Brevet FR2693396A1 — publié le 19940114

MANIPULATEUR RAPIDE A CINEMATIQUE COMPACTE L'invention est relative à un manipulateur à cinématique en U inversé comportant un bloc moto-réducteur d'entraînement de deux cames générant respectivement le mouvement vertical et le mouvement horizontal d'un bras de préhension. Les machines d'assemblage automatique utilisent très fréquemment des manipulateurs généralement dénommés "Pick and Place" pour l'insertion de pièces ou composants. L'élément essentiel de ces manipulateurs est un bras mécanique au bout duquel est monté un outillage de préhension. La cinématique de ce bras est du type "en U inversé", permettant à l'outillage d'effectuer une première descente sur le point de prise, puis, après une course de transfert, une deuxième descente sur le point de dépose. Les mouvements horizontal et vertical nécessaires pour la génération du cycle sont généralement pilotés par des cames, elles-mêmes actionnées par un moteur d'un type approprié. Les qualités nécessaires à ce type d'appareil sont les suivantes: - compacité, visant à pouvoir juxtaposer plusieurs manipulateurs dans un encombrement restreint, tout en autorisant un accès à chacun d'eux, - rapidité, en vue de l'obtention de machines à cadence élevée, - précision, - adaptabilité, ce paramètre portant principalement sur la course horizontale qui est l'élément le plus variable, mais pouvant également porter sur les autres éléments, tels que la course verticale et la répartition des durées des opérations dans la cycle, - faible coût, ce qui impose une conception aussi simple que possible. Le but de la présente invention est de proposer un manipulateur répondant de façon poussée aux différents critères ci-dessus. Dans ce but, le manipulateur selon l'invention est caractérisé en ce que ces cames sont montées directement en bout d'arbre du bloc moto-réducteur, la came verticale de forme plate coopérant avec un galet monté directement sur un coulisseau mobile en vertical portant ledit bras, et la came horizontale attaquant le bras mobile en horizontal par l'intermédiaire d'un levier d'amplification à mouvement rotatif oscillant portant le galet coopérant avec ladite came horizontale, agencée pour se rapprocher le plus possible de la forme d'une came plate. Les deux cames sont montées directement sur l'arbre de sortie du bloc motoréducteur. Pour limiter les problèmes de porte-à-faux, on utilise des cames plates, ou s'en rapprochant le plus possible. Cette disposition permet d'économiser l'arbre à cames, ses paliers, ainsi que la transmission entre cet arbre et le bloc moto-réducteur. Le coulisseau animé du mouvement vertical est attaqué directement par la came correspondante. L'amplitude maximale de ce mouvement, de l'ordre de grandeur de 40 mm, est en effet compatible avec le débattement de la came. li suffit donc que le galet coopérant avec ladite came soit directement fixé sur le coulisseau vertical, ce qui permet d'économiser une transmission de mouvement, par levier articulé ou tout autre procédé. Le mouvement à générer étant rectiligne, la came verticale peut donc être une came plate. Le bras animé du mouvement horizontal est attaqué par un levier articulé. L'amplitude du mouvement à générer, de l'ordre de grandeur de 100 à 150 mm, n'est en effet pas compatible avec le débattement de la came. I1 faut donc introduire un rapport d'amplification qui sera fourni par ledit levier articulé. Le galet coopérant avec la came horizontale étant porté par ce levier, sera donc animé d'un mouvement circulaire oscillant. On ne pourra donc pas utiliser une came plate classique, mais on cherchera à s'en rapprocher en faisant en sorte que le déplacement du galet soit voisin d'un mouvement radial par rapport à l'axe de la came. Une variation de la course horizontale de l'appareil sera rendue possible par simple réglage du rayon actif du levier précité. L'extrémité active dudit levier étant constituée par un galet attaquant le bras horizontal, il suffit de monter ce galet sur un coulisseau mobile pouvant être déplacé le long du levier entre un rayon minimal et un rayon maximal, et pouvant être bloqué de façon robuste et précise en un pointquelconque de cet intervalle. L'adaptation des autres paramètres cinématiques de l'appareil, qui est moins impérative que celle de la course verticale, nécessitera une interchangeabilité des cames. Cette interchangeabilité sera rendue aussi rapide et facile que possible, en mettant à profit le fait que les cames sont montées en bout d'arbre du bloc moto réducteur, et non enfermées entre des paliers. La possibilité d'obtention de cadences élevées sera obtenue en utilisant le principe des ressorts d'accumulation d'énergie, tel qu'il a été décrit dans le brevet français 91.01637 du 11.02.91. Rappelons que le principe de ces ressorts consiste à créer une sollicitation tendant à ramener le mobile intéressé vers le milieu de son déplacement. Le système est donc moteur pendant la première moitié de la course dudit mobile, et ralentisseur pendant la seconde moitié, ce qui diminue la puissance demandée au moteur, ainsi que les efforts transmis par la came et le galet. Dans le cas du mouvement vertical, la caractéristique du ressort doit être décalée pour tenir compte du poids de l'équipage mobile. La présence des ressorts précités est également un atout en faveur de la précision de l'appareil. En effet, quand un mobile se trouve en bout de course, il est systématiquement rappelé vers l'intérieur, le galet se trouvant plaqué contre la came. Cette polarisation fournit un positionnement parfaitement déterminé, qui ne peut se modifier qu'à la suite d'un phénomène d'usure. La précision ainsi obtenue sur le mouvement vertical est largement suffisante. Quant au mouvement horizontal, pour lequel la précision est forcément dégradée par la présence du levier d'amplification, la présence du réglage de course permet une adaptation fine pouvant être utile notamment dans deux types de circonstances: - à l'installation, pour adapter la course du manipulateur à l'écartement existant entre le point de prise et le point de dépose. li est en effet plus commode d'adapter la course du manipulateur à l'écartement qui résulte de la conception et de la construction, plutôt que de faire l'inverse. - après une très longue période de fonctionnement, l'usure des organes de transmission notamment du réducteur, des cames, des galets et du levier d'amplification, peut entraîner une légère diminution de la course. Si celle-ci devient gênante, on peut aisément la corriger en agissant sur le réglage du bras de levier. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés dans lesquels: La figure I est une vue en élévation du manipulateur selon l'invention, partiellement en coupe dans la zone des cames suivant la ligne "A" de la figure 3. La figure 2 est une vue en plan et en coupe suivant la ligne "B" de la figure 1. La figure 3 est une vue de droite en coupe suivant la ligne "C" de la figure 1. La figure 4 est un diagramme courses/efforts relatif au mouvement vertical. Le bras principal 1 du manipulateur est monté à coulissement horizontal sur les blocs de guidage à billes 2,2'. il est représenté en position rétractée. L'extrémité du bras 1 porte l'outillage de préhension 34, dont la représentation schématique est limitée à son support. Les blocs 2,2' sont fixés sur le coulisseau 3, qui est animé du mouvement vertical. Le guidage de ce mouvement est assuré par le rail 4 (qui peut être un profil identique au bras 1) fixé sur le coulisseau 3 et coulissant dans les blocs à billes 5,5' (qui peuvent être identiques aux blocs 2,2'), eux-mêmes fixés sur la structure principale 6 de l'appareil. Le bloc moto-réducteur 11 est lui-même fixé sur la structure 6. I1 porte en bout d'arbre la pièce 12 qui rassemble: - la came verticale coopérant avec le galet 13, ce dernier étant solidaire du coulisseau 3, - la came horizontale coopérant avec le galet 16, ce dernier étant porté par le levier 17 qui tourillonne sur l'axe 31 fixé sur la structure 6. Dans le prolongement de la pièce 12, on trouve l'axe auxiliaire 33 pouvant recevoir des cames de détection ou d'actionnement d'organes divers non représentés (détecteurs, valves pneumatiques, micro-contacts... etc). Comme il a été dit plus haut, la came verticale est du type "came plate". I1 n'en est pas de même de la came horizontale, du fait du mouvement du galet 16, qui décrit un arc de cercle autour de l'axe 31. Comme on peut le voir sur la figure 1, la configuration du système est telle que le mouvement du galet 16 est approximativement radial par rapport à l'axe des cames. La forme de la came peut ainsi se rapprocher de celle d'une came plate, ce qui limite le phénomène de porte à faux. L'extrémité du levier 17 est organisée pour porter le galet 18 qui transmet le mouvement horizontal au bras 1 par l'intermédiaire de la coulisse verticale 19 solidaire du bras 1. Le développement vertical de la coulisse 19 doit permettre d'absorber: - effet de flèche du au fait que le mouvement du bras est rectiligne alors que celui du galet est circulaire, - la course verticale maxi que doit pouvoir effectuer le bras 1 - le débattement du galet 18 sur le levier 17 permettant la variation de la course horizontale. Pour réaliser ce débattement, le galet 18 est monté sur un couple de pièces 20,21 qui présentent un profil complémentaire de celui du levier 17 afin d'assurer un guidage précis. Dans le mode de réalisation proposé, ce guidage est en double queue d'aronde; quand on serre les vis 23, 23', on réalise un blocage de l'ensemble énergique et précis. L'ajustement fin de la course peut être facilité par l'utilisation de la tige filetée 22 qui est solidaire du levier 17, et qui coulisse librement dans la pièce 21. En jouant sur les écrous 24,24', on peut positionner de façon très précise l'ensemble 20,21, donc le galet 18. Cette opération est à faire alors que les vis 23, 23' sont débloquées. L'ensemble décrit ci-dessus est particulièrement visible sur les figures 2 et 3, les plans de coupe B et C passant par l'axe du galet 18. Les ressorts d'accumulation 31,31' sont conçus pour travailler en compression pure, mais tout autre principe décrit dans le brevet 91.01637 précité pourrait être utilisé. L'essentiel est que l'ensemble des ressorts se trouve en position neutre quand le bras 1 se trouve au milieu de son déplacement. Les ressorts sont appliqués par leurs extrémités intérieures sur le coulisseau vertical 3. Par leurs extrémités extérieures, ils sollicitent le bras I en s'appuyant respectivement sur l'outillage 34 et sur l'équerre-support 37 fixée sur le bras 1. Le ressort d'accumulation 41 présenté ici est un ressort de traction, qui coopère par sa boucle inférieure avec le coulisseau 3 dont il est solidaire par la vis à oeil 42 et le contreécrou 43, et par sa boucle supérieure avec la structure fixe 6 dans lequel se visse l'axe 44. La caractéristique du ressort 41 est calculée de telle sorte que la force exercée équilibre le poids de l'équipage mobile quand on se trouve au milieu de la course verticale, et qu'elle tombe à une valeur faible quand ledit équipage mobile est à sa position la plus haute. Cette position pouvant varier en fonction des courses verticales possibles, et le poids de l'équipage mobile pouvant également varier en fonction du type d'outil de préhension transporté, on voit qu'il y a nécessité d'ajuster le tarage du ressort en fonction de ces paramètres.Cet ajustement s'obtient en vissant ou en dévissant la vis 42 dans le coulisseau 3. On dispose donc d'un réglage par demi-tour de cette vis. La figure 4 présente deux cas d'utilisation du même ressort : cas 1 (trait plein) - cas 2 (trait pointillé). Pour chaque cas, on donne la course C, le poids de l'équipage mobile P, et la caractéristique du ressort R. Le tarage décrit ci-dessus permettant de faire varier la position de cette caractéristique, mais non sa pente, on voit qu'il permet d'obtenir le but visé, à savoir une symétrie des diagrammes de la résultante R - P. Cette présentation suppose que les courses Cl et C2 ont le même point bas, et que ce sont les points hauts qui varient, ce qui n'est pas une obligation, mais correspond à une utilisation optimale de la came verticale. Le manipulateur décrit ci-dessus présente comme unique possibilité de réglage la course horizontale, qui est le paramètre le plus important pour l'utilisateur. Si on souhaite modifier un autre paramètre cinématique, il faut intervenir sur une des cames, ou sur les deux. L'opération d'interchangeabilité des cames peut être rendue très facile et s'effectuer comme suit: - démontage du capot 50, - démontage de l'axe 31, dont les vis de fixation 34 et autres doivent être accessibles de l'extérieur de l'appareil. Une fois ces vis enlevées, l'ensemble de l'axe 31 et du levier 17 peut être retiré d'un seul bloc. I1 suffit alors d'enlever l'écrou 52 et l'arbre auxiliaire 33 pour pouvoir extraire la pièce 12. Le remontage se fait dans l'ordre inverse. Concernant les ressorts, les ressorts horizontaux 31,31' n'ont en principe jamais besoin d'être changés. Quant au ressort vertical 41, le raisonnement présenté plus haut montre importante. Toutefois, pour des cas très particuliers, on peut avoir à changer ce ressort, ce qui est facile compte tenu de sa position très accessible, et de la simplicité de sa fixation. Les principes décrits ci-dessus permettent d'obtenir l'ensemble des objectifs fonctionnels prévus. Concernant les objectifs de compacité et de coût, ceux-ci sont la conséquence naturelle de la simplicité du schéma proposé. A propos de la compacité, il convient d'observer que l'encombrement hors tout en épaisseur est conditionné par le diamètre des cames, et intéresse une zone très limitée. Dans tout le reste de l'appareil, l'épaisseur est beaucoup plus réduite, ce qui améliore l'accessibilité quand plusieurs manipulateurs sont montés côte à côte, et permet par exemple de régler la course horizontale ou le tarage des ressorts sans avoir à démonter l'appareil concerné. REVENDICATIONS 1. Manipulateur à cinématique en U inversé comportant un bloc moto-réducteur (11) d'entraînement de deux cames générant respectivement le mouvement vertical et le mouvement horizontal d'un bras (1) de préhension, caractérisé en ce que ces cames sont montées directement en bout d'arbre du bloc moto-réducteur (11), la came verticale de forme plate coopérant avec un galet (13) monté directement sur un coulisseau (3) mobile en vertical portant ledit bras (1), et la came horizontale attaquant le bras (1) mobile en horizontal par l'intermédiaire d'un levier (17) d'amplification à mouvement rotatif oscillant portant le galet (16) coopérant avec ladite came horizontale, agencée pour se rapprocher le plus possible de la forme d'une came plate. 2. Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité active du levier (17) d'amplification porte un galet (18) coopérant avec une coulisse verticale (19) solidaire du bras (1) mobile en horizontal, ledit galet (18) étant porté par un bloc (20,21) pouvant coulisser le long du levier (17) et être bloqué dans une position quelconque, en vue d'obtenir des courses horizontales variables par variations de la longueur active du levier (17). 3. Manipulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bloc coulissant le long du levier (17) se présente sous la forme de deux pièces (20,21) constituant une double queue d'aronde de forme complémentaire à celle du levier (17), l'une (21) de ces pièces étant traversée par une tige filetée (22) et prise entre deux écrous (24,24') permettant un réglage fin, le blocage de l'ensemble étant assuré par les vis 23, 23'. 4. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la présence d'un système de ressorts horizontaux (31,31') d'accumulation d'énergie montés entre des supports respectivement solidaires du bras (1) mobile en horizontal et du coulisseau (3) mobile en vertical, et travaillant autour d'une position neutre correspondant au milieu de la course horizontale. 5. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la présence d'un ressort vertical (41) d'accumulation d'énergie monté entre un point fixe et le coulisseau (3) mobile en vertical, travaillant en traction pure, et présentant une caractéristique telle qu'il équilibre le poids de l'équipage mobile en vertical pour une position de celui-ci correspondant sensiblement au milieu de sa course. caractéristique telle qu'il équilibre le poids de l'équipage mobile en vertical pour une position de celui correspondant sensiblement au milieu de sa course. 6. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'accès aux cames est rendu très facile par démontage rapide du levier (17) d'amplification du mouvement horizontal et de son axe. 7. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le galet (16) coopérant avec la came horizontale se débat, lors du mouvement oscillant du levier d'amplification (17), sensiblement dans une direction radiale de ladite came horizontale.