Brevet FR2703415A1 — publié le 19941007

La présente invention concerne un système mécanique comportant au moins deux éléments montés mobiles l'un par rapport à l'autre au moyen d'un palier de manière à pouvoir se déplacer selon au moins une direction de déplacement relatif sous l'action d'un moteur du système dont la commande est asservie pour corriger les erreurs de positionnement relatif entre ces deux éléments. Dans les systèmes mécaniques asservis, tels que des robots ou des systèmes de pointage de précision utilisés notamment dans l'industrie aéronautique et aérospatiale, les frottements secs engendrés dans les différents paliers ou articulations, lors des déplacements relatifs des deux éléments entre lesquels sont agencés ces paliers ou ces articulations, constituent une des causes les plus importantes d'erreurs de positionnement relatif et/ ou absolu des éléments. Ces phénomènes de frottements secs apparaissent notamment dans les paliers et les articulations à roulements tels que par exemples les roulements à billes. Une méthode classique de compensation des perturbations dues aux frottements secs dans un tel type de systèmes mécaniques asservis consiste à effectuer une correction au moyen d'une boucle d'asservissement en fonction d'une modélisation qui résulte d'une étude théorique des phénomènes de frottements. Cette méthode de compensation s'avère difficile à appliquer dans la pratique car les modèles utilisés sont trop complexes. La présente invention a pour but de proposer une conception d'un système mécanique asservi qui permette d'effectuer une compensation directe des perturbations dues aux frottements secs sans faire appel à aucun modele théorique. Dans ce but, l'invention propose un système mécanique du type mentionné précédemment, caractérisé en ce qu'un dispositif déformable élastiquement est inter posé entre l'un des deux éléments et le palier de manière à transformer les efforts résistants, dus aux frottements engendrés dans le palier lors des déplacements relatifs de faible amplitude, en un effort de rappel élastique. Une telle conception qui fait appel à un dispositif déformable élastiquement associé à un palier permet de réduire de manière très importante les erreurs dues aux frottements secs, tout en conservant une possibilité de débattement relatif important entre les deux éléments. L'ensemble formé par le dispositif déformable élastiquement et par le palier est substitué au palier classique utilisé dans les systèmes existants. Le dispositif déformable élastiquement fonctionne dans une plage de déplacements relatifs faibles en produisant un effort de rappel élastique perturbateur qui est sensiblement continu, sans hystérésis, par opposition aux perturbations engendrées par les frottements secs dans les systèmes classiques qui ne présentent aucun caractère de continuité, ni de linéarité. La conception selon l'invention permet néanmoins des grands débattements relatifs entre les deux éléments pour lesquels le palier assure sa fonction classique. Dans le cas de ces déplacements de grande amplitude, les efforts parasites sont alors les mêmes que dans le cas d'un système classique sans dispositif déformable élastiquement. La conception d'un système mécanique selon l'invention permet ainsi de minimiser les perburbations dues aux déplacements de faible amplitude inférieurs au débattement nominal du dispositif déformable élastiquement, les perturbations liées aux déplacements de grande amplitude subsistant, mais étant connus et pouvant faire l'objet d'une compensation selon une méthode classique. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le système mécanique comporte des moyens, agencés entre l'élément auquel est relié le dispositif déformable élastiquement et le palier, pour mesurer un paramètre représentatif des déplacements relatifs entre cet élément et le palier qui résultent des déformations élastiques du dispositif déformable élastiquement et dont la valeur est prise en compte par une unité d'asservissement de la commande du moteur pour effectuer une compensation par retour d'effort de l'effort de rappel élastique au moyen du moteur du système. Lesdits moyens comportent de préférence au moins un capteur d'efforts intégré au dispositif déformable élastiquement. L'utilisation d'une mesure d'un effort, par exemple au moyen d'une jauge de contrainte intégrée au dispositif déformable élastiquement, permet d'obtenir une évaluation directe de l'effort de rappel élastique dont la valeur est directement retransmise au moteur d'asservissement afin de réaliser une compensation des frottements. Il est également possible d'utiliser un capteur de déplacement relatif dans la mesure où la valeur de l'effort de rappel élastique est une fonction de la déformation géométrique du dispositif déformable élastiquement. Selon d'autres dispositions de l'invention - le dispositif déformable élastiquement comporte deux armatures rigides fixées respectivement audit élément et au palier, et reliées entre elles par au moins un organe déformable élastiquement ; - les deux armatures sont reliées entre elles par une série de bras déformables élastiquement dont chacun s'étend selon une direction générale sensiblement perpendiculaire à ladite direction de déplacement relatif; - le palier comporte des moyens de roulement ; - la direction de déplacement relatif peut être une droite, un cercle, ou par exemple une hélice, l'invention trouvant également à s'appliquer dans le cas ou le palier est une articulation à rotule ; - dans le cas où les deux éléments se déplacent en rotation l'un par rapport à l'autre, les armatures sont deux couronnes coaxiales entre lesquelles est agencé au moins un organe déformable élastiquement ; - l'organe déformable élastiquement peut être constitué par une série de bras s'étendant radialement pour relier entre elles les deux couronnes - le système comporte des moyens de butée agencés entre ledit élément et le palier pour limiter l'amplitude des déformations du dispositif déformable élastique ment; - le dispositif déformable élastiquement comporte un actionneur interne permettant de créer un effort opposé audit effort de rappel élastique. D'autres caractéristiques et avantages de l'inventin apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une demi-vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un système mécanique conforme aux enseignements de l'invention dans lequel les deux éléments sont montés mobiles en rotation l'un par rapport à l'autre ; - la figure 2 est une vue selon la flèche F2 de la figure 1 du dispositif déformable élastiquement intégré au système mécanique ; - la figure 3 est une vue de détail à plus grande échelle d'un des bras déformable élastiquement du dispositif de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue latérale en élévation d'un second mode de réalisation d'un système mécanique conforme aux enseignements de l'invention dans lequel les deux éléments sont montés mobiles l'un par rapport à l'autre selon une droite de déplacement relatif - la figure 5 est une vue en section selon la ligne 5-5 de la figure 4 - la figure 6 est une vue simplifiée d'un troisième mode de réalisation d'un système mécanique conforme aux enseignements de l'invention dans le cas où les deux éléments sont articulés l'un par rapport à l'autre au moyen d'une articulation à rotule - la figure 7 est une vue en section selon la ligne 7-7 de la figure 6 ; - les figures 8 et 9 sont des vues schématiques en perspective d'un quatrième et d'un cinquième modes de réalisation du dispositif déformable élastiquement qui est susceptible d'être intégré dans un système mécanique réalise conformément aux enseignements de l'invention dans le cas où les deux éléments sont mobiles l'un par rapport à l'autre selon une direction de déplacement relatif en hélice - la figure 10 est un schéma synoptique illustrant un exemple d'une boucle d'asservissement permettant d'assurer la compensation des frottements dans le cas du système mécanique illustré aux figures 1 et 3. Le système mécanique schématisé à la figure I comporte un premier élément 10 appelé par convention le stator et un second élément 12 appelé par convention le rotor. Le stator 10 est une structure de forme générale cylindrique, de même que le rotor 12, et ces deux éléments sont montés mobiles l'un par rapport à l'autre en rotation autour de leur axe commun X-X. L'entraînement en rotation du rotor 12 par rapport au stator 10 est assuré au moyen d'un moteur électroma gnétique 14 commande en couple à commande proportionnelle. Le moteur 14 est constitué d'une partie statorique 14A fixée à la structure 10 et d'une partie rotorique 14B fixée à la structure 12. Le guidage en rotation du rotor 12 par rapport au stator 10 est assuré au moyen d'un roulement à billes 16 comportant une bague intérieure en deux parties 18 fixées au rotor 12 et une bague extérieure 20, entre lesquelles sont agencées des billes 22. Conformément à l'invention, un dispositif déformable élastiquement 24 est interposé entre le stator 10 et le palier. Le dispositif déformable élastiquement comporte une première armature en forme de couronne cylindrique annulaire 26 qui est rigide et est fixée au stator 10 au moyen de vis 28 traversant une bride radiale latérale 30 du stator 10. Le dispositif déformable élastiquement 24 comporte une seconde armature en forme de couronne annulaire cylindrique 32 qui est une armature rigide fixée à la bague extérieure 20 du roulement 16 au moyen de vis 34 qui traversent une bride radiale latérale 36 de la bague extérieure 20. Les armatures cylindriques 26 et 32 sont reliées entre elles par une série de bras déformables élastiquement 38 qui s'étendent radialement entre les faces cylindriques en vis-à-vis 25 et 31 des deux armatures. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, les deux armatures annulaires 26 et 32 et les bras déformables élastiquement 38 sont réalisés venus de matière en une seule pièce, par exemple par usinage dans la masse. Chacun des bras 38 se présente sous la forme d'une lame flexible qui s'étend dans un plan général radial. Comme on peut le voir sur le détail de la figure 3, chacune des extrémités radiales 40 d'une lame 38 est amincie et s'étend en regard d'un évidement 42 en forme de lunule usiné dans l'épaisseur de l'armature 32 afin d'accroître les capacités de déformation élastique du système en rotation. Le dispositif déformable élastiquement 24 comporte également des moyens de butée 44 qui sont conçus pour limiter le débattement angulaire relatif entre les armatures 26 et 32, et donc déterminer une capacité maximale de déformation élastique du dispositif déformable élastiquement 24. Chaque moyen de butée 44 est réalisé sous la forme d'une patte radiale intérieure 46 de l'armature extérieure 26 qui est reçue avec du jeu entre deux pattes radiales extérieures de l'armature intérieure 32 Enfin, le dispositif déformable élastiquement 24 comporte des capteurs 50 de mesure de la déformation élastique du dispositif. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, cnaque capteur 50 est constitué par une lame déformable élastiquement 52 fixée par ses extrémités radiales opposées aux armatures 26 et 32 et dont chacune porte une ou plusieurs jauges de contrainte de manière à disposer d'un paramètre de mesure de la déformation élastique du dispositif 24. Le système mécanique comporte également une unité électronique d'asservissement de la position relative du rotor 12 par rapport au stator 10, non représentée sur les figures, d'un type classique couramment utilisé dans la conception des robots ou des systèmes de pointage dans l'industrie aéronautique ou aérospatiale. La capacité de débattement angulaire du dispositif déformable élastiquement 24 est choisie en fonction de la bande passante du système asservi, ainsi qu'en fonction du spectre de débattement angulaire relatif, de manière que le couple de rappel élastique exercé par le dispositif 24 soit, dans la mesure du possible, le plus souvent inférieur au couple de démarrage du palier, c'est-à-dire au couple que doit appliquer le moteur 14 pour provoquer un début de déplacement relatif des bagues 18 et 20. La raideur du dispositif 24 est une raideur angulaire qui est définie de façon que le débattement utile du dispositif, ctest-à-dire la capacité de déplacement relatif entre ces armatures cylindriques 26 et 32, soit supérieur à l'amplitude pour laquelle le couple de frottement du palier 16 est égal au couple de rappel élastique exercé par le dispositif 24. Au delà de ces valeurs, les butées 44 interviennent pour limiter la course de déplacement relatif. La conception des lames déformables élastiquement 38 permet de conférer au dispositif 24 des raideurs linéaires et angulaires élevées, selon les axes perpendiculaires à l'axe de rotation X-X, ces raideurs pouvant, si nécessaire, être supérieures à celles du palier 16. La figure 10 illustre le principe de la compensation des perturbations dues aux frottements secs dans le palier 16 par retour d'effort. J1 représente le moment d'inertie de la partie mobile du système mécanique asservi et J2 représente la somme de l'inertie de la couronne intérieure 32 du dispositif 24 et de l'inertie de la bague extérieure 20 du roulement 16. G(P) désigne un filtre qui permet de corriger les imperfections de la mesure du couple de rappel élastique et/ou les imperfections du moteur, telles que les non linéarités, les déphasages, etc. Le principe de compensation illustré à la figure 10 est mis en oeuvre dans le cadre d'un dispositif embarqué sur un satellite. On notera que la compensation ne fait appel en aucune manière à une quelconque modélisation des frottements, ce qui la rend assez simple à utiliser. De plus, comme la compensation ne fait pas appel à des mesures de position ou de vitesse relatives, mais fait appel à une mesure directe de la perturbation convertie sous la forme d'un couple de rappel élastique, sa mise en oeuvre n'est pas gênée par les flexibilités du système mécanique asservi proprement dit. Par ailleurs, la conception du système mécanique asservi selon l'invention a pour avantage de fournir un dispositif de test du palier, et notamment des roulements qui est disponible en permanence sans intervention sur le système. En effet, l'analyse statistique des valeurs fournies par les capteurs 50 permet de détecter en temps réel et de manière continue tout blocage permanent ou répétitif des roulements. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans le cas des applications spatiales pour lesquelles il est souhaitable de pouvoir effectuer à distance des opérations de test de fonctionnement des roulements. Des variantes de réalisation du système mécanique asservi illustré aux figures 1 à 3, peuvent par exemple faire appel à un bloc déformable élastiquement réalisé en élastomère agencé entre deux armatures cylindriques annulaires métalliques. Les bras 38 ne sont pas nécessairement réalisés venus de matière avec les armatures mais peuvent être conçus sous la forme d'éléments métalliques rapportés. Les lames ou bras flexibles 38 peuvent également être disposés axialement, ou dans une position intermé diaire, l'invention pouvant également faire appel à une combinaison de ces diverses positions. Il est également possible de remplacer les lames par des filins ou des rubans tendus entre les armatures et travaillant uniquement en traction. Dans le cas où une raideur, ou une résitance, axiale ou radiale du système mécanique de valeur particulièrement élevée est requise, il est possible de réaliser le dispositif déformable élastiquement 24 avec une raideur supérieure à celle qui est nécessaire pour pouvoir assurer la compensation efficace des frottements secs, ctest-à-dire à celle qui est nécessaire pour permettre une déformation élastique du dispositif pour les faibles débattements. La flexibilité du dispositif 24 en vue de la transformation des frottements en un couple de rappel élastique peut alors être obtenue au moyen d'un actionneur agencé entre les deux armatures du dispositif 24, cet actionneur ayant pour fonction d'engendrer un couple s'opposant au couple de rappel élastique du dispositif 24 en fonction du signal délivré par les capteurs d'efforts 50. Le recours à un actionneur intégré au dispositif 24 procure une réduction de la raideur globale du dispositif en ajoutant "une raideur opposée" de manière à obtenir une raideur angulaire résultante nettement plus faible. Comme on l'a schématisé aux figures 4 et 5, le principe de l'invention trouve également à s'appliquer dans le cas d'un système mécanique asservi à déplacement linéaire faisant par exemple appel à un palier à billes. Sur ces figures, des composants identiques ou équivalents à ceux illustrés aux figures 1 à 3 sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Le dispositif déformable élastiquement 24 est dans ce cas réalisé sous la forme d'une série de lames déformables élastiquement 38 qui s'étendent perpendiculairement à la direction rectiligne de déplacement relatif D de l'élément mobile 10 par rapport à l'élément fixe 12. Le palier est constitué par une série de billes 22 reçues dans des gorges formées directement dans l'élément fixe 12 et dans un intermédiaire 20, 32 correspondant à l'association en une seule pièce de la bague extérieure du roulement 20 et de l'armature cylindrique annulaire 32 du mode de réalisation illustré aux figures 1 à 3. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 6 et 7, le palier 16 est une rotule d'articulation comportant un noyau intérieur 18 et une jupe extérieure 20. La jupe 20 est reliée à l'élément fixe 10 par un dispositif déformable élastiquement 24 constitué d'une série de tiges déformable élastiquement 38 qui s'étendent radialement depuis la jupe 20 jusqu'en direction d'une armature extérieure 32 fixée à l'élément fixe 10. On a représenté sur la figure 8 un mode de réalisation d'un dispositif déformable élastiquement 24 prévu pour être interposé entre l'écrou d'une vis à billes et un élément par rapport auquel le corps de la vis, relié à l'autre élément du système, se déplace selon un mouvement en hélice D. L'armature intérieure 26, qui est par exemple fixée à l'écrou, est reliée à l'armature extérieure 32 au moyen d'éléments flexibles en forme de lames 38 qui sont inclinés par rapport au plan axial associé d'un angle tel que le plan de chaque lame soit sensiblement perpendiculaire à l'orientation du filet de la vis et avec un pas de même module. Dans le cas de la figure 9, le dispositif déformable élastiquement 24 est également prévu pour être interposé dans un système mécanique asservi comportant une vis à billes pour un mouvement relatif en hélice; la couronne 26, reliée par exemple à l'écrou de la vis à billes, et la couronne 32, reliée à l'un des deux éléments du système, sont reliées entre elles par des bras flexibles qui s'étendent sensiblement axialement et qui sont inclinés par rapport à un plan axial associé, comme dans le cas des lames flexibles 38 de la figure 8. REVENDICATIONS 1. Système mécanique asservi du type comportant au moins deux éléments (10, 12) montés mobiles l'un par rapport à l'autre au moyen d'un palier (20) de manière à pouvoir se déplacer selon au moins une direction de déplacement relatif (D) sous l'action d'un moteur (14) du système dont la commande est asservie pour corriger les erreurs de positionnement relatif entre ces deux éléments (10, 12), résultant notamment des perturbations dues au frottement dans le palier (16), caractérisé en ce qu'un dispositif deformable élastiquement (24) est interposé entre l'un (10) des deux éléments et le palier (16) de manière à transformer les efforts résistants, dus aux frottements engendrés dans le palier (16) lors des déplacements relatifs de faible amplitude, en un effort de rappel élastique. 2. Système mécanique asservi selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (50) agencés entre ledit élément (10) et le palier (16) pour mesurer un paramètre représentatif des déplacements relatifs entre ceux-ci (10, 16) qui résultent des déformations élastiques du dispositif déformable élastiquement (24) et dont la valeur est prise en compte par une unité d'asservissement de la commande du moteur (14) pour effectuer une compensation par retour d'effort dudit effort de rappel élastique, au moyen du moteur (14) du système. 3. Système mécanique asservi selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens (50) comportent au moins un capteur d'efforts intégré au dispositif déformable élastiquement (24). 4. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce le dispositif déformable élastiquement (24) comporte deux armatures rigides (26, 32) fixées respectivement audit élément (10) et au palier (16), et reliées entre elles par au moins un organe déformable élastiquement (38). 5. Système mécanique asservi selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux armatures (26, 32) sont reliées entre elles par une série de bras déformables élastiquement (38) dont chacun s'étend selon une direction générale sensiblement perpendiculaire à ladite direction de déplacement relatif (D). 6. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit palier (16) comporte des moyens de roulement (22). 7. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que' ladite direction de déplacement (D) est une droite. 8. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 , caractérisé en ce que ladite direction de déplacement relatif est un cercle. 9. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que ladite direction de déplacement relatif (D) est une hélice. 10. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit palier (16) est une articulation à rotule. 11. Système mécanique asservi selon la revendication 8 prise en combinaison avec l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce lesdites armatures (26, 32) sont deux couronnes coaxiales (X-X) entre lesquelles est agencé au moins un organe déformable élastiquement. 12. Système mécanique asservi selon la revendication Il prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits bras déformables élastiquement (38) s'étendent radialement pour relier entre elles les deux couronnes (26, 32). 13. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de butée (44) agencés entre ledit élément (10) et le palier (16) pour limiter l'amplitude des déformations du dispositif déformable élastiquement (24). 14. Système mécanique asservi selon l'une quelconque des rendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif déformable élastiquement (24) comporte un actionneur interne permettant de créer un effort opposé audit effort de rappel élastique.