Brevet FR2721675A1 — publié le 19951229

La présente invention concerne un dispositif d'entrainement en rotation d'un objet de grande inertie mobile autour d'un axe et comportant un évidement central qui doit rester libre de toute obstruction. Pour les applications exigeant à la fois une haute résolution angulaire avec une faible hystérésis ainsi qu'un fort couple et une grande raideur, les dispositifs existants conviennent mal car ils ne peuvent pas satisfaire simultanément à toutes ces spécifications. Les dispositifs motorisés existants pour ces applications présentent divers inconvénients: ils doivent être conçus et adaptés spécifiquement pour chaque diamètre les transmissions par engrenages présentent une hystérésis importante et une résolution angulaire insuffisante, les entrainements par contacts roulants n'offrent qu'un couple faible, les motorisations directes présentent une faible raideur, sont volumineuses et d'un coût élevé. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. II comporte en effet selon une première caractéristique plusieurs actionneurs fixés sur une circonférence et exerçant chacun une action linéaire tangentielle sur la pièce tournante, de façon à provoquer globalement une petite rotation de cette pièce. Selon une deuxième caractéristique, chaque actionneur comprend un organe de serrage qui vient d'abord bloquer par l'intermédiaire d'une machoire un disque annulaire solidaire de la pièce tournante, et un organe d'action tangente qui effectue ensuite un micro-déplacement, entrainant ainsi la pièce tournante. Les actionneurs comprennent P groupes de N actionneurs répartis périodiquement sur la circonférence. Dans chaque groupe, les N actionneurs sont commandés et contrôlés en une action simultanée de façon à produire sur la pièce toumante un couple régulier. Chacun des P groupes est alors successivement et séquentiellement commandé pour provoquer une rotation continue de la pièce tournante, sans limitation de l'angle, et en assurant une vitesse de rotation continue. Les organes de serrage et d'action tangente sont réalisés à partir d'éléments actifs produisant des microdéplacements controlables par des moyens électriques et pouvant être excités à des fréquences élevées, de l'ordre de 1 kHz ou plus. Ces éléments actifs peuvent utiliser des matériaux soit piézo-électriques, soit électrostrictifs, soit magnétostrictifs, soit tout autre processus mécanique, physique, chimique ou thermique pouvant produire un micro-déplacement contrôlable. Selon un mode particulier de réalisation décrit en détails ci-dessous, le dispositif comprend 6 actionneurs avec N=3 et P=2, et les éléments actifs des 6 actionneurs utilisent des matériaux électrostrictifs pour les organes de serrage ainsi que pour les organes diction tangente, sous la forme de vérins disponibles dans le commerce. Les dessins annexés illustrent l'invention - La figure 1 représente la vue en plan de l'ensemble du dispositif. - La figure 2 représente la vue de face d'un actionneur en coupe. - La figure 3 représente la vue de dessous d'un actionneur en coupe. En référence à ces dessins, le dispositif comporte un disque annulaire (1) comportant un évidement (2) tel que l'application envisagée l'exige, solidaire de la pièce tournante non représentée et mobile autour de l'axe (3). Le bâti (4) est fixé sur une base statique. Les 6 actionneurs sont identiques et répartis uniformément autour du disque (1) tous les 60 degrés. Ils comprennent 2 groupes de 3 actionneurs (5) et (6), relativement à leur séquence d'action, et sont fixés sur le bâti (4) par les faces (7) et (8). Chaque actionneur est symmétrique par rapport au plan (9) contenant le disque (1), et comprend une structure porteuse formée par le cadre ouvert (10) qui donne sa rigidité au serrage, et deux boitiers (11) à 4 côtés avec le renfort (12) qui donnent leur rigidité à l'action tangente. L'organe de serrage est fixé à l'intérieur du cadre (10). Il est constitué par 2 micro-vérins (13) dont la ligne d'action est perpendiculaire au plan (9), chacun étant monté entre 2 articulations flexibles (14) permettant une légère inclinaison de leur axe, et par 2 pièces (15) servant de machoires de serrage sur le disque (1). L'organe de serrage est ajusté au montage de telle façon que les pièces (15) soient parallèles aux 2 faces du disque (1) et en soient éloignées de quelques micromètres lorsque les vérins (13) sont au repos. Lorsque les vérins (13) sont actionnés, les pièces (15) viennent serrer le disque (1) avec une force F. Les faces en contact sont traitées à la fabrication pour assurer un coefficient de frottement statique k au moins égal à 0,4. L'organe d'action tangente comprend 2 éléments identiques contenus chacun dans un boitier (11). Chaque élément est constitué par un micro-vérin (16), dont la ligne d'action est tangente au disque (1), monté entre 2 articulations flexibles (17) permettant une légère inclinaison de son axe, une extrémité étant fixée dans le boitier (11) et l'autre extrémité étant fixée sur la machoire (15), et par un ressort (18) formé par 4 rondelles coniques montées en opposition. Les vérins (16) sont asservis en position à l'aide d'un capteur de déplacement qui leur est incorporé. L'organe d'action tangente est ajusté au montage de telle façon que les ressorts (18) exerçent une précontrainte légèrement supérieure à la force requise pour produire le couple de rotation spécifié, et permettent ainsi la rotation dans un sens comme dans l'autre. Les ressorts (18) sont choisis pour que leur rigidité soit très inférieure à la rigidité interne des vérins (16), de telle façon que la force de précontrainte reste quasiment constante pour toute la course des vérins (16). Le fonctionnement du dispositif comprend les actions suivantes: - serrage: les vérins (16) étant au repos, action simultanée et rapide des vérins (13) qui viennent serrer les machoires (15) sur le disque (1), - rotation: mise en action simultanée des vérins (16), - desserage: mise au repos simultanée et rapide des vérins (13), - retrait: mise au repos simultanée des vérins (16). L'action simultanée des vérins dans chaque groupe permet d'exercer un couple de rotation maximum, sans réaction d'axe, de valeur 6 k F R ,où R est le rayon moyen d'action des machoires (15) par rapport à l'axe (3). Un nombre supérieur d'actionneurs dans chaque groupe permettrait d'atteindre un couple supérieur si c'était nécessaire. Pour produire une rotation du disque (1) dans le sens trigonométrique, la séquence d'actions est la suivante: - serrage pour le groupe 5, - desserage pour le groupe 6, - rotation à vitesse contrôlée pour le groupe 5, - retrait rapide pour le groupe 6, - serrage pour le groupe 6, - desserage pour le groupe 5, - rotation à vitesse contrôlée pour le groupe 6, - retrait rapide pour le groupe 5, Pour produire une rotation du disque (1) dans le sens des aiguilles d'une montre, la séquence d'actions est la suivante:: - serrage pour le groupe 5, - desserage pour le groupe 6, - retrait à vitesse contrôlée pour le groupe 5, - rotation rapide pour le groupe 6, - serrage pour le groupe 6, - desserage pour le groupe 5, - retrait à vitesse contrôlée pour le groupe 6, - rotation rapide pour le groupe 5, Chaque séquence d'actions constitue un micro-pas de rotation du disque (1), d'amplitude variable contrôlée par les capteurs de déplacement des vérins (16). La répétition des séquences permet la rotation du disque (1) de l'angle souhaité. L'amplitude variable permet la résolution souhaitée de la rotation globale. Le contrôle de la vitesse des vérins d'action tangente permet la rotation du disque (1) à la vitesse souhaitée. Pour produire un mouvement de rotation à vitesse continue, la séquence d'actions est modifiée de telle façon que d'abord la durée de l'action en rotation soit plus longue que celle de l'action de serrage, puis que le serrage et le desserage des machoires s'effectue "au vol" pendant que l'action de rotation est en cours, et enfin que les actions des 2 groupes soient décalées dans le temps. A titre d'exemple non limitatif, les dessins annexés représentent un dispositif moteur de diamètre nominal de 800 mm pourvu d'un espace non obstrué de diamètre 700 mm. Chaque actionneur a pour dimensions 230 mm x 380 mm x 140 mm. La force F produite par les micro-vérins de serrage est 10 kN, et le couple de rotation maximum obtenu vaut 9,6 kNm. L'amplitude maximale de déplacement des vérins tangents est de 20 micromètres, qui produit un pas maximum de rotation globale de 50 micro-radians. Une fréquence de sequencement de l'ordre de 700 Hz permet d'atteindre une vitesse de rotation de 2 degrés par seconde. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la motorisation des grands télescopes, aussi bien pour la rotation des axes principaux que pour les appareils de dé-rotation de champ. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'entrainement en rotation d'un objet de grande inertie mobile autour d'un axe (3) et comportant un évidement central (2) qui doit rester libre de toute obstruction, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs actionneurs (5) et (6) fixés sur un bâti (4) autour d'une circonférence et exerçant chacun une action linéaire tangentielle élémentaire sur la pièce tournante, de façon à provoquer globalement une rotation élémentaire de cette pièce, chaque actionneur comprenant un organe de serrage venant bloquer par l'intermédiaire de machoires (15) un disque annulaire (t) solidaire de la pièce tournante, et un organe d'action tangente qui effectue ensuite un déplacement élémentaire, entrainant ainsi la pièce tournante. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les machoires (15) de chaque actionneur serrant le disque annulaire (1), sont d'une part actionnées par deux micro-vérins antagonistes (13) montés entre deux articulations flexibles (14), et d'autre part recoivent la poussée tangente au disque créée par un seul ou bien deux vérins parallèles (16) capables de déplacements bi-directionnels. 3/ Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il peut s'appliquer de façon identique à tout diamètre d'objet et sans limitation de taille, les actionneurs (5) et (6) pouvant être fixés sur toute circonférence, indifféremment de son diamètre. 4/ Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé par le fait que le ou les vérins d'action tangente (16) de chaque actionneur sont asservis en déplacement par un capteur interne de déplacement qui permet de contrôler la résolution de la rotation globale. 5/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les actionneurs (5) et (6) sont répartis selon une distribution polaire périodique et sont contrôlés par groupes d'action simultanée, de façon à exercer sur la pièce tournante un couple aussi important que nécessaire et sans réaction d'axe. 6/ Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que ces groupes (5) et (6) d'actionneurs simultanés sont contrôlés répétitivement de façon à produire un mouvement de rotation de la pièce tournante sans limitation de l'angle, dans un sens comme dans l'autre. 7/ Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé par le fait que ces groupes (5) et (6) d'actionneurs simultanés sont contrôlés séquentiellement de façon à produire un mouvement de rotation de la pièce tournante à vitesse continue, de la valeur choisie, dans un sens comme dans l'autre. 8/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les vérins de serrage (13) et les vérins d'action tangente (16) utilisent un ou plusieurs types de matériaux choisis parmi des matériaux piézo-électriques, ou électrostrictifs, ou magnétostrictifs, ou tout autre processus physique, hydraulique, chimique ou thermique pouvant produire un déplacement contrôlable. 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'applique particulièrement à la rotation motorisée des grands télescopes, aussi bien pour la rotation des axes principaux que pour les appareils de dé-rotation de champ.