela permet ainsi de limiter les chocs à la fermeture et d'obtenir un effort de serrage contrôlé qui est sensiblement continu et constant. Ce préhenseur est muni d'un capteur de position 17 du type transformateur différentiel. Ce capteur de position 17 est constitué par un corps 17a à l'intérieur duquel coulisse, en translation axialement parallèlement à l'axe 6, un axe 17b. Cet axe 17b est solidaire de l'axe 6 par l'intermédiaire d'une tige 16. Cette tige 16, qui suit le mouvement de l'axe 6, permet au capteur 17 à chaque instant de transmettre un signal de position à un organe de commande 18. Bien évidemment, il est tout est fait envisageable d'utiliser d'autres types de capteurs tels que des capteurs optiques, potentiomètriques, inductifs, capacitifs ou tous autres de même nature. Cet organe de commande 18, comme mieux illustré à la figure 1, comprend en combinaison un amplificateur. Cet amplificateur est relié à un convertisseur 19 qui transforme le signal analogique de position transmis par le capteur 17 en un signal de position numérique. Ce signal de position numérique est transmis à des moyens de traitement (20,21) constitués par un microprocesseur. On conçoit aisément que les moyens de traitement peuvent être de tous autres types et notamment il est tout à fait possible d'utiliser soit un automate programmable, soit un micro-ordinateur. Ces moyens de traitement d'une part traitent le signal numérique de position et d'autre part élaborent un signal numérique de commande. Ce signal numérique de commande est transmis à un convertisseur 22 qui transforme ce signal numérique de commande en un signal analogique de commande qui est alors transmis à un organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion 23. Cet organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impul sion 23 comprend en combinaison un générateur rampe 24 qui élabore un signal rampe. Ce générateur rampe est relié à un comparateur 25 qui lui-même est relié à un limiteur de seuil 26. I1 élabore un signal de commande analogique en modulation à largeur d'impulsion des deux électrovannes 27,28. L'une de ces électrovannes 27 est une électrovanne d'admission et l'autre électrovanne 28 est une électrovanne d'échappement. Ces deux électrovannes 27,28 fonctionnent suivant le principe du tout ou rien. Cette solution présente l'avantage d'offrir un gain de masse important par rapport à l'utilisation d'autres types de ditributeurs tels que par exemple des servovalves. Ces électrovannes délivrent, en fonction du signal de commande un débit de fluide variable à l'intérieur de la chambre 9 associée au soufflet 1. Le fonctionnement de ce préhenseur est décrit ci-dessous. Le bouclage est réalisé par l'intermédiaire de moyens de traitement (20,21). Ils sont constitués par un microprocesseur qui reçoit un signal analogique de position provenant du capteur de position 17 qui indique la position de l'axe 6 du soufflet. Après amplification, ce signal analogique de position est converti en un signal numérique de position par l'intermédiaire d'un convertisseur (19). Ce microprocesseur (20,21) dans lequel il a été préalablement introduit un certain nombre de paramètres et d'informations adaptés, traite ce signal numérique de position à partir de la comparaison de l'information d'ouverture et de fermeture des électrovannes 27,28 du débit massique du fluide et du rapport cyclique de la modulation en largeur d'impulsion.Ce rapport est défini par le rapport qui existe entre la largeur des impulsions de commande Tp et la période de la commande Tw comme illustré sur la figure 5. Ces moyens de traitement (20,21) élaborent de cette façon un signal de commande numérique. Ce signal numérique de commande est ensuite converti en un signal analogique de commande par le convertisseur 22. I1 est ensuite transmis à un organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion 23. Cet organe 23 comprend un générateur rampe 24 qui génère un signal rampe et un comparateur 25. Ce comparateur 25 d'une part compare le signal rampe avec le signal analogique de commande émis par les moyens de traitement (20,21) et d'autre part élabore en fonction de cette comparaison, un signal de commande en modulation à largeur d'impulsion qui est limité en amplitude par un limiteur de seuil 26. Ce signal analogique de commande en modulation à largeur d'impulsion est utilisé pour la commande des électrovannes (27,28). En fonction de ce signal, ces électrovannes (27,28) délivrent un débit variable à l'intérieur de la chambre 9 associée au soufflet 1, ce qui va engendrer un déplacement en compression ou en extension de celui-ci. La détente ou la compression du soufflet 1 entraîne un déplacement de l'axe 6 qui guidé par le coussinet 10 va engendrer un mouvement de la pince 12. La relation entre la position de la pince et la pression de commande dans la chambre 9 du soufflet s'exprime par une fonction de transfert de second ordre qui possède un ammortissement de l'ordre de 0,2 et une fréquence propre non amortie comprise entre 20 et 30 Hz et de préférence au voisinage de 25 Hz. Cette fréquence est voisine de celle de la fréquence propre dynamique des électrovannes 27,28 qui est de l'ordre de 25 Hz. Le fluide utilisé est de l'air. Ce fluide utilisé permet ainsi d'obtenir une synergie de l'écoulement naturel de celui-ci et de l'effet ressort qui provient des propriétés intrinsèques du soufflet métallique. Il est aussi à remarquer que l'effet du ressort permet de fournir une meilleure sécurité au préhenseur. En effet, en cas d'arrêt de l'alimentation et/ou de la commande du préhenseur, la pièce se trouve maintenue par la pince 12. Bien évidemment, il est tout à fait envisageable d'utiliser d'autres fluides sous pression tels que le glycol ou autre similaire. De plus, il est à noter que la sensibilité et la précision des asservissements est très bonne et ceci en raison de l'absence totale de frottement sur des joints d'étanchéité. Comme il est plus particulièrement illustré à la figure 5, sur une période Tp et pour une largeur d'impulsion Tw il apparaît sur la courbe de pression 29, (la courbe 30 est celle représentative de l'intensité, et la courbe 31 est celle représentative de la tension), un retard à l'ouverture Tro et un retard à la fermeture Trc de l'électrovanne correspondante. Cette dissymétrie du temps d'ouverture et de fermeture des électrovannes (27,28) peut entraîner une réouverture de l'une de ces électrovannes (27,28) alors qu'elle n'est pas encore totalement fermée de manière à assurer un parfait fonctionnement du préhenseur. Toutefois, le temps de réponse d'ouverture et de fermeture sont respectivement de l'ordre de 70 ms et de 200 ms. Ils conviennent parfaitement à ce type de préhenseur.Cette différence de temps de réponse entre l'ouverture et la fermeture s'explique parfaitement par le fait que les électrovannes (27,28) ne sont pas soumises à la même différence de pression amont-aval. Les courbes aux figures 6 et 7 illustrent la réponse de ce préhenseur à une impulsion de commande de 8 ms - du débit massique (courbe A) - de la pression dans la chambre 9 de commande du soufflet 1 (courbe B) - de la position du soufflet 1 (courbe C). Pour cette impulsion de commande en boucle ouverte, il apparaît nettement un caractère ondulatoire du préhenseur. Sur la figure 7, la période d'impulsion est de 50 ms. On remarque que le débit massique (courbe A) chute lorsque la pression croît (courbe B). La saturation se fait d'une part pour une pression de 4 bars et d'autre part pour une course de 20 mm (courbe C). Cela montre ainsi les bons résultats obtenus par ce préhenseur asservi en petits mouvements et notamment la bonne réponse de la commutation position / effort efficace. Les figures 8 et 9 illustrent respectivement pour une réponse en boucle fermée à un échelon de position de fermeture et d'ouverture, la position du soufflet 1 (courbe D) et la position dans la chambre de commande 9 du soufflet 1 (courbe E). I1 ressort que les signaux de commande élaborés par les moyens calculateurs (20,21) permettent d'obtenir une modification adaptée de la commutation position / effort avec des chocs minimum sur la pièce saisie. Outre les avantages qui ont déjà été décrits, ce préhenseur asservi pour petits mouvements présente également les avantages d'offrir une maintenance simplifiée, une cinématique des mouvements relativement peu complexe. Ce plus, la dissociation de la partie constituant l'actionnement des mécanismes de saisie permet d'obtenir une adaptabilité de ce préhenseur à des pièces de tailles variables, même si celles-ci sont de très petites dimensions. I1 est aussi à noter qu'il est possible, avec ce préhenseur d'asservir et de réguler l'effort exercé lors du contact pièce-pince. Pour ce faire, un capteur d'effort, non représenté, du type jauge de contraintes, est disposé au niveau de la pince 12 et transmet des informations aux moyens de calculateurs (20,21). Enfin, il est important de noter que la masse totale de ce préhenseur est réduite, ce qui permet un gain de masse appréciable au niveau de la charge à transporter par le robot. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation qui a été décrite à titre d'exemple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes en respectant le même principe. REVENDICATIONS 1 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison au moins un capteur de position (17) qui délivre un signal de position, un organe de commande (18) qui compare ce signal de position à un signal de référence et qui élabore, en fonction de cette comparaison, un signal de commande, un organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion (23) qui engendre, en fonction du signal de commande, un signal de commande en modulation à largeur d'impulsion, un dispositif mécanique constitué par au moins un soufflet métallique (1) et par deux électrovannes (27,28) ou autre organe de distribution, l'une d'admission, l'autre d'échappement qui fonctionne chacune selon le principe du tout ou rien, ces électrovannes délivrant, en fonction du signal de commande en modulation à largeur d'impulsion, une pression de fluide variable à l'intérieur ou à l'extérieur d'une chambre (9) du ou de chaque soufflet métallique (1). 2 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (18) comprend en combinaison, un amplificateur du signal de position, un convertisseur (19) qui transforme le signal de position analogique en un signal numérique de position, des moyens calculateurs (20,21), qui d'une part traitent le signal de position numérique à partir de la comparaison des informations d'ouverture et de fermeture des électrovannes (27,28), du débit massique du fluide et du rapport cyclique de la modulation à largeur d'impulsion, et d'autre part élaborent un signal de commande numérique, et un convertisseur (22) qui transforme ce signal numérique de commande en un signal de commande analogique. 3 - Actionneur- asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe générateur de signaux en modulation à largeur d'impulsion (23) comprend en combinaison, un générateur rampe (24) qui élabore un signal rampe et un comparateur (25) qui d'une part compare la valeur du signal analogique de sortie avec le signal rampe, et d'autre part qui élabore en fonction de cette comparaison un signal de commande analogique en modulation à largeur d'impulsion destiné à réguler la pression de fluide dans les électrovannes (27,28), et un limiteur de seuil (26) qui limite l'amplitude de ce signal de commande en modulation à largeur d'impulsion. 4 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements,selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide sous pression utilisé pour provoquer l'extension ou la compression du soufflet métallique (1) et de l'air. 5 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon une variante d'exécution selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide utilisé pour provoquer l'extension ou la compression du soufflet métallique est de l'huile sous pression. 6 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon la revendications 1, caractérisé en ce que le capteur de position (17) comporte un axe(17b),qui coulisse en translation, à l'intérieur de son corps (17a), cet axe (17b) étant solidaire de l'axe (6) qui commande la compression ou l'extension du soufflet (1) par l'intermédiaire d'une tige (16). 7 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon une variante d'exécution selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe générateur de signaux engendre un signal analogique de commande qui agit sur des organes de distribution du type servovalve. 8 - Actionneur asservi, par un fluide sous pression, pour petits mouvements, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est agencé pour être utilisé comme un préhenseur instrumenté.