Brevet FR2661640A1 — publié le 19911108

La présente invention concerne un système mécanique chargé de reproduire des dessins élaborés par un ordinateur. Son role est le même que celui des tables traçantes actuelles. Les traceurs actuels se regroupent en deux catégories les traceurs possédant deux mouvements sur deux axes perpendiculaires et les traceurs où un des mouvement du crayon est remplacé par un mouvement du papier entraîné par friction sur un rouleau. Dans les deux cas le format maximum est fixé une fois pour toute. D'autre part les rraceurs qui acceptent des grands formats ( AO ) ont des pièces mécaniques de dimensions voisines du format utisable, donc la difficulté de fabrication du traceur s'accroît avec la dimensions de la feuille de papier. La présente invention a pour conséquence d'éliminer cette contrainte sans augmenter la complexité et la taille des éléments mécaniques principaux. Un crayon est maintenu sur un support suspendu à deux cables. L'ensemble du système est installé sur un plan rigide de nature quelconque et d'inclinaison proche de la verticale. -Le cable peut être soit un feuillard soit un fil dont la nature et la longueur sont déterminés par les dimensions de la zone de tramage. -Une extrémité du cable est attachée au support puis passe ensuite sur une poulie. Selon les modes possibles de réalisation chaque moteur peut occuper des positions diférentes: En bas du plan d'installation les deux moteurs étant regroupés comme le montre la figure 1 ou séparés Cvoir figure 4 > . En haut du plan d'installation: Les deux moteurs étant re;roupés comme le montre la figure 5 dans ce cas un des deux moteur peut avoir son arbre de sortie solidaire de l'axe d'une poulie. Si les deux moteurs sont séparés comme sur la fiure(6 > alors les deux moteurs peuvent entrainer leur poulie directement. Cette dernière solution présente Finterêt d'économiser des pièces mécaniques C les poulies) alors que l'interét des positions où les deux moteurs sont re;roupés est d'éliminer le problème de longueur de cable électrique d'alimentation des moteurs. Dans ces quatres cas seul l'agencement des pièces mécaniques, à l'intérieur des boitiers contenant entre autres les moteurs, change.Quant aux calculs de la position du crayon, elle se résume à l'étude de deux cas explicités plus loin et illustrés par les figures 2 et 3. Après passage sur C la poulie et ) la roue entrainée par le moteur, le cable peut selon différents modes de réalisation: -être enroulé sur une bobine entrainée par un couple de torsion variable et commandable par le système à microprocesseur ,ou passer sur une poulie à laquelle est pendu un contrepoids avant de remonter vers un point de fixation.Cette dernière possibilité est mécaniquement plus simple mais la zone de traçage est plus réduite; en effet le poids représente une force constante alors que les tensions exercées sur chaque fil dépendent de la position de crayon , si la différence entre ces forces dépasse les forces de frottements entre le cable et la roue qui l'entraîne alors on a dérapage du cable et donc limitation de l'utilisation de ce dispositif à une zone de traçage e où les variations des forces de tensions exercées sur chaque cables sont faibles. On peut remédier partiellement à ce problème en augmentant les forces de frottements entre le cable et la roue ,par une roue en caoutchouc qui presse le cable sur la roue d'entraînement.Notons que le point de fixation peut être un frein qui ne coupe pas le cable qui pend, de l'autre partie du cable enroulé sur une bobine de réserve. Ceci évite de chan;er le cable quand on réinstalle le dispositif sur un plan plus grand. Il suffit de désserer le frein ,tirer la longueur nécéssaire de cable et resserer le frein. Pour que la position du crayon soit indépandante d'un balancement du palet provoqué par une accélération il faut que le crayon soit constament placé à l'intersection des droites matérialisées par les cables. Pour réaliser cette condition la solution suivante est adoptée -Le crayon passe au centre d'un tube solidaire des cylindres intérieurs de deux roulements à billes . Les surfaces cylindriques externes de chaque roulement sont bloquées dans une pièce dont le role est de fixer chacun des cables. Elle doit être réalisée en matière légère ou comporter une masse située à l'opposé de la patte de fixation du cable pour que son centre de gravité coïncide avec le centre de la partie cicirculaire. Le poids du palet suffit à aligner les cables sur le centre du tube et donc du crayon. -Au lieu d'utiliser deux roulements à billes on peut utiliser deux pièces alésées au diamètre exterieur du tube. Ce dernier doit comporter une butée pour empécher le départ des deux pièces pré-citées. -Le palet doit reposer sur la surface à tracer sur trois points; deux sont disposés dans la partie basse, le troisième est constitué par la pointe du crayon s'il est abaissé ou par un autre point formant un triangle avec deux autres si le crayon est levé. -Pour éviter que les points qui reposent sur la surface provoque des traces par leur passage e sur l'encre non encore sèche, une souflerie peut faire passer un film d'air entre la surface et le palet. -Le palet comporte également un dispositif qui pose le crayon sur le papier ,le lève au dessus du tube et peut agripper ou lacher le crayon pour en chanf er. Cette possibilité n'est intéressante que si le support peut aller chercher un autre crayon sur un banc de stockage rotatif (voir figure 13) ou non Cvoir figure 15). Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 est une vue en perspective d'une installation où les moteurs sont regroupés (dans le boitier 7) et en bas. Les figures 2 et 3 sont les illustrations pour les calculs: Dessins de principe du positionnement dans deux cas différant selon le chemin suivi par chaque cable. La fi;ure 4 est une vue en perspective d'une installation où les moteurs sont séparés et placés en bas. La figure 5 est une vue en perspective d'une installation où les moteurs sont regroupés et placés en haut La figure 6 est une vue en perspective d'une installation ou les moteurs sont séparés et placés en haut. La figure 7 est la vue de face de la pièce qui relie un cable 9 un roulement à billes du support du crayon. Place C1S) de la figure 9. I.n figure 8 est la vue de dessous de la piece présentée A la figure 7. La figure 9 présente un exemple de réalisation d'un support du crayon. C'est la vue de face La figure 10 présente la vue de coté du support de crayon présenté à la figure 9. La figure 11 est la vue de coté d'une poulie C4) et son support. Cet exemple de réalisation est adapté au cas ou le cable est un feuillard (polyéthylène). La figure 12 est la vue de face de la poulie de la figure 11. La figure 13 représente la vue de cote d'un banc rotatif (5) de stockage de crayons. La figure 14 représente la vue de dessus du banc de la figure 13. La figure 15 présente en perspective un banc statique de stockage de crayons. La figure 16 est une coupe selon AA' de la figure 19 et représente un exemple d'agencement du moteurs qui tracte le cable et du couple de torsion . C'et exemple correspond à ce qu'il y a dans le boitier (7) de la figure 1. La figure 17 est une coupe des pièces C8E) C12E) (13E) de la figure précédente ,présentée pour plus de clarté. Elle montre comment les signaux issus du potentiomètre sont transmis à une station fixe. ta figure 16 est la vue de face de la pièce (20E) de la figure 16 qui est le noyau de la bobine autour de laquelle s'enroule le cable. La figure 19 est la vue de coté de la pièce de la figure 16. La figure 20 est une vue qui présente les pièces se situant entre les plaques (1E) incluse et C1iE) non incluse de la figure 16. Pour donner une idée des dimensions des différents composants du dispositif toutes les figures sont A l'échelle 1 sauf: figures 1,4,5,6 au 1/10ième environ figures 15 , 16 et 20 à l'échelle 1/2. En référence à ces dessins, le dispositif se compose d'un support (2) sur lequel est installé un crayon (1). Le crayon peut être un stylo à bille à pointe en fibre ou un crayon technique à encre de chine mais la géométrie des pièces qui maintiennent le crayon doit être adaptée à chaque modèle si on se réfère au système montré aux figures 9 et 10. Le crayon est maintenu en place par les butées (45) et par un bras mobile C5S) fixé sur un volant du "servo-moteur" (11S). Clest ce bras mobile qui est chargé de libérer ou tenir le crayon lorsque le support C2) est amené au niveau du banc de stockage (5).Une quatrième butée , partie intégrante de (7S), empêche le crayon de glisser vers le haut lorsque sa pointe est posée sur la surface à dessiner. Signalons que les parties C4S), (15S) et (16S > font partie d'une même pièce C7S) réalisée en résine époxy dans un moule constitué de plusieurs pièces. (15S) et C1dS) glissent le long de deux guides C1OS). Le crayon maintenu sur C7S) peut donc éffectuer une course nécéssaire à son application sur la surface à dessiner et à son dégagement au dessus de (14S) si on veut pouvoir changer de crayon. Les guides (10S) sont des tubes métalliques perpendiculaires au plan formé par (14S) et maintenu en place par la contrainte imposée par le serrage d'une tige filetée. La tige filetée est vissée dans (14S) et c'est un écrou qui serre (105 > , en même temps que (17S). Le mouvement de (7S) est obtenu par un deuxième "servo-moteur" qui tire sur deux fils : celui qui passe sur la poulie (8S) ramène (15S) sur la surface de C14S) le crayon est alors en contact avec la surface à dessiner, l'autre passant sur les poulies C9S) est chargé de remonter (7S). Le "servo-moteur" (11S) est colié sur (7S) et (12S) est fixé par deux tiges filetées à (14S). (lIS) et C12S) sont des mécanismes commercialisées habituellement pour les radio-commandes de modèles réduits; la position de leur arbre de sortie est déterminée par la fréquence d'un signal carré d'amplitude 5 Volts et émis par une interface du système à microprocesseur. La transmission de ce signal peut être faite par voie filaire ou hertzienne.Pour que le crayon soit perpendiculaire à la surface à tracer il faut que (14S) garde la meme orientation par rapport à la surface à dessiner. Pour cela l'ensemble (2) repose sur la surface à dessiner sur trois points: deux pattins C13S) réalisés en "téflon" et un troisième point qui est soit un roulement à billes (25 > soit la pointe du crayon si celui-ci est baissé.Une autre condition que doit remplir le support est de rendre la position du crayon indépendante d'un balancement de (2) autour de son point de fixation aux cables (3). A priori la seule position indépendante est le point central autour duquel peut avoir lieu ce balancement donc le point de fixation lui-meme, comme matériellement les deux ne peuvent pas occuper la même place, il faut que l'intersection des droites matérialisées par les cables coïncident avec la position de la pointe du crayon. La solution présentée figure 9 et 10 consiste à faire coïncider l'axe du crayon (1) avec l'axe d'un tube métallique C3S) soudé à (14S > lui aussi métallique. Deux roulements à billes (2S) sont rentrés à force sur le tube C3S).Chaque roulement (2S) est enserré dans une pièce C1S) présentée seule au figures 7 et 8 dont le role est d'assurer la liaison mécanique entre le cable (3) et un roulement (25 > . Le cable est serré par C3F) sur C1S) et deux vis métalliques. Le trou (2F) permet le passage de la vis de serrage du collier qui entoure un roulement C2S). Le contrepoids (iF) qui n'est pas dessiné sur les figures 9 et 10 est en effet facultatif ;il sert à placer le centre de gravité de (1S) au centre du collier mais si (1S) est réalisé en matériau léger (matière plastique) alors son poids ne suffit pas à déplacer la direction d'un cable C3) du centre du tube (3S).Quand le dispositif est installé sur un plan vertical alors le poids du support tend les cables et les aligne sur le centre du tube (3S) si les frottements à l'interieur des roulements à billes C2S) sont négligeables ;ce qui est facile à vérifier. Une autre solution qui n'est pas illustrée consiste à remplacer les roulements (2S) par deux anneaux concentriques ajustés au diamètre extérieur de (3S) il faut dans ce cas prévoir une sur-épaisseur sur (3S) pour empêcher le départ de ces anneaux. Dans ces conditions les calculs suivants reliant la position du crayon aux longueurs des cables C3) sont valahles: On connait CPx,Py) coordonnées du point C dans le repère X,Y et on cherche Li + C1 , L2 + Cz . Dans ce qui suit D désigne la distance entre les axes des poulies (4). On calcule L1'2 = (Py)2 + (D - Px)2 et L2'2 = (Py)2 + (Px)2 Ri et Rz sont les rayons des poulies (4) puis L1'2 = L12 + R12 donc L12 = L1'2 - R12 L2'2 = L22 + R22 L22 = L2'2 - R22 d'où Calculs valables dans les cas présentés aux figures 2 et 3. Reste à calculer les distances C et C dans le cas de la 1 z figure 2 d1 = #/2 - g1 d2 = 2/n - g2 D - Px Px tg b1 = tg b2 = Py Py avec la relation a + d + b r rr on en déduit a1 = #/2 - b1 + g1 a2 = #/2 - b2 + g2 puis C1 = a1 # R1 C2 = a2 # R2 Calculons C et C dans le cas de la figure 3 d1 = #/2 - g1 d2 = #/2 - g2 Px a1 + b1 + d1 = 2# tg b2 = Py D - Px b1 = # - e1 où e1 est définit par tg e1 = Py Donc a1 = # + e1 - d1 avec la relation a2 + d2 + b2 = # on en déduit : a2 - #/2 - b2 + g2 puis C1 = a1 # R1 et C2 = a2 # R2 De (L + C) ordinateur déduit la rotation que doivent éffectuer chaque moteur.Pour tracer une droite le programme doit calculer une succession de point CPx,Py) . Calcul des tensions exercées sur les cables en fonction de la position du crayon Le principe fondamental de la dynamique conduit à T1 + T2 = - m g soient Bt et B2 les angles formés par chaque cable et la verticale. Dans le cas de la figure 2 on a les relations B1 n bi - gl et B2 r b2 - g2 Dans le cas de la figure 3 on a les relations B1 = e1 + g1 et B2 = b2 - g2 et après le calcul est le même. On projete sur deux axes - T2 sin (B2) + T1 sin (B1) = 0 T2 cos (B2) + T1 cos (B1) = - mg Après résolution on obtient T et T i 2 m g . sin (B2) m g . sin (B1) T1= T2= sin (B2 + B1) sin (B2 + B1) Ti et T2 peuvent donc varier de O à l'infini si bl ou b2 varie de O à PI/2. Le cable doit être souple, léger et avoir un faible coefficient d'élongation. I1 pourrait être métallique ("corde à piano") pour les grandes applications mais dans les figures présentées, bien que n'étant pas représenté, il est considéré comme étant un feuillard polyéthylène. Les poulies C4) ne doivent évidemment pas avoir de Jeu sinon il se répercute au niveau du crayon. Une réalisation possible de celles-ci est présentée aux figures 11 et 12. La poulie est constituée par un roulement à billes C2T) rentré sur l'axe (6T) du socle (1T) et placé de telle façon que la distance du cable (3) à la surface à tracer soit constante depuis son point d'encrage sur (1S). Le socle (1T) est fixé sur le plan d'installation (6) par quatre vis à tête fraisées passant dans les trous C5T). La vis (4T) fixe la rondelle C3T) qui doit retenir le cable en cas de glissement latéral. Les figures 1, 4, 5 et 6 montrent que les cables rentrent dans un ou deux boitiers C7). C7) désignant de façon générale un carter protégeant de la poussière le ou les moteurs qui entrainent chaque cable, et éventuellement le dispositif qui tend et enroule le cable. Selon le mode de réalisation illustré aux figures 16 et 20 dans la configuration de l'invention montrée à la figure I : dans C7) le cable (3) passe autour d'une roue C22E) entrainée par un motoréducteur C15E) qui est fixé par quatres vis (non visibles) sur la plaque en "dural" C1E > . La roue (22E) est de préférence fixée sur l'arbre de sortie (23E > de C15E) par un système basé sur le principe du serrage par bagues coniques contrariées mais non dessiné sur les figures.Le motoréducteur est typiquement un moteur pas à pas mais un autre type de moteur et un système à encodage optique de position peuvent aussi bien remplir la fonction demandé. Pour éviter les dérapages entre la roue et le cable il faut compenser les tensions Ti et T2, une première solution est apportée par un contrepoids. Mais cette compensation étant constante (alors que Ti et T2 sont variables) réduit la zone de traçage utilisable. Une deuxième solution élimine cet inconvénient: après passage sur la poulie supérieure (4) puis sur la roue tractrice C22E),le cable est ensuite enroulé autour d'un moyau C20E) flanqué de deux grandes rondelles (17E) serrées par les pièces C18E) et (19E). Le moyau est constitué de deux pièces métalliques.La partie C4M) comporte deux trous taraudés: (5M) est celui qui recueille les deux parties filetées de (18E) et (19E) , l'autre recueille la vis C2M) qui serre (3M) et le cable sur (4M). (1M) montre la sortie du cable. La moitié d'axe (18E > de ce noyau a donc une partie filetée rentrant dans le noyau C20E) ,et à l'opposé, une partie cylindrique lisse qui tourne librement dans un trou alésé de la plaque (16E). L'autre moitié d'axe (19E) comporte un filetage rentrant dans C5M) , également une partie cylindrique lisse tournant librement dans un trou alésé de la plaque CiE) et un filetage terminé par une forme d'embout de tournevis. Cette partie filetée sert à fixer un bras (2E) sur lequel est vissée une tige C3E) au bout de laquelle on accroche un ressort. L'autre extrèmité de ce ressort est accroché sur un picot (25E) vissé dans la poulie (6E).Si cette poulie tourne ,elle tire le ressort qui entraîne le bras et donc le noyau (20E) enroule le cable ou si la roue (22E) est fixe la tension du cable augmente. C'est le but recherché. La poulie (6E) en "téflon" est fixée sur une roue dentée (7E) montée sur un axe (12E) situe dans le prolongement de l'axe du noyau C20E) de l'enrouleur. La roue dentée est à son tour entraînée par un pignon branché sur l'arbre de sortie d'un motoréducteur (14E) à courant continu fixé sur la plaque Pour transporter les trois signaux du potentiomètre C4E) à l'extérieur de l'ensemble (4E),(5E),(6E),(7E),(12E) qui est en rotation il a été choisi dans cette réalisation de conduire les signaux à travers trois roulements à billes (2 E) montés sur des isolants (26E). Connaissant la position du crayon le système à microprocesseur en déduit les tensions T1 et T2 donc le couple théorique au niveau de la roue C7E). Le système à microprocesseur envoie ensuite un octet proportionel à ce couple vers un convertisseur numérique/analogique qui fournit une tension de réréférence à un amplificateur opérationnel utilisé en comparateur qui la compare avec la tension fournie par le curseur du potentiomètre . La @ sortie du comparateur est amplifiée par deux transistors de puissance et commande le moteur électrique dans les deux sens. Notons enfin que les plaques (16E) , , C1E) ,(8E) et (iiE) sotlt reliées mécaniquement comme le montre le dessin par des tiges filetées ,écrous et contre-écrous. Un équerrage bien meilleur est obtenu par des tubes métalliques découpés au tour et contraints par Ja tension de tiges métalliques passant en leur centre. Si le support (2) du crayon dispose d'un système électromécanique permettant la libération et la préhension du crayon (1) alors un banc de stockage se révèle être un complément utile. De nombreux systèmes sont imaginables et sont fonctions de la forme des crayons utilisés ,les figures 13 , 14 et i5 en montrent deux exemples. La figure 15 illustre un banc statique C1D) fixé sur le plan d'installation par deux vis passant dans les trous C4D) le support (2) rentre dans ce banc par un des deux cotés qui, dans la figure 15, sont devant et derrière. Il remonte vers un logement libre, les pattes souples C3D) s'écartent sous le passage du crayon.Le support ouvre son bras (5S); recule , le crayon reste dans son logement et le support (2) peut aller prendre un autre crayon avant d'en resortir. Les barrettes C2D) sont réalisées en "téflon" et fixées à (1D) par des vis (non fiX urées). Le banc CID) peut entre réalisé par moulage d'un matériau composite. Le banc C5) de la figure 14 se compose de deux disques en "téflon" C2R) contenant des pattes élastiques CiOR). Les deux disques sont séparés par un cylindre C3R) L'ensemble C2R) et (3R) est traversé par deux vis (1R) vissées dans C4R) qui est maintenu sur l'arbre de sortie du moteur pas à pas C7R) par une vis (5R). Le moteur (7R) est fixé sur le socle métallique t8R) qui est fixé sur le plan d'installation C6) ,comme le montre la figure i, par les trous C9R). La pièce C6R) réalisée en "téflon" empêche le support de s'éloigner de la surface de traçage sous l'effet des tensions exercées par les cables et la résistance à la pénétration du crayon entre les pattes (10R). Applications industrielles Le système fonctionnant verticalement il peut être utilisé pour présenter à un public le plan d'un exposé ou des illustrations selon une chronologie décidé par le conférencier . I1 peut être utilisé pour dessiner les contours de motifs ou lettres sur grand panneaux publicitaires. Les applications dépassent celles de la représentation graphique si le système est installé sur une grande surface. On peut réaliser des dessins de pièces sur plaques de bois ou métallique ou sur peau de cuir avant découpage. REVENDICATIONS 1)Dispositif pour réaliser des tracés sur des petites ou grandes surfaces planes, caractérisé en ce que le crayon (1 > est maintenu sur un support C2) suspendu à deux cables passant autour de deux poulies C4). Les deux poulies (4 > sont placées au dessus des deux extrémités supérieures de la zone de traçage. Les distances entre les axes des poulies (4) et du crayon C1) déterminent de façon univoque la position du crayon. Chaque cable (3) est entraîné par un moteur électrique commandé par un système à microprocesseur. Le support (2) du crayon (1) assure la perpendicularité du crayon (1) par rapport à la surface à tracer et assure que l'intersection des deux droites matérialisées par les cables (3) coïncide avec l'axe du crayon.Le support C2) possède en outre un système électromécanique chargé de poser la pointe du crayon C1) sur la surface à dessiner et de l'en éloigner. 2)Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que le support (2)du crayon Copossède également un électromécanisme permettant la libération et la préhension du crayon. Un présentoire C5) de crayons de différentes couleurs peut entre installé en dehors de la zone de traçage et sur le plan d'installation. 3)Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes caractérisé en ce que l'arbre de sortie de chaque moteur peut être en prise directe avec une poulie supérieure C4). 4)Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes caractérisé en ce la tension exercée sur chaque cable (3 > à cause du poids du support (2)du crayon C1)est compensée ,de l'autre coté de la roue C22E) qui tracte le cable, par un contrepoids. 5)Dispositif selon la revendication 1) 2) ou 3) caractérisé en ce que la tension exercée sur chaque cable (3) par le poids du support (2)du crayon (1)est compensée de l'autre coté de la roue qui tracte le cable (3)par un couple de torsion variable commandé par le système à microprocesseur. 6)Dispositif selon la revendication 4) caractérisé en ce que le points de fixation du cable C3)est remplacé par un frein qui ne coupe pas de la réserve de cable C3) enroulé sur une bobine.