Brevet FR2728695A1 — publié le 19960628

L'invention concerne la commande d'un mouvement de rotation demandant une grande précision, notamment caractérisée par une très bonne résolution et une grande bande passante pour les vibrations pouvant être compensées. Elle vise en particulier, mais pas exclusivement, la commande des mouvements en azimut et/ou en élévation d'un télescope d'astronomie. La motorisation d'un mouvement de haute précision, par exemple celui de l'axe d'une monture de télescope, doit avoir des qualités spécifiques. Pour obtenir le mouvement de haute précision recherché, la partie mobile du mécanisme de motorisation doit en particulier être portée par des paliers aussi parfaits que possible, c'est-à-dire qui ne provoquent pas des défauts de mouvements dûs à une mauvaise précision cinématique ou à la présence de forces parasites liées au frottement dans les paliers. Une autre source de forces parasites est constituée par la connexion de ce mobile de haute précision avec son environnement, sous forme de câbles électriques ou fluidiques, dont les souplesses ne sont jamais parfaites. Le moteur destiné à entraîner le mobile doit, par ses qualités, respecter les indications données plus haut en particulier, il doit fournir un couple moteur tout en minimisant efficacement les forces parasites pouvant perturber le mouvement. Le moteur doit générer un couple aussi parfait que possible, c'est-à-dire qui dépend uniquement du signal de commande, d'une façon parfaitement linéaire, dans la bande passante nécessaire à la réalisation de l'automatisme. Ce couple doit être indépendant de la position angulaire du mobile à commander. Une solution couramment retenue consiste à employer un moteur couple monté directement sur l'axe à commander. Il existe sur le marché des moteurs remplissant les qualités que nous avons citées plus haut. Toutefois, un certain nombre de problèmes apparaissent dès que la taille des moteurs envisagés devient importante. La création de couples électro-magnétiques forts met en jeu des structures mécaniques de dimensions importantes qui ne peuvent être parfaitement rigides. Or ces structures sont soumises à des efforts électromagnétiques radiaux, éventuellement importants, en pratique variables, générés soit directement par le fonctionnement même du moteur soit, indirectement au sein des paliers (par exemple en raison des variations parasites d'entrefer au sein des paliers lorsque ceux-ci sont magnétiques). Tous ces phénomènes croissent avec la dimension des machines envisagées. C'est par exemple le cas pour les télescopes astronomiques dont les dimensions futures exigent, dans cette configuration technologique, des moteurs de plusieurs mètres de diamètre. Il n'y a guère, aujourd'hui, d'autre marché pour ces moteurs de grande taille et il paraît impensable de faire supporter au matériel astronomique le coût des recherches nécessitées par ces développements spécifiques pour lesquels, de toute façon, le marché sera extraordinairement limité. D'autres problèmes sont également à résoudre lorsque l'on veut utiliser ces principes de motorisation directs : pour les raisons citées plus haut, la taille de ces moteurs restera limitée et on ne pourra pas prévoir des moteurs possédant des capacités de surcouple pour réagir dans tous les cas exceptionnels, comme par exemple les tremblements de terre ou même les coups de vent imprévisibles. Pour ces applications astronomiques, les vitesses de déplacement sont très faibles. Les masses de ces moteurs sont énormes et, en conséquence, les échauffements dans le cuivre sont plusieurs dizaines de fois supérieurs à la puissance mécanique fournie. Il faut également considérer l'hypothèse d'un manque imprévu de puissance électrique et concevoir des dispositifs de sécurité destinés à bloquer, de façon non brutale mais absolument sûre, de tels mécanismes pesant éventuellement plusieurs centaines de tonnes et qui ne peuvent accepter sans risque des accélérations provenant par exemple du contact d'une butée d'extrémité de course. De plus, des dispositifs auxiliaires doivent accompagner le mouvement de ces mécanismes de haute précision pour permettre diverses connexions de tuyauteries sans création de couples perturbateurs importants. L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités grâce à un système de motorisation d'un mouvement rotatif capable de générer des couples importants, pour mouvoir des masses importantes, avec une grande précision sans nécessiter de structures massives aussi lourdes, encombrantes et coûteuses que dans les solutions techniques et en tirant profit au maximum d'éléments déjà connus, ce système admettant en cas d'incident, une configuration de grande rigidité, sans dégradation dudit système. Elle propose à cet effet un dispositif de motorisation en rotation d'un mobile principal par rapport à un support, autour d'un axe de rotation comportant - un mobile intermédiaire muni de moyens de guidage en rotation autour dudit axe de rotation, - un dispositif moteur à grande course pour la commande en rotation du mobile intermédiaire par rapport au support, - des moyens de guidage en rotation du mobile principal par rapport au support, - un dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course de part et d'autre d'une configuration de référence, disposé en sorte d'agir tangentiellement entre le mobile intermédiaire et le mobile, - des butées délimitant un débattement prédéterminé du mobile principal vis-à-vis du mobile intermédiaire, - des moyens de détection pour fournir un signal représentatif de la position angulaire du mobile principal par rapport au support, - une boucle d'asservissement connectée entre les moyens de détection et le dispositif moteur électromagnétique linéaire et recevant une valeur de consigne, et - une boucle d'asservissement agissant sur le dispositif moteur à grande course en fonction de la position angulaire relative entre le mobile principal et le mobile intermédiaire pour maintenir le dispositif moteur électromagnétique linéaire dans sa configuration de référence. On appréciera que l'invention, à la différence des solutions connues qui, pour un mouvement rotatif, faisaient essentiellement appel à des moteurs rotatifs, fait intervenir des solutions à mouvement linéaire plus ou moins cintré. Selon des enseignements préférés de l'invention, éventuellement combinés - le dispositif moteur à grande course comporte un élément de roulement motorisé, roulant sur une piste courbe sur l'axe de rotation, - le dispositif moteur à grande course comporte un pignon motorisé engrenant sur une crémaillère courbe centrée sur l'axe de rotation, - le pignon motorisé est porté par le support et la crémaillère courbe est portée par le mobile intermédiaire, - le pignon motorisé est porté par le mobile intermédiaire et la crémaillère est portée par le support, - l'axe de rotation est vertical, le support comporte une paroi cylindrique de guidage et au moins une piste annulaire sur laquelle reposent le mobile intermédiaire et le mobile principal, - le mobile intermédiaire et le mobile principal reposent sur le support au moyen de paliers sans contact, - la piste cylindrique comporte une portion crantée sur laquelle engrène un pignon motorisé monté sur le mobile intermédiaire, - le dispositif moteur à grande course comporte une pluralité d'éléments de roulement régulièrement distribués angulairement, roulant sur ladite piste courbe, - l'axe de rotation est au moins approximativement horizontal, - le mobile intermédiaire comporte un flasque rotatif portant une piste de roulement et un dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course adapté à agir sur le mobile principal, - le mobile intermédiaire comporte deux flasques disposés axialement de part et d'autre du mobile principal, portant chacun une piste de roulement ménagé sur une tranche et muni chacun d'un dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course, - chacun des flasques comporte des butées pour délimiter un débattement du mobile principal par rapport au mobile intermédiaire, - le dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course est un moteur de type haut-parleur. L'invention propose également un télescope muni de tels dispositifs de motorisation. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de motorisation en rotation, conforme à l'invention - la figure 2 est une vue schématique en perspective montrant un télescope mobile par rapport à un bâti, lequel est mobile par rapport à un socle - la figure 3 est une vue agrandie d'un détail de la figure 2 montrant un dispositif, conforme à la figure 1, assurant la motorisation autour d'un axe vertical, du bâti par rapport au socle - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un dispositif conforme à la figure 1, assurant la motorisation autour d'un axe horizontal, du télescope mobile par rapport au bâti ; et - la figure 5 représente une variante de la figure 1. La figure 1 représente schématiquement un mobile 1 que l'on veut motoriser avec une grande précision autour d'un axe de rotation X-X par rapport à un support 2. Le mobile à motoriser 1 possède des paliers 3 aussi parfaits que possible, c'est-à-dire qui assurent la précision voulue pour le guidage avec le minimum de frottement perturbateur. Ils sont de tout type connu approprié (par exemple des paliers magnétiques ou encore des paliers à air). Le mobile 1 possède également des capteurs schématisés en 100 nécessaires à l'asservissement du mouvement par rapport au support avec la précision désirée (codeurs angulaires, capteurs de position et d'accélération par exemple, de tout type connu approprié donnant un signal représentatif de la position instantanée du mobile). Le dispositif de motorisation comprend - un mobile auxiliaire 4 susceptible de décrire le même mouvements de rotation que le mobile principal, mais grâce à un guidage indépendant et conventionnel (par des paliers classiques 5). . Son déplacement n'a donc pas les mêmes ambitions de précision, - un moteur 6 pour la motorisation du mobile auxiliaire 4 sur une grande course par rapport au support 2 ; il s'agit avantageusement d'un ensemble pignon-crémaillère ; à la figure 1 le pignon 7 est entraîné en rotation par un moteur rotatif classique 8 lié au support tandis que la crémaillère courbe 9, centrée sur l'axe X-X, est liée au mobile intermédiaire 4 ; à la figure 5 la crémaillère courbe 9' est liée au support 2 tandis que le pignon 7' est lié au mobile intermédiaire 4' ; en variante, la motorisation 6 peut comporter par exemple une réduction par engrenages et un moteur rapide sans balais classiquement utilisé dans l'industrie de la machine outil, ainsi que les systèmes d'asservissement associés, - un système attelant en rotation les mobiles 1 et 4 comportant un moteur électromagnétique linéaire à faible course de part et d'autre d'une configuration de référence du type "bobine de haut-parleur" doublé d'une biellette mécanique 11 engagée entre des butées 12 et 13, normalement avec un jeu substantiel inférieur à la course du moteur 10, qui assure un attelage mécanique en cas de défaillance du moteur électromagnétique 10. Un câblage assure les connexions électriques et/ou fluidiques nécessaires au fonctionnement de ce mobile auxiliaire 4 et du mobile principal 1, utilisant des chemins porte-câbles 14 et 15 en série se raccordant en un point fixe du mobile intermédiaire 4. La motorisation du mobile auxiliaire est dimen sionnée pour l'entraîner, ainsi que les systèmes portecâbles, mais aussi pour entraîner le mobile principal. Le mobile auxiliaire 4, associé au moteur électromagnétique à faible course 10 décrit ci-dessus, constitue donc un générateur de force ou un générateur de couple pour le mouvement rotatif. Le moteur électromagnétique 10 est commandé par une boucle d'asservissement schématisé en 101, à partir de la comparaison des signaux de capteurs 100 et des consignes. La commande du moteur 8 est réalisée par une boucle d'asservissement schématisée en 102, à partir de capteurs 103 montés entre les mobiles 1 et 4, avec la consigne de conserver centré le moteur électromagnétique 10 sur sa course (c'est-à dire que l'écart A de position doit rester nul par rapport à ce centre). Ainsi, le mobile auxiliaire 4 suit en esclave le mouvement du mobile principal 1. Il est possible d'utiliser deux moteurs électromagnétiques diamétralement opposés pour réaliser la liaison des deux mobiles (voir de n moteurs 10 décalés de 3600/n ; la figure 2 montre un exemple à 3 moteurs) L'ensemble du système ainsi constitué associe des réponses aux diverses difficultés d'application des moteurs à entraînement direct énoncées plus haut ; en effet le couple ou la force fourni au mobile de précision est parfaitement défini dans sa direction, son point d'application et son module et ne dépend que du courant circulant dans la bobine du moteur 10 (tant que la biellette 11 n'est pas en butée). En particulier, les imperfections de déplacement sur tous les axes du mobile auxiliaire (axe de rotation + axes transverses) n'ont pas d'influence sur la force électromagnétique appliquée par le moteur. Dans le sens du déplacement principal, l'effet des vibrations résiduelles du mobile auxiliaire n'est pas transmis au mobile principal. Tout événement accidentel (surcharges par exemple), grâce à la biellette mécanique, attelle directement, mécaniquement, le mouvement du mobile à celui du mobile auxiliaire dont l'entraînement positif robuste constitue un secours permanent de grande sécurité. Le fonctionnement normal peut reprendre dès que l'événement perturbateur cesse. La course du moteur électromagnétique n'est destinée qu'à absorber l'écart entre le mouvement visé de haute précision du mobile principal et le mouvement plus fluctuant et cinématiquement moins précis du mobile auxiliaire. Cet écart correspond à quelques millimètres au plus. A titre d'exemple la précision du mouvement auxiliaire s'exprime en milliradians et le mouvement principal vise le microradian Il est donc possible de concevoir des liaisons très souples parce qu'à faible course entre les deux mobiles, afin d'apporter au mobile principal les câbles et tuyaux d'alimentation nécessaires. Les forces perturbatrices engendrées par ces liaisons obligatoires seront donc minimisées. L'invention fait donc intervenir des générateurs de force linéaires de très faible course dont le stator suit en permanence le mouvement avec une approximation cinématique sans influence sur la qualité de l'effort produit. Les fonctions de contrôle positif et les sécurités sont bien mieux remplies par la motorisation à entraînement positif du mouvement auxiliaire. On appréciera qu'il n'y a pas de contact solide ou élastique entre le mobile intermédiaire 4 et le mobile 1 pouvant introduire du bruit mécanique. L'utilisation d'un moteur "linéaire cintré" permet une grande précision, d'autant plus importante que ce moteur est situé loin de l'axe de rotation. A cette grande précision se combine un effet de levier important (distance à l'axe) qui permet d'obtenir un couple important même avec un moteur de faible puissance. On appréciera que l'on obtient la précision du moteur de haut-parleur sur une grande course (celle dudit moteur linéaire cintré). Ce moteur linéaire cintré peut en variante comporter une piste sur laquelle roulent des galets à friction. Il est à noter qu'il y a, pour chaque mobile, une motorisation spécifique et un guidage spécifique (les paliers). On a vu que la figure 5 est une variante de la figure 1 où il y a une inversion entre le pignon et la crémaillère. Les éléments similaires à ceux de la figure 1 y sont désignés par le même nombre de référence mais affecté de l'indice "prime". Les figures 2 à 4 représentent un exemple d'application du schéma de principe de la figure 1 au cas d'un télescope. A la figure 2 sont représentés une monture de télescope 20 (comportant les optiques de visée, d'axe de visée U-U, non représentées) , un bâti 40 sur lequel la monture peut tourner autour d'un axe horizontal Y-Y, et un socle 60 sur lequel le bâti peut tourner autour d'un axe vertical Z-Z. Ces deux mouvements de rotation déterminent respectivement l'élévation et l'azimut du télescope. Chacun de ces mouvements est, dans l'exemple considéré, assuré par un système conforme à la figure 1 (ou à la figure 5, en variante). En ce qui concerne le mouvement en azimut, le bâti 40 est monté sur le socle 60 en parallèle avec une platine intermédiaire 41 comportant des bras radiaux 42 ici au nombre de trois (et décalés d'un angle de 3600/3). Ainsi que cela ressort clairement de la figure 3 sur le socle 60 est ménagée une piste crantée 43 sur laquelle engrène une roue motrice 44 d'axe solidaire de l'extrémité de l'un des bras 42 ; il y a de préférence une roue motrice au bout de chaque bras. La roue 44 est commandée par une boucle non représentée. La platine intermédiaire 41 et le bâti 40 comportent des pattes axiales de centrage, coopérant avec une paroi cylindrique de centrage 61 du socle, et avantageusement munies, au moins en ce qui concerne le bâti, de paliers sans contact 45 et 46, par exemple hydrostatiques, propres à minimiser les frottements. De même la platine intermédiaire 41 et le bâti 40 reposent avantageusement, au moins en ce qui concerne le bâti 40, par d'autres paliers sans contact 47 et 48, par exemple hydrostatiques. Ces paliers coopèrent avantageusement avec une même piste annulaire transversale 62. Des moteurs électromagnétiques linéaires de faible course tels que 49 sont ménagés circonférentiellement entre la platine intermédiaire 41 et le bâti 40. Les bras 42 sont engagés dans des échancrures du bâti telles que 51, dont les flancs verticaux forment des butées en fin de course des moteurs 49. Les porte-câbles et les capteurs et les circuits ou boucles d'asservissement ne sont pas représentés. Le mouvement peut être de 3600. La figure 4 montre la motorisation en élévation pour une course angulaire inférieure à 900. Une platine intermédiaire est montée par des paliers sans contact sur le même axe Y-Y que la monture 20. Cette platine est ici dédoublée en deux flasques latéraux 21 et 22 indépendants. Ces flasques ont des tranches crantées 23 et 24 qui coopèrent avec des pignons moteurs 25 et 26 solidaires du bâti 40. Des butées 27 et 28, 29 et 30 servent à limiter le débattement angulaire de leviers radiaux 31 et 32 solidaires de la monture 20. Deux moteurs électromagnétiques linéaires à faible course, dont seul l'un d'entre eux est visible, schématisé en 35, est ménage tangentiellement au mouvement de rotation, entre les flasques et la monture, ici près des butées 27 et 29. On observe des tronçons porte-câbles 33 et 34. En variante non représentée, il peut n'y avoir qu un seul flasque. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposee qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de motorisation en rotation d'un mobile principal (1, 20, 40) par rapport à un support (2, 40, 60), autour d'un axe de rotation (X-X, Y-Y, Z-Z) comportant - un mobile intermédiaire (4, 21, 22, 41) muni de moyens (5, 45) de guidage en rotation autour dudit axe de rotation, - un dispositif moteur à grande course (7-9, 2326, 43-44) pour la commande en rotation du mobile intermédiaire par rapport au support, - des moyens (3, 46) de guidage en rotation du mobile principal par rapport au support, - un dispositif moteur électromagnétique linéaire (10, 35, 49) à faible course de part et d'autre d'une configuration de référence disposé en sorte d'agir tangentiellement entre le mobile intermédiaire et le mobile, - des butées (12, 13, 12', 13', 27, 28, 51) délimitant un débattement prédéterminé du mobile principal vis-à-vis du mobile intermédiaire, - des moyens de détection (100) pour fournir un signal représentatif de la position angulaire du mobile principal par rapport au support, - une boucle d'asservissement (101) connectée entre les moyens de détection et le dispositif moteur électromagnétique linéaire et recevant une valeur de consigne ; et - une boucle d'asservissement (102) agissant sur le dispositif moteur à grande course en fonction de la position angulaire relative entre le mobile principal et le mobile intermédiaire pour maintenir le dispositif moteur électromagnétique linéaire dans sa configuration de référen ce. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif moteur à grande course comporte un élément de roulement motorisé, roulant sur une piste courbe sur l'axe de rotation. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif moteur à grande course comporte un pignon motorisé (7, 7', 25, 44) engrenant sur une crémaillère courbe (9, 9', 23, 24, 43) centrée sur l'axe de rotation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pignon motorisé (7, 25) est porté par le support et la crémaillère courbe (9, 23, 24) est portée par le mobile intermédiaire. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pignon motorisé (7', 44) est porté par le mobile intermédiaire et la crémaillère (9', 43) est portée par le support. 6. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation (Z-Z) est vertical, le support (60) comporte une paroi cylindrique de guidage (61) et au moins une piste annulaire (62) sur laquelle reposent le mobile intermédiaire (41) et le mobile principal (40). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mobile intermédiaire et le mobile principal reposent sur le support au moyen de paliers sans contact. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que la piste cylindrique comporte une portion crantée sur laquelle engrène un pignon motorisé monté sur le mobile intermédiaire. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dispositif moteur à grande course comporte une pluralité d'éléments de roulement régulièrement distribués angulairement, roulant sur ladite piste courbe. 10. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation est au moins approximativement horizontal. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mobile intermédiaire comporte un flasque rotatif portant une piste de roulement (23, 24) et un dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course adapté à agir sur le mobile principal. 12. Dispositif selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que le mobile intermédiaire comporte deux flasques (21, 22) disposés axialement de part et d'autre du mobile principal, portant chacun une piste de roulement (23, 24) ménagé sur une tranche et muni chacun d'un dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que chacun des flasques comporte des butées pour délimiter un débattement du mobile principal par rapport au mobile intermédiaire. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le dispositif moteur électromagnétique linéaire à faible course est un moteur de type haut-parleur. 15. Télescope comportant un socle (60), un bâti (40) monté rotatif sur le socle autour d'un axe vertical (Z Z) et une monture (20) ayant un axe de visée (U-U) et monté rotatif sur le bâti autour d'un axe horizontal (Y-Y) ainsi que, disposés entre le socle et le bâti, d'une part, et entre la monture et le bâti, d'autre part, des dispositifs de motorisation conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 3. 16. Télescope selon la revendication 15, dans lequel le dispositif de motorisation disposé entre le bâti et le socle est conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 9. 17. Télescope selon la revendication 15 ou la revendication 16, dans lequel le dispositif de motorisation disposé entre la monture et le bâti est conforme à l'une quelconque des revendications 10 à 13.